翻译部分Atomic Rockets网站的内容不过是机翻,但

从功率转换的角度来看,98%的透明晶体可转换其吸收的 35% 的光谱,这意味着它只转换通过它照射的每一瓦黑体辐射的 0.7%。因此,每平方厘米接收268瓦的晶体棒将释放1.87W的激光
我们可以使用发射器和接收器面积的1:1比率来减轻重量,增加功率密度。理想情况下,我们可以将发射器和接收器堆叠为平面,以足够空间隔开,以防止通过传导进行传热。
反应器冷却液通道、碳排放表面(1厘米)、填料气体、Nd:YAG晶体(1cm)和氦气通道可背对背放置。体积可能最终看起来像一个矩形长方体,由镜腔间。
20 kg/m+2 碳层和 45.5 kg/m+2 晶体层,每平方厘米释放 1.87 W,其他结构和冷却液管的重量剩余 15%,使该组件的功率密度约为 250 W/kg。
根据本文的设置,激光晶体从417K冷却。在这么低的温度下去掉兆瓦是很麻烦的。需要巨大的散热器表面区域。
由于我们在整个帖子中使用平板散热器,因此我们只有两个变量:材料密度、材料厚度和工作温度。后者由引用的文档设置。
我们将选择一个1毫米厚的散热器,由低密度聚乙烯制成。我们获得0.46公斤/米+2是合理的。当辐射在417K时,它们可以达到3.73千瓦/千克。
它们很可能在稍低的温度下工作,以允许将热量从拉西介质转移到面板中,并且管道和泵的质量不容忽视,但这一切都很难估计,而且更容易包含在 15% 的整体功率密度惩罚中,以惩罚下落不明的部件。
100 kW/kg 反应堆、250 W/kg 发射激光堆栈和 3.73 kW/kg 散热器在应用惩罚后,总功率密度为 188 W/kg。
与晶体拉光介质相比,气态拉化介质具有许多优点。它们需要更少的辐射强度(W/m+3)来开始产生激光束。这项研究指出,碘激光的强度比同等的固态激光器低450倍。冷却气体激光也更容易,因为我们只需让气体流过散热器。另一方面,湍流和热透镜效应会使光束的质量变质。
没有关于应用 Nd:YAG 激光器的热回收方法以大大提高气体激光器效率的尝试。许多研究已经进行,而不是直接的太阳能泵激光,其中阳光通过气态介质只通过一次。
太阳在5850K的温度下可以被认为是黑体发射器。科学家发现,这种拉光介质最适合通过集中的阳光泵送——它们吸收了阳光能量的最大部分。
该分数的绝对值较低,这意味着整体性能不佳。一种碘基的拉西介质报告效率为0.2%。使用光学泵送溴激光器时,效率更差,达到0.01%。同样,C3F7I,一种产生1315纳米激光的碘分子,被认为是效率1%的最佳。
固体黑体发射器被限制在略高于 3000K 的温度。这种黑体释放的光谱与上面引用的气态放气介质所测量的波长之间会有很大的不匹配。简言之,在所有情况下,效率都低于0.1%。
最后一种选择是用于太阳能设计的高砷-磷垂直外腔表面发射激光(VECSEL)。它可以吸收300到900nm之间的波长,这代表了65%的太阳波长,但只有20%的辐射来自3000K黑体。这适用于功率密度为 45.9 kW/kg 的发射器。
该分数的绝对值较低,这意味着整体性能不佳。一种碘基的拉西介质报告效率为0.2%。使用光学泵送溴激光器时,效率更差,达到0.01%。同样,C3F7I,一种产生1315纳米激光的碘分子,被认为是效率1%的最佳。
固体黑体发射器被限制在略高于 3000K 的温度。这种黑体释放的光谱与上面引用的气态放气介质所测量的波长之间会有很大的不匹配。简言之,在所有情况下,效率都低于0.1%。
最后一种选择是用于太阳能设计的高砷-磷垂直外腔表面发射激光(VECSEL)。它可以吸收300到900nm之间的波长,这代表了65%的太阳波长,但只有20%的辐射来自3000K黑体。这适用于功率密度为 45.9 kW/kg 的发射器。
生产 1100nm 光束时,平均效率为 50%。由于它从发射器中提取 20% 的波长,这相当于 10% 的整体效率。
利用本文中的数字,我们可以推测,VECSEL可以处理不到20兆瓦/千克。因此,激光的质量可以忽略不计。使用 100 kW/kg 反应堆,我们计算出功率密度为 3.1 kW/kg。
VECSE可以高温运行,但效率损失严重。我们最多会把它们保持在30万。这是非常麻烦的,因为20兆瓦的光需要集中在 VECSEL 上才能开始产生激光束。90%的光正在几微米厚的表面内转化为废热。钻石散热器在短期内有帮助,但在连续操作中却没有帮助。
散热器功率密度将受到影响。即使是 300K 的轻质塑料面板也很难达到 1 kW/kg。与以前的设备配对,对未到的部件处以 15% 的罚款,这意味着总功率密度为 91 W/kg。
这说明了为什么不透明的泵送介质不适合直接泵送,因为它不允许回收废热。
过滤黑体泵送
高温发射器将其所有波长辐射到黑体泵送的拉光介质中。我们描述了一种方法,防止拉西介质吸收98至99.9%的入能量,并立即将其转化为废热。要求是,拉西介质是非常透明的,只是让通过不需要的波长。
但是,这对拉西介质施加了若干设计限制。它必须薄,必须用透明液体冷却,它可能必须坐在高温源旁边,同时保持低温本身。
到顶部