RU2607269C1 - Device for compensation of thermal expansion of cooling liquid of solid-state laser active member (versions) - Google Patents

Device for compensation of thermal expansion of cooling liquid of solid-state laser active member (versions) Download PDF

Info

Publication number
RU2607269C1
RU2607269C1 RU2015141206A RU2015141206A RU2607269C1 RU 2607269 C1 RU2607269 C1 RU 2607269C1 RU 2015141206 A RU2015141206 A RU 2015141206A RU 2015141206 A RU2015141206 A RU 2015141206A RU 2607269 C1 RU2607269 C1 RU 2607269C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
coolant
capillary
active element
solid
laser
Prior art date
Application number
RU2015141206A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Наталья Борисовна Ярулина
Анатолий Александрович Абышев
Original Assignee
Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом"), Федеральное государственное унитарное предприятие "Российский федеральный ядерный центр - Всероссийский научно-исследовательский институт технической физики имени академика Е.И. Забабахина" filed Critical Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом")
Priority to RU2015141206A priority Critical patent/RU2607269C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2607269C1 publication Critical patent/RU2607269C1/en

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/042—Arrangements for thermal management for solid state lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/0407—Liquid cooling, e.g. by water

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)

Abstract

FIELD: laser engineering.
SUBSTANCE: device for compensation of thermal expansion of cooling liquid of solid-state laser active member has inlet, outlet collectors, connected with channels and a circular channel, formed by a tube surrounding the active member. Device is equipped with additional inlet and outlet collectors, connected to channels, which are capillary. Cooling liquid has fixed volume, its level always exceeds connection point of the capillary channels with additional inlet, outlet collectors.
EFFECT: technical result is reliable operation of a cooling system of the active member under severe conditions.
2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к твердотельным лазерам с диодной накачкой, в частности к элементам конструкции систем охлаждения твердотельных лазеров, и может быть использовано при изготовлении лазерной техники.The invention relates to diode-pumped solid-state lasers, in particular to structural elements of solid-state laser cooling systems, and can be used in the manufacture of laser technology.

Известно изобретение под названием «Устройство лазера», заявка США №2004247003, МПК H01S 3/04, S3/042, 3/06, опубл. 2004 г., в котором описано устройство охлаждения активного элемента (АЭ), которое содержит каналы, соединенные с кольцевым каналом, образованным трубкой, охватывающей активный элемент. В качестве ОЖ используется хладагент D2O, который имеет низкий коэффициент оптического поглощения.The invention is known under the name "Laser Device", US application No. 2004247003, IPC H01S 3/04, S3 / 042, 3/06, publ. 2004, which describes a device for cooling an active element (AE), which contains channels connected to an annular channel formed by a tube surrounding the active element. The coolant used is D 2 O refrigerant, which has a low optical absorption coefficient.

Данное устройство может применяться для твердотельных лазеров высокой и средней мощности, осветителей различной конфигурации, при размещении охлаждающей жидкости между источником накачки и активной средой.This device can be used for solid-state lasers of high and medium power, illuminators of various configurations, when placing a coolant between the pump source and the active medium.

В данном устройстве охлаждения АЭ лазера предлагается эффективное охлаждение прокачкой хладагента D2O вдоль поверхности АЭ, что предусматривает отдельную систему охлаждения лазера с применением насоса, что значительно увеличивает массогабаритные характеристики лазера.This AE laser cooling device offers efficient cooling by pumping D 2 O refrigerant along the AE surface, which provides a separate laser cooling system using a pump, which significantly increases the laser’s overall dimensions.

Известно изобретение под названием «Устройство твердотельного лазера», заявка Японии №2001185785, МПК H01S 3/042, 3/094, 3/23, опубл. 2001 г., в котором описано устройство охлаждения активного элемента твердотельного лазера. Данное устройство является наиболее близким аналогом заявляемого изобретения и выбрано в качестве прототипа.The invention is known under the name "Solid State Laser Device", Japanese application No. 2001185785, IPC H01S 3/042, 3/094, 3/23, publ. 2001, which describes a device for cooling the active element of a solid-state laser. This device is the closest analogue of the claimed invention and is selected as a prototype.

Устройство охлаждения твердотельного лазера содержит входной, выходной коллекторы, соединенные с каналами и кольцевым каналом, образованным трубкой, охватывающей активный элемент.The solid-state laser cooling device comprises input and output collectors connected to channels and an annular channel formed by a tube enclosing the active element.

Каналы направлены в разные стороны с целью уменьшения зон застоя в направлении движения ОЖ. На внутренней поверхности трубки размещена спиралевидная канавка.The channels are directed in different directions in order to reduce stagnation zones in the direction of coolant movement. On the inner surface of the tube there is a spiral groove.

Данное устройство позволяет эффективно выравнивать температурные градиенты, возникающие в АЭ, а также позволяет избежать застойных зон в кольцевом канале охлаждения АЭ. Однако оно предназначено для охлаждения АЭ прокачкой теплоносителя, что предполагает использование системы охлаждения с применением насоса, что также соответственно увеличивает массогабаритные характеристики лазера.This device allows you to effectively equalize the temperature gradients arising in the AE, and also avoids stagnant zones in the annular cooling channel of the AE. However, it is intended for cooling the AE by pumping the coolant, which involves the use of a cooling system using a pump, which also accordingly increases the overall dimensions of the laser.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения, - снижение массогабаритных характеристик устройства охлаждения, обеспечение надежной работы системы охлаждения активного элемента в жестких условиях эксплуатации (при воздействии широкого диапазона рабочих температур, вибраций и ударов).The technical result obtained by using the proposed technical solution is to reduce the overall dimensions of the cooling device, to ensure reliable operation of the cooling system of the active element in harsh operating conditions (when exposed to a wide range of operating temperatures, vibrations and shocks).

Сущность первого варианта заключается в том, что устройство компенсации термического расширения охлаждающей жидкости активного элемента твердотельного лазера, содержащее входной, выходной коллекторы, соединенные с каналами и кольцевым каналом, образованным трубкой, охватывающей активный элемент, согласно изобретению снабжено дополнительными входным и выходным коллекторами, соединенными с каналами, которые выполнены капиллярными, охлаждающая жидкость имеет стационарный объем, ее уровень всегда превышает место соединения капиллярных каналов с дополнительными входным, выходным коллекторами.The essence of the first option lies in the fact that the device for compensating the thermal expansion of the coolant of the active element of a solid-state laser, containing input, output collectors connected to channels and an annular channel formed by a tube enclosing the active element, according to the invention is equipped with additional input and output collectors connected to channels, which are made capillary, the coolant has a stationary volume, its level always exceeds the junction of the capillary channels with additional input, output collectors.

Известно, что срок эксплуатации лазера достаточно длителен. Все его составляющие части (элементы, компоненты) при условии герметичности (закрытое состояние) должны надежно работать без обслуживания в течение длительного срока. Защита целостности и сохранности лазера на протяжении всего срока службы весьма важны не только по причине высоких финансовых затрат на создание (обслуживание), но также и в целях предотвращения дополнительных затрат на проведение технического обслуживания лазера и замены его составных частей в результате потери работоспособности.It is known that the life of the laser is quite long. All its constituent parts (elements, components), subject to tightness (closed state), must operate reliably without maintenance for a long period. Protection of the integrity and safety of the laser throughout its entire life cycle is very important not only because of the high financial costs of creating (maintaining), but also in order to prevent additional costs for maintenance of the laser and replacing its components as a result of loss of operability.

В целях снижения массогабаритных характеристик лазера авторами было предложено применение устройства надежной системы охлаждения активного элемента без прокачки охлаждающей жидкости (стационарной). Однако в ходе экспериментов по отработке стационарного блока охлаждения лазерного кристалла специалисты столкнулись с рядом серьезных трудностей. Это связано со следующим.In order to reduce the overall dimensions of the laser, the authors proposed the use of a device of a reliable cooling system for the active element without pumping coolant (stationary). However, in the course of experiments to develop a stationary laser crystal cooling unit, specialists faced a number of serious difficulties. This is due to the following.

При работе лазера в результате нагрева активного элемента и изменении температуры окружающей среды в объеме с охлаждающей жидкостью стационарной системы охлаждения активного элемента в результате температурного расширения возрастает внутреннее давление. Вследствие этого происходит выдавливание жидкости через уплотнения, герметизирующие активный элемент и трубку, вследствие этого в системе охлаждения активного элемента уменьшается объем жидкости и при последующем сжатии охлаждающей жидкости после остывания возникают паровые пузырьки, приводящие к неработоспособности осветителя и стационарного охлаждения.When the laser is operating as a result of heating the active element and changing the ambient temperature in the volume with coolant of the stationary cooling system of the active element, the internal pressure increases as a result of thermal expansion. As a result of this, fluid is squeezed out through seals that seal the active element and the tube; as a result, the volume of liquid in the cooling system of the active element decreases and, with subsequent compression of the cooling liquid after cooling, vapor bubbles arise, which lead to inoperability of the illuminator and stationary cooling.

В охлаждающей жидкости стационарной системы охлаждения активного элемента твердотельного лазера с диодной накачкой в течение длительного срока службы лазера происходят оптотермодинамические и физико-химические процессы под воздействием мощного излучения диодной накачки. Применение лазера в жестких условиях эксплуатации способствует тому, что охлаждающая жидкость в стационарном блоке при воздействии широкого диапазона рабочих температур, ударов и вибраций может вести себя непредсказуемым образом. В результате может произойти уменьшение объема охлаждающей жидкости по причине разгерметизации блока стационарного охлаждения, а следовательно, и падение энергетики лазера. Для определения причин, состояния и уровня охлаждающей жидкости необходимо было останавливать работу лазера, выполнять сложную разборку, сборку с последующей заменой деталей. В ходе решения проблемы возникла необходимость разработки такой стационарной системы охлаждения, которая обеспечила бы надежную работу лазера в течение всего срока службы.In the coolant of a stationary cooling system of the active element of a solid-state laser with diode pumping, optothermodynamic and physicochemical processes occur under the influence of high-power diode pump radiation over a long laser life. The use of a laser in harsh operating conditions contributes to the fact that the coolant in a stationary unit when exposed to a wide range of operating temperatures, shock and vibration can behave in an unpredictable way. As a result, a decrease in the volume of coolant can occur due to depressurization of the stationary cooling unit, and, consequently, a drop in the laser energy. To determine the causes, condition and level of the coolant, it was necessary to stop the laser operation, perform complex disassembly, assembly with the subsequent replacement of parts. In the course of solving the problem, it became necessary to develop such a stationary cooling system that would ensure reliable operation of the laser throughout the entire service life.

Для решения этой проблемы существует практика создания дополнительного объема (полости), либо заполненного газом (обычно воздухом), либо вакуумируемого. Однако в случае применения газа при транспортировании, а также работе лазера в условиях воздействия внешних факторов (при воздействии широкого диапазона рабочих температур, вибраций и ударов) происходит образование пузырьков газа в жидкости, попадающих в кольцевой канал охлаждения (зазор, образованный активным элементом и трубкой, его охватывающей). Возникшие пузырьки газа не имеют возможности выйти из зазора, так как его размер невелик. В результате возникновения пузырей между элементами накачки и активным элементом уменьшается коэффициент пропускания охлаждающей жидкости, снижается кпд осветителя. При использовании вакуумированного объема происходит образование пузырьков пара с аналогичными последствиями.To solve this problem, there is the practice of creating an additional volume (cavity), either filled with gas (usually air), or evacuated. However, in the case of the use of gas during transportation, as well as the operation of the laser under the influence of external factors (under the influence of a wide range of operating temperatures, vibrations and shocks), gas bubbles in the liquid enter the annular cooling channel (the gap formed by the active element and the tube, covering it). The resulting gas bubbles are not able to leave the gap, since its size is small. As a result of the occurrence of bubbles between the pump elements and the active element, the transmittance of the coolant decreases, and the efficiency of the illuminator decreases. When using the evacuated volume, vapor bubbles form with similar consequences.

В свете этого легко увидеть, что предшествующие усилия не привели к созданию стационарной системы охлаждения АЭ с необходимым качеством: не обеспечена надежная работа системы охлаждения в жестких условиях эксплуатации. Существующие средства нуждаются в усовершенствовании и не позволяют использовать требуемой стационарной системы для охлаждения активного элемента.In light of this, it is easy to see that previous efforts did not lead to the creation of a stationary AE cooling system with the necessary quality: reliable operation of the cooling system in harsh operating conditions was not ensured. Existing facilities need improvement and do not allow the use of the required stationary system for cooling the active element.

Однако авторами настоящего изобретения сделан важный шаг по направлению к лучшему пониманию тех процессов, которые происходят в стационарной системе охлаждения активного элемента твердотельного лазера с диодной накачкой, работающего в жестких режимах эксплуатации. Это потребовало неординарного подхода к существующей проблеме, поскольку если бы уже существовали эффективные методы и средства, на практике признанные полезными, они имели бы в настоящее время известность и промышленное применение.However, the authors of the present invention made an important step towards a better understanding of the processes that occur in a stationary cooling system of the active element of a diode-pumped solid-state laser operating in harsh operating conditions. This required an extraordinary approach to the existing problem, since if there were already effective methods and means that were found to be useful in practice, they would now have fame and industrial application.

Для того чтобы такое усовершенствование существующих средств стало эффективным инструментом, оно должно обеспечить бесперебойную работу стационарной системы охлаждения активного элемента в течение всего срока службы лазера.In order for such an improvement of existing facilities to become an effective tool, it must ensure the uninterrupted operation of the stationary cooling system of the active element throughout the entire life of the laser.

В основу данного изобретения положена задача исключить эти проблемы. Для того чтобы дополнительный объем мог выполнять свои функции должным образом, вместе с введением дополнительных коллекторов, вводят и капиллярные каналы. В этом случае (при условии правильного подбора охлаждающей жидкости с учетом рабочих режимов лазера) граница жидкость-газ находится в дополнительном коллекторе и отделена от основного объема капилляром, при этом капилляр препятствует перемешиванию жидкости между объемом охлаждения и дополнительным коллектором, предотвращая попадание пузырьков в основной объем. Поскольку движение жидкости в капилляре обусловлено только тепловым расширением жидкости, а длина капилляра достаточно велика, чтобы случайно попавший в капилляр пузырек в результате сжатия жидкости при охлаждении, а также при расширении охлаждающей жидкости в результате нагрева удалился обратно в дополнительный коллектор. Поэтому, в результате воздействия внешних факторов, при образовании пузырьков в дополнительном коллекторе, пузырьки не имеют возможности попасть в кольцевой канал охлаждения активного элемента.The basis of this invention is the task of eliminating these problems. In order for the additional volume to perform its functions properly, along with the introduction of additional collectors, capillary channels are also introduced. In this case (provided that the coolant is correctly selected taking into account the laser operating conditions), the liquid-gas interface is located in the additional collector and is separated from the main volume by a capillary, while the capillary prevents mixing of the liquid between the cooling volume and the additional collector, preventing bubbles from entering the main volume . Since the movement of the liquid in the capillary is due only to the thermal expansion of the liquid, and the length of the capillary is large enough so that a bubble that accidentally enters the capillary as a result of compression of the liquid during cooling, as well as during expansion of the cooling liquid as a result of heating, is removed back to the additional collector. Therefore, as a result of external factors, during the formation of bubbles in the additional collector, the bubbles are not able to get into the annular cooling channel of the active element.

При этом охлаждающая жидкость имеет такой стационарный объем, что ее уровень всегда превышает место соединения капиллярного канала с дополнительным коллектором таким образом, чтобы при охлаждении до минимальной рабочей температуры случайно попавший пузырек не доходил до конца капилляра.At the same time, the coolant has such a stationary volume that its level always exceeds the junction of the capillary channel with an additional collector so that, when cooled to the minimum operating temperature, an accidentally falling bubble does not reach the end of the capillary.

В настоящем изобретении удалось избежать возникновения пузырей в объеме с охлаждающей жидкостью и таким образом обеспечить надежную работу системы охлаждения активного элемента в жестких условиях эксплуатации, создав компактное герметичное устройство при снижении массогабаритных характеристик лазера в целом.In the present invention, it was possible to avoid the occurrence of bubbles in the volume with the coolant and thus ensure reliable operation of the cooling system of the active element in harsh operating conditions, creating a compact sealed device while reducing the overall weight and size characteristics of the laser.

Таким образом, указанные выше ограничения и недостатки существующих средств преодолеваются настоящим изобретением, при этом предложено новое устройство именно компенсации термического расширения охлаждающей жидкости стационарной системы охлаждения активного элемента. Такое усовершенствованное средство для гарантированно надежной работы стационарной системы охлаждения АЭ твердотельного лазера с диодной накачкой не было известно ранее.Thus, the above limitations and disadvantages of existing means are overcome by the present invention, while a new device is proposed namely compensation for thermal expansion of the coolant of a stationary cooling system of the active element. Such an improved tool for guaranteed reliable operation of a stationary cooling system for AE of a diode-pumped solid-state laser was not previously known.

Сущность второго варианта изобретения заключается в том, что устройство компенсации термического расширения охлаждающей жидкости активного элемента твердотельного лазера, содержащее входной, выходной коллекторы, соединенные с каналом и кольцевым каналом, образованным трубкой, охватывающей активный элемент, согласно изобретению снабжено дополнительным коллектором, соединенным с каналом, который выполнен капиллярным, охлаждающая жидкость имеет стационарный объем, ее уровень всегда превышает место соединения капиллярного канала с дополнительным коллектором.The essence of the second embodiment of the invention lies in the fact that the device for compensating the thermal expansion of the coolant of the active element of a solid-state laser, containing input and output collectors connected to the channel and an annular channel formed by a tube enclosing the active element, according to the invention is equipped with an additional collector connected to the channel, which is made capillary, the coolant has a stationary volume, its level always exceeds the junction of the capillary channel with additionally collector.

Принцип действия устройства компенсации по второму варианту аналогичен работе устройства компенсации по первому варианту. А достигаемый при этом технический результат такой же, как и при осуществлении устройства по первому варианту. Отличие заключается в том, что устройство по второму варианту позволяет снизить количество герметизируемых соединений.The principle of operation of the compensation device according to the second embodiment is similar to the operation of the compensation device according to the first embodiment. And the technical result achieved in this case is the same as when implementing the device according to the first embodiment. The difference is that the device according to the second embodiment allows to reduce the number of sealed joints.

Несмотря на простоту изобретение имеет изобретательский уровень, поскольку приводит к техническому результату, который не был очевиден при новой конструкции устройства.Despite the simplicity, the invention has an inventive step, since it leads to a technical result that was not obvious with the new device design.

При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявлении источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков от прототипа, изложенных в формуле изобретения. При этом устройство в соответствии с настоящим изобретением явно демонстрирует новизну и обеспечивает надежную работу лазера в течение всего срока его службы, что весьма актуально с точки зрения промышленной экономики. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».When conducting analysis of the prior art, including a search by patent and scientific and technical sources of information, and identifying sources containing information about analogues of the claimed invention, no analogues were found that are characterized by features that are identical to all the essential features of this invention. The definition from the list of identified analogues of the prototype as the closest in the set of essential features of the analogue allowed to identify the set of essential distinguishing features from the prototype set forth in the claims. Moreover, the device in accordance with the present invention clearly demonstrates the novelty and ensures reliable operation of the laser throughout its life, which is very important from the point of view of the industrial economy. Therefore, the claimed invention meets the condition of "novelty."

Несмотря на простоту изобретение имеет изобретательский уровень, поскольку приводит к техническому результату, который не был очевиден при новой конструкции устройства. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «изобретательский уровень».Despite the simplicity, the invention has an inventive step, since it leads to a technical result that was not obvious with the new device design. Therefore, the claimed invention meets the condition of "inventive step".

На фиг. 1 представлен общий вид устройства по первому варианту.In FIG. 1 shows a General view of the device according to the first embodiment.

На фиг. 2 представлен общий вид устройства по второму варианту.In FIG. 2 shows a general view of the device according to the second embodiment.

Устройство компенсации термического расширения охлаждающей жидкости активного элемента твердотельного лазера по первому варианту содержит входной, выходной коллекторы 1, кольцевой канал δ, капиллярные каналы а и дополнительные входной, выходной коллекторы 2 (фиг. 1). Кольцевой канал δ образован трубкой 3, которая охватывает активный элемент (АЭ) 4, и формирует слой жидкости, охлаждающий АЭ. Трубка 3 выполнена из материала, оптически прозрачного для излучения накачки (например, стекло, плавленый кварц, лейкосапфир и т.д.). Диаметр и толщина трубки рассчитываются, исходя из требуемой фокусировки излучения накачки.The device for compensating the thermal expansion of the coolant of the active element of a solid-state laser according to the first embodiment comprises input, output collectors 1, an annular channel δ, capillary channels a and additional input and output collectors 2 (Fig. 1). The annular channel δ is formed by a tube 3, which covers the active element (AE) 4, and forms a liquid layer cooling the AE. The tube 3 is made of a material that is optically transparent for pump radiation (for example, glass, fused quartz, leucosapphire, etc.). The diameter and thickness of the tube are calculated based on the required focusing of the pump radiation.

Входной, выходной коллекторы 1 соединены между собой кольцевым каналом δ, а с дополнительными входным, выходным коллекторами 2 - капиллярными каналами а. Объем охлаждающей жидкости (ОЖ) в устройстве компенсации стационарный, а ее уровень в системе охлаждения АЭ всегда превышает место соединения b капиллярных каналов а с дополнительным входным, выходным коллекторами 2. Кольцевой канал δ и входной, выходной коллекторы 1 образуют блок охлаждения АЭ 4.The input and output collectors 1 are interconnected by an annular channel δ, and with additional input and output collectors 2, by capillary channels a . The volume of coolant (coolant) in the compensation device is stationary, and its level in the AE cooling system always exceeds the connection point b of the capillary channels a with the additional input, output headers 2. The annular channel δ and the input and output headers 1 form the AE 4 cooling unit.

АЭ 4 и трубка 3 конструктивно установлены в корпусе оптической усилительной головки либо квантового генератора герметично при помощи уплотнений (не показано).AE 4 and tube 3 are structurally installed in the housing of the optical amplification head or quantum generator hermetically using seals (not shown).

Устройство компенсации термического расширения охлаждающей жидкости активного элемента твердотельного лазера по второму варианту содержит входной, выходной коллекторы 1, кольцевой канал δ, капиллярный канал а и дополнительный коллектор 2 (фиг. 2). Кольцевой канал δ образован трубкой 3, которая охватывает активный элемент (АЭ) 4, и формирует слой жидкости, охлаждающий АЭ. Трубка 3 выполнена из материала, оптически прозрачного для излучения накачки (например, стекло, плавленый кварц, лейкосапфир и т.д.). Диаметр и толщина трубки рассчитываются исходя из требуемой фокусировки излучения накачки.The device for compensating the thermal expansion of the coolant of the active element of a solid-state laser according to the second embodiment contains an input and output collectors 1, an annular channel δ, a capillary channel a, and an additional collector 2 (Fig. 2). The annular channel δ is formed by a tube 3, which covers the active element (AE) 4, and forms a liquid layer cooling the AE. The tube 3 is made of a material that is optically transparent for pump radiation (for example, glass, fused quartz, leucosapphire, etc.). The diameter and thickness of the tube are calculated based on the required focusing of the pump radiation.

Входной и выходной коллекторы 1 соединены между собой кольцевым каналом δ и соединены с дополнительным коллектором 2 капиллярным каналом а. Объем ОЖ в устройстве компенсации стационарный, а уровень ОЖ в системе охлаждения АЭ всегда превышает место соединения b капиллярного канала а с дополнительным коллектором 2. Кольцевой канал δ и входной, выходной коллекторы 1 образуют блок охлаждения АЭ 4.The input and output collectors 1 are interconnected by an annular channel δ and are connected to an additional collector 2 by a capillary channel a. The volume of coolant in the compensation device is stationary, and the coolant level in the AE cooling system always exceeds the connection point b of the capillary channel a with an additional collector 2. The annular channel δ and the input and output collectors 1 form the AE 4 cooling unit.

АЭ 4 и трубка 3 конструктивно установлены в корпусе оптической усилительной головки либо квантового генератора герметично при помощи уплотнений (не показано).AE 4 and tube 3 are structurally installed in the housing of the optical amplification head or quantum generator hermetically using seals (not shown).

Устройство компенсации термического расширения по первому варианту работает следующим образом. При заполнении устройства в дополнительный входной коллектор 2 подается ОЖ, объем VОЖ которой фиксирован и получен расчетным путем с учетом диапазона рабочих температур твердотельного лазера. VОЖ из дополнительного входного коллектора 2 проходит по капиллярному каналу а, попадает во входной коллектор 1, позволяющий равномерно заполнить кольцевой канал шириной δ охлаждения АЭ 4. ОЖ заполняет весь объем блока охлаждения АЭ 4 вдоль всей поверхности АЭ и контактирует с ней. На выходе из кольцевого канала δ противоположного конца АЭ 4 ОЖ в обратном порядке собирается в выходной коллектор 1, затем через капиллярный канал а выходит в дополнительный выходной коллектор 2 на выходе устройства и образует в дополнительных коллекторах 2 с двух сторон симметрично АЭ объем жидкости Vжидк и объем воздуха Vвозд.The thermal expansion compensation device according to the first embodiment operates as follows. When filling in the additional device input manifold 2 is fed coolant, the coolant volume V is fixed and which is obtained by calculation taking into account the operating temperature range of the solid-state laser. V coolant from the additional inlet manifold 2 passes through the capillary channel a , enters the inlet collector 1, which makes it possible to uniformly fill the annular channel with the cooling width δ of AE 4. The coolant fills the entire volume of the cooling unit AE 4 along the entire surface of the AE and contacts it. At the exit from the annular channel δ of the opposite end of the AE 4, the coolant is collected in the reverse order to the output collector 1, then through the capillary channel a it goes to the additional output collector 2 at the output of the device and forms in the additional collectors 2 from two sides symmetrically AE the volume of liquid V liquid and air volume V air

При работе лазера на элементы накачки 5 (фиг. 1) подается ток накачки с заданной амплитудой, возникает излучение накачки, проходящее сквозь трубку 3 и ОЖ кольцевого канала δ, при этом большая часть излучения поглощается АЭ 4, часть поглощенной энергии накачки идет на тепловые потери, нагревая АЭ 4. При нагреве ОЖ от АЭ 4, а также при повышении температуры окружающей среды происходит расширение объема VОЖ, при этом объем Vжидк в дополнительном коллекторе 2 увеличивается, а Vвозд уменьшается. При понижении температуры окружающей среды происходит сокращение объема VОЖ, при этом объем Vжидк в дополнительном коллекторе 2 уменьшается, а Vвозд увеличивается. Охлаждающая жидкость, подобранная с учетом температурных режимов работы лазера, обеспечивает эффективное стационарное охлаждение АЭ во всех режимах эксплуатации лазера. Капиллярный канал а предотвращает образование пузырьков воздуха в блоке охлаждения АЭ 4, которые могут возникнуть при воздействии внешних факторов (повышении или понижении температуры окружающей среды, вибраций и ударов) и в результате снизить эффективность накачки, особенно в кольцевом канале δ, а следовательно, и кпд осветителя.When the laser is operating, a pump current with a given amplitude is supplied to the pump elements 5 (Fig. 1), pump radiation occurs that passes through the tube 3 and the coolant of the annular channel δ, while most of the radiation is absorbed by AE 4, part of the absorbed pump energy is spent on heat loss heating AE 4. When heating the coolant from AE 4, as well as with increasing ambient temperature, the volume of V coolant expands, while the volume of V fluid in the additional manifold 2 increases and V air decreases. As the ambient temperature decreases, the volume of V coolant decreases, while the volume of V fluid in the additional manifold 2 decreases, and V air increases. The cooling fluid, selected taking into account the temperature conditions of the laser, provides effective stationary cooling of the AE in all modes of operation of the laser. The capillary channel a prevents the formation of air bubbles in the cooling unit AE 4, which can occur when external factors (increase or decrease in the ambient temperature, vibrations and shocks) and as a result reduce the pumping efficiency, especially in the annular channel δ, and, consequently, the efficiency illuminator.

Устройство по второму варианту работает аналогично устройству по первому варианту, отличие заключается в том, что внутренний объем устройства по второму варианту, содержащего один капиллярный канал а и дополнительный коллектор 2, сначала вакуумируется, затем в дополнительный входной коллектор 2 подается ОЖ, объем VОЖ которой фиксирован и получен расчетным путем с учетом диапазона рабочих температур твердотельного лазера. VОЖ из дополнительного входного коллектора 2 проходит по капиллярному каналу а, попадает во входной коллектор 1, позволяющий равномерно заполнить кольцевой канал шириной δ охлаждения АЭ 4. ОЖ заполняет весь объем блока охлаждения АЭ 4 вдоль всей поверхности АЭ и контактирует с ней. На выходе из кольцевого канала δ противоположного конца АЭ 4 ОЖ собирается в выходной коллектор 1.The apparatus according to the second embodiment operates similarly to the device of the first embodiment, the difference lies in the fact that the inner volume of the device according to the second embodiment containing one capillary channel a and additional manifold 2 is first evacuated, then an additional inlet manifold 2 is fed coolant volume V which coolant fixed and calculated by taking into account the operating temperature range of a solid-state laser. V coolant from the additional inlet manifold 2 passes through the capillary channel a , enters the inlet collector 1, which makes it possible to uniformly fill the annular channel with the cooling width δ of AE 4. The coolant fills the entire volume of the cooling unit AE 4 along the entire surface of the AE and contacts it. At the exit from the annular channel δ of the opposite end of the AE 4, the coolant is collected in the output collector 1.

Таким образом, представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:Thus, the data presented indicate that when using the claimed invention, the following combination of conditions:

- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в электронной и оптико-механической промышленности при изготовлении лазерных устройств;- a tool embodying the claimed device in its implementation, is intended for use in the electronic and optical-mechanical industry in the manufacture of laser devices;

- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.- for the claimed device in the form in which it is described in the claims, the possibility of its implementation is confirmed.

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «промышленная применимость».Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".

Claims (2)

1. Устройство компенсации термического расширения охлаждающей жидкости активного элемента твердотельного лазера (варианты) содержит входной, выходной коллекторы, соединенные с каналами и кольцевым каналом, образованным трубкой, охватывающей активный элемент, отличающееся тем, что снабжено дополнительными входным и выходным коллекторами, соединенными с каналами, которые выполнены капиллярными, охлаждающая жидкость имеет стационарный объем, ее уровень всегда превышает место соединения капиллярных каналов с дополнительными входным, выходным коллекторами.1. A device for compensating the thermal expansion of the coolant of an active element of a solid-state laser (options) comprises input and output collectors connected to channels and an annular channel formed by a tube enclosing an active element, characterized in that it is provided with additional input and output collectors connected to channels, which are made capillary, the coolant has a stationary volume, its level always exceeds the junction of the capillary channels with additional input, in Khodnev collectors. 2. Устройство компенсации термического расширения охлаждающей жидкости активного элемента твердотельного лазера (варианты) содержит входной, выходной коллекторы, соединенные с каналом и кольцевым каналом, образованным трубкой, охватывающей активный элемент, отличающееся тем, что снабжено дополнительным коллектором, соединенным с каналом, который выполнен капиллярным, охлаждающая жидкость имеет стационарный объем, ее уровень всегда превышает место соединения капиллярного канала с дополнительным коллектором.2. The device for compensating the thermal expansion of the coolant of an active element of a solid-state laser (options) contains an input and output collectors connected to a channel and an annular channel formed by a tube enclosing an active element, characterized in that it is equipped with an additional collector connected to a channel that is made capillary , the coolant has a stationary volume, its level always exceeds the junction of the capillary channel with an additional manifold.
RU2015141206A 2015-09-28 2015-09-28 Device for compensation of thermal expansion of cooling liquid of solid-state laser active member (versions) RU2607269C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015141206A RU2607269C1 (en) 2015-09-28 2015-09-28 Device for compensation of thermal expansion of cooling liquid of solid-state laser active member (versions)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015141206A RU2607269C1 (en) 2015-09-28 2015-09-28 Device for compensation of thermal expansion of cooling liquid of solid-state laser active member (versions)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2607269C1 true RU2607269C1 (en) 2017-01-10

Family

ID=58452599

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015141206A RU2607269C1 (en) 2015-09-28 2015-09-28 Device for compensation of thermal expansion of cooling liquid of solid-state laser active member (versions)

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2607269C1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4197512A (en) * 1976-10-14 1980-04-08 Societe Anonyme Dite: Compagnie Industrielle Des Lasers Device for cooling a laser head
JPS55132086A (en) * 1979-04-03 1980-10-14 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Laser generator
WO1986001344A1 (en) * 1984-08-02 1986-02-27 Hughes Aircraft Company Conductively cooled laser rod
SU1168037A1 (en) * 1983-10-18 1998-04-27 М.К. Дятлов Gas laser

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4197512A (en) * 1976-10-14 1980-04-08 Societe Anonyme Dite: Compagnie Industrielle Des Lasers Device for cooling a laser head
JPS55132086A (en) * 1979-04-03 1980-10-14 Ishikawajima Harima Heavy Ind Co Ltd Laser generator
SU1168037A1 (en) * 1983-10-18 1998-04-27 М.К. Дятлов Gas laser
WO1986001344A1 (en) * 1984-08-02 1986-02-27 Hughes Aircraft Company Conductively cooled laser rod

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US20020110166A1 (en) Method and system for cooling a laser gain medium
CN105071198A (en) Device for eliminating wave front distortion of laser gain module caused by window deformation
US20160164241A1 (en) System and method for cooling a laser gain medium using an ultra-thin liquid thermal optical interface
RU2607269C1 (en) Device for compensation of thermal expansion of cooling liquid of solid-state laser active member (versions)
CN103219634B (en) The carbon dioxide laser of a kind of band fluid cooling jacket
CN111952825B (en) Gain medium cooling device of laser
JP2008021879A (en) End surface excitation fine-rod laser gain module
JP3237525B2 (en) Solid-state laser excitation module
CN115663571A (en) Low-power-consumption heat dissipation cooling device and cooling method for laser
RU2579188C1 (en) Laser head of solid-state laser with diode pumping thermal stabilisation
JP6500208B2 (en) Semiconductor laser module
JP2588931B2 (en) Solid state laser
US3518569A (en) Circulating liquid cladding system for laser rods
JP6809065B2 (en) Laser ignition device and laser spark plug cooling means
RU180913U1 (en) LASER MODULE WITH LATERAL DIODE PUMPING
RU2614081C1 (en) Laser gun of solid-state laser with diode pumping
US20050147140A1 (en) Integrated laser cavity with transverse flow cooling
JPH1187813A (en) Solid laser oscillator
US11821615B2 (en) System comprising luminescent material and two-phase cooling device
JP4925059B2 (en) Solid state laser module
RU2623709C1 (en) Small-size laser head with liquid cooling
KR102303039B1 (en) Apparatus for pulsed laser
RU177326U1 (en) Sealed enclosure
CN112152052B (en) Crystal monochromator water-cooling structure and crystal monochromator
RU2655045C1 (en) Method for sealing a cooling unit of an active element in a solid laser