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.  
 
3

 
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 
 
4

– блок питания; 2 – лампа; 3 – лазерный стержень; 4 – отражатель системы оптической накачки 
 
Рис. 1. Относительное распределение потерь энергии (слева) на примере твердотельного лазера  
с оптической накачкой (схема справа): 
 
5
 

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 
 
6