Импульсный лазерный полупроводниковый излучатель
PULSED LASER SEMICONDUCTOR EMITTER

Изобретение 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.
Улучшением характеристик лазерных излучателей является увеличение их мощности, например, импульсной в узком спектральном диапазоне, изменение формы диаграммы направленности (ДН) поля излучения, при одновременном решении задачи снижения массы, в том числе - за счет отказа от применения формирующей оптики.
Известны полупроводниковый излучатель [патент RU 141870, B64F 1/18, публ. 20.06.2014] с введенными диафрагмами у каждого лазерного модуля, снижающие освещенность, или импульсный лазерный полупроводниковый излучатель [патент RU 2241287, H01S 5/00, 5/40, публ. 27.11.2004] с по крайней мере двумя звеньями блоков лазерных диодов с различными углами разворота их р-n переходов как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях излучателя, что создает большие сложности при сборке данных излучателей.
Наиболее близким по технической сущности прототипом к заявляемому устройству является излучатель лазерный полупроводниковый инжекционный (патент RU 2187183, H01S 5/00), имеющий герметичную оболочку, образованную корпусом с выводами и крышкой со стеклом для вывода излучения решеток лазерных диодов (РЛД), установленных на плоскости основания равномерно по окружности внутри герметичной оболочки.
Этот излучатель обеспечивает формирование ДН излучения, близкой к осесимметричной, однако для существенного увеличения дальности действия систем, для применения в которых он предназначен, реализации этого свойства недостаточно. Наряду с формированием осесимметричной ДН изучения, необходимо реализовать большое отношение сигнал/шум, которое достигается в сопоставимых фоновых условиях за счет формирования импульсов излучения малой длительности и увеличения импульсной мощности формируемого излучения.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является улучшение характеристик предлагаемого импульсного источника излучения с узким спектральным диапазоном, а именно, увеличение интенсивности излучения, уменьшение среднего тепловыделения, а также улучшение возможности управления параметрами диаграммы направленности (ДН) излучения.
Этот результат достигается за счет того, что в заявленном импульсном лазерном полупроводниковом излучателе, содержащем герметичный корпус с выводами и крышку с прозрачным окном для вывода излучения решеток лазерных диодов (РЛД), установленных на плоскости основания внутри корпуса равномерно по окружности, основание герметичного корпуса выполнено теплопроводящим с отверстиями, в каждом из которых находится теплоотвод с РЛД, причем все РЛД электрически соединены последовательно с соблюдением полярности, а крайние выводы этой цепи подключены к выходной обмотке введенного согласующего импульсного трансформатора с коэффициентом трансформации K, имеющего обмотку смещения рабочей точки магнитопровода из магнитного материала с большой величиной индукции насыщения, например, из нанокристаллического металлического сплава.
Технический результат достигается также тем, что боковые поверхности отверстий и теплоотводов РЛД выполнены сопряженными коническими.
Технический результат достигается также тем, что РЛД вместе с теплоотводами, к которым они прикреплены, повернуты относительно осей соответствующих отверстий теплопроводящего основания на заранее рассчитанные углы и зафиксированы, что приводит к обеспечению заданной формы ДН выходного излучения, чем достигается малая расходимость пучка лазерного излучения за счет суперпозиции полей ориентированных РЛД. При необходимости форма ДН может быть реализована так, что она не будет обладать свойством центральной симметрии.
Технический результат при изменении положения излучателя в пространстве достигается также тем, что в конструкцию введен механический привод, обеспечивающий изменение положения РЛД, установленных на теплоотводах, например, конических, путем их поворотов в отверстиях теплопроводящего основания, причем выводы РЛД и электрические соединения между ними выполнены таким образом, чтобы обеспечить эти повороты.
Предложенная совокупность существенных признаков позволила реализовать заявленный технический результат, который определяется взаимосвязанными и взаимовоздействующими признаками данной совокупности.
Так, введение теплопроводящего основания обеспечивает стабилизацию температуры РЛД, нагревающихся при протекании через них импульсов тока накачки, и предотвращает снижение эффективности преобразования электрической энергии в световую. Введение импульсного согласующего трансформатора 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 трансформатор, в K раз меньше, чем амплитуда импульсов тока, протекающих через РЛД, что, в свою очередь, позволяет обеспечить протекание через РЛД импульсов тока с малой длительностью и тем снизить тепловыделение РЛД и, следовательно, увеличить интенсивность формируемого излучения по сравнению с допустимой интенсивностью для импульсов большей длительности. Обмотка смещения служит для задания такого положения рабочей точки магнитопровода трансформатора, при котором обеспечивается максимальный диапазон рабочей индукции. Применение магнитопровода, 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.
При этом в совокупности с введенным теплопроводящим основанием, расположением на нем РЛД, помещенных на теплоотводы, размещение теплоотводов с возможностью перемещения в отверстиях основания, позволили сохранить высокую амплитуду импульсов тока малой длительности, протекающих через РЛД, и обеспечить формирование ДН излучателя требуемой формы, а в ряде случаев изменять форму ДН в процессе эксплуатации излучателя.
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 изобретения критерию "Новизна".
По мнению авторов, сущность заявляемого изобретения не следует для специалиста явным образом из известного уровня техники, т.к. из него не выявляется вышеуказанное влияние на получаемый технический результат - новое свойство объекта - совокупности признаков, которые отличают от прототипа заявляемое изобретение, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию "Изобретательский уровень".
Технологическая реализация предложенного полупроводникового излучателя основана на известных базовых методах изготовления РЛД и импульсного согласующего трансформатора, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «Промышленная применимость».
На фиг. 1 представлен вариант конструкции импульсного лазерного полупроводникового излучателя по пп. 1, 2 формулы: 1 - теплопроводящее основание, 2 - решетка лазерных диодов, 3 - герметичный корпус с выводами; 4 - крышка; 5 - прозрачное окно для вывода излучения решеток лазерных диодов; 6 - гайка; 7 - теплоотвод, 8 - вывод решетки лазерных диодов; 9 - изолятор, 10 - соединительный проводник РЛД; 11 - согласующий импульсный трансформатор с магнитопроводом; 12 - заливочный компаунд, 13 - соединительный проводник выходной обмотки трансформатора.
На фиг. 2 изображен вариант конструкции импульсного лазерного полупроводникового излучателя по п. 3 формулы: 14 - контргайка; 15 - шайба; 16 - механический привод, 17 - проставка корпуса; 18 - гибкие проводники; 19 - винты крепления механического привода.
2
Рассмотрим конкретные примеры реализации указанного полупроводникового излучателя. На фиг. 1 представлен вариант его конструкции. Согласующий импульсный трансформатор с магнитопроводом (11) 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=5. При этом индуктивность совокупности проводников (10), соединяющих между собой РЛД и соединительных проводников (13), подключенных к выходной обмотке согласующего трансформатора, образующих контур протекания тока, оказывается меньшей индуктивности рассеяния согласующего трансформатора и минимально влияет на увеличение длительности фронта и спада протекающего в этом контуре импульса тока. С целью минимизации габаритов и массы согласующего трансформатора, а также минимизации паразитной емкости и индуктивности рассеяния этого трансформатора 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 подается маломощный электрический импульс. Длительность этого импульса должна гарантированно обеспечивать формирование необходимого магнитного потока смещения. В результате применения согласующего трансформатора допустимая индуктивность электрической линии соединения импульсного лазерного полупроводникового излучателя и генератора электрических импульсов увеличивается в K раз.
Максимальный угол расходимости излучения системы ориентированных по углу поворота в отверстиях теплопроводящего основания РЛД оказывается меньшим, чем величина угла, аналогичного определяемого для одиночной РЛД. В результате суперпозиции ДН отдельных РЛД формируется такая ДН излучателя, у которой общепринятому уровню 50% значения от максимального соответствует область с меньшим угловым размером, чем максимальный угловой размер, определяемый по такому же уровню для ДН одиночной РЛД.
Реализация коротких импульсов тока накачки РЛД снижает выделяемую ими в корпусе излучателя среднюю мощность и позволяет увеличить частоту их следования, что, в совокупности с сохранением амплитудного значения тока накачки, обеспечивает большую дальность действия системы, в которой используется излучатель.
В другом примере реализованный поворот представленных на фиг. 2 теплопроводов (7) с установленными на них РЛД (2) в отверстиях теплопроводящего основания (1) на различные углы приводит к изменению формы ДН излучателя, делает ее асимметричной и тем самым обеспечивает изменение положения в пространстве максимума этой ДН. Изменение взаимного положения РЛД возможно, так как их соединение выполнено гибкими проводниками (18). Выполнение указанных поворотов механическим приводом (16) обеспечивает изменение параметров ДН во времени по заранее заданному закону, соответствующему условиям наблюдения источника лазерного излучения приемной частью систем, использующим предложенный импульсный лазерный полупроводниковый излучатель. Привод запускается в момент начала функционирования такой системы и может быть выполнен, например, пружинным.
Созданный рабочий образец импульсного лазерного полупроводникового излучателя в соответствии с Фиг. 1 обеспечивает формирование импульсов длительностью от 3 до 5 мкс при импульсной мощности до 10 кВт и ширине полосы спектра излучения не более 5 нм в рабочем диапазоне температур.