Особенности охлаждения оптических компонентов в лазерных излучателях

Московский государственный технический университет 
имени Н.Э. Баумана 

О.В. Рожков 

ОСОБЕННОСТИ ОХЛАЖДЕНИЯ 
 ОПТИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТОВ  
В ЛАЗЕРНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЯХ 

 

Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана 
в качестве учебного пособия 

М о с к в а 
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана 
2 0 0 7 

УДК 621.375.826(075.8) 
ББК 32.86-5 
Р631 

Рецензенты: А.П. Тимашов, С.И. Хоменко 

Рожков О.В.  
Р631 
Особенности охлаждения оптических компонентов в лазер-  
ных излучателях: Учеб. пособие.– М.: Изд-во МГТУ им. 
Н.Э. Баумана, 2007. – 52 с.: ил.  

ISBN 978-5-7038-3001-7 

Рассмотрены физико-технические основы лазерных систем охлаждения и особенности их практической реализации. 
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, изучающих проектирование лазерных приборов и систем. 

УДК 621.375.826(075.8) 
               ББК 32.86-5 

ISBN 978-5-7038-3001-7 
© МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 

ПРЕДИСЛОВИЕ 

Излагаемый в работе материал является дополнением к учебному пособию [1] и может быть использован для углубленного 
изучения соответствующих разделов курсов «Физические основы 
лазеров», «Лазерная техника», «Проектирование лазеров», а также 
при курсовом и дипломном проектировании лазерных приборов и 
систем и выполнении квалификационных работ бакалавра и магистра по соответствующей тематике. 
Целесообразность данной публикации связана с необходимостью освещения в учебной литературе основных особенностей лазерных систем охлаждения, являющихся к настоящему времени 
конструктивно неотъемлемой частью большинства лазерных излучателей. Однако не только в учебной литературе, но и в монографиях данный вопрос почти не затрагивается сколь-либо методично. В качестве исключений следует упомянуть монографии [2, 3], 
посвященные твердотельным лазерам и потому довольно однобоко 
и специфично освещающие вопросы охлаждения в лазерных системах; к тому же объем соответствующего параграфа в работе [2] 
явно недостаточен, а глава по этой тематике в работе [3] значительно перегружена теплофизическими и гидравлическими вопросами, существенно выходящими за пределы знаний большинства 
разработчиков и пользователей лазерных излучателей.  

ВВЕДЕНИЕ 

Лазерным излучателям как преобразователям энергии накачки в когерентное излучение с довольно ограниченным КПД свойственны значительные тепловые нагрузки как на основной компонент лазера – активную среду, так и на мощные элементы  
оптической накачки – лампы-вспышки и дуговые лампы непрерывного горения. 
На рис. 1 показаны относительные потери на последовательных 
этапах преобразования электрической энергии накопителя (батареи 
конденсаторов) в энергию когерентного излучения импульсного 
твердотельного лазерного излучателя с цилиндрическим отражателем 4, концентрирующим испускаемый лампой-вспышкой 2 свет в 
активном стержне 3 (аналогичная раскладка потерь энергии приведена и на рис. 2.16 в работе [4]). При этом практически вся исходная 
энергия накачки выделяется примерно в равных количествах в лампе-вспышке и активном стержне и, соответственно, должна быть от 
них отведена для обеспечения нормального функционирования лазерного излучателя; при этом активная среда как наиболее «теплочувствительный» элемент лазера должна охлаждаться в первую 
очередь. 
В газоразрядных лазерах энергия накачки, как правило, подается непосредственно в активную среду (через соответствующие 
газоразрядные процессы – тлеющий или дуговой разряды), которая, однако, может охлаждаться как на месте (конвективно), так и 
путем прокачки, что наиболее часто реализуется в газоразрядных 
лазерных излучателях повышенной мощности [5, 6]. Особняком 
стоят устройства охлаждения малогабаритных твердотельных активных тел – полупроводниковых и микролазеров: здесь имеется 
возможность наиболее компактного (конструктивно) охлаждения с 
помощью термоэлектрических холодильников (батареи Пельтье), 
что существенно повышает выходную энергетику излучателей 
данного класса. 
Как известно, изменение температуры оптических элементов 
оптического квантового генератора (ОКГ) вследствие их нагрева в 

Рис. 1. Относительное распределение потерь энергии (слева) на примере твердотельного лазера  
с оптической накачкой (схема справа): 

1 – блок питания; 2 – лампа; 3 – лазерный стержень; 4 – отражатель системы оптической накачки 
 

процессе работы существенно сказывается не только на характеристиках генерируемого излучения [4, 7], но и на эффективности 
всего процесса преобразования энергии накачки в когерентное излучение; поэтому реализация оптимального теплового режима оптических элементов с помощью специализированных систем охлаждения является одной из главных инженерно-технических задач при разработке лазерных приборов. 
К моменту появления ОКГ (1960 г.) теплотехника уже накопила известный опыт расчета и построения разнообразных приборных систем охлаждения. Однако возможность их непосредственного использования в лазерных излучателях часто ограничивается 
рядом особенностей теплофизического режима оптических элементов ОКГ, так как здесь теплоотвод должен осуществляться без 
нарушения функционирования оптических элементов. Последнее 
обстоятельство оказывается в некоторых конструкциях столь существенным, что нейтрализация даже незначительного тепловыделения в оптических элементах часто представляет определенные 
трудности, требующие зачастую новых технических решений. 

1. СПОСОБЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ 

ЛАЗЕРОВ И ИХ ЭФФЕКТИВНОСТЬ 

Применительно к лазерам обычно рассматривают три способа 
теплоотвода: жидкостной, газовый и контактный. Выбор соответствующего способа теплоотвода определяется требуемой эффективностью теплоотвода, а также особенностями функционирования и свойствами охлаждаемого оптического элемента лазерного 
излучателя. 

1.1. Коэффициент теплообмена 

Одной из важнейших характеристик при выборе способа охлаждения является коэффициент теплообмена. Требуемое значение коэффициента теплообмена находится из решения задачи о 
температурном поле в рассматриваемом оптическом элементе 
ОКГ, т. е. задачи отыскания зависимости 
(
)
T
T
f
=
α
, где Т – температура оптического элемента (чаще всего – в его геометрическом центре); 
T
α  – коэффициент теплообмена на границе «оптический элемент – охлаждающая среда». При этом мощность тепловыделения в оптическом элементе и коэффициент теплообмена 

предполагаются заданными конструкцией и режимом работы лазерной головки; отыскиваемая величина – температура. Методика расчета температурного поля в оптическом элементе ОКГ в 
зависимости от условий охлаждения подробно рассмотрена  
в п. 5.2 работы [3], а его влияние на параметры излучения – в [4, 7]. 
Наибольший разброс значений коэффициента теплообмена 
T
α  
характерен для газового охлаждения: при естественной конвекции 
(термосифонной циркуляции) 
T
α
≈ 3 Вт/(м2 · К), при обдуве (с помощью вентилятора и т. п.) теплосъем возрастает более чем на порядок (
T
α = 120…150 Вт/(м2·К)), а использование вихревого охлаждения позволяет достигнуть значений 
T
α = 300…500 Вт/(м2·К). 
Жидкостное охлаждение обеспечивает наибольший теплосъем 
(
T
α = 2…7 кВт/(м2·К), а в уникальных случаях – до 10 кВт/(м2·К)), 
однако конструктивно (да и в стоимостном отношении) такие 
системы гораздо сложнее газовых; кроме того, обеспечиваемый 
ими огромный теплообмен в некоторых случаях может приводить к обострению термооптических проблем [4, 7] и даже к разрушению лазерных стержней (в основном – стеклянных) из-за 
возникновения больших термомеханических напряжений. Последняя проблема в определенной степени присуща и контактному охлаждению (из-за сильной неосесимметричности теплосъема), хотя здесь коэффициент 
T
α =20…70 Вт/(м2·К), т. е. даже 
меньше, чем при интенсивном обдуве. 

1.2. Газовое охлаждение 

Газовое охлаждение, значительно уступая по своей эффективности жидкостному, широко используется в системах охлаждения ОКГ в основном благодаря конструктивной простоте и 
низкой стоимости. Преимущественная область применения газового способа – охлаждение таких оптических элементов, для которых использование жидких хладагентов либо резко снижает 
срок эксплуатации, либо вообще нарушает их нормальное функционирование. Следует отметить, что при использовании газового охлаждения отпадает необходимость в тщательной герметизации трубопроводов, сальниковых уплотнениях, использовании 
дорогих и трудно обрабатываемых антикоррозионных материалов и т. п. Поэтому в ряде случаев наряду с жидкостным охлаждением возможно использование газового охлаждения ОКГ. 

Приборы с газовым охлаждением – это приборы с большой энергией излучения, но малой частотой повторения импульсов (режим одиночных посылок), либо приборы, работающие сериями 
из нескольких посылок с большой скважностью этих серий. 

1.3. Контактный способ охлаждения 

Особенностью контактного способа охлаждения является то, 
что оптический элемент соединен теплопроводной перегородкой 
(теплопроводом) с источником холода; при этом оптический элемент находится в механическом контакте с теплопроводом, но охлаждающая среда непосредственно его не омывает. 
Такой способ часто имеет важное практическое преимущество 
перед другими способами охлаждения оптических компонентов 
лазерных излучателей (особенно если они изготовлены из гигроскопичных материалов) ввиду компактности и прочности конструкции. Однако коэффициент теплопередачи при контактном охлаждении весьма ограничен (20…70 Вт/(м2·К)), что сужает область 
его применения в основном импульсными и минилазерами. К тому 
же при контактном охлаждении всегда остается открытой проблема сброса теплоты с наружного (горячего) конца теплопровода, 
обычно решаемая за счет жидкостного охлаждения. Все это в совокупности усложняет конструкцию лазерного излучателя. 

1.4. Специфические особенности охлаждения 

 компонентов лазеров 

Для охлаждения активных элементов лазеров и ламп накачки 
применяют все три способа теплоотвода, но при этом теплопередача должна осуществляться без заметного снижения эффективности радиационного обмена при накачке. Это обстоятельство, в 
свою очередь, определяет ряд специфических требований к охлаждающим средам, а при контактном теплоотводе – к выбору конструкции и материала теплопровода. 
Высокая гигроскопичность материалов некоторых электрооптических элементов и их низкие теплопроводящие и прочностные 
характеристики затрудняют реализацию эффективного теплоотвода. Кроме того, условия подвода высокого рабочего напряжения к 
этим элементам практически исключают применение жидкостного 
способа охлаждения; поэтому здесь находят применение преимущественно газовый и контактный теплоотводы. 

Оптические элементы с рабочими поверхностями (грани полного внутреннего отражения в электрооптических отражателях, 
отражающие и преломляющие грани оптических элементов отражателей) допускают, как правило, только воздушное охлаждение. 

2. ОСНОВЫ РАСЧЕТА СИСТЕМ ОХЛАЖДЕНИЯ 

КОМПОНЕНТОВ ЛАЗЕРНЫХ ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ 

Расчетные соотношения, как правило, получают на основе 
обобщения экспериментальных исследований. При выборе необходимой формулы следует установить характер движения охлаждающей жидкости (вынужденное течение жидкости в каналах, обтекание потоком жидкости плоской поверхности, поперечное обтекание тела, поперечное обтекание пучка и т. д.) и определить 
режим течения охлаждающей жидкости (ламинарный, переходной 
или турбулентный). 
В частности, для вынужденного течения жидкости в каналах 
критерием определения режима течения является численное значение безразмерного комплекса – числа Рейнольдса Re
/
,
T
d
=
ν
v
 
где v – скорость; 
T
ν  – коэффициент кинематической вязкости 
жидкости; d – диаметр проходного сечения канала. 

2.1. Теплоотдача при вынужденном движении жидкости  

в каналах охлаждения 

Рассмотрим сначала теплоотдачу при вынужденном движении 
жидкости в продольных каналах охлаждения. Обычно результаты 
определения коэффициента теплообмена представляют в виде зависимости между критериями Нуссельта Nuf, Рейнольдса Ref, 
Грасгофа Grf, Прандтля Prf или Prω: 

 

3

2
,
,

,
,

,
,

Nu
,
Gr
,

Pr
,
Pr
,

     

          

T
T
f
f
T f
T f

T f
T
f
T f
T

d
gd
T

ω
ω
ω

α
β
=
=
Δ
λ
ν

ν
ν
=
=
α
α

  
(1) 

где индексы f и ω  означают, что соответствующие параметры рассматриваются при температурах жидкости f и стенки ω ; 
T
β  –

коэффициент объемного расширения; 
T
λ  и 
,
T f
α
 – коэффициенты 

теплопроводности и температуропроводности жидкости; g – ускорение свободного падения; Δ T – разность между температурами 
поверхности тела и омывающей его жидкости. 
Определяющей температурой в расчетах обычно принимается 
средняя температура жидкости 

 
0,5( '
'' ),
f
f
f
T
T
T
=
+
 
(2) 

где 
' f
T
 и 
'' f
T
 – температуры жидкости соответственно на входе и 

выходе из канала. 
Для кольцевых каналов и каналов некруглого сечения за определяющий размер в формулах (1) принимают эквивалентный диаметр 

 
э
4 ,
S
d
u
=
 
(3) 

где S – площадь поперечного сечения канала; u – полный смачиваемый периметр. 
При ламинарном движении жидкости внутри канала теплоотдача определяется факторами вынужденного и свободного течения, поэтому в формулах фигурируют критерии, характеризующие 
как вынужденное (число Re), так и свободное (число Gr) движение 
жидкости. Ламинарный режим характеризуется числами Рейнольдса, не превышающими 2200. Коэффициент теплообмена при 
ламинарном течении жидкости можно определить из следующей 
формулы [8]: 

 

0,25
1
0,1
0,43
3
Pr
Nu
0,1Re
Gr
Pr
.
Pr

f

f
f
f
f
l
r
ω

 
 
=
ε ε
 
 
 
 
 
(4) 

В этой формуле повышение турбулентности в изогнутых каналах 
учитывается коэффициентом 

 
1 1,8
,
R
d
R
ε
= +
 
(5) 

где R – радиус изгиба канала; коэффициент 
R
ε  – поправка на ограниченность длины канала (численные значения его даны в [8]).