Способ охлаждения гигроскопичных кристаллов

 

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке твердотельных перестраиваемых лазеров, лазеров с удвоением частоты излучения, с синхронизацией мод, с пассивной модуляцией добротности и т. п. , а также в тех областях науки и техники, где необходимо охлаждение гигроскопических кристаллов. Сущность изобретения заключается в том, что на боковую поверхность кристалла предварительно напыляют тонкий слой защитного материала, устанавливают кристалл в емкость и отводят тепло от его боковой поверхности потоком прокачиваемой через емкость охлаждающей среды. Наличие защитного слоя позволяет использовать в качестве хладагента жидкость.

Изобретение относится к квантовой электронике и может быть использовано при разработке твердотельных перестраиваемых лазеров, лазеров с удвоением частоты излучения, с синхронизацией мод, с пассивной модуляцией добротности и т. п. , а также в тех областях науки и техники, где необходимо охлаждение гигроскопических кристаллов.

Известен способ охлаждения гигроскопических кристаллов, заключающийся в том, что кристалл устанавливают на массивное основание с полостью для хладагента, между боковой поверхностью кристалла и основанием помещают прокладку из пластичного материала и отводят тепло от основания потоком прокачиваемой охлаждающей среды (Басиев Т.Т., Кравец А.Н., Федин А.В. Технологические Nd-лазеры с пассивной модуляцией добротности кристаллами LiF:F₂. Препринт N 1.- М.: ИОФ РАН.- 1993.- 60 с.).

Недостатком способа является низкая эффективность охлаждения кристалла вследствие теплоотвода через двухслойную стенку, а также возникновения термических сопротивлений в местах контакта кристалла с прокладкой и прокладки с основанием.

Известен также способ охлаждения лазерных кристаллов, заключающийся в том, что кристалл устанавливают в емкость и отводят тепло от боковой поверхности потоком прокачиваемой через емкость охлаждающей среды (Зверев Г.М., Голяев Ю.Д. Лазеры на кристаллах и их применение.- М. Радио и связь, Рикел, 1994.- 312 с.).

Недостатком этого способа является невозможность охлаждения гигроскопичных кристаллов.

Цель изобретения - расширение технологических возможностей указанного способа при сохранении его эффективности.

Поставленная цель достигается тем, что на боковую поверхность кристалла предварительно напыляют сплошной защитный слой из теплопроводного материала, кристалл устанавливают в емкость и отводят тепло от боковой поверхности кристалла потоком прокачиваемой через емкость охлаждающей среды.

В предлагаемом способе напыленный защитный слой герметично закрывает боковую поверхность охлаждаемого кристалла и предохраняет ее от контакта с охлаждающей средой, что позволяет использовать в качестве хладагента жидкость, в то время как в известном способе теплоотвод осуществляется при непосредственном контакте с охлаждающей средой. Кроме того, толщина наносимого напылением слоя мала по сравнению с характерным размером поперечного сечения кристалла, поэтому при использовании материалов с высокой теплопроводностью в качестве напыляемого вещества практически не ухудшаются условия теплообмена между поверхностью кристалла и хладагентом.

При распространении лазерного излучения вдоль оси кристалла часть его мощности выделяется в виде тепла, представляющего собой внутренний источник теплоты мощностью Q_v. Для наиболее часто используемой в лазерной технике формы кристалла в виде круглого стержня при стационарном охлаждении температура в любой точке поперечного сечения определяется зависимостью где t_пов, _к, r₀ - температура поверхности, коэффициент теплопроводности и радиус кристалла соответственно; r - текущий радиус.

Максимальная температура на оси кристалла, т.е. при r = 0, будет определяться по формуле Плотность теплового потока через боковую поверхность составит q = r²₀Q_V. (3) Тогда перепад температур по сечению кристалла на основании (2) и (3) будет Температурное поле защитного слоя с внутренним диаметром d₀ = 2r₀ и внешним d_сл при стационарной теплопроводимости определяется зависимостью
где t_сл - температура на поверхности защитного слоя; d - текущий диаметр.

Тепловой поток через защитный слой радиусом r и длиной l можно оценить по закону Фурье

Решив совместно (5) и (6), найдем, что через единицу длины слоя тепловой поток составит

где величина является внутренним термическим сопротивлением защитного слоя, тогда перепад температуру вдоль теплового тракта будет

Сложив выражения (4) и (8), получим перепад температуры между центром кристалла и поверхностью защитного слоя, обтекаемого хладагентом

В полученном выражении d_сл = d₀+d_сл = 2(r₀+r_сл), где r_сл - толщина напыленного на поверхность кристалла слоя. Для реальных условий величина r на два и более порядков меньше радиуса кристалла r₀, поэтому можно принять d_сл d₀ и вторым слагаемым в скобках можно пренебречь. Отсюда

С точки зрения физических основ теплообмена это означает, что при условии _сл > _к, которое выполняется для большинства материалов, используемых в теплотехнике для теплопередачи, величина внутреннего термического сопротивления мала и не влияет на условия теплообмена между поверхностью кристалла и охлаждающей средой.

Тогда при равных условиях теплоотдачи хладагенту эффективность охлаждения определяется только плотностью теплового потока через боковую поверхность кристалла. Согласно (10) величина q как в случае с напыленным слоем, так и без него остается неизменной. Поэтому эффективность охлаждения в предлагаемом способе такая же, как и в прототипе.

Пример. Предлагаемый способ был апробирован при охлаждении образцов, изготовленных из щелочно-галоидных кристаллов: LiF, KCl, NaCl. Отобранные образцы имели форму стержня диаметром 8 мм и длиной 40 мм. На боковую поверхность кристаллов с помощью вакуумного поста типа ВУП-4 напыляется слой индия толщиной 25-40 мкм. Образцы с напыленным защитным слоем устанавливали в емкость, выполненную из нержавеющей стали так, чтобы торцы кристаллов находились вне емкости. Через емкость прокачивалась дистиллированная вода. Расход воды составлял 20 л/мин.

Контрольная партия состояла из 15 образцов, по 5 образцов каждого типа кристалла. Торцы кристаллов были обработаны до оптической прозрачности. Испытания каждого образца проводили в течение 100 часов. Перед напылением и установкой в емкость, через каждые 7 часов и по окончании испытаний проверяли оптическую прозрачность кристаллов вдоль их оси симметрии путем измерения коэффициента пропускания на длинах волн 0,53 и 1,06 мкм с помощью спектрофотометра типа СФ-16.

В результате проведенных испытаний установлено, что коэффициент пропускания на указанных длинах волн для каждого из образцов как до начала, так и после окончания испытаний не изменился.

Формула изобретения

Способ охлаждения гигроскопичных кристаллов, заключающийся в установке кристалла в емкость и отводе тепла от его боковой поверхности потоком прокачиваемой через емкость охлаждающей среды, отличающийся тем, что на боковую поверхность кристалла предварительно напыляют тонкий слой защитного материала.