МАЛОГАБАРИТНЫЙ КВАНТРОН С ЖИДКОСТНЫМ ОХЛАЖДЕНИЕМ
SMALL-SIZE LASER HEAD WITH LIQUID COOLING

Изобретение относится к твердотельным лазерам с диодной накачкой, в частности к элементам конструкции, устройствам накачки, системам охлаждения, и может быть использовано при изготовлении лазерной техники. Использование данного изобретения особенно актуально при разработке задающих лазерных генераторов и малогабаритных лазеров, а также для эффективного усиления маломощного лазерного излучения (например, излучения волоконного лазера).
Известен модуль твердотельного лазера с диодной накачкой (патент США №6608852, H01S 3/091, 3/092, 3/094, опубл. 2003 г.). Модуль содержит установленные в полости корпуса активный элемент (АЭ) в виде стержня и отражатель, источник оптической накачки (ИОН), размещенный напротив отражателя, пластину из прозрачного для излучения накачки материала, закрепленную на корпусе напротив ИОН, и каналы для подвода охлаждающей жидкости (ОЖ) в корпусе, отражатель закреплен внутри полости корпуса. При этом в качестве ИОН использованы линейки лазерных диодов (ЛЛД), расположенные вдоль оси АЭ.
Конструкция отличается минимумом деталей и их простотой. В ней реализовано жидкостное охлаждение АЭ, что позволяет эффективно отводить от него тепло, выделяемое при работе модуля. Применение отражателя позволяет повысить эффективность накачки.
Однако охлаждение АЭ осуществляется независимо от охлаждения ИОН, что создает трудности в эксплуатации данного устройства, а также усложняет конструкцию и увеличивает его массу и габариты. Концентрация излучения накачки в АЭ при помощи только лишь одного отражателя может привести к значительным потерям.
Получение большей мощности выходного излучения возможно за счет увеличения количества ЛЛД, но данное решение приведет к увеличению длины АЭ и соответственно габаритов и массы всей конструкции (при расположении большого числа ЛЛД вдоль АЭ) либо к уменьшению эффективности доставки излучения в АЭ (при расположении большого числа ЛЛД поперек АЭ).
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является масштабируемый твердотельный лазер с поперечной диодной накачкой (патент США №6075803, H01S 3/091, 3/094, опубл. 2000 г.). Данное устройство содержит установленные в прямоугольной полости корпуса АЭ в виде стержня и отражатель, ИОН, размещенный напротив отражателя, цилиндрическую линзу, пластину из прозрачного для излучения накачки материала, закрепленную рамкой на корпусе напротив ИОН, и каналы в корпусе, отражатель закреплен внутри полости корпуса.
При этом в качестве ИОН использованы ЛЛД, расположенные поперек оси АЭ, отражатель крепится к боковой поверхности полости винтами снаружи корпуса, цилиндрическая линза является коллимирующей по одной оси и расположена на отражателе поперек АЭ, ОЖ подается в устройство через отверстия, расположенные параллельно АЭ.
Применение рамки для фиксации пластины на корпусе устройства повышает надежность соединения пластины с корпусом. Применение коллимирующих цилиндрических линз позволяет более равномерно накачивать АЭ, что положительно влияет на качество выходного лазерного излучения. Возможность юстировки положения отражателя относительно АЭ позволяет добиться максимального эффекта от его использования.
Однако охлаждение АЭ здесь также осуществляется независимо от охлаждения ИОН, что создает трудности в эксплуатации данного устройства, а также усложняет конструкцию и увеличивает его массу и габариты.
Получение большей мощности выходного излучения возможно за счет увеличения количества ЛЛД вдоль АЭ, но данное решение приведет к увеличению длины АЭ и соответственно габаритов и массы всей конструкции. Помимо этого для каждой линейки лазерных диодов требуется своя цилиндрическая линза, что усложняет изготовление и сборку конструкции.
Применение рамки приведет к сложностям при сборке устройства, так как потребуется тщательный контроль усилия затяжки винтов крепления с целью предотвращения повреждения пластины. При неравномерном механическом воздействии на рамку возможно повреждение пластины.
Расположение ЛЛД поперек АЭ затрудняет концентрацию излучения накачки внутри АЭ (особенно малых диаметров по сравнению с длиной излучающей области ЛЛД) и накладывает высокие требования к рабочим поверхностям отражателя.
Задача, на решение которой направлено изобретение, - увеличение мощности излучения, снижение массогабаритных показателей, а также повышение технологичности конструкции.
Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения, - повышение эффективности накачки АЭ и охлаждения квантрона, оптимизация конструкции.
Указанный технический результат достигается тем, что в малогабаритном квантроне с жидкостным охлаждением, который содержит установленные в прямоугольной полости корпуса активный элемент в виде стержня и отражатель, источник оптической накачки, размещенный напротив отражателя, цилиндрическую линзу, пластину из прозрачного для излучения накачки материала, закрепленную рамкой на корпусе напротив источника оптической накачки, и каналы в корпусе, причем отражатель закреплен внутри полости корпуса, согласно изобретению активный элемент зафиксирован прижимами в корпусе, отражатель закреплен к дну полости корпуса, к которому прикреплен держатель, установленный через регулировочную пластину, на держателе размещен источник оптической накачки, в качестве которого используется матрица лазерных диодов, на излучающей части которой размещена цилиндрическая линза, расположенная вдоль активного элемента, на держатель установлены входной, выходной патрубки с каналами, соединенными с каналами держателя, которые соединяются с каналами регулировочной пластины, соединенными с каналами корпуса, которые соединены с полостью корпуса, между рамкой и корпусом установлены регулировочные элементы.
Крепление отражателя к дну полости корпуса повысило надежность конструкции, так как крепление происходит по относительно большой площади и при этом отсутствуют требующие герметизации крепежные детали.
Установка держателя на корпус через регулировочную пластину позволило регулировать (путем изменения толщины пластины) расстояние от ИОН до АЭ и отражателя, что обеспечило наиболее равномерное и эффективное поглощение излучения накачки. Расположение цилиндрической линзы на излучающей части ИОН вдоль АЭ позволило оптимально собрать излучение накачки в АЭ (особенно эффективно при использовании АЭ с малым, по сравнению с шириной излучающей области ИОН, диаметром) и позволило избежать лишних потерь на дополнительных отражающих поверхностях, т.к. в этом случае линза непосредственно направляет излучение накачки в АЭ. Применение в качестве источника оптической накачки МЛД позволяет получить большую мощность накачки при минимальных габаритах конструкции. Конструкция при этом получается относительно простой.
Установка на корпус держателя с закрепленным на нем ИОН позволило организовать единый контур охлаждения ИОН и АЭ. Наличие патрубков, соединенных с каналами держателя, и дросселирующих каналов регулировочной пластины, соединяющих каналы корпуса и держателя, позволяет оптимально распределять потоки ОЖ между каналами охлаждения ИОН и АЭ, а также наиболее просто и эффективно организовать подвод, отвод ОЖ. Это положительно сказывается на эффективности охлаждения, а также снижает требования к точности изготовления деталей квантрона, к тому же обеспечивается жесткость и максимальная простота конструкции.
Применение регулировочных элементов позволило (путем подбора их количества и (или) толщины) наиболее просто и надежно регулировать силу воздействия рамки на пластину при сборке квантрона. Это обеспечило надежное уплотнение соединения пластины с корпусом квантрона и ограничило давление рамки на пластину (которое может привести к ее разрушению). Применение прижимов позволило закрепить АЭ в корпусе наиболее простым способом, обеспечив высокую герметичность соединения. Это также повышает удобство сборки, настройки квантрона и замены АЭ.
Все это повысило эффективность накачки АЭ и охлаждения квантрона, а также привело к оптимизации конструкции. И, таким образом, позволило решить задачу увеличения мощности излучения, уменьшения массы и габаритов квантрона с одновременным повышением технологичности конструкции.
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 общий вид квантрона.
На фиг. 2 представлен схематичный поперечный разрез квантрона.
На фиг. 3 представлен схематичный продольный разрез квантрона А-А.
На фиг. 4 представлен общий вид корпуса квантрона.
В состав квантрона входят следующие детали и элементы (фиг 1-3): корпус 1, держатель 2, регулировочная пластина 3 (РП), входной и выходной патрубки 4, АЭ 5, ИОН 6, цилиндрическая линза 7, пластина 8, прокладка 9, рамка 10, регулировочные элементы 11, отражатель 12, прижимы 13, прокладки 14, кольцевые прокладки 15.
Корпус 1 включает в себя следующие элементы; уплотнительную канавку 1а, выступы 1b, отверстия 1с, поверхность 1d, скругленные углы 1e, 1f, поверхность 1g (фиг. 4). Рамка 10 содержит выступы 10а. Отражатель 12 содержит рабочую поверхность 12а.
а
Квантрон содержит гидравлическую сеть, состоящую из следующих элементов: каналы  входных, выходных патрубков 4, каналы b, с, d держателя 2, дросселирующие отверстия е РП 3, каналы  g корпуса 1, полость h корпуса.
Основой конструкции квантрона является цельный корпус 1, в котором выполнена открытая с одной стороны полость h, имеющая прямоугольную форму со скругленными углами 1e. Внутри корпуса 1 в полости h расположен АЭ 5, зафиксированный в отверстиях 1 с прокладками 14 при помощи прижимов 13. В качестве АЭ может использоваться стержень из YAG:Nd или иного твердого лазерного материала. Вокруг полости h на поверхности 1d корпуса 1 выполнена уплотнительная канавка прямоугольной формы 1а со скругленными углами 1f, в которую уложена прокладка 9. Прокладка 9 выполнена круглой формы и после укладки в канавку 1а принимает ее форму. Сечение прокладки 9 круглое либо прямоугольное. Полость h герметично закрыта пластиной 8, прижатой к корпусу 1 через прокладку 9 рамкой 10. Пластина 8 выполнена из прозрачного для излучения накачки материала. Между корпусом 1 и рамкой 10 с двух сторон от пластины 8 установлены пакеты регулировочных элементов 11, изготовленных из жесткого материала (например, из металла). Подбирая их количество и (или) толщину, добиваются получения герметичного соединения пластины 8 и корпуса 1, при этом сжатие прокладки 9 производится усилием, гарантированно не приводящим к разрушению пластины 8, и достигается жесткий контакт рамки 10 и корпуса 1. Для предотвращения перемещения пластины 8 по поверхности 1d во время сборки и эксплуатации квантрона рамка 10 содержит выступы 10а, а корпус 1 выступы 1b. В полости h на поверхности 1g закреплен отражатель 12. Для защиты рабочей поверхности 12а отражателя 12 на нее может быть нанесено защитное покрытие (например, кварц), прозрачное для излучения накачки и стойкое к воздействию ОЖ. Корпус 1 содержит гидравлические каналы , g.
К корпусу 1 через РП 3 прикреплен держатель 2 с установленным на нем ИОН 6. Держатель 2 содержит каналы b, с, d и выполняет функцию теплообменника. Держатель 2 изготовлен из материала с высокой теплопроводностью (например, из меди или алюминия). В качестве ИОН использована матрица лазерных диодов. На ИОН 6 установлена цилиндрическая линза 7. РП 3 содержит дросселирующие отверстия е. Толщина РП 3 и диаметр отверстий подбирается при сборке и настройке квантрона.
На держатель 2 установлены входной, выходной патрубки 4 с каналами а. Для герметизации соединений корпуса 1, РП 3, держателя 2, патрубков 4 использованы кольцевые прокладки круглого сечения 15. Прокладки уложены в закрытые канавки. Все элементы квантрона, контактирующие с ОЖ, изготовлены из стойких к ее воздействию материалов либо с применением защитных покрытий.
Квантрон работает следующим образом. На ИОН 6 подается напряжение питания, ИОН 6 начинают генерировать излучение накачки, профиль которого формируется линзой 7. Излучение накачки, проходя окно 8 и ОЖ внутри полости h корпуса 1, поглощается АЭ 5. Часть излучения накачки, не поглотившаяся в АЭ 5 и прошедшая сквозь него, возвращается обратно отражателем 12. При этом профиль отраженного излучения накачки задается формой рабочей поверхности 12а отражателя 12. Помимо этого, подбором толщины РП 3 можно подобрать положение ИОН 6 относительно АЭ 5 и отражателя 12, при котором поглощение излучения накачки максимально.
Часть поглощенной АЭ 5 энергии накачки идет на тепловые потери. При длительной работе тепловыделение достаточно высоко, поэтому требуется охлаждение АЭ 5. В ИОН 6 часть электрической энергии тратится на тепловые потери, поэтому его также необходимо охлаждать. Охлаждение АЭ 5 и ИОН 6 происходит следующим образом.
ОЖ подается в квантрон через канал а входного патрубка 4 (например, левого на фиг. 3) и поступает в канал b держателя 2. В канале b ОЖ разделяется на потоки охлаждения АЭ 5 и ИОН 6. Оптимальное распределение ОЖ между этими потоками осуществляется подбором диаметра отверстий е РП 3 и, соответственно, изменением гидравлического сопротивления контура охлаждения АЭ 5. Подбор диаметра отверстий е осуществляется при настройке квантрона.
а
Охлаждение ИОН 6 происходит следующим образом: ОЖ из канала b попадает в канал с, а затем в каналы d держателя 2, имеющего тепловой контакт с ИОН 6. Пройдя по каналам d и охладив ИОН 6, ОЖ попадает через каналы с, b держателя 2 в канал  выходного патрубка 4 и выводится из квантрона.
а
Для охлаждения АЭ 5 ОЖ из канала b держателя 2 через дросселирующие отверстия е РП 3 и каналы , g корпуса 1 поступает в полость h. Полость h корпуса 1 совместно с пластиной 8 и отражателем 12 образуют камеру охлаждения АЭ 5. Пройдя вдоль поверхности АЭ 5 и охладив его, ОЖ попадает через каналы g,  корпуса 1, дросселирующие отверстия е РП 3 в канал b держателя 2, откуда выводится из квантрона через канал  выходного патрубка 4.
На основании данного технического решения создан квантрон на YAG:Nd с запасенной в инверсии энергией до 0,1 Дж для работы в импульсно-периодическом лазере с длиной волны излучения 1,064 мкм и частотой следования импульсов выходного излучения до 100 Гц. При этом ограничение на время работы лазера из-за перегрева квантрона отсутствует. Габаритные размеры квантрона (без учета патрубков): 50×30×25 мм, масса - 0,11 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 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».