УНИВЕРСАЛЬНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА
UNIVERSAL RADIATOR OF SOLID-STATE LASER

Изобретение относится к твердотельным лазерам с диодной накачкой, в частности к элементам накачки и системам их охлаждения, и может быть использовано при изготовлении лазерной техники.
Известен генератор лазерного излучения, который размещен на основании и содержит теплообменную пластину, выполненную из металла с высокой теплопроводностью, установленный на ней термодатчик, термоинтерфейс, термоэлектрические модули и расположенные под ними тепловые трубы. Генератор снабжен системой охлаждения. Тепловые трубы укладываются под площадью поверхности элементов Пельтье, на плоском основании, выполненном из плоского материала с высокой теплопроводностью. Термоинтерфейс расположен между элементами, участвующими в теплообмене, в данном случае основанием генератора излучения, теплообменной пластиной, элементами Пельтье и основанием тепловых труб. Тепловые трубы соединяют собственное основание с радиатором (патент Япония №2000286483, МПК H01S 3/042, опубл. 2000 г.).
В этом устройстве система охлаждения исключает возможность перегрева генератора излучения и позволяет генерировать стабильное излучение с высоким качеством в течение длительного периода времени. Кроме того, подключенный к генератору излучения блок управления при помощи термистора позволяет контролировать температуру генератора без учета влияния температуры окружающей среды. Кроме того корпус генератора излучения снабжен ребрами охлаждения с целью эффективного охлаждения. Использование тепловых труб не позволяет воздушной продувке и при этом возникающей в конструкции вибрации, оказывать влияние на стабильность выходных параметров генератора.
Однако данная система охлаждения работает только на охлаждение и не позволяет работать генератору излучения при отрицательных температурах окружающей среды.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является твердотельный лазер с контролем температуры, содержащий резонатор, установленный жестко на основание, устройство накачки и теплообменный блок, содержащий термоэлектрические модули и теплообменники (патент Япония №2000091673, МПК H01S 3/042, 3/109, опубл. 2000 г.).
Основание оптического резонатора лазера располагается на медном теплоотводе и алюминиевом радиаторе. Поверхности одного термоэлектрического модуля контактируют с основанием лазера и медным теплоотводом другого модуля с противоположной стороной теплоотвода и алюминиевым радиатором. В качестве материала основания резонатора используется инвар.
Накачка активного элемента - торцевая с системой фокусировки, осуществляется полупроводниковым инфракрасным лазером. Для стабилизации выходных параметров лазера, в частности, в качестве средства поддержания постоянного относительного взаимного расположения оптических компонентов, использованы термоэлектрические модули, основанные на эффекте Пельтье.
Данный лазер обладает стабильными долговременными параметрами и минимизированным временем выхода на рабочий режим. Контроль температуры лазерного резонатора осуществляется термоэлектрическими модулями, основанными на эффекте Пельтье.
В целом система управления температурой лазера позволяет предотвратить возникающие в основании в процессе работы лазера и под влиянием окружающей среды температурные расширения, деформационные напряжения. Данная система терморегулирования позволяет считать постоянным во времени соотношение относительных положений оптических компонентов оптического резонатора, что позволяет стабилизировать выходные параметры лазера.
Однако работа данного лазера достаточно эффективна только в диапазоне температур окружающей среды от плюс 15 до 70°C в течение 2 часов непрерывной работы, но не допускает эксплуатацию лазера в условиях воздействия широкого диапазона температур, в том числе и минусовых. А использование медного теплоотвода и алюминиевого радиатора не позволяет минимизировать массогабаритные характеристики.
Задача, на решение которой направлено изобретение, - создание универсальной конструкции излучателя, обладающего малым временем выхода лазера на рабочий температурный режим, минимальными массогабаритными характеристиками и стабильно работающего при повышенных эксплуатационных нагрузках (при механических и термических напряжениях, при ударных и вибрационных нагрузках, при воздействии предельных температур окружающей среды).
Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения, - повышение устойчивости конструкции излучателя к внешним воздействующим факторам.
Указанный технический результат достигается тем, что в универсальном излучателе твердотельного лазера, содержащем резонатор, установленный жестко на основание, устройство накачки и теплообменный блок, содержащий термоэлектрические модули и теплообменники, согласно изобретению, устройство накачки выполнено в виде квантрона, жестко закрепленного на основании, теплообменный блок снабжен нагревательным элементом, установленным в теплообменнике, закрепленном на держателе элемента накачки квантрона, контурной тепловой трубой с пластиной конденсатора, термоинтерфейсом и термодатчиками, установленными в теплообменниках и пластине конденсатора, термоэлектрические модули размещены между параллельной им пластиной конденсатора и теплообменником, закрепленным жестко на теплоотводящей поверхности, термоинтерфейс выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности и расположен между пластиной конденсатора и термоэлектрическими модулями, между теплообменником и термоэлектрическими модулями, а также между теплообменником и держателем элемента накачки, конструкция резонатора выполнена деформационно-устойчивой, квантрон теплоизолирован от основания и не имеет контактов с резонатором, резонатор и квантрон позиционируются при помощи штифтов на основании, жестко закрепленном на посадочной поверхности, при этом оптическая схема выполнена на базе неустойчивого резонатора, а контурная тепловая труба содержит демпфирующие элементы.
Благодаря наличию новых признаков совместно с известными, общими с прототипом, достигается следующий технический результат. При работе за счет переноса тепла на теплоотводящую поверхность с помощью контурной тепловой трубы, конструкция которой содержит демпфирующие элементы, устройства термостабилизации элементов накачки, контроля температуры теплообменников, выполнения конструкции резонатора деформационно-устойчивой, разделения конструкций квантрона и резонатора, жесткого крепления основных узлов конструкции, теплоизоляции квантрона от основания, позиционирования квантрона и резонатора при помощи штифтов, реализации оптической схемы на базе неустойчивого резонатора, применения термоинтерфейса между деталями, участвующими в теплообмене, - обеспечивается безжидкостное охлаждение, стабильность выходных характеристик излучателя. Таким образом, повышается устойчивость конструкции излучателя к внешним воздействующим факторам.
За счет этого стало возможным создать универсальную конструкцию излучателя, обладающего малым временем выхода лазера на рабочий температурный режим, минимальными массогабаритными характеристиками и стабильно работающего при повышенных эксплуатационных нагрузках (при механических и термических напряжениях, при ударных и вибрационных нагрузках, воздействии предельных температур окружающей среды).
При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявлении источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков от прототипа, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. В результате поиска не выявлены технические решения с этими признаками. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
На фиг. 1 представлен общий вид излучателя.
На фиг. 2 - общий вид теплообменного блока.
На фиг. 3 - оптическая схема.
На фиг. 4 - разрез А-А.
Универсальный излучатель твердотельного лазера содержит резонатор 1 (Фиг. 1, 2), установленный жестко на основание 2, устройство накачки и теплообменный блок. Устройство накачки выполнено в виде квантрона 3, который жестко закреплен на основании 2. Теплообменный блок содержит теплообменники 4, 5, термоэлектрические модули 6, нагревательный элемент 7, контурную тепловую трубу 8 с пластиной 9 конденсатора 10, термоинтерфейс 11, термодатчики 12. Нагревательный элемент 7 установлен в одном из теплообменников 4, закрепленном на держателе 13 элемента накачки квантрона 3. Другой теплообменник 5 жестко закреплен на теплоотводящей поверхности 14.
Термодатчики 12 установлены в каждом теплообменнике 4, 5 и на пластине 9 конденсатора 10. Термоэлектрические модули 6 соединены между собой и размещены между параллельной им пластиной 9 конденсатора 10 и теплообменником 5, закрепленным на теплоотводящей поверхности 14. Термоинтерфейс 11 выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности и расположен между элементами, участвующими в теплообмене: между пластиной 9 конденсатора 10 и термоэлектрическими модулями 6, между теплообменником 5 и термоэлектрическими модулями 6, а также между теплообменником 4 и держателем 13 элемента накачки.
Конструкция резонатора 1 выполнена деформационно-устойчивой. На фланцах резонатора закреплены зеркала 15, 16, при этом образованный этими зеркалами оптический резонатор выполнен на базе неустойчивого резонатора (фиг. 3).
Квантрон 3 устанавливается на основание 2 на подставку 17, через подложку 18, при этом его позиционирование относительно резонатора обеспечивается с помощью штифтов (фиг. 1, 4). Подставка 17 квантрона с подложкой 18 крепится к основанию 2 через изолятор 19. Таким образом, квантрон 3 теплоизолирован от основания 2 и при этом не имеет контактов с резонатором 1.
К корпусу квантрона 3 с одной стороны крепится жестко и диаметрально соосно оправа 20 (фиг. 1, 3), которая содержит линзу 21 и диафрагму 22, установленные диаметрально соосно и перпендикулярно оси активного элемента (АЭ) 23. С другой стороны к корпусу квантрона крепится жестко кронштейн 24 поляризатора 25.
Блок электрооптического затвора 26 позиционируется на основании 2. В блоке предусмотрена дополнительная юстировка нелинейного кристалла 27 (КТР, RTP, DKDP с подогревом и т.п.) по углу относительно основания.
Термоэлектрические модули 6 и нагревательный элемент 7 используются в качестве элементов термостабилизации. Термоэлектрические модули установлены: поглощающей тепло поверхностью к пластине 9 конденсатора 10 и отдающей тепло поверхностью к теплообменнику 5. Конденсатор 10 тепловой трубы 8 размещается под площадью поверхности термоэлектрических модулей на пластине 9, крепление обеспечивается методом пайки. Тепловая труба 8 снабжена демпфирующими элементами, выполненными в виде амортизационных колец 28.
Пластина 9 конденсатора 10 крепится к теплообменнику 5 жестко через проставки 29 и шайбы 30 (Фиг. 2, 4). Подложка 18, изоляторы 19, проставки 29 и шайбы 30 выполнены из неметалла с наименьшей теплопроводностью (например, полистирола, текстолита, гетинакса и т.д.). В качестве материала для теплообменников 4, 5 и пластины конденсатора выбран материал с высокой теплопроводностью (например, медь, алюминий и т.п.). В качестве элементов накачки могут использоваться либо матрицы лазерных диодов (МЛД), либо линейки лазерных диодов (ЛЛД).
Устройство работает следующим образом. На МЛД подается ток накачки с заданной амплитудой, и элементы накачки начинают генерировать излучение, поглощаемое АЭ 23. Таким образом, возбуждается активная среда, заполняющая оптический резонатор, и возникает генерация излучения между выходным 15 и глухим 16 зеркалами. Направление излучения показано на фиг. 1. Линза 21 компенсирует асферичность волнового фронта, вызванного термооптическим искажением в АЭ. Поляризатор 25 в совокупности с нелинейным кристаллом 27 образуют электрооптический затвор для активной модуляции добротности оптического резонатора (Фиг. 3).
Для обеспечения режимов работы излучателя в заданных условиях эксплуатации возникает необходимость термостабилизации элементов накачки, при этом обеспечение выхода на температурный рабочий режим МЛД происходит следующим образом. Нагревательный элемент 7 повышает температуру теплообменника 4 от исходной до температуры выхода МЛД на рабочий режим. Термоэлектрические модули 6 обеспечивают охлаждение МЛД от исходной повышенной температуры, образованной внешними климатическими условиями эксплуатации, а также в процессе работы элементов накачки, до рабочей, через контурную тепловую трубу 8. Теплообмен между пластиной конденсатора тепловой трубы 8 и теплообменником 4 происходит за счет градиента температур. Термоинтерфейс 11 обеспечивает высокую теплопроводность между элементами конструкции, участвующими в теплообмене. Таким образом, снижается температура МЛД до рабочей и происходит термостабилизация элементов накачки. Термостабилизация элементов накачки осуществляется посредством управления режимами работы нагревателей, термоэлектрических модулей, а также режимами работы КТТ при помощи термодатчиков 12, контролирующих температуру пластины 9 конденсатора 10 и теплообменников 4,5.
Подложка 18, изолятор 19 (фиг. 4) обеспечивают теплоизоляцию квантрона 3 с подставкой 17 от основания 2, жестко закрепленного на посадочной поверхности 31, а проставки 29 и шайбы 30 (фиг. 2) обеспечивают изоляцию пластины 9 конденсатора 10 относительно теплообменника 5. Отсутствие контактов между корпусом резонатора 1 и конструкцией квантрона 3, содержащего корпус, элементы накачки, а также элементы термостабилизации, обеспечивает их теплоизоляцию относительно друг друга. Амортизационные кольца 28 обеспечивают механическую разгрузку соединений на контурной тепловой трубе 8 и удобство монтажа. Таким образом, обеспечивается термостабилизация элементов накачки, минимальные массогабаритные характеристики, повышение устойчивости излучателя к вибрационным, ударным и различного рода тепловым воздействиям, сокращается время выхода лазера на рабочий температурный режим.
Таким образом, представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в электронной и оптико-механической промышленности при изготовлении лазерных устройств с повышенной мощностью;
- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «промышленная применимость».