КОРПУС ЛАЗЕРА
LASER CASING

Изобретение относится к лазерной технике, а именно, к несущим элементам конструкций, а также к системам охлаждения и термостабилизации и может быть использовано при создании лазеров различных типов, а также и других приборов со схожими требованиями к конструктивному исполнению.
Известен патент Китая №101325307, МПК Н01S 3/04, 5/024, опубл. 2008 г., в котором описан корпус лазера с крышками. Элементы лазера располагаются в корпусе и передают выделяющееся в них тепло на его поверхность. Одна из крышек и корпус содержат каналы для принудительного воздушного охлаждения корпуса.
Конструкция корпуса позволяет размещать в нем элементы лазера таким образом, что становится возможным создавать лазеры с достаточно высокой степенью защиты от внешних воздействий, отличающихся при этом малыми габаритами. Последнее обусловлено также применением принудительного воздушного охлаждения.
Однако применение незамкнутой воздушной системы охлаждения требует наличия некоторого свободного пространства вокруг лазера, что накладывает ограничения на место и способ его размещения. При этом в пространстве вокруг лазера происходят, зачастую нежелательные, циркуляция и нагрев воздуха. Полноценная работа лазера при настройке (при снятой верхней крышке) затруднена ввиду отсутствия охлаждения. Съем тепла с корпуса лазера осуществляется с расположенных в боковых стенках воздушных каналов, расстояние до которых от различных элементов лазера не одинаково. Это может привести к сложностям с охлаждением и поддержанием оптимальной температуры элементов лазера, особенно при высокой удельной мощности тепловыделения.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является корпус лазера, известный из патента Китая №203351935, МПК Н01S 3/02, 3/042, опубл. 2013 г. Корпус закрыт верхней и нижней крышками и в данную конструкцию осуществлен подвод охлаждающей жидкости (ОЖ).
Конструкция корпуса, как и в предыдущем случае, позволяет создавать лазеры с достаточно высокой степенью защиты от внешних воздействий. Наличие жидкостного охлаждения хотя и требует наличие отдельно расположенного блока системы охлаждения, зато позволяет создавать более мощные лазеры, которые могут работать в более широком температурном диапазоне внешней среды. Сам лазер требует меньше пространства для размещения, т.к. за отведение тепла отвечает внешняя система охлаждения. Лазер можно настраивать при демонтированной (как полностью, так и частично) верхней крышке, что не отражается на работоспособности системы охлаждения.
Однако элементы подвода ОЖ распределены по объему лазера и затрудняют монтаж и настройку лазера, увеличивают его габариты и усложняют конструкцию, а также создают неравномерное распределение температуры по корпусу, что ведет к его термическим деформациям. Последнее усугубляется тепловыми воздействии извне и отсутствием системы термостабилизации корпуса.
Задача, на решение которой направлено данное изобретение, - уменьшение массы и габаритов лазера, а также повышение стабильности его работы.
Технический результат, полученный при использовании предлагаемого технического решения, - уменьшение габаритов, повышение стабильности геометрических размеров корпуса лазера, оптимизация системы подачи охлаждающей жидкости к элементам лазера.
Указанный технический результат достигается тем, что корпус лазера, в который осуществлен подвод охлаждающей жидкости, содержит гидравлический контур и выполнен.составным из двух полукорпусов, между которыми расположена пластина. Гидравлический контур содержит входное и выходное отверстия, расположенные в одном из полукорпусов, входной и выходной коллектор, образованные глухими пазами в верхнем и нижнем полукорпусах и сквозным в пластине, и соединенные соответственно с входным и выходным отверстием. Также есть дополнительный коллектор, образованный глухим пазом в нижнем полу корпусе и пластиной и соединенный с входным коллектором каналом, образованным глухим тазом в нижнем полукорпусе и пластиной. Также есть каналы, образованные глухими пазами в верхнем полукорпусе и пластиной, соединяющие входной и выходной коллекторы с присоединительными отверстиями. Помимо этого есть каналы, образованные глухими пазами в нижнем полукорпусе и пластиной, соединяющие дополнительный и выходной коллекторы. Помимо этого гидравлический контур содержит дроссели, расположенные в некоторых каналах соединяющем входной или выходной коллектор и присоединительные отверстия, а также в канале, соединяющем входной коллектор с дополнительным коллектором. При этом каналы в верхнем полукорпусе образованы глухим пазом в верхнем полукорпусе и пластиной, а каналы в нижнем полукорпусе образованы глухим пазом в нижнем полукорпусе и пластиной.
Вся совокупность существенных признаков позволяет создать компактный гидравлический контур, обеспечивающий подачу ОЖ к элементам лазера по каналам кратчайшей длины и минимального гидравлического сопротивления и равномерную сеть каналов, обеспечивающих эффективную термостабилизацию корпуса. Наличие дросселей в некоторых каналах, соединяющих коллекторы с отверстиями, и наличие дросселя в канале, соединяющим входной и дополнительный коллектор, позволяют точно распределить и оптимизировать потоки ОЖ по каналам корпуса и между элементами лазера. Оптимальная конфигурация гидравлического контура позволяет уменьшить габариты и массу корпуса, а соответственно, и лазера в целом. Это наряду с эффективной термостабилизацией обеспечивает повышение стабильности геометрических размеров корпуса, что повышает стабильность работы лазера.
В ряде случаев, в целях оптимизации расхода охлаждающей жидкости, уменьшения числа каналов и уменьшения габаритов корпуса, часть тепловыделяющих элементов лазера включается в гидравлический контур последовательно. Для этого корпус лазера может содержать каналы, образованные глухими пазами в верхнем полукорпусе и пластиной, соединяющие отверстия между собой.
При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулу, на технический результат заявляемого технического решения. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условиям «новизна» и «изобретательский уровень».
На фиг. 1 внешний вид корпуса лазера.
На фиг. 2 представлен разнесенный вид корпуса лазера.
На фиг. 3 представлено устройство гидравлического контура.
На фиг. 4 представлена схема гидравлического контура.
На фиг. 5 представлен внешний вид лазера с местным разрезом.
Корпус лазера (фиг. 1, 2) состоит из верхнего 1 и нижнего 2 полукорпусов и расположенной между ними пластины 3, которые герметично соединены между собой. Для соединения элементов корпуса между собой могут использоваться резьбовые детали, а для обеспечения герметичности возможно применение уплотнительных прокладок и (или) герметика (на фиг. не показаны). Для размещения элементов лазера служат плоское дно (поверхность) 1а углубления, выполненного в верхнем полукорпусе 1, и плоское дно (поверхность) 2а углубления, выполненного в нижнем полукорпусе 2. В верхнем полукорпусе 1 выполнено отверстие 16 для вывода излучения.
В корпусе лазера расположен гидравлический контур (фиг. 3, 4), представляющий собой сеть гидравлических каналов, начинающихся от входного отверстия 4 и заканчивающихся выходным отверстием 5. Отверстия 4, 5 могут быть выполнены как в полукорпусе 1, так и в полукорпусе 2, в зависимости от конструктивных особенностей конкретного лазера. Помимо отверстий 4, 5 гидравлический контур содержит: входной коллектор 6, выходной коллектор 7, дополнительный коллектор 8, а также каналы 9, отверстия 10, каналы 11, 12 и дроссели 13.
Входное 4, выходное 5 отверстия соединены с входным 6, выходным 7 коллекторами соответственно. Дополнительный коллектор 8 соединен с входным коллектором 6 каналом 12, а с выходным коллектором 7 сетью каналов 11, расположенных по корпусу лазера как можно более равномерно. Помимо этого входной 6, выходной 7 коллекторы соединены с отверстиями 10 при помощи каналов 9. Отверстия 10 предназначены для подвода ОЖ к элементам 14 лазера, которые отличаются высоким удельным тепловыделением и (или) нуждаются в термостабилизации, и которые при этом располагают собственными гидравлическими каналами. При этом часть элементов 14 лазера могут соединяться последовательно. Для этого некоторые отверстия 10 соединяются непосредственно между собой при помощи каналов 9. Пример такого случая представлен на фиг.4 в условно выделенной области А.
Входной 6 (выходной 7) коллектор представляет собой замкнутую полость, состоящую из глухих пазов 6а, 66 (7а, 7б), выполненных соответственно в полукорпусах 1, 2, и сквозного паза 6в (7в), выполненного в пластине 3. Дополнительный коллектор 8 и каналы 11, 12 представляют собой замкнутые полости, образованные глухими пазами в нижнем полукорпусе 2 и пластиной 3. Каналы 9 представляют собой замкнутые полости, образованные глухими пазами в верхнем полукорпусе 1 и пластиной 3. Отверстия 10 выполнены цилиндрическими (могут быть ступенчатыми) в верхнем полукорпусе 1 и расположены перпендикулярно поверхности 1 а.
Для регулировки расхода ОЖ через каналы 11 служит дроссель 13 установленный (расположенный) в канале 12. Для регулировки расхода ОЖ через элементы лазера могут применяться дроссели 13, установленные (расположенные) в каналах 9. Дроссели могут быть выполнены как в виде местных сужений каналов 9, 12, так и в виде самостоятельных деталей, помещенных в каналы 9, 12. Наиболее удобен вариант дросселей, позволяющих плавно менять сечение канала при собранном корпусе и даже при работающем лазере.
Это позволяет оптимально распределить потоки ОЖ по корпусу и элементам лазера.
Элементы лазера устанавливаются на поверхностях 1а и 2а корпуса лазера, при этом элементы излучателя с высоким удельным тепловыделением и, в том числе, с собственными гидравлическими каналами, устанавливаются на поверхность 1а верхнего полу корпуса 1, а элементы системы питания (электронные блоки), требующие принудительного охлаждения, устанавливаются на поверхности 2а. Прочие электронные узлы (контроль, управление) могут располагаться как на поверхности 1а, так и на поверхности 2а. Нижний и верхний полукорпус закрываются крышками 15, 16 (фиг. 5). Корпус может устанавливаться на поверхность, как крышкой 16, так и нижним полукорпусом 2. Возможно использование дополнительных опор, как, например, в прототипе. В отверстие для вывода излучения 16 устанавливается окно 17 с крышкой. Во входное 4 и выходное 5 отверстия устанавливаются патрубки 18 для подачи и отвода ОЖ.
Гидравлический контур функционирует следующим образом. ОЖ от внешней системы охлаждения и термостабилизации подается через входное отверстие 4 и поступает во входной коллектор 6, где происходит разделения потока ОЖ. Часть жидкости через каналы 9 и отверстия 10 подводится к элементам 14 лазера. При этом часть элементов 14 могут быть соединены каналами 9 последовательно. Проходя по гидравлическим каналам элементов 14, ОЖ термостабилизирует их, и далее выводится через отверстия 10 и каналы 9 в выходной коллектор 7. Помимо этого часть ОЖ из входного коллектора через канал 12 попадает в дополнительный коллектор 8, и далее равномерно распределяется по каналам 11. За счет прохождения ОЖ через каналы 11 осуществляется выравнивание температуры по корпусу и термостабилизация корпуса лазера, а также, охлаждение элементов лазеров (в основном электронных узлов), непосредственно закрепленных на корпусе.
3
Авторами разработан герметичный вариант корпуса (с крышками) для твердотельного лазера с диодной накачкой с геометрической длинной оптического  пути в излучателе более 3 метров (фиг 5). Габаритные размеры корпуса 700×350×190 мм. Материал корпуса алюминиевый сплав. Масса корпуса 30 кг.
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 оптико-механической промышленности при изготовлении излучателей лазеров;
- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «промышленная применимость».