Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство общего и профессионального

Образования РФ

Пакалин Н.С.

Проверил: преподаватель

Соколовский Э.И.

Рязань 2002 г.

Задание

Спроектировать СО2 - лазер с выходной мощностью Pвых=2 Вт, =600 МГц. Излучение многомодовое, неполяризационное.

Введение

Современные квантовые приборы сложные устройства. Проектирование квантовых приборов весьма трудоемко из-за большого разнообразия процессов, определяющих эксплуатационные характеристики. Методы расчета постоянно модернизируются, что в конечном итоге позволяет создавать все более совершенные приборы. В задачу настоящего пособия не входит дать исчерпывающую информацию количественной оценки всех процессов, протекающих в квантовом приборе. Рассмотрены лишь основные соотношения, описывающие условия формирования потока излучения в активной среде газового лазера и определяющие параметры оптического резонатора. Применительно к гелий-неоновому лазеру и лазеру на углекислом газе представлены расчетные формулы, излагается методика расчета, приводятся типовые значения параметров и некоторые варианты конструкций реальных приборов.

Расчёт СО2 лазера

Из условий оптимизации режима генерации соотношение между компонентами разового состава в отпаянных СО2 - лазерах выбирают в пределах от 1:1:4 (CO2: N2: Не ) до 1:1:10.

Зададимся соотношением 1:1:4.

1)Определим общее давление газовой смеси.

где v := 600 МГц, из исходных данных, а (Xс: Xn: Xh) - мольная доля компонентов соответственно (СО2: N2 : Не ) в составе газовой смеси. A t2-температура газовой смеси, примем её равной 380 К, т.е t2=380 К, а мольные доли хс=1/6, xn=l/6, xh=4/6.

2) Определим диаметр разрядного капилляра .

3) Для оптимального режима работы лазера без прокачки газовой смеси справедлива следующая зависимость ненасыщенного коэффициента усиления от диаметра разрядного капилляра, 1/см.

4)Из условия того, что d>2мм выберем следующую формулу для определения параметра насыщения, Вт/смл2.

js:= 0.27pvd = 0.27 127.8766000.075=1555 Вт/см2.

5)Для расчёта потерь необходимо знать длину разрядного капилляра. l=Pвых/0.22857=2/0.22857=8.75 см.

Расчёт потерь

рис.1.Средние дифракционные потери за проход моды ТЕМ00 и ТЕМ10 для симметричного резонатора

6) Дифракционные потери связаны с рассеиванием светового потока на краях зеркал. Расстояние между зеркалами L ( длина резонатора ) выбирается из конструктивных соображений. Примем L=10 см. Для определения дифракционных потерь определим число Френеля и по рис 1. определим значение .

Число Френеля находится по формуле

где а=d/2=0.075/2=0.038 и =10.610-4см.

В лазерах, использующих активные среды с малыми значениями коэффициента усиления, могут применяться лишь устойчивые резонаторы. Последние характеризуются относительно-небольшой величиной дифракционных потерь, поскольку электромагнитное поле сосредоточено в них в основном около оси резонатора и быстро, убывает в поперечных направлениях.

Резонатор является устойчивым при выполнении следующего условия:

0g1g21

,где L - длина резонатора, R1,2 - радиусы кривизны зеркал.

Возьмем g=0.5, g1=g2=g=0.5 и рассчитаем R:

R2=R1=24 см.

По графикам определим потери: 00=65% 01=100%

При малых диаметрах капилляра ( а< 1,5 мм) и, соответственно, малых значениях апертуры зеркал дифракционные потери могут оказаться столь значительными, что сделают невозможной генерацию лазерного излучения. В этих случаях следует перейти к волноводному режиму работы лазера. При волноводном режиме электромагнитное поле в резонаторе формируется с участием многократных, отражений от боковых стенок.

В волноводном режиме дифракционные потери не возникают, но появляются, потери на распространение s , связанные с поглощением и рассеянием излучения на боковых стенках. Потери на распространение сильно зависят от свойств материала стенок и качества обработка поверхности. Поэтому внутреннюю поверхность стенок разрядного капилляра тщательно полируют, а форма канала делается: близкой к идеальной. Установлено, что приемлемые результаты можно получить, если неровности, связанные с шероховатостью, не превышают 1 мкм, а радиус кривизны канала - не менее 100 м. В этом случае распределенные потери, см-1 , рассчитываются, по формуле:

где Re() - действительная часть от комплексного параметра показателя распространения излучения в данном материале. Измерения показывают, что для окиси алюминия (керамика 22 ХС Re()= 1,3...1,8; для окиси кремния (кварцевое стекло) Rе() = 1,5...1,8; для окиси бериллия (бериллиевая керамика) Re() = 0,033...0,6. Конкретное значение Re() зависит от качества обработки материала. У промышленно выпускаемых материалов этот показатель обычно соответствует максимальному из указанных выше значений. Выберем материал 22ХС: Re()=1.8.

Особенностью волноводного режима является также наличие потерь в просвете между краем волноводного капилляра и зеркалом. Приблизительно

7) Вне зависимости от типа резонатора всегда имеют место потери из-за несовершенства зеркал.

8) Полные потери определяются как сумма всех возможных потерь.

=s++z=6.1210-3+3.22410-4+3.42910-4= 6.78610-3 (1/см).

9) Оптимальный коэффициент пропускания выходного зеркала

10) Выходная мощность, Вт

где Sэф - эффективная площадь поперечного сечения потока излучения.,

Тогда,

11) Электрическая мощность накачки составит:

Wэл=Pвых/0.12=1.951/0.12=16.26 Вт.

12) Оптимальное значение напряжённости электрического поля составит:

E=10р=10127.876=1.279103 В/см, где р - давление в мм.рт.ст.

13)Падение напряжения на разрядном промежутке. Применим двухплечевую схему включения.

U=0.5El=0.51.2791038.75=5.595103 B.

14) Ток разряда:

I=Wэл/U=16.26/(5.595103)=2.90610-3 A.

Тепловой расчёт

газовый лазер резонатор излучение

Мощность излучения СО2 лазера падает с увеличением температуры, поэтому охлаждение лазера должно быть достаточно эффективным. Из - за относительно высоких значений погонной мощности, выделяющейся в разрядном канале, в качестве основного способа охлаждения используется водяное. Исходя из возможностей конструктивного исполнения, выбирают величину зазора a,b и протяжённость Lк рубашки системы охлаждения: a=0.01 м,b=0.003 м, Lкl., l=0.07 м, Lk=0.065 м. Также выбирают объёмный расход охлаждающей жидкости V. Будем использовать магистральный водопровод V=5 л/мин=5/6010-3 =8.3310-5 м3/с.

1)Площадь поперечного сечения прямоугольного канала системы охлаждения.

2)Рассчитаем скорость движения теплоносителя.

=V/Fk=(8.3310-5)/(310-5)=2.778 (м/с).

3) Критерий Рейнольдса потока охлаждающей жидкости.

Re=dэф/ж=(2.7784.61510-3)/1.00610-6=12740,

где dэф=(2ab)/(a+b)=(20.010.003)/(0.01+0.003)=4.61510-3 м.

3) Рассчитаем критерий Нуссельта.

При Re>10000 (турбулентный режим)

Рг - критерий Прандтля (таблица №2), Pr=7.03 - поправочный коэффициент по условию турбулизацми (таблица №3). Ее=1.23 (Lk/dэф=0.065/0.0046215) - поправочный коэффициент по степени стабилизации потока (таблица №4).

Nu=0.023(Re)0.8Ee(Pr)0.4=0.023(12740)0.81.23(7.03)0.4=118.757

По результатам расчета критерия Nи рассчитывается коэффициент теплоотдачи

где ж =0.597 - коэффициент теплопроводности жидкости.

Зная величину коэффициента теплоотдачи, несложно определить температуру стенок капилляра.

Если канал прямоугольной формы , то:

Ts=20C, с=4183, =998

Температура внутренней поверхности стенок разрядного капилляра “прямоугольного сечения”

где - коэффициент теплопроводности материала разрядного капилляра (табл.5).

После расчета температуры внутренней стороны стенок разрядного капилляра рассчитывается максимальная температура газовой смеси T2.

При накачке ВЧ разрядом.

В этих формулах - коэффициент теплопроводности газовой смеси. Для газовой смеси произвольного состава справедливо следующее выражение (уравнение. Васильевой):

где I - коэффициент теплопроводности данного компонента, xi - доля этого компонента.

где Mi - массовое число молекулы, i - вязкость данного компонента(табл.6).

Рассчитаем температуру:

Исходная температура, которую я взял в начале расчета равна 107С. Как видно она не отличается от полученной, значит расчет можно считать законченным.

Список литературы:

1. Расчет и конструирование квантовых генераторов: Методические указания к курсовому проектированию/ Рязан.радиотехн.академия; Сост.: Э.И.Соколовский, В.И.Соловьев. Рязань, 1992г. 32 с.

2. Лазер на углекислом газе: Методические указания к лабораторной работе /Сост.: Э.И.Соколовский, А.И.Улитенко. - рязань: РРТА, 1990г - 12с.

Размещено на Allbest.ru