Лазер на солнечной накачке

Лазер на солнечной накачке

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Использование: лазерная техника, а именно накачка лазеров солнечным излучением . Сущность изобретения: лазер включает концентратор солнечного излучения, кювету, заполненную рабочей средой лазера , оптический резонатор, размещенный по торцам кюветы и переизлучатель поглощенного концентрированного солнечного излучения в излучение накачки лазера, установленный в фокальной области концентратора между концентратором и окном кюветы для ввода излучения накачки в рабочую среду лазера. Переизлучатель со стороны концентратора снабжен селективным покрытием с близким к нулю коэффициентом отражения в области длин волн солнечного излучения и близким к единице коэффициентом отражения в области длин волн собственного излучения переизлучателя , а со стороны кюветы - селективным покрытием , прозрачным в полосе накачки лазерной среды и имеющим близкий к единице коэффициент отражения в области длин волн, меньших коротковолновой границы полосы накачки, и близкий к нулю коэффициент отражения в об ласти длин волн, больших этой границы, а окно кюветы для ввода излучения накачки в лазерную среду снабжено селективным покрытием, прозрачным в полосе накачки лазера и имеющим близкий к единице коэффициент отражения в области длин волн, больших длинноволновой границы полосы накачки, и близкий к нулю коэффициент отражения в области длин волн, меньших этой границы. 4 ил. ел С ч ю CJ ел о N

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛ ИСТИЧЕ СКИХ

РЕСПУБЛИК (st)s Н 01 S 3/09

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕ НТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

1 .i

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4847394/25 (22) 06.07.90 (46) 07.02.93, Бюл. NÜ 5 (71) Институт высоких температур АН СССР (72) В.Н. Щеглов, А.Г. Абрамов и О.С. Попель (56) 1. Lee!.Х. Weaver Nf.R. AppLPhys. Len, 1981, v. 39, р. 137.

2. Лазарев В.В., Панченко B.ß. Спектральное преобразование излучения Солнца, с помощью нагреваемого им тела как способ накачки газовых лазеров, — Гелиотехника, 1986, М 1, с. 3 — 8, (54) ЛАЗЕР НА СОЛНЕЧНОЙ НАКАЧКЕ . (57) Использование: лазерная техника, а именно накачка лазеров солнечным излучением, Сущность изобретения: лазер включает концентратор солнечного излучения, кювету, заполненную рабочей средой лазера, оптический резонатор, размещенный по торцам кюветы и переизлучатель поглощенного концентрированного солнечного излучения в излучение накачки лазера, установленный в фокальной области концентратора между концентратором и окном

Изобретение относится к лазерной технике, конкретно к использованию солнечной энергии для прямой накачки лазеров солнечным излучением. Изобретение относится к лазерам, имеющим полосу накачки в области длин волн больших, чем длина волны, соответствующая максимуму спектрального распределения мощности солнечного излучения.

Известен лазер на солнечной накачке, состоящий из концентратора солнечного из„„. Ж„„1793504 А1 кюветы для ввода излучения накачки в рабочую среду лазера. Переизлучатель со стороны концентратора снабжен селективным покрытием с близким к нулю коэффициентом отражения в области длин волн солнечного излучения и близким к единице коэффициентом отражения в области длин волн собственного излучения переизлучателя, а со стороны кюветы — селективным покрытием, прозрачным в полосе накачки лазерной среды и имеющим близкий к единице коэффициент отражения в области длин волн, меньших коротковолновой границы полосы накачки, и близкий к нулю коэффициент отражения в области длин волн, больших этой границы, а окно кюветы для ф ввода излучения накачки в лазерную среду снабжено селективным покрытием, прозрачным в полосе накачки лазера и имеющим близкий к единице коэффициент отражения в области длин волн, больших длинноволновой границы полосы накачки, и близкий к нулю коэффициент отражения в области длин волн, меньших этой границы, 4 ил. лучения и кюветы с рабочей средой лазера, снабженной оптическим резонатором и размещенной в фокальной плоскости концентратора, Недостатком известного устройства в применении к рассматриваемому типу лазеров является низкая эффективность преобразовании энергии солнечного излучения в энергию излучения лазера в связи прежде всего с тем, что на спектральную область полосы накачки рабочей среды лазера при1793504

4 ходится малая часть мощности солнечного ненную рабочей средой, оптический резо-. излучения из-за значительного несовпаде- натор, размещенный по торцам кюветы и ния максимума спектрального распределе- переизлучатель поглощенного концентриния мощности солнечного излучения и рованного солнечного излучения в излучеполосы накачки лазера, В случае накачки ние накачки лазера, устайовленный в

СОг-лазера, накачйваемого по такой схеме, фокальной. области концентратора между эта часть составила бы менее 10 .::. -.: . . концентратором и окном кюветы для ввода

-4

Известен лазер -на солнечной накачке, излучения накачки в рабочую среду лазера. включающий концентратор солнечного из- переизлучатель со стороны концентратора лучения, кювету, заполненную рабочей сре- 10 снабжен селективным покрытием с близким дой, оптический резонатор, размещенный к нулю коэффициентом отражения в области по торцам кюветы и переизлучатель погло- длин волн:солнечного излучения и близким щенного концентрированного солнечного K едийице коэффициентом отражения в об- излучения в излучение иакачки лазера, ус- ласти"длин волн собственного излучения тайовленной в фокальной области концен- " переизлучателя, а со стороны кюветы — сетратора между концентратором- и ОкноМ вЂ” лективным покрытием, прозрачным в полокюветыдлявводаизлучениянакачкйврабо-. се накачки лазерной среды и имеющим чую среду лазера..: ..: :-:.:;:: - близкий к единице коэффициент отражения

Недостатком этого лазера остается" :: в.области длин волн, меньших коротковол низкая эффективность преобразования 20 новой границы полосй накачки и близкий к энергии солнечного излучения в энергию . нулю коэффициент отражения в области . излучения лазера, КП Ц таких лазеров со- Длин волн, больших этой. границы, а окно ставляет порядка 10 . Низкий КПД изве- . кюветы для:ввода излучения накачки в ла: стного лазера на солнечной накачке зерную среду снабжено селективным пообусловленвпервуюочередьтем;чтонагре- 25 крытием,:прозрачным в полосе накачки тый до высокой гемпературы переизлуча- "" лазера и имеющим близкий к единице коэфтель имеет большие потери "излучения, фициейт отражения в области длин волн, связанные с тем, что со стороны освещае- больших длинноволновой границы полосы мой концентрированнйм йотоком солйеч-: накачки, и близкий к нулю коэффициент отного излучения имеют место значительные 30 ражения в области длин волн, меньших этой (до БОЯ потери поглощейного излучения за границы. счет излучения нагретой пластийы как чер-,.:. . Снабжение поверхностей переизлучаноготела, причем это излучение не попа@а-;.". теля и окна кюветы- указаннымй селек ет в рабочую среду лазера; cD стороны, : тивными покрытйями позволяет при

- обращенной к окну кюветы, имеют место 3 одинаковыхмощностяхйзлучениялазераснизначительные потери излучения за счет то- . зить потребную мощность направляемого на го, что характерная ширийа спектрального переизлучатель концентрированного солнеч: распределенйя теплового иэлученйя пере- йогоизлучения;чторавнозначно-повышению излучателя существенно превышает шири-::- .эффективности преобразования энергасолну поглощения рабочей среды. Кроме того, 40 нечногоизлучения в энергйюизлучения лазечвстьизлучения, неучаствующеговнакачке ра. - ... лазера, поступая через окно в кввету, иэ-: .: —: На фиг. 1 изображена оптическая схема

: . грева от рабочую среду, что такжЕ йриводит - Предлагаемого лазера; на фиг. 2-4 — спектк сйижейию мощности генерации и КПД ла-: ральные характеристики покрытий поверхзера.:: . :::..:,. .....: : . 45 ностей-перейзлучателя- и окна кюветы

Целью изобретения является повыше- .. " лазера соответственно. нйе эффективности преобразованйя эйер-,: Лазер на солнечной накачке содержит гйи солнечного излучения в энергиЮ последовательйо установленные концентизлучения лазера. - -.::: .,: ., " разор солнечного излучения 1, выпо ненИспольэование:гредложенного спосо- 0 ный. например, в виде параболоида или ба приведет по сравнению с прототипом к" параболоцилиндрз с высоким коэффйци3-5-кратному увеличению эффективности ентом отражения солнечного излучения преобразования энергйи солнечного излу- концемтрирующей поверхностью; кювету чения s лазерное, что позволит получить 2, зайолненную рабочей средой лазера, суммарныйКПДлазерадо1, (у прототипа 55 ойтический резонатор 3, размещенный по теоретически достигаемый КПД на уровне торцам кюветы 2, переизлучатель 4 погло0,2-0,3 $). : . - щенного концейтрированного солнечного

Сущность изобретения заключается ь . излучениявизлучениянакачкилазера,устатом, что в лазере, включающем концентра- новленный в фокальной области концентрацию солнечного излучения, кювету, запол- тора 1 между концентратором 1 и окном 5

1793504

15

25

30 ней. В полосе накачки лазерной среды (4,1<Л <4,2 мкм) селективное покрытие должно обладать высокой {близкой к 1,0) спектральной излучательной способно35 стью.

Испускаемое переизлучателем 4 излучение поступает в лазерную среду через прозрачное в диапазоне накачки окно 5 кюветы 2. Для повышения эффективности пре.40 образования энергии окно 5 кюветы 2 может быть-также снабжено селективным покрытием 8; характеризующимся высокой отражательной способностью в области длин волн, больших длинноволновой границы по45 лосы накачки лазерной среды, Для СО -лазера эта граница Лз должна быть больше 4,4 мкм, максимально приближаясь к этому значению. При этом собственное тепловое излучение переизлучателя 4 в области длин

50 волн Лг < Л< Лз эффективно проникает через окно 5 кюветы 2 в лазерную среду и обеспечивает оптическую накачку лазера, тепловое излучение с Л > Лз эффективно отражается окном 5 кюветы 2 и преимущественно возвращается и поглощается поверхностью переизлучателя 4, вновь вовкюветы 2 для ввода излучения накачки в рабочую среду лазера. Переизлучатель 4 выполнен в виде пластины из жаропрочного материала, например графита и снабжен со стороны концентратора селективным покрытием 6 с близким к нулю коэффициентом отражения в области длин волн солнечного излучения и близким к единице коэффициентом отражения длин волн собственного излучения переизлучателя (см. фиг. 2), (такое покрытие может быть изготовлено на основе оптических покрытий SiOz+ Pt+ SiOz или А!гОз + Mo + АЬОз на молибденовой . подложке), а со стороны кюветы 2 — селективным покрытием 7 (см. фиг. 3), прозрачным в полосе накачки лазерной среды и имеющим близкий к единице коэффициент отражения в области длин волн, меньших коротковолновой границы полосы накачки, и близкий к нулю коэффициент отражения в области длин волн, больших этой границы.

Такое покрытие может изготавливаться например, на.основе золотого напыленного слоя с нанесенной поверх него пленкой SiO.

Окно 5 кюветы 2 выполнено прозрачным в полосе накачки рабочей среды, например, для СΠ— лазера — из флюрита бария (BaFz) и с наружной стороны снабжено селективHblM покрытием 8 (фиг, 4), прозрачным в полосе накачки лазера и имеющим близкий к единице коэффициент отражения в области длин волн, больших длинноволновой границы полосы накачки, и близкий к нулю коэффициент отражения в области длин волн, меньших этой границы.

Такое покрытие может быть изготовлено на основе известных технологий многослойных просветляющих оптических покрытий.

Устройство работает следующим образом, Солнечное излучение, поступающее на отражающую поверхность концентратора 1, концентрируется на поглощающей поверхности переизлучателя 4. Поглощающая поверхность, представляющая собой селективное покрытие 6, обеспечивает эффективное поглощение концентрированного солнечного излучения в спектральном диапазоне, соответствующем спектру солнечного излучения, и одновременно эффективное отражение в спектральном диапазоне собственного теплового излучения переиэлучателя 4, находящегося при температуре, обеспечивающей близкую к максимальной спектральную плотность мощности собственного теплового излучения, приходящейся на полосу накачки лазерной среды. Например, при использовании COz ëàçåðà с характерной длиной волны накачки 4,27 мкм оптимальным является диапазон рабочих температур переизлучателя 4 — 900 — 1200 К. При этом больше

90% энергии собственного излучения переизлучателя 4 приходится на диапазон длин волн Л > 1,5-1,8 мкм. В то же время основная часть (более 90%) энергии солнечного излучения приходится на диапазон длин волн < 2,0 мкм. Таким образом, характерная граница Л {см, рис. 2) для селективного покрытия 6 поглощающей поверхности переизлучателя 4 может в данном случае находиться в диапазоне длин волн 1,5 < Л < 2,0 мкм.

Собственное тепловое излучение переизлучателя испускается преимущЕИтйенно селективной поверхностью 7 переизлучателя 4, обращенной к лазерной кювете 5. При этом для уменьшения потерь этой энергии рассматриваемое селективное покрытие должно обладать высокой отражающей способностью в диапазоне длин волн, меньших коротковолновой границы полосы накачки лазерной среды. Для СОг-лазера эта граница соответствует примерно 4,2 мкм, Таким образом, характерная граница резкого изменения оптических свойств селективного покрытия 7 должна находиться в области

Л < 4,2 мкм, максимально тесно примыкая к лекаясь в процесс накачки.

Лазерная среда при такой организации процесса накачки испытывает меньшее теп1793504

7 ловое воздействие со стороны переизлучателя 4; меньше нагревается, что улучшает ее параметры генерации (снижение скорости паразитной релаксации). Одновременно уменьшается тепловой поток, отводимый от лазерной кюветы 2 системой ее охлаждения.

Формирование и вывод излучения генерации лазера обеспечивается в поперечной

5 геометрии оптическим резонатором 3.

Формула изобретения:

Лазер на солнечной накачке, включающий в себя концентратор солнечного излучения, кювету, заполненную рабочей средой, оптический резонатор. размещенный по торцам кюветы, и переизлучатель поглощенного концентрированного солнечного излучения в излучение накачки лазера, установленный в фокальной области концентратора между концейтратором и окном кюветы для ввода излучения накачки в рабочую средулазера, отлич а ющий ся тем; что, с целью повышения эффективности преобразования энергии солнечного излучения в энергию излучения лазера, переизлучатель со стороны концентратора снабжей селективным покрытием с близкйм к нулю коэффициентом отражения в области длин волн солнечного излучения и близким к единице коэффициентом отражения в области длин волн собственного излучения переизлучателя, à со стороны кюветы— селективным покрытием, прозрачным в полосе накачки лазерной среды и имеющим близкий к единице коэффициент отражения в области длин волн, меньших коротковолновой границы полосы накачки, и близкий к нулю коэффициент отражения в области длин волн, больших этой границы, а окно кюветы для ввода излучения накачки в лазерную среду. снабжено селективным покрытием, прозрачным в полосе накачки лазера и имеющим близкий к единице коэффициент отражения в области длин волн, больших длинноволновой границы полосы накачки, и близкий к нулю коэффициент отражения в области длин волн, меньших этой границы.

1793504

Составитель 0, Попель

- Техред M. Моргентал . Корректор Е. Папп

Редактор Л. Волкова

Заказ 508 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 415

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101