в процессе работы лазера энергии различных видов. На рис. 67 приведена схема энергетических потоков в лазере в наиболее общем виде.

Рис. 66. Схема перестройки частоты СОг-лазера с помощью ВКР: / - лазер; 2 - линза; 5 - нелинейный кристалл; 4 - магнитная система

Литература к разд. 4

1. Ананьев Ю. А. Оптические резонаторы и проблема расходимости лазерного излучения, М.: Наука, 1979. 328 с.

2. Беспалов В. И., Пасманик Г. А. Нелинейная оптика и адаптивные лазерные системы. М.: Наука, 1986. 136 с.

3. Бутиков Е. И. Оптика. М.: Высшая школа, 1986. 512 с.

4. Гудмен Дж. Введение в Фурье-оптику. М.: Мир, 1970. 364 с.

5. Зельдович Б. Я-, Пилипецкий Н. Ф., Шикунов В. Б. Обращение волнового фронта. М.: Наука, 1985. 240 с.

6. Криксунов Л. 3. Справочник по основам инфракрасной техники. М.: Сов. радио, 1978. 400 с.

7. Леонов А. Ф. Теория и проектирование энергетических установок. Действие промышленных СОг-лазеров. 4.1. Распространение лазерного излучения в различных средах: Уч. пособие/Ленингр. мех. ин-т. Л., 1985. 56 с.

8. Проектирование и эксплуатация лазерных приборов в судостроении: Справочник. Л.: Судостроение, 1986. 336 с.

9. Шен И. Р. Принципы нелинейной оптики. М..: Наука, 1989. 560 с.

10. Шифрин К. С. Рассеяние света в мутной среде. Л.: Госэиергоиздат, 1951.288 с.

5. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС В ЛАЗЕРАХ 5.1. Коэффициент полезного действия лазера

Основные рабочие процессы в лазере связаны с преобразованием и передачей энергии. Энергетическая эффективность лазера -Генератора электромагнитного излучения, как пра-1 вило, невелика, поэтому конечная величина получаемой энергии излучения составляет небольщую часть от выделяющейся

Рис. 67. Энергетический баланс в лазере

Для непрерывно работающих лазеров удобнее пользоваться понятием мощности W, относящимся ко всем системам и элементам лазера. Принципиальная, схема распределения

потоков мощности имеет тот же вид, что и приведенная н4 рис. 67 схема распределения потоков энергии. Источник энер- гии, который чаще всего не является частью лазера (в это» случае рассматривается только энергетический поток Е)Л обеспечивает функционирование всех систем лазера, причем в основном затрачивается на работу системы накачки .ih-В некоторых случаях часть энергии может расходоваться на работу СПРТ Яспрт (нагрев рабочего тела, подача его к месту использования и т. п.), а также на деятельность вспомогательных систем лазера Еав (системы ориентации, терморе- гулирования и т. п.).

С учетом потерь энергии АЕд можно записать

~ эСПРТ ~ ~~ э-

Эффективность источника энергии:

E-S. СПРТ + эн -f- £зв

зСПРТ

(51)

Обозначив относительные доли энергии, затрачиваемой на отдельные системы t, выражение (5.1) можно записать в виде

= 5спрт + + К-

Полезно используемой частью энергетических потоков считается энергия, идущая на создание лазерного излучения. Поэтому коэффициентом полезного действия СПРТ будем называть отношение энергии, переданной в СПРТ рабочему телу лазера, к величине полной энергии, подведенной к системе подготовки (или выделившейся в ней):

СПРТ спрт

"спрт

эСПРТ СИРТ

Аналогично коэффициентом полезного действия системы на-" качки называют отношение энергии, передаваемой системой накачки рабочему телу, к энергии, обеспечивающей работу системы накачки: тс н=£с н/£эн = £с н/(н •-ts) • Только часть энергии, подводимой к рабочему телу для создания активной среды fa с, может быть принципиально реализована в вид

лазерного излучения Е. Эта часть определяется коэффициентом полезного действия накачки гн й квантовым КПД из-[лучающего атома или молекулы Т1к (см. разд. 3, 4):

Еп Ei,

-Пп -(к =

(iCnPT -СПРТ + II • )

Потери энергии в резонаторе характеризуются его коэффициентом полезного действия г\р, как отношением энергии лазерного излучения £р к запасенной в активной энергии Е:

(5.2)

1 fIcnPT СПРТ +:н ic»)1n %

[Дальнейшие потери энергии связаны с эффективностью преобразования излучения в системе формирования (КПД сис-I темы формирования ~ Tic ф)

* Ер (СПРТ СПРТ +1f н ?и)1н Пк 1р

Величина энергии в зоне использования определяется по терями на трассе и отражением от поверхности цели ЛЯц: и=£изл • Лп, где Tin - КПД передачи энергии.

Эффективность использования лазера зависит от тл лазера, потерь на трассе гп и характеристик объекта, на который воздействует лазерное излучение: г] = г\д • Ци, где Т1л = = £„зл/£5:= (1спрт?спрт +т1сн-н)Ли-П!-Пр-ПпФ энергетическая эффективность лазера (КПД лазера).

КПД лазера сильно зависит От типа лазера, характеристик активной среды, способа накачки, конструктивных и другг1х особенностей конкретных систем. Тем Не менее, общим для всех лазеров являются невысокие значения Г1л, для самых удачных решений, как правило, не превышающие 10 %. У подавляющего большинства лазеров величина гл значительно меньше. Это указывает на необходимость тщательного анализа эффективности применения лазера в качестве источника энергии.

Перспективы использования лазеров связаны прежде всего с уникальными особенностями лазерного излучения, характеризующегося когерентностью и таким уровнем направленности и монохроматичности, который недостижим ника-"«ими другими источниками энергии. С помощью лазеров м6-*но обеспечить исключительно высокие концентрации эиер-"ни в пространстве, близкие к условиям в эпицентре ядер-

ного взрыва и в центре звезд, и во времени, обеспечивающи настолько высокую мощность и интенсивность светового ну ка, что при взаимодействии таких пучков с материалагн по: никают принципиально новые физические эффекты.

С другой стороны, низкая энергетическая эффективност вызывает серьезные трудности, связанные непосредственно работой лазеров. Если излучаемая энергия покидает л зер и ее дальнейшее использование становится самостоятел ной задачей, то утилизация оставшейся части полной энерги Afj в конструкции лазера создает серьезнейшие инженерны проблемы, тем большие, чем выше полная энергия лазера чем меньше его коэффициент полезного действия:

где АЕ,-- энеогетические потери в различных системах лазе ра (см. рис. 67).

Поактически единстбенный способ избавления от это энергии -ее рассеивание в окружающую среду. Однак только в редких случаях, для наименее мощных лазеров эт удается сделать без применения специальных систем отвод тепля или систем охлаждения. Поэтому одной из важнейши: задач, связанных с разработкой лазеров, является оптимиза и,ия рабочих процессов, направленная на обеспечение мини мальных энергетических потерь в конструкции лазера и мак симальной эффективности системы охлаждения.

5.2. Охлаждение лазеров

5.2.1. Охлаждение активной среды

Независимо от энергетической схемы создания инверсной населенности в активной среде лазера энергия излучаемого возбужденными атомом или молекулой кванта света всегда меньше энергии, затрачиваемой на возбуждение этих частии. на величину, определяющую квантовый коэффициент поле.ч-ного действия г\к. Вследствие этого даже при предельно высоких значениях КПД накачки п-, и КПД оезонатооя т)„ поч паботр лазера в активной среде остается запас энеогии, который будет, в свою очередь, вызывать ее нагрев. Рост тем-мрпатуоы активной среды приводит к росту заселенности нижнего лазерного уровня и уменьшению инверсии. Кооме того нагрев активной среды может привести к нежелательным изменениям ее физико-химических свойств и отрицательному

bHOMyj

воздействий на элементы конструкции лазера. Поэтому в процессе генерации излучения необходимо создать условия, пе допускающие перегрева активной среды сверх допустимой температуры (для большинства активных сред Гщах 350...

..450 К), т. е. обеспечить эффективный отвод тепла. В зависимости от интенсивности тепловыделения, свойств активной среды, схемы лазера отвод тепла активной среды может осуществляться либо через ее наружную поверхность во вне, либо путем замены нагретой части активной среды новой. По

Рис, 68, К определению температуры активной среды

этому признаку можно разделить все лазеры на лазеры с неподвижной и с движущейся активной средой (или проточные тазеры).

Для харакгерной цилиндрической формы неподвижной активной среды ее температуру Т (при отсутствии движения среды и для известного объемного тепловыделения wc) можно определить из решения стационарного уравнения теплопроводности для цилиндра (рис. 68):

(5.3)

Граничные условия на "йнешней поверхности цилиндра (г = 7?) Зависят от конструкции лазера.