УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОГЛОЩЕНИЯ ИЗЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН
DEVICE FOR ABSORPTION OF RADIATION OF OPTICAL WAVELENGTH RANGE

Изобретение относится к области устройств, поглощающих излучение оптического диапазона длин волн, и может быть использовано при создании контрольно-измерительного оборудования, в установках лазерного раскроя материалов, оптоволоконных коммутаторах, установках для выращивания кристаллов, и других областях, где требуется осуществлять поглощение излучения.
Основу устройств, осуществляющих поглощение излучения оптического диапазона длин волн, составляет комбинация отражающих и поглощающих поверхностей определенной формы, такой, что поступающее излучение отражается исключительно на поглощающую поверхность, при этом сама поверхность охлаждается.
Например, известно устройство для поглощения излучения оптического диапазона длин волн, представленное в патентной заявке [1] - KR 20120119101 А, B23K 26/064, B23K 26/70, G02B 27/00, G02B 5/00, опубл. 30.10.2012, которое содержит корпус и множество отражающе-поглощающих элементов. Эти элементы расположены отдельно друг от друга, причем каждый элемент вытянут в определенном направлении и имеет заостренную часть для рассеивания излучения. Наличие множества заостренных элементов снижает технологичность конструкции, а сама необходимость их установки повышает сложность сборки, увеличивает трудозатраты и время, затрачиваемое на изготовление устройства. Кроме этого, в такой конструкции сложно обеспечить эффективную теплопередачу от указанных элементов к корпусу устройства.
Известно устройство для поглощения лазерного излучения, представленное в патентной заявке [2] - JP 2012243850 A, G01N 21/49, H01S 3/02, G01N 21/65, G02B 27/00, H05H 1/00, опубл.10.12.2012, содержащее корпус и многоуровневую систему отражающе-поглощающих элементов, развернутых под определенным углом к поглощаемому излучению. Кроме недостатков, упомянутых в отношении; [1], многоуровневая конструкция требует точной настройки, поскольку наличие нескольких каскадов отражения излучения требует точного обеспечения их взаимного расположения, что усложняет сборку конструкции.
Известно устройство для поглощения лазерного излучения высокой мощности, представленное в патентной заявке [3] - US 2009080084 Al, G02B 27/00, G02B 17/004, G02B 19/0023, G02B 19/0047, G02B 5/003, H01S 3/005, опубл. 26.03.2009. Устройство состоит из входной трубы и поглощающего корпуса. Поглощающий корпус состоит из двух половин, в каждой из которых методом фрезерования выполнен спиральный канал улиткообразной формы. Каналы обоих половин корпуса выполнены таким образом, что при их совмещении образуется один замкнутый канал. Конфигурация этого канала подобрана с таким расчетом, что падающее в него излучение отражается только внутрь канала. Однако наличие спирального канала сложной улиткообразной формы усложняет конструкцию устройства, повышает требования к точности изготовления и сборки, а также делает всю конструкцию громоздкой.
Известно поглощающее устройство для счетчика частиц или детектора излучения, представленное в патенте [4] - ЕР 2602645 B1, G02B 5/00, опубл. 26.03.2014. Устройство содержит корпус со ступенчатой конической полостью, имеющей плоскую вершину. Такая конструкция может использоваться только в том случае, если заранее однозначно определены углы, под которыми излучение попадает в устройство. Кроме того, наличие ступенчатых поверхностей и плоской вершины у конической полости повышает вероятность частичного отражения от них поглощаемого излучения.
Известно устройство для поглощения оптического излучения, представленное в патентной заявке [5] - US 20080089382, A1, H01S 3/08, опубл. 17.04.2008. Устройство содержит набор протяженных элементов с профилем сложной формы, расположенных на несущей плоскости параллельно друг другу. Профиль образован сочетанием нескольких плоскостей, расположенных относительно друг друга под такими углами, которые снижают вероятность обратного переотражения излучения, поступающего в устройство. Однако такая конструкция нетехнологична и громоздка, что снижает область возможного применения устройства.
Наиболее близким к заявляемому изобретению по своей конструкции является устройство для поглощения излучения оптического диапазона длин волн, представленное в патенте [6] - US 4864098, B23K 27/00, опубл. 05.09.1989, принятое в качестве прототипа.
Устройство-прототип содержит цилиндрический корпус с открытой с одной стороны внутренней цилиндрической полостью, в которой располагается конический элемент, обращенный своим острием наружу в сторону подводимого излучения, при этом корпус и конический элемент представляют собой соосные тела вращения. Внутренняя полость корпуса имеет цилиндрическую вставку из поглощающего материала. Угол при вершине конического элемента подобран с таким расчетом, чтобы излучение от источника излучения с заранее известной длиной волны максимально полно отражалось от поверхности конического элемента и поглощалось поверхностью цилиндрической вставки так, чтобы обратный выход излучения был практически исключен. Для охлаждения корпуса по его наружной поверхности проходит припаянная к этой поверхности трубка, по которой прокачивается охлаждающая жидкость.
Подводимое к устройству-прототипу излучение попадает на поверхность конического элемента, отражается от него в сторону поглощающей поверхности цилиндрической вставки, где частично поглощается, а также частично отражается в сторону поверхности конического элемента. Этот процесс многократно повторяется, обеспечивая в результате полное поглощение подводимого излучения и преобразование его в тепло, которое снимается с корпуса за счет охлаждающей жидкости.
Рассмотренная конструкция имеет ряд недостатков. Так, применение цилиндрической поглощающей поверхности и конической отражающей поверхности, взаимное расположение которых требует точных расчетов для определенной длины волны, уменьшает поглощающую способность устройства в иных условиях применения при иных длинах волн. Наличие охлаждающей системы, выполненной в виде трубки, навитой на корпус и припаянной к его внешней поверхности, а также связанная с этим потребность в источнике воды определенного напора снижают технологичность изготовления устройства и увеличивают энергопотребление изделия, в котором такое устройство используется. Кроме этого, в устройстве-прототипе, как в устройствах-аналогах [1]-[5], не предусмотрены меры, направленные на то, чтобы постоянно подвергающаяся облучению поглощающая поверхность не становилась источником паразитного излучения.
Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является повышение поглощающей способности устройства и расширение возможностей его применения, в том числе для поглощения излучений различных длин волн оптического диапазона.
Сущность изобретения заключается в следующем. Устройство для поглощения излучения оптического диапазона длин волн содержит цилиндрический корпус с открытой с одной стороны внутренней полостью, в которой располагается конический элемент, обращенный своим острием наружу в сторону подводимого излучения, при этом корпус и указанный конический элемент представляют собой соосные тела вращения. В отличие от прототипа, внутреннее пространство корпуса представляет собой сужающуюся вглубь корпуса коническую полость, при этом ее поверхность и поверхность конического элемента имеют регулярные углубления, образующие сплошное рифление данных поверхностей, причем профиль этих углублений имеет такую конфигурацию, при которой обеспечивается многократное отражение подводимого излучения под углами, заведомо исключающими обратный (паразитный) выход излучения из устройства.
В преимущественных вариантах реализации корпус выполнен из материала с высокой теплопроводностью, конический элемент выполнен из материала с малым коэффициентом линейного расширения, поверхность конической полости корпуса и поверхность конического элемента покрыты молибдатом аммония, а на наружной поверхности корпуса выполнены кольцевые проточки, выполняющие функцию воздушного радиатора охлаждения.
Сущность изобретения и возможность его реализации поясняется иллюстративными материалами, представленными на фиг. 1-3, где:
на фиг. 1 представлено схематическое изображение заявляемого устройства (вид в разрезе);
на фиг. 2 - вид профиля рифленой, конической поверхности;
на фиг. 3 - схема распространения лучей поглощаемого излучения.
Заявляемое устройство для поглощения излучения оптического диапазона длин волн (фиг. 1) содержит цилиндрический корпус 1 с открытой с одной стороны внутренней, сужающейся вглубь корпуса 1, конической полостью, в которой располагается конический элемент 2, обращенный своим острием наружу в сторону подводимого излучения. Корпус 1 и конический элемент 2 представляют собой соосные тела вращения. Конический элемент 2 закреплен в корпусе 1 с помощью винтов 3.
Поверхность 4 конической полости корпуса 1 и поверхность 5 конического элемента 2 имеют регулярные углубления, образующие сплошное рифление данных поверхностей, причем профиль этих углублений (фиг. 2), обращенных в сторону основания конического элемента 2, имеет такую конфигурацию, при которой обеспечивается многократное отражение подводимого излучения под углами, заведомо исключающими обратный (паразитный) выход излучения из устройства. При этом, в отличие от прототипа, указанный эффект имеет место для излучений различных длин волн оптического диапазона.
Сопряжение конического элемента 2 с корпусом 1 осуществляется по стыковочным цилиндрическим поверхностям 6, обеспечивая их соосность.
Корпус 1 выполняется из материала с высокой теплопроводностью, например алюминиевого или медного сплава, а конический элемент 2 выполняется из материала с малым коэффициентом линейного расширения, например титана или ниобия. Это исключает деформации конструкции, вызванные тепловым расширением конического элемента 2. Для улучшения теплопередачи на сопрягаемые поверхности корпуса 1 и конического элемента 2 может наноситься теплопроводящая паста. Теплоотвод осуществляется посредством теплового излучения с наружной поверхности корпуса 1. Для этого на наружной поверхности корпуса 1 выполнены кольцевые проточки 7, выполняющие функцию воздушного радиатора охлаждения.
Для улучшения эффекта поглощения поверхность 4 конической полости корпуса 1 и поверхность 5 конического элемента 2 покрываются молибдатом аммония, фототермические селективные свойства которого исследованы, в частности, в работе [7] - F. Gonzalez, Е. Barrera С, R. Rosas С.Photothermal selective coatings of black molybdenum - Mexico Universidad Autonoma Metropolitana Unidad Iztapalapa, Revista Mexicana de Inge-nieria Quimica, vol. 9, N 1, 2010, pp.79-83.
Работа устройства происходит следующим образом.
Излучение оптического диапазона длин волн, предназначенное для поглощения, попадает на поверхность 4 конической полости корпуса 1 и поверхность 5 конического элемента 2. При этом происходит многократное отражение излучения под углами, заведомо исключающими выход излучения из устройства (см. фиг. 3). Вследствие того, что поверхности 4 и 5 выполнены рифлеными и покрыты молибдатом аммония, происходит многократное частичное поглощение и переотражение излучения вглубь корпуса 1, в результате чего световая энергия излучения переводится в тепловую, которая излучается в окружающее пространство с внешней поверхности корпуса 1.
При этом покрытие молибдатом аммония положительно влияет на уменьшение вероятности возникновения паразитного излучения, а кольцевые проточки 7 повышают эффективность воздушного охлаждения.
Таким образом, рассмотренное показывает, что изобретение осуществимо и дает технический результат, заключающийся в повышении поглощающей способности устройства и расширении возможностей его применения, в том числе для поглощения излучений различных длин волн оптического диапазона.
Источники информации
1. KR 20120119101 А, B23K 26/064, B23K 26/70, G02B 27/00, G02B 5/00, опубл. 30.10.2012.
2. JP 2012243850 A, G01N 21/49, H01S 3/02, G01N 21/65, G02B 27/00, H05H 1/00, опубл. 10.12.2012.
3. US 2009080084 A1, G02B 27/00, G02B 17/004, G02B 19/0023, G02B 19/0047, G02B 5/003, H01S 3/005, опубл. 26.03.2009.
4. EP 2602645 B1, G02B 5/00, опубл. 26.03.2014.
5. US 20080089382 A1, H01S 3/08, опубл. 17.04.2008.
6. US 4864098, B23K 27/00, опубл. 05.09.1989.
7. F. González, E. Barrera C., R. Rosas C. Photothermal selective coatings of black molybdenum - México Universidad Autónoma Metropolitana Unidad Iztapalapa, Revista Mexicana de Ingenieria Química, vol. 9, N 1, 2010, pp. 79-83.