книги из ГПНТБ / Белостоцкий, Б. Р. Тепловой режим твердотельных оптических квантовых генераторов

Ниже приводятся данные, иллюстрирующие влияние химического состава на теплофизические и механические свойства для пяти неодимовых лазерных стекол а, Ь, с, d, е [Л. 1-15], химический состав которых приведен в табл. 1-2.

Таблица 1-2

По сравнению с рубином теплопроводность стекол значительно ниже. При комнатной температуре тепло­ проводность рубина превышает теплопроводность стек­ ла в 40—50 раз. Зависимость X от температуры выра­ жена сравнительно слабо. Так, для стекла е увеличе­

0,8 и 0,77 дж• а-1 • °С_1 соответственно. Сведения о других свойствах стекол по данным работы [Л. 1-15] приведены в табл. 1-3.

Температурный коэффициент линейного расширения стекол ат в зависимости от химического состава можно

Значения ат, dn/dT, Е для некоторых других марок сте­ кол содержатся в табл. 1-4 [Л. 1-17].

20

ботки боковой поверхности, размеров стержня, наличия дефектов и других факторов.

Т а б л и ц а 1-5

21

Свойства иттрий-алюминиевого граната, вольфрамата кальция и флюорита при комнатной температуре приве­ дены в табл. 1-5 и 1-6.

1-3. УРАВНЕНИЕ ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

Рассмотрение задачи о нагревании активных эле­ ментов под действием радиации накачки сводится в об­ щем случае к решению уравнения теплопроводности, ко­ торое описывает пространственно-временное изменение температуры в веществе. Для изотропных тел диффе­ ренциальное уравнение теплопроводности имеет следую­ щий вид [Л. 1-20]:

где Т — пространственно-временное распределение тем­ пературы; q — мощность объемного тепловыделения, за­ висящая от пространственных координат и времени.

Если коэффициент теплопроводности Я не зависит от температуры, то из (1-24) следует:

где а=Х/ср — коэффициент температуропроводности ве­ щества.

Для решения уравнения теплопроводности (нахожде­ ния распределения температуры в объеме вещества в произвольный момент времени) необходимо задать краевые условия: распределение температуры в началь­ ный момент времени (начальное условие); геометриче­ скую форму активного элемента и закон взаимодейст­ вия между его поверхностью и охлаждающей средой (граничное условие).

22

пература в каждой точке объема равна температуре охлаждающей среды).

Перенос тепла в объеме активного элемента твердо­ тельного ОКГ осуществляется путем теплопроводности. Теплопередача на поверхности тела может происходить в общем случае посредством теплопроводности, конвек­ ции и излучения. В зависимости от роли того или дру­ гого типа теплообмена граничное условие может быть задано различными способами. Применительно к актив­ ным элементам твердотельных ОКГ наиболее распрост­ раненными являются жидкостные и газовые системы ох­ лаждения. В этих условиях осуществляется конвектив­ ный теплообмен между поверхностью активного элемен­ та и охлаждающей средой.

Закон взаимодействия между поверхностью твердо­ го тела и охлаждающей средой при конвективном тепло­ обмене обычно записывается в следующем виде (гра­

где Тс — температура охлаждающей среды (в общем случае зависящая от времени); а — коэффициент тепло­ обмена; п — нормаль к поверхности тела.

Из граничного условия третьего рода при А/а— >0 следует как частный случай граничное условие первого рода, когда температура поверхности тела равна тем­ пературе охлаждающей среды

При малых значениях коэффициента теплообмена (а— ИЗ) из (1-26) следует частный случай граничного условия второго рода (нулевой поток тепла через по­ верхность тела).

Коэффициент теплообмена зависит от свойств ох­ лаждающей среды, геометрических размеров и фор­ мы сечения канала, режима течения хладоагента (ла­ минарный, турбулентный, переходный). В частности, при охлаждении газовым потоком коэффициент тепло­ обмена составляет (5• 10-4-ь-5■ 10~2) вт-см~2.°С-1. Жид­ костное охлаждение позволяет реализовать коэффици­ енты теплообмена (0,1 -т-1) ег • см~2 •°С_1 и выше.

23

Глава вторая

СТАЦИОНАРНЫЙ ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ АКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Стационарный тепловой режим реализуется в актив­ ных элементах ОКГ непрерывного действия. Режим не­ прерывной генерации в твердотельных ОКГ был осуще­ ствлен впервые на вольфрамате кальция с примесью ионов неодима [Л. 2-1], затем на стекле и иттрнй-алюми- ниевом гранате, активированных неодимом [Л. 2-2, 2-3], рубине [Л. 2-4]. В настоящее время ОКГ непрерывного действия привлекают все большее внимание благодаря возможностям, которые они открывают при решении ряда научно-технических проблем. Дальнейшее расшире­ ние применений непрерывных ОКГ требует рассмотрения вопросов, связаных с разработкой мощных генераторов, функционирующих при больших радиационных нагруз­ ках. В этой связи важное место занимают исследования теплового режима активных элементов ОКГ непрерывно­ го действия.

Кроме того, результаты расчета стационарных темпе­ ратурных полей могут быть использованы при исследо­ вании теплового режима активных элементов частотных ОКГ (см. гл. 3 и 4).

Ниже рассматривается стационарный тепловой режим активных элементов в форме сплошного цилиндра, ци­ линдра в оболочке, полого цилиндра, тонкой пластины при однородном и неоднородном распределениях источ­ ников тепла.

2-1. СПЛОШНОЙ ЦИЛИНДР

В большинстве случаев рабочее вещество твердо­ тельных оптических квантовых генераторов имеет фор­ му цилиндра, радиус которого значительно меньше дли­ ны. Поэтому при исследовании темпqpатурных полей цилиндрических активных. элементов можно ограни­ читься рассмотрением уравнения теплопроводности для бесконечного цилиндра. В этом случае при одинаковых условиях охлаждения каждого элемента боковой по­ верхности стержня радиуса R уравнение (1-25) и крае­ вые условия принимают следующий вид:

24

жесткие ограничения та 'Величину нагрева вытекают из

условия обеспечения заданных характеристик ОКГ.

Н е о д н о ір о 'Д 'Н о е т е п л о в ы д е л е н и е . Плотность

поглощения радиации накачки .по объему вещества в общем случае непостоянна [Л. 2-7—2-11]. Для анализа влияния неоднородности представим поле источников тепла в виде полинома по четным степеням /у

Если положить г = 1, то последнее выражение пере­ ходит в (2-4). При t= 2 имеем:

Профиль температурного поля (2-9) в стационар­ ном режиме, как и в случае однородной накачки, не зависит от эффективности теплоотвода. При этом тем­ пература на поверхности активного тела определяется

27

ность источников тепла. Как видно из (2-11), темпера­ тура .на поверхности не зависит от степени неоднород­ ности раопределения поглощенной радиации накачки, а определяется усредненной по объему .мощностью теп­

при однородном тепловыделении с мощностью q\ т|) —

поправка, учитывающая неоднородность распределения накачки по сечению стержня, которая определяется со­ отношением

На ірис. 2-2 для случая і = 2 приведена величина ■перепада температур между центрам и .поверхностью

Рис. 2-2. Влияние неоднород­ ности поглощения радиации

накачки на величину перепада температур между центром и поверхностью активного тела (в долях АТРт).

1 — для случая а2>0; 2 — для слу­ чая Oj<0.

стержня в долях А Т рП1 в зависимости от степени неодно­

родности источников тепла. В случае аг>0 плотность внутренних источников тепла увеличивается к центру. Піри этом щ/йз— *оо соответствует равномерной плотно­ сти тепловыделения, аі/аг=1 — максимальной неодно­ родности (поверхность вещества не поглощает излуче­ ние накачки). Как следует из рис. 2-2 (кривая 1), мак­ симальная разность температур между центром и по-

28

верх'ностыо (.піріи аі/а2= \ ) в 1,5 раза 'Превышает соот­ ветствующую разность температур при однородном теп­ ловыделении.

При аг<0 плотность поглощенной радиации накач­

стигает наибольшего значения, равного 0,5, но имеет знак, противоположный знаку в случае «2> 0 (кривая 2 на рис. 2-2).

ного поля в стационарном режиме. Колебания іразности температур на оси и на поверхности стержня находятся

Влияние 'неравномерности поглощения на -макси­ мальную температуру, достигаемую на оси стержня, можно оценить из отношения

при различных значениях а\/а2 и числа Ві. Как следует из приведенных данных, -с уменьшением числа Ві влия­ ние неоднородности тепловыделения на распределение температуры становится менее существенным. Влияние неоднородности распределения источников тепла на ве­

29