МОДУЛЬ ЛАЗЕРА С БОКОВОЙ ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ

Полезная модель относится к твердотельным лазерам с диодной накачкой, в частности к элементам накачки и системам их охлаждения, и может быть использована при изготовлении лазерной техники.
Известно устройство полупроводникового модуля с боковой накачкой, которое содержит установленные в корпусе активный элемент (АЭ) в виде стержня, охватывающую его кварцевую трубку, и систему охлаждения (СО) с входным, выходным коллекторами.
СО содержит также патрубки, а коллекторы образованы корпусом и наружным фланцем, соединенным с ним по резьбе. Устройство снабжено гидроразъемом, крышкой и крепежными винтами блока полупроводниковых лазеров (полупроводниковые лазеры (излучатели), установленные на держателе), установленных в горизонтальной плоскости. Гидроразъем установлен по резьбе в корпус, который представляет собой полый цилиндр, в котором установлены при помощи винтов блоки полупроводниковых лазеров. АЭ в виде стержня YAG:Nd является источником 1064 нм лазерного излучения, установленным внутри кварцевой трубки. Оба конца лазерного стержня (АЭ) закреплены при помощи крышки, установленной по резьбе в наружный фланец. Трубка установлена в корпус при помощи фланца по резьбе. Для герметизации используются прокладки из резины (патент Китай №101593927, H01S 3/02, 3/042, 3/06, 3/0941 2009 г.).
На наружной поверхности кварцевой трубки нанесено просветляющее покрытие на длину волны 808 нм, чередующееся с сегментами высокоотражающего. Светоизлучающие части полупроводниковых лазерных линеек расположены напротив: сегментов с просветляющим покрытием и высокоотражающего покрытия. Входные патрубки соединены с внутренними каналами корпуса через резиновую прокладку. Блоки полупроводниковых лазеров равномерно распределяются вокруг центральной кварцевой трубки, лазерного кристалла таким образом, чтобы обеспечить равномерное заполнение кристалла излучением накачки.
Нанесение покрытия с высоким коэффициентом отражения обеспечивает повышение эффективности поглощения кристаллом излучения накачки и, по мнению авторов, снижает эффект тепловой линзы лазерного кристалла, тем самым улучшая эффективность преобразования и качество луча лазера.
Однако несогласованность потоков охлаждения активного кристалла и полупроводниковых лазеров приводит к повышенному гидравлическому сопротивлению в кольцевом зазоре охлаждения вокруг кристалла, что может привести к увеличению термомеханических напряжений внутри активного элемента. Система крепления активного элемента при установке в корпус отнимает значительную длину кристалла с двух сторон, что делает эту часть бесполезной для накачки.
Известна также оптическая усилительная головка (ОУГ) с диодной накачкой, которая содержит установленные в корпусе активный элемент в виде стержня, сборки линеек лазерных диодов (ЛЛД), размещенные вдоль активного элемента равномерно и обращенные к нему излучающей частью, отражающую поверхность, расположенную вдоль активного элемента, и систему охлаждения, которая содержит каналы и трубку, охватывающую активный элемент с образованием кольцевого канала, сборки ЛЛД и отражающая поверхность установлены напротив друг друга.
Отражающая поверхность выполнена в виде покрытия (либо золото, либо серебро, либо диэлектрическое), которое нанесено на трубку (патент США №7082149, H01S 3/091, 3/094 2006 г.).
В этом устройстве охлаждение АЭ и ЛЛД отдельное и происходит за счет потока охлаждающей жидкости. Поддержание постоянной температуры теплоносителя позволяет обеспечить работоспособность и высокую эффективность оптической усилительной головки.
Однако ОУГ с двумя контурами охлаждения содержит большое число деталей, что существенно сказывается на массогабаритных характеристиках.
Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели, выбранным в качестве прототипа, является ОУГ с контротражателем диодной накачки, которая содержит: содержит установленные в корпусе активный элемент в виде стержня, сборки линеек лазерных диодов, размещенные вдоль активного элемента равномерно и обращенные к нему излучающей частью, отражающую поверхность, расположенную вдоль активного элемента, и систему охлаждения. Сборки линеек лазерных диодов и отражающая поверхность установлены напротив друг друга, каждая сборка линеек лазерных диодов снабжена цилиндрической линзой, расположенной на излучающей части. Активный элемент закреплен в прижимах корпуса. Система охлаждения содержит каналы и трубку, охватывающую активный элемент с образованием кольцевого канала, выполнена в виде единого контура и снабжена входным, выходным коллекторами, каналами, выполненными в корпусе, прижимах и сборках линеек лазерных диодов, и входным, выходным дополнительными коллекторами, соединяющимися с кольцевым каналом и каналами прижимов, образующих дросселирующую диафрагму, которые соединены с входным, выходным коллекторами, соединенными с каналами корпуса, соединяющимися с каналами в сборках линеек лазерных диодов (п. РФ №2575673, H01S 3/0933, 3/042, опубл. 2016 г.).
В прототипе используются оптические элементы, а именно цилиндрические линзы и контротражатели, позволяющие сформировать пространственный профиль излучения накачки и вернуть часть излучения, и тем самым повысить эффективность и равномерность накачки активного элемента. В контуре охлаждения активного элемента предусмотрены дросселирующие диафрагмы, позволяющие согласовать гидравлическое сопротивление контуров охлаждения лазерных диодных линеек и контура охлаждения активного элемента. Диафрагмы выполнены в конструкции прижимов, что позволяет уменьшить габариты узла и соответственно массу и габариты ОУГ. В канале охлаждения активного элемента на входе и выходе в кольцевой канал предусмотрены дополнительные коллекторы, позволяющие обеспечить равномерный по окружности поток теплоносителя.
Однако входные и выходные коллекторы выполнены отдельно в корпусе ОУГ, и для подачи теплоносителя в контур охлаждения активного элемента потребовалось вводить дополнительные каналы b, которые увеличивают габарит ОУГ. Для эффективной работы дросселирующих диафрагм и обеспечения равномерного по окружности активного элемента потока теплоносителя вокруг диафрагм потребовалось ввести отдельные от основного кольцевые коллекторы 13, что также усложняет конструкцию и увеличивает габариты.
Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения - снижение массогабаритных характеристик и гидравлического сопротивления системы охлаждения, увеличение кпд и мощности излучения.
Указанный технический результат достигается тем, что в модуле лазера с боковой диодной накачкой, который содержит установленные в корпусе активный элемент в виде стержня, сборки линеек лазерных диодов, размещенные вдоль активного элемента равномерно и обращенные к нему излучающей частью, отражающую поверхность, расположенную вдоль активного элемента, и систему охлаждения, которая содержит каналы и трубку, охватывающую активный элемент с образованием кольцевого канала, сборки линеек лазерных диодов и отражающая поверхность установлены напротив друг друга, каждая сборка линеек лазерных диодов снабжена цилиндрической линзой, расположенной на излучающей части, активный элемент закреплен в прижимах корпуса, система охлаждения выполнена в виде единого контура и снабжена входным, выходным коллекторами, каналами, выполненными в корпусе, прижимах и сборках линеек лазерных диодов, и входным, выходным дополнительными коллекторами, образованными прижимами и трубкой и соединяющимися с кольцевым каналом и каналами прижимов, образующими дросселирующую диафрагму, которые соединены с входным, выходным коллекторами, соединенными с каналами корпуса, соединяющимися с каналами в сборках линеек лазерных диодов, особенность заключается в том, что входной, выходной коллекторы образованы прижимами в корпусе, а дополнительные входной, выходной коллекторы образованы прижимами и трубкой.
Всей совокупностью существенных признаков обеспечивается эффективный режим работы модуля лазера с боковой диодной накачкой. Этого добились следующим образом: установка напротив излучающей части элемента накачки цилиндрической линзы с целью формирования заданного угла расходимости излучения накачки, а также размещение в конструкции модуля контротражателя лазерного излучения позволяет повысить эффективность осветителя; установка активного элемента в прижимах, каналы которых образуют дросселирующую диафрагму, позволяет согласовать гидравлическое сопротивление каналов охлаждения активного элемента с гидравлическим сопротивлением контуров охлаждения элементов накачки, такое совмещение функций позволяет исключить из конструкции отдельные диафрагмы и их прижимы и уменьшить массу и габариты; входной и выходной коллекторы образованы корпусом и прижимами, а дополнительные входной и выходной коллекторы, обеспечивающие подачу теплоносителя в канал охлаждения активного элемента, образованы прижимами и трубкой, это позволяет уменьшить массу и габариты за счет того, что функцию стенок коллекторов выполняют корпус и прижимы, крепящие оптические элементы в корпусе, и исключает из конструкции отдельные коллекторы, а также элементы их уплотнения. Таким образом, снижается гидравлическое сопротивление системы охлаждения и массогабаритные характеристики, увеличивается кпд и мощность излучения.
При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данной полезной модели. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулу, на технический результат заявляемого технического решения. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условиям «новизна».
На фиг. 1 представлен общий вид модуля.
На фиг. 2 - разрез А-А.
На фиг. 3 - разрез Б-Б.
Модуль лазера (МЛ) с боковой диодной накачкой (фиг. 1-3) содержит выполненный в виде полого параллелепипеда корпус 1, в котором установлен активный элемент (АЭ) 2 в виде стержня, торцы которого закреплены в прижимах 3, 4, установленных в корпусе. На внутренней поверхности основания корпуса 1 размещены элементы диодной накачки, в качестве которых используются линейки лазерных диодов (ЛЛД) 5, монтаж которых выполнен на охлаждающей поверхности основания сборки ЛЛД - излучателя 6. С противоположной стороны излучателей 6 на внутренней поверхности корпуса 1 установлен контротражатель 7, выполненный в виде сегмента цилиндрической отражающей поверхности 8, обращенной к активному элементу 2. Излучатели 6 с ЛЛД размещены вдоль АЭ равномерно и обращены к АЭ излучающей частью.
Система охлаждения МЛ выполнена в виде единого контура для охлаждения АЭ 2 и излучателей 6 и содержит трубку 9, охватывающую АЭ 2 с образованием кольцевого канала шириной δ, каналы а, b, с, d, е, расположенные в корпусе 1, прижимах 4 и излучателях 6, входной и выходной коллекторы ƒ и дополнительные входной, выходной коллекторы g (фиг. 1). Трубка 9 выполнена из материала, оптически прозрачного для излучения накачки (например, стекло, плавленый кварц, лейкосапфир и т.д.). Кольцевой канал δ формирует слой охлаждающей жидкости (ОЖ) для охлаждения АЭ и образован стенкой трубки 9 и АЭ 2. Каналы b, выполненные в прижимах 4 образуют дросселирующую диафрагму, предусмотренную на входе и выходе канала охлаждения АЭ 2.
Входной и выходной коллекторы ƒ образованы прижимами 4 в корпусе 1, а дополнительные коллекторы g образованы прижимами 4 и трубкой 9. Каналы b прижимов 4 соединяют входной и выходной коллекторы ƒ с дополнительными коллекторами g, которые соединяются с кольцевым каналом шириной δ. Каналы а корпуса соединены с входным, выходным коллекторами ƒ и каналами с, d корпуса, которые соединяются с каналами е сборок ЛЛД.
Прижимы 4 применены для центрирования АЭ в корпусе ММЛ относительно трубки 9 и герметизации МЛ, а прижимы 3 - для герметизации АЭ. Отражающая поверхность 8 контротражателя 7 расположена вдоль поверхности АЭ. Каждая сборка излучателей 6 снабжена цилиндрической линзой исходящего излучения 10 (фиг. 2), выполненная из оптоволокна, диаметр которого рассчитывается, исходя из требуемой фокусировки излучения накачки.
Устройство работает следующим образом. На излучатели 6 подается напряжение питания, линейки лазерных диодов 5 начинают генерировать излучение накачки, которое проходит через цилиндрическую линзу 10, формируясь в световой поток углом α, сквозь трубку 9 и ОЖ кольцевого канала δ, при этом часть излучения поглощается АЭ 2, часть поглощенной энергии накачки идет на тепловые потери (фиг. 2). Оставшаяся доля излучения, не поглотившаяся и не пошедшая на тепловые потери, отражается от контротражателя 7 и вновь направляется в АЭ 2.
В непрерывном режиме работы мощность тепловыделения АЭ 2 достаточно высока, а часть электрической энергии, подаваемой на излучатели 6, тратится на тепловые потери, поэтому требуется эффективное охлаждение не, только АЭ 2, но и сборок ЛЛД 5, которое происходит следующим образом.
ОЖ подается в систему охлаждения и поступает во входной коллектор ƒ по каналу а (фиг. 1). Затем разделяется на два потока - по каналу а к сборкам ЛЛД 5 и по каналам b к АЭ 2. Из канала а корпуса 1 ОЖ перемещается в каналы с и d, проходит по каналам е излучателей 6, затем в обратном порядке собирается в каналы d и c, перемещается по каналам а (фиг. 3) корпуса 1 и попадает в выходной коллектор ƒ, откуда выводится из МЛ через канал а (фиг. 1).
Второй поток ОЖ проходит по каналам b прижима 4, образующим дросселирующую диафрагму, предусмотренную на входе и выходе канала охлаждения АЭ 2 и позволяющую согласовать гидравлическое сопротивление каналов охлаждения АЭ 2 и излучателей 6, попадает в дополнительный входной коллектор g, откуда - в кольцевой канал шириной δ охлаждения АЭ 2. Поток ОЖ протекает вдоль всей поверхности АЭ и контактирует с ней. Таким образом, происходит охлаждение кристалла. На выходе из кольцевого канала δ противоположного конца АЭ ОЖ в обратном порядке через дополнительный выходной коллектор g, каналы b прижима 4, собирается в выходной коллектор ƒ и затем выводится из МЛ через канал а.
Таким образом, происходит охлаждение сборок ЛЛД и АЭ. При этом в конструкции МЛ для двух контуров охлаждения ЛЛД и АЭ предусмотрен общий вход и выход.
Таким образом, представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой полезной модели следующей совокупности условий:
- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в оптико-механической промышленности при изготовлении лазерных устройств с постоянной диодной накачкой;
- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.
Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».