Файл: Белостоцкий, Б. Р. Тепловой режим твердотельных оптических квантовых генераторов.pdf

глощением активными центрами излучения накачки, иг­ рают определяющую роль, однако не являются единствен­ ными. Некоторый дополнительный нагрев активных эле­ ментов может быть связан с поглощением энергии са­ мой матрицей. В частности, для рубиновых стержней интенсивное поглощение сапфира проявляется в ультра­ фиолетовой области (Л,<С250 нм). Для уменьшения на­ грева активных элементов обычно используются филь­ тры, поглощающие ультрафиолетовое излучение ламп накачки. Фильтрация излучения приводит также к уменьшению поглощения активными центрами в уль­ трафиолетовой области, которое может быть источником достаточно эффективного тепловыделения. Другим ис­ точником нагрева является теплообмен рабочих стерж­ ней с осветителем, температура которого также повы­ шается вследствие поглощения излучения накачки [Л. 1-4]. Влияние этого фактора в значительной степени зависит от конструктивных особенностей осветителя и системы охлаждения, и его следует рассматривать от­ дельно в каждом конкретном случае.

1-2. ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИЕ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ЛАЗЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

В качестве активных сред твердотельных ОКГ ис­ пользуются разнообразные кристаллы с примесью ионов редких земель или металлов переходных групп и стекла, активированные редкоземельными ионами. Эти матери­ алы сильно различаются по физическим свойствам. В настоящее время наиболее широкое распространение получили оптические квантовые генераторы на рубине, иттрий-алюминиевом гранате и стеклах с примесью ионов неодима. Не останавливаясь на характеристике свойств всего многообразия лазерных материалов, рас­ смотрим теплофизические и механические свойства не­ которых из них.

Рубин характеризуется высокой теплопроводностью по сравнению с другими лазерными материалами, кото­ рая в сочетании с механической прочностью способст­ вует широкому использованию рубина в качестве ак­

16

проводности вдоль и 'перпендикулярно оптической оси при комнатной температуре составляет 1,11 [Л. 1-6].

Температурная зависимость теплопроводности и теп­ лоемкости рубина в широком диапазоне температур ис­ следовалась многими авторами. Зависимость коэффици­ ента теплопроводности рубина к от температуры по данным работы [Л.1-7] приведена на рис. 1-4. Характер-

ным для руоина является сильное увеличение к при понижении температуры. При температуре жидкого азота коэффициент теплопроводности рубина выше, чем меди. В области 20—40 К теплопроводность рубина

достигает максимального значения, а затем уменьша­ ется (рис. 1-4).

Теплоемкость рубина с увеличением температуры возрастает (рис. 1-5) (Л.1-8]. Температурная зависи­

2—298

of 0 до 100°С приводит к увеличению теплоемкости при­ мерно на 25%.

Для описания упругих свойств кристаллов обычно используются следующие параметры: модуль упругости, модуль сдвига и коэффициент Пуассона. По данным

[Л. 1-9] модуль упругости вдоль направления оптической оси Д(| =3280 000 кгс-смг2, перпендикулярно оптиче­

ской оси Д± = 3 200 000 кгс-слг2. Расчет модулей упру­

гости через коэффициенты податливости [Л. 1-10] приво­ дит к следующим значениям: Е = 4 600 000 кгс-смг2,

Е± = 4 250 000 кгс-см~2. Усредненный по направлениям коэффициент Пуассона при комнатной температуре ра­ вен 0,27. Плотность розового рубина р= 3,984 = 3,998 г • слг3.

Упругооптические постоянные для корунда приведе­ ны в [Л. 1-11, 1-12]: /7ц= 0,125; /?33=0,23; р44= 0,1; Ріа=0,038; р13=0,005; р3і= 0,032; р14=0,018; р41=0,01.

Главные значения температурного коэффициента расширения рубина (при комнатной температуре) «ті=

= CST2=5 • ІО-6 dC~1, атз=6,66-10-° °С -і і[Л. 1-6].

Показатель преломления рубина увеличивается с по­ вышением температуры. Для обыкновенного луча

Вследствие анизотропии физических свойств проч­ ность рубина зависит от кристаллографического направ­ ления, вдоль которого приложено усилие. Имеющиеся в литературе данные по механической прочности рубина сильно различаются, так как на величину прочности влияет большое число факторов. По данным [Л. 1-9] прочность кристаллов корунда на изгиб при нагрузке

направлении приложенной силы относительно оптиче­ ской оси.

Широко используются в лазерной технике различ­ ные стекла: боратные, силикатные, фосфатные, лантановые и др. Преимуществом стекол перед другими мате­ риалами является их высокая оптическая однородность и возможность изготовления активных элементов раз­ личной конфигурации и больших размеров (длиной до

18

1— 2 м). Кроме того, физические 'параметры стекла мож­

но варьировать, изменяя химический состав.

Для оценки коэффициента теплопроводности X, удельной теплоемкости с и температурного коэффици­ ента расширения ат стекла в зависимости от химиче­ ского состава можно использовать следующие соотно­ шения [Л. 1-14]:

X— 2 ХіРі,

Отг при комнатной температуре для основных компонен­

Как следует из табл. 1-1, увеличение содержания окислов В2О3, Na20, CaO, А120 3 приводит к повышению

теплопроводности стекла. Стекла с большим содержа­ нием РЬО и ВаО обладают меньшей теплопровод­ ностью. С увеличением концентрации MgO, ВаО, Na20 3

теплоемкость стекол возрастает. Влияние других окис­ лов проявляется слабее.