КВАНТРОН С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ
LASER GUN WITH DIODE PUMPING

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 квантрон с диодной накачкой, состоящий из размещенных в корпусе активного элемента (АЭ) в виде стержня, источников оптической накачки (ИОН) в виде линеек лазерных диодов, расположенных на держателях, и системы охлаждения (СО), содержащей трубку, охватывающую АЭ с образованием радиального зазора (РЗ), и каналы, расположенные в корпусе и держателях, с входным и выходным патрубками. ИОН расположены под углом 90° к оси АЭ (патент США №6101208, H01S 3/0941, опубл. 1997 г.).
В этом устройстве охлаждение АЭ и ИОН происходит за счет высокой скорости потока охлаждающей жидкости (ОЖ). Поддержание постоянной температуры ОЖ позволяет продлить срок службы ИОН и обеспечить постоянные и устойчивые выходные параметры квантрона.
Однако неравномерное и неполное заполнение излучением накачки АЭ приводит к образованию неоднородных областей возбуждения и возникновению термомеханических напряжений внутри АЭ. Каналы охлаждения расположены на значительном расстоянии от ИОН. Вследствие этого падает эффективность отвода тепла с нагретой поверхности ИОН. Это может привести к снижению качества охлаждения ИОН и уменьшению запасенной в инверсной населенности энергии. Перечисленные недостатки могут значительно снизить КПД квантрона и ограничить его мощность.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является оптическая головка (квантрон) с диодной накачкой, которая содержит размещенные в корпусе АЭ в виде стержня, ИОН в виде матриц лазерных диодов, расположенные на держателях равномерно относительно активного элемента, и систему охлаждения, которая содержит трубку, охватывающую АЭ с образованием РЗ, входной, выходной патрубки и коллекторы, каналы в корпусе и держателях (патент РФ №2498467, МПК H01S 3/0933, 3/042, опубл. 2013 г.).
СО выполнена в виде двух независимых контуров для охлаждения АЭ и ИОН и содержит каналы в ИОН и дополнительные входной, выходной патрубки с подводящими гибкими шлангами. На обоих торцах трубки установлены демпфирующие элементы в виде сильфонов.
Применение в качестве ИОН матриц лазерных диодов и расположение их равномерно вокруг АЭ позволяет равномерно заполнить АЭ излучением накачки, что уменьшает в нем термические напряжения, а также повышает эффективность накачки. Выполнение СО в виде двух независимых контуров охлаждения позволяет независимо регулировать и поддерживать оптимальную температуру для ИОН и АЭ.
Однако наличие двух контуров охлаждения требует либо наличие двух внешних СО или одной внешней СО и внешнего устройства распределения потоков ОЖ между контурами, что приводит к усложнению схемы охлаждения квантрона. Применение ИОН с охлаждающими каналами малого сечения и, в особенности, их последовательного соединения приводит к увеличению гидравлического сопротивления квантрона. При использовании АЭ с малыми поперечными размерами и (или) с низкой концентрацией активатора значительная часть попавшего в него излучения накачки не поглотится. Это приведет к снижению эффективности накачки АЭ и, как следствие, к уменьшению запасенной в инверсной населенности энергии. Плотное расположение ИОН вокруг относительно короткого АЭ (длиной порядка 100 мм) приводит к возникновению напряженного теплового режима в АЭ, что ограничивает возможность повышения мощности накачки путем увеличения количества ИОН и (или) их мощности. Все это может привести к понижению КПД и ограничению мощности квантрона.
Задача, на решение которой направлено изобретение, - увеличение мощности и КПД квантрона.
Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения, - увеличение эффективности СО, увеличение запасенной в инверсной населенности энергии.
Указанный технический результат достигается тем, что квантрон с диодной накачкой, содержащий размещенные в корпусе АЭ в виде стержня, ИОН, расположенные на держателях равномерно относительно АЭ, и СО, которая содержит трубку, охватывающую АЭ с образованием РЗ, входной, выходной патрубки и коллекторы, каналы в корпусе и держателях, согласно изобретению снабжен отражателями, расположенными на держателях напротив каждого ИОН, АЭ и трубка закреплены при помощи прижимов, СО выполнена в виде единого контура для охлаждения АЭ и ИОН и снабжена каналами, выполненными в прижимах трубки, входной, выходной патрубки соединены с каналами корпуса, которые соединяются с каналами прижимов, соединяющимися с коллекторами. Коллекторы соединены с РЗ и с дополнительными каналами прижимов трубки, которые соединены с каналами корпуса, соединяющимися с каналами держателей. Коллекторы образованы прижимами трубки и АЭ.
Установка напротив каждого ИОН отражателя повысила эффективность накачки. При этом чередование ИОН с отражателями привело к рассредоточению выделяемого тепла вдоль держателей и АЭ. Это повысило эффективность отвода тепла от ИОН и АЭ, что позволило увеличить мощность накачки.
Наряду с этим закрепление АЭ и трубки в прижимах, применение СО с единым контуром охлаждения ИОН и АЭ, а также описанные выше расположение и конфигурация каналов охлаждения привели к упрощению схемы охлаждения и снижению гидравлического сопротивления квантрона.
Все это привело к увеличению запасенной в инверсной населенности энергии и повысило эффективность СО квантрона. Таким образом, решили поставленную задачу увеличения мощности и КПД квантрона.
Для простоты изготовления и сборки квантрона каждый держатель выполнен составным из теплообменников.
Для увеличения запасенной в инверсной населенности энергии каждый ИОН снабжен фокусирующим элементом, установленным на поверхности ИОН, обращенной к активному элементу.
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 продольный разрез квантрона.
На фиг. 2 представлен поперечный разрез А-А квантрона.
На фиг. 3 представлен поперечный разрез А-А квантрона с фокусирующими элементами.
Квантрон с диодной накачкой содержит корпус 1, в котором установлен АЭ 2 в виде стержня из YAG:Nd, стекла или иного твердого материала. Торцы АЭ 2 закреплены в прижимах 3, 4, установленных в корпусе 1 (фиг. 1, 2). На внешней поверхности корпуса 1 расположены составные держатели, состоящие из теплообменников 5 и 6, с расположенными на них ИОН 7 и отражателями 8. В качестве ИОН могут использоваться полупроводниковые излучающие (в том числе лазерные) диоды, а также линейки и матрицы на их основе. ИОН 7 направлены излучающей областью к АЭ 2 и расположены равномерно относительно АЭ. Число держателей четное. При расположении на держателе ИОН 7 чередуются с отражателями 8. Противоположные держатели располагаются таким образом, чтобы отражатели 8 находились напротив каждого ИОН 7.
a
a
СО квантрона выполнена в виде единого контура для охлаждения АЭ 2 и ИОН 7. СО содержит трубку 9, охватывающую АЭ 2 с образованием РЗ , входной, выходной патрубки 10 и входной, выходной коллекторы b, а также каналы с, d, е, , g, h, выполненные в корпусе, прижимах 3 и держателях. Трубка 9 установлена в корпусе 1 с помощью прижимов 3, а коллекторы b образованы прижимами 3 трубки и активным элементом 2. Трубка 9 выполнена из материала, прозрачного для излучения накачки (например, стекло, сапфир и т.д.). РЗ  формирует слой ОЖ, охлаждающий АЭ 2.
a
Входной и выходной коллекторы b соединены с РЗ  и с каналами, выполненными в прижимах 3: каналами e и дополнительными каналами . Каналы e соединены с каналами c корпуса и далее с входным и выходным патрубками 10. Дополнительные каналы  прижимов 3 соединены с каналами d корпуса и далее каналами держателя.
Теплообменники 5, 6 держателей снабжены поворотными каналами g, соединяющимися с каналами h, которые в свою очередь соединены друг с другом.
Каждый ИОН 7 может быть снабжен фокусирующим элементом 11 (фиг. 3), в качестве которого может выступать, например, линза, система линз, фокусирующий клин. Фокусирующий элемент 11 устанавливается непосредственно на поверхности ИОН 7, обращенной к АЭ 2.
a
Квантрон работает следующим образом. На ИОН 7 подается напряжение питания, ИОН 7 начинают генерировать излучение накачки, которое, проходя трубку 9 и ОЖ внутри РЗ , поглощается АЭ 2. Внешний диаметр и толщина трубки рассчитываются исходя из требуемой фокусировки излучения накачки. Часть излучения накачки, не поглотившаяся в АЭ 2 и прошедшая сквозь него, возвращается обратно отражателями 8. При этом профиль отраженного излучения накачки задается формой отражающей поверхности отражателей 8. Для дополнительной фокусировки излучения накачки могут использоваться фокусирующие элементы 11, размещенные на ИОН 7.
Часть поглощенной АЭ 2 энергии накачки идет на тепловые потери. При длительной работе тепловыделение достаточно высоко, поэтому требуется охлаждение АЭ 2. В ИОН 7 часть электрической энергии тратится на тепловые потери, поэтому их также необходимо охлаждать. Охлаждение АЭ 2 и ИОН 7 происходит следующим образом.
ОЖ подается через входной патрубок 10 (например, левый на фиг. 1), канал с корпуса 1 и канал e прижима 3 во входной коллектор b квантрона. Во входном коллекторе b ОЖ разделяется на два потока - первый охлаждает АЭ 2, а второй - ИОН 7. При этом согласование гидравлического сопротивления канала охлаждения АЭ с сопротивлением каналов охлаждения ИОН осуществлено оптимизацией геометрических параметров каналов.
a
Первый поток ОЖ из входного коллектора b попадает в РЗ  и проходит вдоль АЭ 2, контактируя с его поверхностью и охлаждая его. Пройдя вдоль АЭ 2, ОЖ на противоположном его конце попадает в выходной коллектор b.
Второй поток ОЖ из входного коллектора b через дополнительные каналы  и каналы d попадает в поворотные каналы g держателей, проходит по каналам h держателей, попадая на выходе в аналогичные поворотные каналы g и через каналы d, дополнительные каналы  попадает в выходной коллектор b и затем через каналы e, c и выходной патрубок 10 выводится из квантрона. ОЖ, проходя по каналам h держателей, охлаждает ИОН 7.
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 лазерной и оптико-механической промышленности при изготовлении устройств для медицины, технологии и других целей;
- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «промышленная применимость».