Капиллярные лампы высокого давления

Для оптической накачки твердотельных лазеров, работающих в непрерывном режиме или при высокой частоте следования импульсов, более 100 Гц, широко используются капиллярные дуговые лампы высокого давления. В капиллярных дуговых лампах стабилизация положения дуги в пространстве обеспечивается стенками кварцевого капилляра с внутренним диаметром в несколько миллиметров. Из-за высокой тепловой нагрузки ( ~ Вт/см длины лампы) капилляр должен интенсивно охлаждаться (обычно проточной водой). Для накачки в видимой области спектра, например, рубина, весьма эффективны ртутные капиллярные лампы, давление внутри которых в рабочем режиме может достигать 10 МПа. Из-за высокого давления резонансные линии давления ртути уширяются ( ) и обеспечивают высокоинтенсивную накачку в диапазоне 0,35…0,65 мкм.

3. Спектр капиллярных ламп можно грубо изменять за счет состава наполнителя и более плавно за счет изменения величины давления в капилляре. Это позволяет использовать их для интенсивной накачки различных твердотельных сред за счет подбора спектров излучения лампы и спектра поглощения рабочего иона.

4. Капиллярные лампы очень компактные источники света, которые допускают эксплуатацию в режимах с мощностью вплоть до 700 Вт/см при диаметре дуги 1 мм.

Недостатки:

1.Большое внутреннее давление делает лампу взрывоопасной.

2.Используются токсичные газообразные среды.

3.Наличие внешнего баллона по отношению к капилляру (для охлаждения водой) увеличивает габариты лампы.

4.Необходимо принудительное охлаждение.

Лампы вспышки

Лампы вспышки используются для импульсной накачки ТТЛ. Излучение генерируется в виде отдельных или повторяющихся световых вспышек. Частота повторения световых импульсов до нескольких кГц, длительность импульсов от до с. В качестве наполнителя обычно используется наиболее тяжелый инертный газ ксенон. При этом имеют место наименьшие тепловые потери в лампе. При длительном импульсе разряда ( мкс) и удельная мощность тепловые потери составляют: для Xc ~ 40 %, для Cr ~ 50 %, Ar ~ 60 %, Ne ~ 65…70 %, соответственно. Избыточное давление газа в лампах составляет Па. Это довольно высокое давление, поэтому лампы взрывоопасны. В большинстве случаев эти

Рисунок 4.15 – Схема трубчатой лампы вспышки: 1, 2 – электроды, 3 – поджигающий электрод, 4 – баллон

лампы представляют собой трубку со стенкой калиброванной толщины из плавленого кварца. Диаметр от 3,0 до 24,0 мм, расстояние между электродами от 45 до 1000 мм. Номинальные энергии: 0,4; 0,8; 1,2; 2; 5; 8; 20; 25 и 40 кДж.

В некоторых случаях применяют спиральные и полостные лампы накачки. Однако в связи с низкими эксплуатационными свойствами и повышенной стоимостью их применяемость ограничена. При номинальных режимах эксплуатации спектр излучения определяется температурой в разряде и лишь при очень малых мощностях ( ~ 0,05 ) становится заметным вклад собственных резонансных линий рабочего газа ксенона в области 0,8…1,0 мкм. Повышение вкладываемой в разряд электрической мощности ведет к увеличению температуры плазмы и заметно влияет на рост излучательной способности лампы, особенно в коротковолновой части спектра. Однако увеличение мощности разряда сопровождается заметным нагревом лампы. Так повышение вкладываемой в разряд мощности с 0,5 до 1,0 и укорочение импульса с 2,0 мс до 70 мкс увеличивает тепловые потери на 10…20 %. Перепад температур отрицательно сказывается на общем ресурсе работы ламп вспышек. Для трубчатых ксеноновых ламп вспышек общее количество одиночных импульсов до разрушения можно оценить из соотношения

, (4.42)

где - постоянный множитель, зависящий от конструктивных особенностей лампы;

- энергия разряда, Дж;

- предельная энергия;

здесь - площадь внутренней поверхности разрядного промежутка.

Для ламп диаметром 4…20 мм и мкс длительность апериодического разряда на уровне 1/е, число вспышек составит . Заметное влияние на ресурс работы оказывает схема электропитания. Так внешний поджиг в 1,5…2,0 раза сокращает срок службы с внутренним и в 5…10 раз по сравнению с режимом дежурной дуги. Появление хотя бы одного звонка в токовом импульсе снижает ресурс работы лампы вдвое. При скорости нарастания токового импульса свыше 10 А/мкс в лампе возникает ударная волна и кварцевый баллон разрушается за одну вспышку. Отрицательно сказывается на ресурсе работы и усложнение конфигурации лампы. Спиральные и особенно коаксиально-полостные лампы имеют значительно меньший ресурс работы из-за значительной неоднородности распределения нагрузки по стенкам колбы. Высокоэффективные отражатели также снижают ресурс работы лампы за счет повышения тепловой нагрузки на колбу лампы. Коэффициент нагрузки при этом возрастает примерно на 30%. Частота повторения вспышек и ресурс работы лампы сильно зависит от условий охлаждения лампы (естественное, принудительное, воздушное, жидкостное). Спектр ламп-вспышек имеет большую составляющую УФ излучения по сравнению с непрерывными лампами. УФ излучение вредно воздействует на активный элемент и охлаждающую жидкость. Поэтому на баллоны ламп-вспышек в ряде случаев наносят селективные покрытия или используют фильтрующий кварц.

Осветители лазеров

Для повышения эффективности оптической накачки лампы и активный элемент размещают в специальном устройстве, которое называется осветителем. Основное назначение осветителя – концентрация энергии излучения лампы накачки на активном элементе. Обычно осветитель представляет собой замкнутую полость, внутри которой размещены лампы накачки и активный элемент. Осветитель – это очень высокоэнергетическое устройство. В этом небольшом объеме осуществляются основные превращения электрической энергии ламп накачки в энергию оптического излучения и тепловую энергию. Только несколько процентов электрической энергии превращаются в энергию накачки, остальные превращаются в бесполезную и вредную энергию тепловых потерь. В лазерном осветителе выделяют следующие составляющие тепловых потерь:

- поглощение энергии поверхностью отражателя вследствие несовершенства отражающих покрытий (30-60 %);

- тепловые потери в самой лампе накачки могут составлять (20-60 %). Основными причинами являются: затемнение колбы лампы, особенно, если она окружена охлаждающей рубашкой;

- тепловые потери в активной среде (10-20 %).

Особенно сильно нагреваются внешние (периферийные) слои активного элемента при большом поперечном сечении. Для определения величины потребляемой лазером (точнее источником накачки) электрической энергии вводится коэффициент преобразования электрической мощности накачки в мощность, поглощаемую активной средой - :

. (4.43)

В твердотельном лазере на основе алюмо-итриевого граната при использовании в качестве источника накачки криптоновых газоразрядных ламп и лучших эллиптических отражателей коэффициент (для рубина , для Cm:Nd ). Общий КПД лазера выражается как отношение мощности выходного излучения к электрической мощности накачки

, (4.44)

где - КПД оптического резонатора.

. (4.45)

При сокращении принято допущение, что мощность поглощения активной среды - мощность, запасенная в активном элементе. Обычно .