ОПТИЧЕСКАЯ УСИЛИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ

Полезная модель относится к лазерной технике и может быть использована в оптических усилительных головках с диодной накачкой с системой охлаждения тепловыделяющих элементов.
Известна оптическая усилительная головка с диодной накачкой (патент США №6101208, МПК H01S 3/0941, 08.08.2000), состоящая из размещенных в корпусе активного элемента в виде стержня, матриц лазерных диодов, расположенных в держателях вдоль активного элемента, и системы охлаждения, содержащей стеклянную трубку, охватывающую активный элемент с образованием радиального канала, демпфирующие элементы, установленные на обоих торцах стеклянной трубки, и сеть охлаждающих каналов, расположенных в корпусе, держателях и матрицах лазерных диодов, с входным и выходным патрубками. Матрицы лазерных диодов выполнены в виде блоков линеек лазерных диодов и расположены под углом 90° к оси активного элемента, в качестве демпфирующих элементов использованы прокладки.
Конструкция известного устройства усложнена, а система охлаждения не обеспечивает эффективного теплоотвода от активного элемента и матриц лазерных диодов, что негативно сказывается на работе устройства.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является известная оптическая усилительная головка с диодной накачкой (патент РФ №2498467, МПК H01S 3/0933, 20.04.2013), состоящая из размещенных в корпусе активного элемента в виде стержня, матриц лазерных диодов, расположенных на держателях вдоль активного элемента, и системы охлаждения, содержащей стеклянную трубку, охватывающую активный элемент с образованием радиального канала, демпфирующие элементы, установленные на обоих торцах стеклянной трубки, и сеть охлаждающих каналов, расположенных в корпусе, держателях и матрицах лазерных диодов с входным и выходным патрубками, при этом корпус выполнен в виде шестигранника, на внешней поверхности каждой грани которого выполнено отверстие для размещения держателя, на грани которого, обращенной к активному элементу, установлены матрицы лазерных диодов, система охлаждения выполнена в виде двух независимых контуров, охлаждающие каналы одного контура - охлаждения активного элемента соединяют дополнительные входной и выходной патрубки с радиальным каналом через выполненные в виде сильфонов демпфирующие элементы, другой контур охлаждения - матриц лазерных диодов содержит выполненные в корпусе и соединенные с входным и выходным патрубками входной и выходной коллекторы, из которых выходят охлаждающие каналы, соединенные с каналами, выполненными в каждом держателе и матрицах лазерных диодов.
Недостатком известной оптической усилительной головки является сложность конструкции, поскольку в ней реализована шестиканальная компоновка конструктивных элементов с наличием демпфирующих элементов, что усложняет сборку и юстировку. Кроме того, система охлаждения, выполненная в виде двух независимых контуров, не является оптимальной и не обеспечивает устойчивости в работе устройства, что приводит к нестабильности физических параметров генерируемого лазерного пучка.
Технический результат, заключающийся в упрощении конструкции, повышении надежности и стабильности в работе, в предлагаемой оптической усилительной головке с диодной накачкой, содержащей корпус, состоящий из защитного кожуха, основания и торцевых фланцев, активный элемент, выполненный в виде кристалла, размещенного с кольцевым зазором внутри прозрачного трубчатого элемента, держатели-теплообменники с закрепленными на них матрицами лазерных диодов, расположенными вдоль и вокруг боковой поверхности активного элемента, входной и выходной коллекторы, при этом в указанных держателях-теплообменниках, входном и выходном коллекторах выполнены каналы с образованием системы охлаждения, достигается тем, что корпус выполнен в виде пятигранной призмы, а входной и выходной коллекторы выполнены пятиугольными, причем система охлаждения выполнена по последовательно-параллельной схеме с обеспечением прохождения потока хладагента через входной коллектор параллельно по каналам всех держателей-теплообменников с обеспечением сбора хладагента в канале выходного коллектора, сообщающегося через кольцевой зазор внутри прозрачного трубчатого элемента с каналом выходного торцевого фланца.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
- на фиг. 1 изображена оптическая усилительная головка в собранном виде в защитном кожухе;
- на фиг. 2 показана оптическая усилительная головка в разобранном виде со снятым защитным кожухом;
- на фиг. 3 приведен продольный разрез оптической усилительной головки, выполненный по оси активного элемента;
- на фиг. 4 изображен поперечный разрез оптической усилительной головки;
- на фиг. 5 приведена последовательно-параллельная схема системы охлаждения, реализованная в усилительной головке.
Оптическая усилительная головка (фиг. 1, 2, 3, 4) содержит выполненный в виде пятигранной призмы корпус, состоящий из защитного кожуха 1, основания 2 и торцевых фланцев 3 и 4.
Внутри корпуса расположен активный элемент (АЭ) 5 (фиг. 2, 3, 4), выполненный в виде кристалла, размещенного с кольцевым зазором внутри прозрачного трубчатого элемента 6, держатели-теплообменники 7 с закрепленными на них матрицами лазерных диодов 8, расположенных вдоль и вокруг боковой поверхности АЭ 5, входной 9 и выходной 10 коллекторы.
В держателях-теплообменниках 7, входном и выходном коллекторах 9 и 10 выполнены каналы (отверстия) с образованием системы охлаждения.
При этом система охлаждения выполнена по последовательно-параллельной схеме (фиг. 5) с обеспечением прохождения потока хладагента через входной коллектор 9 параллельно по каналам всех держателей-теплообменников 7 с обеспечением сбора хладагента в канале выходного коллектора 10, сообщающегося через кольцевой зазор внутри прозрачного трубчатого элемента 6 с каналом выходного коллектора 10.
Соосно с АЭ 5 установлены дисковые элементы 11, закрывающие с торцов прозрачный трубчатый элемент 6, а на внешней стороне фланцев 3 и 4 закреплены заглушки 12.
Устройство собирается и работает следующим образом.
Сначала осуществляется сборка держателей-теплообменников 7 с матрицами диодов 8. Затем на горизонтальном основании 2 устанавливаются коллекторы 9 и 10, между которыми монтируются трубчатый элемент 6, АЭ 5 и элементы 11. Собранные держатели-теплообменники 7 закрепляют на гранях пятиугольных коллекторов 9 и 10 при помощи винтов. С торцов закрепляются фланцы 3 и 4.
Проверку герметичности системы охлаждения путем прокачки через нее жидкости после подсоединения входных и выходных патрубков (не показаны) к входному коллектору 9 и пятиугольному фланцу 4. После проверки герметизации устройства одевается кожух 1 и устанавливаются заглушки 12.
Накачка АЭ 5 осуществляется при помощи матриц лазерных диодов 8, расположенных вдоль и вокруг боковой поверхности АЭ 5, к которым подключен блок питания (на чертежах не показан). Диоды матриц 8 просвечивают АЭ 5, выполненный из керамики (YAG алюмоиттриевый гранат, легированный неодимом). При этом АЭ 5 генерирует излучение с заданными параметрами (мощностью и длины волны).
Лазерный импульс может генерироваться при разных токах и частотах, которые задаются блоком питания. При этом, матрицы 8 и АЭ 5 выделяют тепло, которое отбирается у них с помощью системы охлаждения.
В устройстве реализована последовательно-параллельная схема системы охлаждения (фиг. 5). Охлаждающая жидкость из внешнего насоса 14 (чиллера) через входной патрубок (не показан) последовательно поступает во входной коллектор 9, затем параллельно по расположенным симметрично каналам пяти держателей-теплообменников 7, на которых закреплены источники выделения тепла - матрицы 8 диодов, и далее - в канал коллектора 10. Из коллектора 10 жидкость поступает в кольцевой зазор трубчатого элемента 6, в которой расположен второй источник выделения тепла - АЭ 5. Охлаждающая жидкость, пройдя через трубчатый элемент 6, поступает в канал пятиугольного фланца 4 и через выходной патрубок (не показан) поступает на вход насоса 14.
Конструкция устройства не содержит сложных в изготовлении деталей, обладает достаточной жесткостью, надежностью и стабильностью в работе.
Основные конструктивные элементы устройства (коллекторы, фланцы, держатели-теплообменники) изготавливаются из латунного сплава.
Предлагаемая полезная модель соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции, повышении надежности и стабильности в работе.