Импульсный лазерный полупроводниковый излучатель

Полезная модель относится к лазерной технике, и может быть использовано в промышленности для организации открытых каналов передачи информации, в технологии, медицине, системах накачки твердотельных лазеров, контрольно-измерительной аппаратуре.
Повышение характеристик лазерных систем в основном решают путем увеличения их импульсной мощности излучения в узком спектральном диапазоне, приближение диаграммы направленности (далее ДН) поля излучения осесимметричной ДН с круглым поперечным сечением. Одновременно решают задачу снижения массы лазерных излучателей, в том числе - за счет отказа от применения формирующей оптики.
Известны полупроводниковые излучатели (см., например, [патент RU 141870, B64F 1/18, публ. 20.06.2014], [патент RU 2241287, H01S 5/00, 5/40, публ. 27.11.2004], [патент RU 2187183, H01S 5/00, 5/40, публ. 10.08.2002]).
В полезной модели по патенту 141870 лазерные модули равномерно размещены по окружности, каждый из них сориентирован большой осью пятна облучения осесимметрично в радиальном направлении и развернут в сторону от оси излучателя, кроме того введены диафрагмы у каждого лазерного модуля, снижающие освещенность.
В изобретении по патенту 2241287 исключена формирующая оптика в импульсном лазерном полупроводниковом излучателе и использовано по крайней мере два звена блоков лазерных диодов. Внутри каждого из звеньев требуется точно выдерживать в том числе различные углы разворота р-n переходов блоков лазерных диодов как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях излучателя, что создает большие сложности при сборке данных излучателей.
Наиболее близким по технической сущности является известный излучатель лазерный полупроводниковый инжекционный (см. [патент RU 2187183, H01S 5/00]), имеющий герметичную оболочку, состоящую из корпуса с выводами и крышки со стеклом. Блоки лазерных диодов установлены на плоскости корпуса, перпендикулярной к оси излучения, по окружности минимального диаметра путем последовательного их разворота относительно друг друга. В соответствии с приведенным примером «Блоки лазерных диодов расположены равномерно по окружности с угловым шагом 2α, так, что p-n-переходы каждого блока 1, 3, 5, 7, 9 направлены к центру окружности (параллельны линии, соединяющей центр блока лазерного диода и центр окружности), а p-n-переходы блоков 2, 4, 6, 8, 10 развернуты относительно направления к центру окружности на угол α по часовой стрелке вокруг своей оси.» Получена ДН излучателя, близкая к круглосимметричной (т.е. осесимметричной, с круглым поперечным сечением). При этом линейные размеры тела свечения, а, следовательно, и всего излучателя получены минимальными, отмечена его устойчивость к внешним механическим факторам. Излучатель по патенту RU 2187183 принят нами за прототип.
В тоже время устройство с такими параметрами недостаточно эффективно, показана малая импульсная мощность излучения, недостаточная ее стабильность, высокое тепловыделение. В нем ограничено управление его параметрами.
Техническим результатом предложенной полезной модели является повышение характеристик лазерных систем за счет увеличения импульсной мощности излучения и улучшения равномерности интенсивности излучения при наилучшем приближении контура поперечного сечения к окружности диаграммы направленности (далее ДН) импульсного лазерного полупроводникового излучателя с узким спектральным диапазоном, а также снижение среднего тепловыделения.
В соответствии с предлагаемой полезной моделью технический результат достигается тем, что предложен импульсный лазерный полупроводниковый излучатель (далее Излучатель), содержащий основание с блоками лазерных диодов, далее названными решетками лазерных диодов (далее РЛД), находящимися равномерно под углом друг к другу по окружности минимального диаметра на плоскости, перпендикулярной оси излучения излучателя, с электрическими выводами и герметичной оболочкой, содержащей крышку с прозрачным для излучения лазерных диодов окном и корпус. При этом имеется преимущественно нечетное число РЛД с p-n-переходами каждой из них, параллельными виртуальной плоскости, проведенной через центр каждой из них и центр основания. Основание является теплопроводящим. Все РЛД электрически соединены последовательно с соблюдением полярности и с оборотной стороны основания подключены к выходной обмотке введенного импульсного согласующего трансформатора с коэффициентом трансформации K, имеющего обмотку смещения рабочей точки сердечника, являющегося магнитопроводом, выполненного из магнитного материала с большой величиной индукции насыщения, например, нанокристаллического металлического сплава.
Предложенная совокупность существенных признаков позволила создать значительно более мощный Излучатель с узким спектральным диапазоном излучения, с улучшенной равномерностью интенсивности излучения с наилучшим приближением контура поперечного сечения ДН к окружности за счет суперпозиции полей определенно ориентированных РЛД преимущественно нечетного числа, на которые импульсы тока накачки подаются не напрямую, а через оригинальный импульсный согласующий трансформатор с коэффициентом трансформации К=5. При этом получена возможность уменьшить длительность импульса тока накачки и при сохранении его значительной амплитуды увеличить длину питающих проводников и уменьшить величину их сечения, а также за счет уменьшения тепловыделения в РЛД увеличить частоту следования импульсов тока накачки РЛД. Нами также получено приближение контура сечения ДН к окружности при меньшем количестве РЛД, чем в прототипе.
Импульсный согласующий трансформатор обеспечивает формирование импульсов тока накачки с требуемой большой амплитудой при том, что амплитуда импульсов тока в первичной обмотке согласующего трансформатора и проводниках, соединяющих генератор импульсов и согласующий импульсный трансформатор, в K раз меньше, чем амплитуда импульсов тока, протекающих через РЛД, что, в свою очередь, позволяет обеспечить протекание через РЛД импульсов тока амплитудой 140 А - 175 А с длительностью единиц (3-5) микросекунд и тем снизить тепловыделение РЛД, а также увеличить максимальную интенсивность формируемого излучения, по сравнению с интенсивностью для импульсов большей длительности в десятки - сотни микросекунд.
При этом излучатель может быть удален от источника импульсов тока накачки, что особенно важно при необходимости плотной упаковки составных частей изделия применения.
Обмотка смещения служит для задания положения рабочей точки магнитного сердечника трансформатора, при котором обеспечивается максимальный диапазон рабочей индукции. Применение сердечника, изготовленного из материала с большой величиной индукции насыщения (например, из нанокристаллического металлического сплава), обеспечивает минимальный размер трансформатора, а также малые величины токов намагничивания первичной обмотки и обмотки смещения, что, в свою очередь, способствует минимальным искажениям формы трансформируемого импульса тока.
Технический результат достигается также тем, что
- имеется цилиндрический теплопроводящий корпус, при этом возможны случаи использования для ряда применений конструкции квадратного основания, квадратного или прямоугольного корпуса и для них вся заявленная совокупность признаков не изменится.
По имеющимся у авторов сведениям, совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемого изобретения, неизвестна и не следует из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию "Новизна". Из всех обнаруженных нами источников информации не вытекает возможности получения предложенной нами совокупности признаков.
Технологическая реализация предложенного излучателя лазерного полупроводникового инжекционного основана на известных базовых методах изготовления полупроводникового излучателя и импульсного согласующего трансформатора, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «Промышленная применимость».
Настоящее изобретение поясняется фигурами 1-6.
На Фиг. 1 а) схематично изображен продольный разрез предложенного Излучателя в соответствии с примером 1;
б) изображен вид А на основание с установленными решетками лазерных диодов при снятой крышке со стеклом в соответствии с примером 1.
На фиг. 2 изображена вспомогательная схема для определения зависимости интенсивности I (ω,α) излучения Излучателя.
На фиг. 3 а) изображена зависимость интенсивности I (ω,α) излучения Излучателя в соответствии с Примером 1 (9 РЛД);
б) изображена диаграмма направленности излучения Излучателя в соответствии с Примером 1 (9 РЛД).
На фиг. 4 а) изображена зависимость интенсивности I (ω,α) излучения Излучателя в соответствии с Примером 2 (10 РЛД);
б) изображена диаграмма направленности излучения Излучателя в соответствии с Примером 2(10 РЛД).
На фиг. 5 а) изображена зависимость интенсивности I (ω,α) излучения Излучателя в соответствии с Примером 3 (8 РЛД);
б) изображена диаграмма направленности излучения Излучателя в соответствии с Примером 3 (8 РЛД).
На фиг. 6 а) изображена зависимость интенсивности I (ω,α) излучения Излучателя в соответствии с Примером 4 (7 РЛД);
б) изображена диаграмма направленности излучения Излучателя в соответствии с Примером 4 (7 РЛД).
Далее приводим список позиций, указанных на прилагаемых фигурах (сквозная нумерация):
1 - Излучатель,
2 - решетка лазерных диодов (далее РЛД),
3 - основание,
4 - первая крышка (с окном со стороны вывода излучения),
5 - окно, прозрачное для лазерного излучения,
6 - цилиндрический теплопроводящий корпус,
7 - вторая крышка,
8 - электрические выводы каждой РЛД.
9 - крайние электрические выводы РЛД,
10 - согласующий импульсный трансформатор,
11 - входные внешние электрические выводы упомянутого трансформатора,
12 - выходные электрические контакты трансформатора,
13 - паз для ввода входных внешних электрических выводов трансформатора,
14 - обмотки трансформатора,
15 - сердечник трансформатора,
16 - заливочный компаунд
17 - ось излучения Излучателя,
18 - первая виртуальная плоскость наблюдения,
19 - вторая виртуальная плоскость наблюдения.
В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретными вариантами осуществления Излучателя. Приведенные примеры модификаций не являются единственными и предполагают наличие других реализаций.
n
Пример 1. Устройство Излучателя 1, схематично изображенное на Фиг. 1, характеризуется следующим. На плоской поверхности медного теплопроводящего основания 3 по окружности с одинаковым углом разворота θ, равном 40±0,25° относительно его центра расположено девять РЛД 2 с практически одинаковыми характеристиками ДН дальнего поля излучения, соединенных между собой электрическими выводами 8 последовательно с соблюдением полярности, крайние электрические выводы 9 выведены на оборотную сторону основания 3.
С обратной стороны основания 3 центрировано расположен узел согласования, представляющий собой импульсный согласующий трансформатор 10, выходные электрические контакты 12 которого соединены с крайними электрическими выводами 9 РЛД 2. Входные электрические выводы 11 импульсного согласующего трансформатора 10 подключены к внешней электрической схеме накачки - внешнему генератору коротких импульсов тока (на фигуре не показаны), отнесенного на расстояние 50 см (в других случаях может быть иное расстояние требуемое и удобное для эксплуатации, порядка 30 - 70 см). Со стороны РЛД 2 на основании 3 имеется первая крышка 4 со стеклянным выходным окном 5. Со стороны согласующего импульсного трансформатора 10 Излучатель 1 заключен в цилиндрический теплопроводящий корпус 6, соединенный с основанием 3 по периметру его боковой стороны. Цилиндрический теплопроводящий корпус 6 снизу закрыт второй крышкой 7 и в ней выполнен паз 13 для входных внешних электрических выводов 11. Между корпусом 6, изолированными электрическими выводами 9, 11, 12 и импульсным согласующим трансформатором 11 имеется заливочный компаунд 16.
2
Импульсный согласующий трансформатор 10 обеспечивает получение в нагрузке, которая состоит из последовательно соединенных РЛД 2, импульса тока большой амплитуды величиной до 200 А длительностью от 3 до 5 мкс, фронт и спад которого имеют длительности менее 1,5 мкс. Столь малые длительности фронта и спада обеспечиваются за счет реализации трансформатора с коэффициентом трансформации K, равном 5. При этом индуктивность проводников 8, соединяющих между собой РЛД 2 и выходную обмотку трансформатора 10, образующих контур протекания тока, оказывается меньшей индуктивности рассеяния импульсного согласующего трансформатора 10 и минимально влияет на увеличение длительности фронта и спада протекающего в этом контуре импульса тока. С целью минимизации габаритов и массы импульсного согласующего трансформатора 10, а также минимизации паразитной емкости и индуктивности рассеяния этого трансформатора 10 используется магнитопровод, изготовленный из материала с большой величиной индукции насыщения - например, нанокристаллического металлического сплава марки 5Т-М ТУ 14-23-215-2009. Этой же цели служит двухкратное увеличение диапазона изменения индукции, которое достигается магнитным смещением магнитопровода. Оно реализуется обмоткой магнитного смещения, на которую перед формированием импульса тока накачки РЛД 2 подается маломощный электрический импульс. Длительность этого импульса должна гарантированно обеспечивать формирование необходимого магнитного потока смещения. В результате применения импульсного согласующего трансформатора 10 допустимая индуктивность электрической линии соединения Излучателя 1 и генератора электрических импульсов увеличивается в K раз.
Реализация коротких импульсов тока накачки РЛД 2 снижает выделяемую ими в корпусе 6 Излучателя 1 среднюю тепловую мощность и позволяет увеличить частоту их следования при сохранении высокого амплитудного значения тока накачки.
Следует заметить, что нами опробованы и другие марки нанокристаллического магнитного материала, для изготовления сердечника (на фигуре не показан) трансформатора 11. При всех остальных параметрах Излучателя, соответствующих конструкции Примера 1, не обнаружено отклонений от результатов, полученных в Примере 1.
Излучатель 1 работает следующим образом. На вход Излучателя 1, т.е. на первичную обмотку (на фигуре не показано) согласующего трансформатора 10, от внешнего генератора коротких импульсов тока (на фигуре не показан) на вход трансформатора 10 подается импульсный сигнал высокого (800 В) напряжения и малого (30 А) тока. Согласующий импульсный трансформатор 10 с коэффициентом трансформации К равным 5, обеспечивает на выходе рабочие импульсы тока амплитудой порядка 150 А с длительностью 4±1 мкс при напряжении 150 В, что и определило минимальные искажения формы трансформируемого импульса тока.
Для определения интенсивности I, отн.ед., излучения Излучателя в зависимости от позиции наблюдателя нами предложено использовать соотношение
,
где угловые координаты наблюдателя - ω и α, обозначающие
ω, град. - угол разворота плоскости, проходящей через ось Излучателя 1, далее плоскость наблюдения, вокруг оси Излучателя 1;
α, град. - угол наклона относительно оси Излучателя 1, а именно угол между осью Излучателя 1 и осью наблюдения в плоскости наблюдения, развернутой на угол ω относительно "нулевого" положения;
Wx и Wy, град. - ширина диаграммы направленности РЛД 2 на уровне 0.5 от максимума в плоскостях перпендикулярной и параллельной p-n-переходу соответственно;
n
θ, рад. - угол разворота n-ой РЛД 2 определяется формулой:
где n - порядковый номер РЛД 2 и N - общее количество РЛД 2.
0
Предложенная зависимость интенсивности излучения от угла разворота ω плоскости наблюдения вокруг оси Излучателя 1 при различных углах наклона α оси наблюдения по отношению к оси Излучателя 1 (ось наблюдения при значении углах наклона α совпадает с осью Излучателя 1) может быть пояснена с помощью Фиг. 2, где изображен Излучатель 1, виртуальные плоскости наблюдения 17 и 18 и показаны угловые координаты наблюдателя - ω и α.
n
Ранее было отмечено, что для данного Примера 1 угол разворота θ n-ой РЛД 2 равен 40±0.25°, РЛД 2 подобраны с практически одинаковыми характеристиками ДН дальнего поля излучения, т.е. отклонения значений Wx и Wy, град. пренебрежимо малы и приняты следующими - Wx равна 40±2° и Wy равна 10±1°. После проведения расчетов получены очень незначительные изменения интенсивности I, отн.ед., излучения Излучателя в зависимости от угла разворота ω вокруг оси Излучателя 1 при различных углах наклона α, т.е. в зависимости от позиции наблюдателя (см. Фиг. 3а). Контур поперечного сечения ДН излучения Излучателя 1 близок к окружности (см. Фиг. 3б).
n
В дальнейших примерах исследовано влияние расположения РЛД 2 (изменение угла разворота θ) и выбора числа N РЛД 2 на диаграммы направленности дальнего поля Излучателя 1 и интенсивности I, отн. ед., излучения Излучателя 1 в зависимости от позиции наблюдателя.
n
Пример 2. Во втором примере Излучатель 1 состоит из десяти РЛД 2, расположенных с одинаковым углом разворота θ, равном 36±0,25° относительно его центра. Остальные параметры Излучателя 1 соответствуют конструкции Примера 1.
Полученные расчетные результаты интенсивности I, отн.ед., излучения Излучателя в зависимости от позиции наблюдателя показаны на Фиг. 4а. Наблюдается значительно большие колебания значения интенсивности I, отн.ед., что не приемлемо для ряда применений.
Контур поперечного сечения ДН излучения Излучателя 1 близок к окружности (см. Фиг. 4б).
n
Пример 3. В данном примере Излучатель 1 состоит из восьми РЛД 2, расположенных с одинаковым углом разворота θ, равном 45±0,25° относительно его центра. Остальные параметры Излучателя 1 соответствуют конструкции Примера 1. Получено весьма значительное изменение интенсивности излучения в зависимости от угла разворота ω вокруг оси Излучателя 1 при различных углах наклона α (см. Фиг. 5а), что не приемлемо для ряда применений. Контур поперечного сечения ДН излучения Излучателя 1 близок к окружности (см. Фиг. 5б).
n
Пример 4. В данном примере Излучатель 1 состоит из семи РЛД 4, расположенных с одинаковым углом разворота θ, равном 51,4±0,25° относительно его центра. Остальные параметры Излучателя 1 соответствуют конструкции Примера 1. Получено весьма незначительное изменение интенсивности излучения в зависимости от угла разворота ω вокруг оси Излучателя 1 при различных углах наклона α (см. Фиг. 6а). Контур поперечного сечения ДН излучения Излучателя 1 близок к окружности (см. Фиг. 6б).
Показано, что возможны использования различных конструкций РЛД, позволяющих в совокупности получить ДН с близким к окружности контуром сечения и практически равномерной интенсивностью I, отн. ед., излучения Излучателя в зависимости от позиции наблюдателя получена только при использовании нечетного числа РЛД.
Отличия контуров сечений ДН от окружности в различных направлениях объясняются как разбросом пространственных характеристик используемых лазерных структур, так и дефектами технологии изготовления РЛД и сборки Излучателей.
Приведенные исследования показали улучшенную равномерность интенсивности излучения Излучателя при близкой к окружности форме контура поперечного сечения ДН импульсного лазерного полупроводникового излучателя, при повышенной частоте следования трансформируемых к РЛД импульсов тока с минимальными искажениями формы импульсов, что определило полученную большую импульсную мощность излучения Излучателя в узком спектральном диапазоне.