СВЕТОВОДНЫЙ ЛАЗЕР С НАКАЧКОЙ СОЛНЕЧНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ

СВЕТОВОДНЫЙ ЛАЗЕР С НАКАЧКОЙ СОЛНЕЧНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ


RU (11) 2087062 (13) C1

(51) 6 H01S3/09 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(21) Заявка: 95107910/25 
(22) Дата подачи заявки: 1995.05.16 
(45) Опубликовано: 1997.08.10 
(56) Список документов, цитированных в отчете о поиске: 1. Авторское свидетельство СССР N 1208591, кл. H 01 S 3/0915, 1988. 2. Авторское свидетельство СССР N 1669024, кл. H 01 S 3/00, 1991. 3. Авторское свидетельство СССР N 1469528, кл. H 01 S 3/09, 1989. 
(71) Заявитель(и): Голгер Александр Леонидович; Климовский Иван Иванович; Кузяков Борис Алексеевич; Петрова Юлия Вадимовна 
(72) Автор(ы): Голгер Александр Леонидович; Климовский Иван Иванович; Кузяков Борис Алексеевич; Петрова Юлия Вадимовна 
(73) Патентообладатель(и): Голгер Александр Леонидович; Климовский Иван Иванович; Кузяков Борис Алексеевич; Петрова Юлия Вадимовна 

(54) СВЕТОВОДНЫЙ ЛАЗЕР С НАКАЧКОЙ СОЛНЕЧНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ 

Использование: изобретение относится к лазерной технике, конкретнее к твердотельным лазерам с накачкой солнечным излучением, и может быть использовано в энергетических лазерных установках, лазерной химии, в лазерной медицине, металлургии и других лазерных технологических процессах. Сущность изобретения: в твердотельном световодном лазере с солнечной накачкой, содержащем гелиоконцентратор и световодную активную среду, имеющие общую ось симметрии и оптически сопряженные между собой, устройство для размещения активной среды и систему охлаждения, включающую панели радиационного охлаждения, гелиоконцентратор выполнен в виде однозеркального фокусирующего устройства, представляющего собой устройство, образованное вращением участка L параболы вокруг оси симметрии гелиоконцентратора, параллельной оси параболы и расположенной от нее на расстоянии R со стороны, противоположной стороне, на которой находится вращаемый участок параболы, причем параметры L и R выбраны из условия соответствия площади поверхности активной среды, обращенной к солнечному излучению, и площади кольцевого фокального пятна фокусирующего устройства, устройство для размещения активной среды выполнено из теплопроводящего материала в виде усеченного конуса, обращенного своим меньшим основанием к гелиоконцентратору и имеющего с ним общую ось симметрии, при этом устройство для размещения активной среды закрыто со стороны солнца отражающим солнечное излучение экраном, а в систему охлаждения включены тепловые трубы, которые установлены в устройстве для размещения активной среды, проложены через отверстие, выполненное в центральной части концентратора, и соединены с панелями радиационного охлаждения. 3 з.п. ф-лы, 2 ил. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к лазерной технике, конкретнее к твердотельным лазерам с накачкой солнечным излучением, и может быть использовано в энергетических лазерных установках, лазерной химии, в лазерной медицине, металлургии и других лазерных технологических процессах.

Известны твердотельные световодные лазеры с накачкой солнечным излучением [1,2] содержащие концентратор солнечного излучения, твердотельную световодную активную среду и систему ее охлаждения.

Все названные лазеры имеют следующие недостатки, присущие им в совокупности или по отдельности:

низкую отражательную эффективность гелиоконцентраторов, обусловленную их составной (двух- или трехзеркальной) конструкцией, приводящей к потерям излучения накачки в результате его последовательных отражений от каждого из зеркал;

нагрев активной среды, приводящий к уменьшению коэффициента усиления лазерного излучения и, как следствие, к снижению мощности генерации и КПД лазера;

низкий спектральный КПД активной среды, обусловливающий предельный КПД лазеров на уровне 3 4%

Наиболее близким из известных к заявляемому является твердотельный лазер с накачкой солнечным излучением, описанный в [3] Известное устройство содержит гелиоконцентратор и световодную активную среду, имеющие общую ось симметрии и оптически связанные между собой, устройство для размещения активной среды и систему охлаждения, включающую панели радиационного охлаждения, расположенные в теневой части гелиоконцентратора.

Устройство позволяет осуществить накачку световодов через их боковую поверхность и получить непрерывную лазерную генерацию при охлаждении лазерной среды.

Известное устройство обладает всеми вышеперечисленными недостатками.

Например, при коэффициенте отражения зеркал К 0,9, эффективность трехзеркального гелиоконцентратора составляет К3 0,73. Спектральный КПД активной среды составляет около 10% Повышение спектрального КПД привело бы к дополнительному нагреву активной среды и, как следствие, к уменьшению эффективности преобразования излучения накачки в лазерное излучение, а в худшем случае к терморазрушению части активной среды. В качестве иллюстрации к сказанному оценим нагрев активной среды при следующих допущениях. Жгут световодов имеет прямоугольное поперечное сечение шириной l и толщиной h (l > h 0,1 см). Накачка жгута световодов солнечным излучением осуществляется со стороны одной из его широких стенок, а охлаждение с другой. Объемное энерговыделение Q постоянно по сечению жгута и равно Q 0,5Ix/h, где I солнечная постоянная (I 0,1 Вт/см ), 103. Пространство между световодами заполнено средой, теплопроводность которой равна теплопроводности материала световодов.

При сделанных допущениях нагрев световодов на освещаемой солнечным излучением поверхности жгута относительно световодов на его охлаждаемой поверхности составляет 250oC.

Предлагаемое изобретение решает задачу создания мощного лазера с накачкой солнечным излучением с высоким КПД.

Сущность изобретения заключается в том, что в твердотельном световодном лазере с солнечной накачкой, содержащем гелиоконцентратор и световодную активную среду, имеющие общую ось симметрии и оптически сопряженные между собой, устройство для размещения активной среды и систему охлаждения, включающую панели радиационного охлаждения, гелиоконцентратор выполнен в виде однозеркального фокусирующего устройства, представляющего собой устройство образованное вращением участка L параболы вокруг оси симметрии гелиоконцентратора, параллельной оси параболы и расположенной от нее на расстоянии R со стороны, противоположной стороне, на которой находится вращаемый участок параболы, причем параметры L и R выбраны из условия соответствия площади поверхности активной среды, обращенной к солнечному излучению, и площади кольцевого фокального пятна фокусирующего устройства, устройство для размещения активной среды выполнено из теплопроводящего материала в виде усеченного конуса, обращенного своим меньшим основанием к гелиоконцентратору и имеющего с ним общую ось симметрии, при этом устройство для размещения активной среды закрыто со стороны солнца отражающим солнечное излучение экраном, а в систему охлаждения включены тепловые трубы, которые установлены в устройстве для размещения активной среды, проложены через отверстие, выполненное в центральной части концентратора, и соединены с панелями радиационного охлаждения.

Активная среда может быть размещена в пазах с зеркальным покрытием поверхностей. Пазы выполнены в устройстве для размещения активной среды со стороны конической поверхности перпендикулярно ее образующей, при этом активная среда находится в тепловом контакте со стенками паза.

Кроме того, активная среда может быть выполнена из набора лазерных световодов различного типа, каждый из которых является солнечно-лазерным преобразователем своего отдельного участка солнечного спектра.

Кроме того, отражающий солнечное излучение экран может быть выполнен в виде параболоидного зеркала, обращенного к концентратору своей выпуклой стороной, в фокусе которого расположен преобразователь солнечного излучения в электрическую энергию, используемую для энергообеспечения эксплуатации лазера.

Такое выполнение лазера позволяет, во-первых, обеспечить необходимую степень концентрации солнечного излучения с помощью однозеркального концентратора, сводя тем самым потери солнечного излучения на отражение до минимума, во-вторых, избежать нагрева активной среды, приводящего к снижению мощности генерации лазера.

Расположение световодов в пазах в теплопроводящем материале усиливает теплоотвод от активной среды, приводя к уменьшению ее нагрева и, следовательно, к росту КПД и мощности генерации лазера. В качестве теплопроводящего материала могут быть использованы металлы, например медь и ее сплавы, или керамики, например нитрид бора.

Выполнение активной среды в виде набора световодов различных типов расширяет спектральную область солнечного излучения, преобразуемое в лазерное, и, тем самым, обеспечивает увеличение КПД и мощности лазера.

Кроме того, глубина h отдельного паза для размещения активной среды и величина коэффициента поглощения света в световодах k(z) в зависимости от координаты z вдоль паза связаны соотношением



Это условие обеспечивает однородную накачку отдельных световодов на уровне, необходимом для возбуждения в них генерации, и исключает тем самым возможность потерь солнечного излучения в световодах, уровень излучения накачки в которых будет не достаточен для возбуждения генерации.

Такое выполнение устройства позволяет работать при степенях концентрации солнечного излучения около 103, спектральных КПД активной среды 20 40% и в области рабочих температур активных сред, что приводит к увеличению мощности генерации и КПД лазера.

На фиг. 1 схематически изображено продольное сечение предлагаемого лазера; на фиг.2 продольное сечение устройства для размещения активной среды.

Световодный лазер содержит гелиоконцентратор 1 и световодную активную среду 2, установленную в устройстве 3 для размещения активной среды 2, и систему охлаждения, причем гелиоконцентратор 1 и устройство 3 для размещения активной среды 2, имеют общую ось симметрии и оптически связаны между собой. Гелиоконцентратор 1 выполнен в виде однозеркального фокусирующего устройства, образованного вращением участка параболы АВ вокруг оси симметрии гелиоконцентратора, параллельной оси параболы и расположенной от нее на расстоянии R со стороны, противоположной стороне, на которой находится вращаемый участок параболы. При этом параметры L и R выбраны из условия соответствия площади поверхности активной среды, обращенной к солнечному излучению, и площади кольцевого фокального пятна фокусирующего устройства.

Устройство 3 для размещения активной среды 2 выполнено из теплопроводного материала с поверхностью 4, представляющей собой боковую поверхность усеченного конуса, обращенного своим меньшим основанием к вогнутой поверхности гелиоконцентратора 1. Активная среда 2, расположена на боковой поверхности 4 усеченного конуса. Устройство 3 для размещения активной среды 2 закрыто со стороны солнца отражающим солнечное излучение экраном 5. Система охлаждения лазера выполнена в виде тепловых труб 6, соединяющих устройство 3 размещения активной среды 2 с задней (не зеркальной) поверхностью концентратора 1 и с расположенными в его тени панелями 7 радиационного охлаждения и проложенными через отверстие, выполненное в центральной части концентратора 1.

Для уменьшения нагрева активной среды она может располагаться в пазах 8 (фиг. 2), выполненных в устройстве 3 для размещения активной среды 2 со стороны конической поверхности 4 перпендикулярно ее образующей и имеющих зеркальное покрытие, и находится в тепловом контакте со стенками паза 9. Активная среда 2 выполнена из набора лазерных световодов различного типа, отличающихся, например, материалом сердцевины световода, каждый из которых является солнечно-лазерным преобразователем своего участка солнечного спектра.

С целью уменьшения потерь солнечного излучения, обусловленных особенностями конструкции лазера, и обеспечения автономности его работы отражающий солнечное излучение экран 5 (фиг. 2) выполнен в виде параболоидного зеркала, обращенного к концентратору 1 своей выпуклой стороной, в фокусе которого расположен преобразователь 10 солнечного излучения в электрическую энергию, используемую для энергообеспечения эксплуатации лазера и слежения лазера за солнцем.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Гелиоконцентратор 1 (фиг. 1) фокусирует падающее на него солнечное излучение на активную среду 2 (фиг. 1), состоящую из световодов одного или нескольких типов. Лазерные световоды поглощают солнечное и генерируют лазерное излучение, распространяющееся вдоль них. Каждый тип световодов поглощает солнечное излучение в своем участке спектра и генерирует на своей длине волны. Отметим, что полученное таким образом многоволновое лазерное излучение может быть сведено в один или несколько световодов и передаваться на значительные расстояния практически без потерь. Тепло, выделяющееся в активной среде 2 (фиг. 1) во время работы лазера, передается устройству 3 (фиг. 1, 2) для размещения активной среды, а от него посредством тепловых труб 6 (фиг. 1, 2) к задней (не зеркальной) поверхности гелиоконцентратора 1 (фиг. 1) и к расположенным в его тени панелям 7 (фиг. 1) радиационного охлаждения. Солнечное излучение, отраженное экраном 5 (фиг. 2), выполненным в виде параболоидного зеркала, направляется на преобразователь 10 (фиг. 2) солнечного излучения в электрическую энергию, которая используется для энергообеспечения эксплуатации лазера и слежения лазера за солнцем. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



1. Световодный лазер с накачкой солнечным излучением, содержащий гелиоконцентратор и световодную активную среду, имеющие общую ось симметрии и оптически связанные между собой, устройство для размещения активной среды и систему охлаждения, включающую панели радиационного охлаждения, расположенные в теневой части гелиоконцентратора, отличающийся тем, что устройство для размещения активной среды выполнено из теплопроводящего материала в виде усеченного конуса, на боковой поверхности которого расположена активная среда, при этом усеченный конус обращен своим меньшим основанием к вогнутой поверхности гелиоконцентратора, выполненного в виде фокусирующего устройства, представляющего собой устройство, образованное вращением участка параболы длиной L вокруг оси симметрии гелиоконцентратора, параллельной оси параболы и расположенной от этой оси на расстоянии R со стороны, противоположной стороне, на которой расположен вращаемый участок параболы, причем параметры L и R выбраны из условия равенства площади поверхности активной среды, обращенной к солнечному излучению и площади кольцевого фокального пятна фокусирующего устройства, при этом устройство для размещения активной среды закрыто со стороны падающего солнечного излучения отражающим экраном, а система охлаждения содержит тепловые трубы, которые установлены в устройстве для размещения активной среды, проложены через отверстие, выполненное в центральной части концентратора, и соединены с панелями радиационного охлаждения.

2. Лазер по п.1, отличающийся тем, что активная среда размещена в пазах, выполненных в устройстве для размещения активной среды на боковой конической поверхности перпендикулярно ее образующей, причем пазы имеют зеркальное покрытие, а световодная среда размещена в пазах с тепловым контактом.

3. Лазер по пп.1 и 2, отличающийся тем, что активная среда состоит из набора лазерных световодов различного типа, каждый из которых выполнен в виде солнечно-лазерного преобразователя своего отдельного участка солнечного спектра.

4. Лазер по п.1, отличающийся тем, что экран, отражающий солнечное излучение, выполнен в виде параболоидного зеркала, обращенного к концентратору своей выпуклой стороной, в фокусе которого расположен преобразователь солнечного излучения в электрическую энергию.


ПРОЧИТАТЬ НУЖНО ВСЕМ !
Судьба пионерских изобретений и научных разработок, которым нет и не будет аналогов на планете еще лет сорок, разве что у инопланетян



Независимый научно технический портал

Подборка патентов изобретений и технологий относящихся к лазерным квантовым генераторам, а именно лазеры и лазерное оборудование:

- твердотельные полупроводниковые лазеры

- газовые лазеры

- химические лазеры

- практическое применение в промышленности, науке и в быту газовых, твердотельных и химических лазеров.


Лазеры. Лазерное оборудование






СОВЕРШЕННО БЕСПЛАТНО!
Вам нужна ПОЛНАЯ ВЕРСИЯ данного патента? Сообщите об этом администрации портала. В сообщении обязательно укажите ссылку на данную страницу.


ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ


Режим поиска:"и" "или"

Инструкция. Ключевые слова в поле ввода разделяются пробелом или запятой. Регистр не имеет значения.

Режим поиска "И" означает, что будут найдены только те страници, где встречается каждое из ключевых слов. При использовании режима "или" результатом поиска будут все страници, где встречается хотя бы одно ключевое слово.

В любом режиме знак "+" перед ключевым словом означает, что данное ключевое слово должно присутствовать в найденных файлах. Если вы хотите исключить какое-либо слово из поиска, поставьте перед ним знак "-". Например: "+газовый -лазер".

Поиск выдает все данные, где встречается введенное Вами слово. Например, при запросе "лазер" будут найдены слова "лазеры", "лазерный" и другие. Восклицательный знак после ключевого слова означает, что будут найдены только слова точно соответствующие запросу ("лазер!").



Рейтинг@Mail.ru