ТЕРМОСТАТИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО МАТРИЧНОГО ТИПА С УПРАВЛЯЕМЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ДЛЯ НЕЛИНЕЙНО-ОПТИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Полезная модель относится к термостатирующим устройствам матричного типа с управляемым распределением температурного поля для нелинейно-оптических преобразователей частоты лазерного излучения, к устройству стабилизации, применяемых в устройствах нелинейной оптики, квантовой электроники, может быть использована в устройствах для поддержания постоянства технических параметров, управления интенсивностью и спектром лазерного излучения в широком диапазоне температур нелинейной среды, например, для генераторов гармоник и субгармоник, генераторов суммарных и разностных частот, параметрических генераторов света на основе регулярных доменных структур, а также в различных областях, в том числе спектроскопии, волоконной оптической связи, медицине и др., в устройствах для управления спектром лазерного излучения.
Управление параметрами лазерного излучения является одной из основных задач квантовой и нелинейной оптики. К числу таких параметров относятся поляризация, угловые и спектральные распределения, корреляционные и временные свойства и др. В способах управления частотой генерации для перестройки частоты можно менять температуру нелинейной среды, что связано с тем, что при изменении температуры значения волновых векторов несколько изменяются; условия фазового синхронизма зависит от температуры.
Для получения широкого частотного спектра с контролируемой формой требуется создавать определенный профиль температуры вдоль нелинейного кристалла, что и обеспечивает настоящее устройство.
Из существующего уровня техники известен перестраиваемый источник лазерного излучения (Патент RU164304), который содержит генератор накачки, оптически связанный с температурно перестраиваемым нелинейным кристаллом, секционированную систему теплового воздействия на нелинейный кристалл и блок управления, при этом упомянутая система теплового воздействия состоит из n≥2 нагревательных элементов, регулярно расположенных вдоль боковой поверхности нелинейного кристалла и отделенных друг от друга термоизолирующими перегородками, и датчиков температуры, установленных в соответствующих секциях, причем указанные нагревательные элементы подключены к выходам блока управления, входы которого соединены с датчиками температуры. Блок управления содержит управляемые источники электропитания, выходы которых являются выходами блока, и программируемый микропроцессор с возможностью информационного обмена с внешними устройствами ввода программы и обработки данных, при этом информационные входы программируемого микропроцессора являются входами блока, а управляющие входы источников электропитания подключены к выходам программируемого микропроцессора. Нагревательные элементы выполнены в виде низкоомных резисторов. Устройство содержит радиатор, установленный с торца нелинейного кристалла и связанный с системой подачи и отвода хладоагента. Однако, такое решение не позволяет эффективно регулировать спектр генерируемого оптического излучения из-за недостаточного контроля температуры на всех участках поверхности нелинейно-оптического кристалла с низкой задаваемой точностью и присутствующей конвекцией с воздухом, тем самым обусловлено неравномерное распределение температурного поля в объеме кристаллического элемента. Недостатками данного технического решения являются ограниченные возможности при регулировке формы частотного спектра излучения в зависимости от пространственного профиля изменения температуры на соответствующих участках нелинейного кристалла, а так же наличие большой массой и габаритов.
4
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является термостатирующее устройство для нелинейно-оптических преобразователей частоты лазерного излучения (Экспериментальные и теоретические исследования в современной науке: сб. ст. по матер. XXXIX междунар. науч.-практ. конф. № 9(36). опубл. 25.05.19), которое содержит преобразователь частоты лазерного излучения, основанный на нелинейно-оптическом кристалле KTiOPO (RKTP) с применением подхода по формированию термоэлектрических компонентов (тонкопленочных резистивных, металлических, диэлектрических покрытий и SMD терморезисторов) на поверхности кристаллического элемента, выполненный в одном конструктивном варианте. Недостатками данного технического решения являются трудоемкость настройки не позволяющая эффективно регулировать спектр генерируемого оптического излучения, из-за неравномерного распределения температуры в объеме кристаллического элемента поскольку основано на одной зоне нагрева с одной стороны и датчиков температуры из четырех терморезисторов SMD на противоположной поверхности кристалла.
Техническим результатом полезной модели является создание такого термостатирующего устройства матричного типа с управляемым распределением температурного поля для преобразователей частоты лазерного излучения, основанных на нелинейно-оптических кристаллах, с целью повышения точности установки заданной температуры, управления параметрами лазерного излучения и получения широкого частотного спектра с контролируемой формой определенного профиля температуры вдоль длины нелинейного кристалла.
Технический результат достигается наличием секционированных независимых зон теплового воздействия и контактных поверхностных точек измерения температуры на нелинейно-оптическом кристалле, а также блока терморегуляторного управления. Независимые зоны теплового воздействия и зоны измерений температуры выполнены в количестве 8 единиц контактных точек из миниатюрных температурных датчиков, регулярно расположенных вдоль двух параллельно подготовленных полированных поверхностей нелинейно-оптического кристалла в равном зеркальном расположении и отделенными друг от друга изолирующими зазорами, и каждый датчик температуры, установленный в соответствующую секцию одного нагревательного элемента, причем указанные нагревательные элементы подключены к выходам блока управления, входы которого соединены с датчиками температуры, что позволяет реализовать равномерное и управляемое распределение температуры внутри нелинейно-оптического кристалла путем осуществления независимого зонного нагревания и независимого точечного измерения температуры над каждым нагревателем, сформированных непосредственно на поверхностях нелинейно-оптического кристалла.
2
2
Заявляемое устройство основано на нелинейно-оптических кристаллах, с применением технологии формирования термоэлектрических компонентов непосредственно на поверхности кристаллических элементов, содержащее расположенный прямо на полированной поверхности нелинейно-оптического кристалла резистивный элемент из многокомпонентной пленки с токопроводящим покрытием в виде наноразмерного слоя, нанесенного методом термического распыления в вакууме с ионной очисткой, заключенного в поверхностный изолированный слой, выполненный в виде оболочки, состоящей, как минимум, из одного композиционного слоя на основе диэлектрического материала плотностью от 0,01 кг/м до 5 кг/м, нанесенного в вакууме методом ионно-ассистированного осаждения, обладающего высокой твёрдостью и высокой прочностью, на необходимые поверхности изолированного слоя в центре резистивного слоя приклеены высокоточные температурные датчики посредством электропроводного с высокой теплопроводностью эпоксидного клея, и на резистивный элемент по всей ширине поверхности которого, по двум краям, напротив друг друга, размещены контактные площадки, выполненные из электропроводных металлических материалов из трех слоев, нанесенные в вакууме методом магнетронного распыления с ионной очисткой, обладающие наилучшей адгезией к токопроводящему покрытию, с выводами для подключения к источнику напряжения через разъем, выполнены в виде сплошных узких плоских форм из электропроводного материала, а токоподводы для подключения к источнику напряжения дополнительно приклеены к контактным площадкам посредством токопроводящего эпоксидного клея с высокой теплопроводностью.
Терморегуляторный блок управления содержит управляемые источники электропитания постоянного тока и напряжения, выходы которых являются выходами блока для последующего соединения через разъем с гибким плоским кабелем и разъемом с нагревательными элементами, и программируемый микропроцессор с возможностью информационного обмена с внешними устройствами ввода программы и обработки данных через шину ввода-вывода с ЭВМ, в том числе и информационного обмена с резистивным сенсорным цветным дисплеем для управления и отображения информации параметров температуры, при этом информационные входы программируемого микропроцессора являются входами блока для последующего подключения датчиков температуры соединенных через разъем с гибким плоским кабелем и разъемом, где осуществляется обмен информацией с подключенными измерителями температуры, а управляющие входы источников электропитания подключены к выходам программируемого микропроцессора.
Устройство поясняется чертежом фиг.1:
1. Нелинейно-оптический кристалл, например высокоомный монокристалл KTP;
2. Тонкопленочный низкоомный резистивный слой из материала РС3001 толщиной 0,020-0,350 мкм нанесенного методом термического распыления в вакууме с ионной очисткой;
3. Электропроводный металлический тонкопленочный слой из материала хрома (Cr) толщиной 0,070-0,130 мкм нанесенного в вакууме методом магнетронного распыления с ионной очисткой;
4. Электропроводной металлический тонкопленочный слой из материала Золото (Au) толщиной 0,020-0,120 мкм нанесенного в вакууме методом магнетронного распыления с ионной очисткой;
5. Электропроводной металлический тонкопленочный слой из материала никеля (Ni) толщиной 0,080-0,250 мкм нанесенного в вакууме методом магнетронного распыления с ионной очисткой;
2
6. Изолированный тонкопленочный слой на основе диэлектрического материала диоксида кремния (SiO) толщиной 0,200-0,400 мкм нанесенного в вакууме методом ионно-ассистированного осаждения;
7. Миниатюрный высокоточный температурный датчик RTD MX-PT100А (PT100 (RTD)) имеющий размер от 1,7×1,25×0,8 мм до 2,3×2,1×0,9 мм (Д×Ш×В);
8. Изолирующий зазор между тонкопленочными резистивными слоями;
9. Электропроводящий серебросодержащий эпоксидный клей MG Chemicals 8331-40G;
10. Генератор накачки, например лазер Nd:YAG с диодной накачкой работающий на длине волны λ=1064 нм.;
11. Оптическая ось с температурно перестраиваемым нелинейно-оптическим кристаллом;
12. Терморегуляторный блок управления (с 8 независимыми каналами ввода и вывода);
13. Управляемые источники электропитания постоянного напряжения и тока, на основе LTC3780 повышающего-понижающего DC-DC преобразователя и ШИМ-модуля управления с 8-каналами MOSFET МОП транзисторными триггерными переключателями;
14. Измерители температуры из модулей RTD-цифровых преобразователей MAX31865;
15. Программируемый микропроцессор семейства AVR — ATmega2560;
16. Разъем FPC 40 pin x 0,5 мм с гибким плоским кабелем FFC FPC 40 pin 0,5 мм и разъемом FPC 40 pin x 0,5 мм;
17. Шина ввода-вывода с ЭВМ через microUSB-порт;
18. Резистивный сенсорный цветной дисплей Nextion Enhanced HMI UART размером 3.5 дюйма, NX4832K035, для управления и отображения информации;
19. Токоподводы для подключения к источнику напряжения;
20. Выводы для подключения к источнику напряжения через разъем;
21. Корпус.
2
Термостатирующее устройство содержит нелинейно-оптический кристалл (1), на котором сформированы секционированные независимые зоны теплового воздействия и независимые зоны контактных поверхностных точек измерения температуры на нелинейно-оптическом кристалле, при этом упомянутые независимые зоны теплового воздействия выполнены в количестве 8 единиц и независимые зоны измерений температуры в количестве 8 контактных точек из миниатюрных температурных датчиков (7), регулярно расположенных вдоль двух параллельно подготовленных полированных поверхностей нелинейно-оптического кристалла (1) в равном зеркальном расположении и отделенными друг от друга изолирующими зазорами (8), и каждый датчик температуры (7), установленный в соответствующую секцию одного нагревательного элемента, секционированные независимые зоны теплового воздействия содержат тонкопленочный резистивный слой (2) имеет удельное поверхностное электросопротивление в пределах (10-3000) Ом∙мм/м, заключенного в поверхностный изолированный слой (6), выполненный в виде оболочки, состоящей, как минимум, из одного композиционного слоя на основе диэлектрического материала (6), изолированный тонкопленочный слой (6), обладающий высокой твёрдостью и высокой прочностью, на необходимые поверхности изолированного слоя (6) в центре резистивного слоя (2) приклеены высокоточные температурные датчики (7) посредством электропроводного эпоксидного клея (9) с высокой теплопроводностью, миниатюрный высокоточный температурный датчик (7), и на тонкопленочный резистивный слой (2) по всей ширине поверхности которого, по двум краям, напротив друг друга, размещены контактные площадки (5),(4),(3), выполненные из электропроводных металлических материалов из трех слоев (3),(4),(5), обладающие наилучшей адгезией к токопроводящему покрытию, электропроводной металлический тонкопленочный слой (3), электропроводной металлический тонкопленочный слой (4), электропроводной металлический тонкопленочный слой (5), с выводами (20) для подключения к источнику напряжения через разъем (16), выполнены в виде сплошных узких плоских форм из электропроводного материала, а токоподводы (19) для подключения к источнику напряжения (13) дополнительно приклеены к контактным площадкам посредством токопроводящего эпоксидного клея (9) с высокой теплопроводностью, причем указанные нагревательные элементы (2) подключены к выходам терморегуляторного блока управления (12), входы которого соединены с датчиками температуры (7), что позволяет реализовать равномерное и управляемое распределение температуры внутри нелинейно-оптического кристалла (1) путем осуществления независимого зонного нагревания и независимого точечного измерения температуры над каждым нагревателем (2), сформированных непосредственно на поверхностях нелинейно-оптического кристалла.
Термостатирующее устройство матричного типа с управляемым распределением температурного поля для нелинейно-оптических преобразователей частоты лазерного излучения выполнено в корпусе.
○
○
○
○
○
Устройство работает следующим образом. Генератор накачки (10) создает оптический пучок накачки, распространяющийся вдоль оптической оси устройства (11). Данный пучок проходит через преобразователь частоты лазерного излучения, на основе нелинейно-оптического кристалла (1), где происходит спонтанное параметрическое рассеяние, приводящее к генерации пар фотонов. Нелинейно-оптический кристалл с формированными термоэлектрическими компонентами, выполненными непосредственно на поверхности кристаллического элемента в виде секционированных нагревателей (2) и высокоточных миниатюрных датчиков температуры (7). Данная конструкция позволяет осуществлять контролируемое управление распределением температуры вдоль длины нелинейного кристалла (1) с высокой точностью. При подаче постоянного напряжения на тонкопленочные многосекционные электронагреватели (2) на нелинейно-оптическом преобразователе (1) частоты лазерного излучения, температура данных независимых зон увеличивается, что контролируется по соответствующему измерителю температуры (14) в блоке терморегуляторного управления (12), и имеет мощность каждого тонкопленочного электронагревателя от 2 до 10 Вт, эксплуатируемых в диапазоне устанавливаемых температур нагрева от 20 С (комнатной) до 150 С (допускается максимальная температура до плюс 300 С). Терморегуляторный блок управления (12) измеряет температуру высокоточными миниатюрными датчиками (7) с высокой точностью измерения температуры не хуже ± 0,05 °C в диапазоне от -50 С до +300 С. В зависимости от измеренной температуры микропроцессор (15) в терморегуляторном блоке управления (12) может изменять управляющее напряжение в управляемых источниках электропитания (13) для достижения требуемой температуры в данной секции и соответствующего участка нелинейно-оптического кристалла (1). При прохождении электрического тока через слой токопроводящего покрытия (2) происходит равномерный и управляемый нагрев всей поверхности электронагревателя, и соответственно нагрев поверхности нелинейно-оптического преобразователя частоты лазерного излучения. Равномерность нагрева и управляемое распределение температуры внутри нелинейно-оптического кристалла осуществляется путем независимого многозонного нагревания, тонкопленочным электронагревателем, и независимого точечного измерения температуры каждого нагревателя, сформированных непосредственно на поверхностях нелинейно-оптического кристалла подтверждена в лабораторных условиях с помощью тепловизора и высокоточного прибора измеряющего температуру. При достижении требуемой температуры в нелинейно-оптическом преобразователе частоты лазерного излучения (1) резистивный элемент (2) отключается от электрического напряжения, что контролируется автоматически терморегуляторный блок управления. Устройство считается правильно настроенным после установки требуемого температурного режима в каждой секции. Для смены программы в микропроцессоре (15) и анализа показаний измерителей (14) используется основная шина ввода-вывода с подключенным резистивным сенсорным цветным дисплеем (18). Программируемый микропроцессор (15) может управляться извне по шине ввода-вывода (17). Выходы источников электропитания (13) и входы измерителей (14) температуры подключены через разъем с гибким плоским кабелем (16) соответственно к нагревательным элементам (2) и датчикам (7). Устройство выполнено в корпусе (21), включающее в себя основное высокостабильное термостатирующее устройство матричного типа с управляемым распределением температурного поля для нелинейно-оптических преобразователей частоты лазерного излучения и терморегуляторный блок управления (12).