Конструирование оптических резонаторов, страница 8

Особенности теплового расчета лазера. Тепловой расчет лазера в непрерывном режиме начинается с определения доли P_н, идущей на нагрев АВ и лампы накачки. Используя [l] и имея в виду, что КПД лазера гораздо меньше 1 , можно записать

,

,

где P_тепл1 тепловая мощность, выделяющаяся в АВ лазера, тепловая мощность, выделяющаяся в лампе накачки.

Наиболее распространенный способ отвода тепловых мощностей в твердотельных лазерах является конвективный теплоотвод, в котором в качестве хладагента используются жидкости или газы. Баланс тепла в этом случае определяется уравнением Ньютона [l8]

,                                  (3.1)

где T_A и T₀ - температура нагретого тела и хладагента; S - обтекаемая поверхность;  - коэффициент теплоотдачи.

Задавшись допустимой величиной T_A и геометрией системы охлаждения, по уравнению (3.1) определяют , а отсюда, используя критериальные уравнения, находят расход хладагента и скорость его течения [18] . При этом зазор в области прохода хладагента выбирается не менее 1...2 мм. Для широко распространенной системы водяного охлаждения можно применить упрощенную методику. На основе эксперимента полагается, что расход воды dV/dt будет

                     ,                                (3.2)

где T_вых и T_вх - температура воды на выходе и на входе системы охлаждения;    V   - объем воды, dV/dt в (3.2) измеряется в л /мин, P_тепл- в кВт.

Для твердотельных лазеров T_вых = 40... 50 °С, T_вх = 20°С.

Определив dV/dt, находят скорость течения воды

     ,

здесь S - площадь поперечного сечения канала, имеющего в данном случае вид кольцевой щели.

В заключение надо выяснить эффективность работы системы охлаждения, для чего необходимо, чтобы:

,                  (3.3)

где  R_e   - критерий Рейнольдса; d_э- характерный размер (d_э = D_нар - D_вн       , D_нар и D_вн - наружный и внутренний диаметр кольцевой щели);  - удельный вес воды;  - ее вязкость. При этом d_э представляется в см,  в г/см³ ,  в см/c,  в г/см с. Следует иметь в виду, что вязкость воды зависит от ее средней температуры  (табл.3.2).

Таблица 3.2

Зависимость вязкости воды от температуры

Tср, °C	0		10		20	30
, г/см с	0,0179		0,0131		0,0101	0,0080
Tср, °C	40	50		70	90	100
, г/см с	0,0066	0,0055		0,0041	0,0032	0,0028