Полупроводниковый многоканальный лазерный излучатель
SEMICONDUCTOR MULTICHANNEL LASER EMITTER

Изобретение относится к области квантовой электроники, в частности к лазерной технике с созданием многоканальной лазерной диодной системы. Данная система представляет собой новый тип лазерного излучателя и может быть использована в разработке лазерных комплексов специального назначения (резка, сварка, наплавка и т.д.).
Новый тип лазерного излучателя базируется на многоканальном принципе построения лазера. В соответствии с этим принципом лазер "набирается" в виде решетки идентичных лазерных модулей, в каждом из которых происходит лазерная генерация. Такая система образует оптический источник с составной апертурой, у которого выходное излучение представляет собой совокупность излучений отдельных лазеров. Малое поперечное сечение каналов позволяет эффективно и просто осуществлять накачку энергии в активную среду и отвод тепла из ее объема Излучение передается от каждого лазерного модуля по отдельному волокну, которое в конечном итоге формируется в многоволоконную систему, компоновка и количество волокон в которой зависит от технических требований к установке.
Известен блок генераций излучения многоканального лазера [1], в котором корпус лазера имеет цилиндрическую форму и выполнен из электроизоляционного материала, газоразрядные трубы в пакете расположены в один ряд в диагональной плоскости корпуса на одинаковом расстоянии друг от друга, сепараторы скреплены продольными крепежными трубами, изготовленными из того же материала, что и газоразрядные трубы,и образующие по обе стороны от пакета газоразрядных труб два симметричных замкнутых контура, внешние ветви которых образуют цилиндрическую поверхность концентричную корпусу, а внутренние ветви расположены в плоскостях, параллельных плоскости пакета газоразрядных труб, окна в сепараторах для протекания охлаждающей жидкости расположены внутри одного из контуров, образованных крепежными трубами, внутрь крепежных труб вставлены две продольные шины для подвода высокого переменного напряжения, соединенные с сепараторами и выведенные наружу из корпуса; стягивающие штанги оптического резонатора расположены вне корпуса, а герметичная полость для прокачки охлаждающей жидкости образована внутренними стенками корпуса и наружными стенками труб. Возможны варианты выполнения.
Известен также блок генерации излучения многоканального лазера [2]. В данном изобретении блок генерации излучения многоканального лазера состоит из расположенных по окружности на равном расстоянии друг от друга активных элементов, поочередно излучающих генерацию, и системы поворотных зеркал, по крайней мере, одно из которых, расположенное по оси, вращается и поочередно собирает в одном направлении излучение от всех активных элементов.
Известно устройство для упрочнения поверхности детали [3], содержащее лазерный излучатель с излучающими трубками, скомпонованными в виде пакета из нескольких рядов один внутри другого, пакет состоит из четырех рядов трубок, в виде вложенных один внутри другого вокруг центральной оси четырех восьмигранников, причем восьмигранник второго ряда повернут вокруг центральной оси относительно внешнего восьмигранника первого ряда так, что его вершины расположены примерно напротив центров граней внешнего восьмигранника, а восьмигранник третьего ряда повернут вокруг центральной оси относительно восьмигранника второго ряда так, что его вершины расположены примерно напротив центров граней второго восьмигранника и, соответственно, примерно напротив вершин внешнего восьмигранника, а четвертый восьмигранник повернут вокруг центральной оси так, что его вершины расположены примерно между вершин второго и третьего восьмигранников.
За прототип выбран многоканальный технологический лазер МТЛ-500, один из серии лазеров такого типа, разработанных в Научно-исследовательском центре технологических лазеров РАН в Шатуре [4], в котором использованы волноводные CO2-лазеры, расположенные по окружности. Накачка активной среды осуществляется разрядом в переменном электрическом поле, которое создается электродами - обкладками на внешней поверхности кварцевых трубок каналов. Охлаждение трубок в этой модели лазера мощностью 500 Вт воздушное, в лазерах мощностью 1; 2,5; 4 кВт - масляное. Мощное излучение лазера на длине волны λ=10,6 мкм, невидимое человеческим глазом, вызывает яркое светящееся пятно на обыкновенном кирпиче. Многоканальные технологические лазеры на CO2 мощностью в несколько киловатт используются для термической закалки, упрочения рабочих поверхностей машин и механизмов, например обода колеса железнодорожных вагонов.
Недостатком такого решения при создании лазера является высокая сложность работ и большие временные затраты при монтаже, ремонте и замене каждой трубки лазера при подключении оптического волокна и заведении его в общую оплетку.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение линейки лазерных комплексов различной мощности для разных технологических задач за счет создания новой конструкции лазерного излучателя.
Задачей данного изобретения является создание новой конструкции лазерного излучателя, основанного на полупроводниковых лазерных диодах, для сбора и доставки лазерного излучения до поверхности обрабатываемого изделия без потерь, обеспечив при этом равномерное распределение энергии по всей площади светового пятна при любых манипуляциях с ним.
Поставленная задача решается тем, что в полупроводниковом многоканальном лазерном излучателе, содержащем корпус, активные элементы, элементы питания, в качестве активных элементов используют лазерные диодные модули, выполненные с возможностью изменения мощности каждого модуля от 0 до 125 Вт в реальном масштабе времени во время работы лазера.
Излучение передается от каждого лазерного модуля по многоволоконной системе, компоновка и количество которых зависит от технологических требований к изобретению.
Таким образом, благодаря "наборной" конструкции излучателя заявляемого изобретения, возможно создать лазер для любых целей и практически любой мощности, с возможностью контроля его параметров в реальном масштабе времени.
Так как источник заявляемого изобретения диодный, по сравнению с прототипом, это значит что его КПД (около 35%) в разы выше, чем у CO2излучателя (около 10%). и в отсутствии монолитного излучателя, его ремонт и замена вышедших из строя блоков проблемой не являются.
Кроме того, явным преимуществам заявляемого устройства является модульная компоновка излучателя вместо монолитной, что позволяет, при выходе из строя любого модуля, просто заменить вышедший из строя узел, не разбирая единой конструкции, и не тратить время на ремонт.
Благодаря регулированию и контролю мощности излучения модуля лазера в реальном масштабе времени, появляется возможность обрабатывать детали наивысшей сложности, уникальные, которые не имеют других альтернативных способов обработки.
Пример основных характеристик излучателя в составе 40 лазерных диодных модулей:
Изобретение поясняется представленными иллюстрациями:
Фиг. 1 - схема конструкции полупроводникового многоканального лазерного излучателя (на примере 40-модульного излучателя);
Фиг. 2 - пример интерфейса контроля мощности (на примере 40 лазерных модулей).
Полупроводниковый многоканальный лазерный излучатель содержит корпус (1), в котором расположены активные элементы. В качестве активных элементов использованы лазерные модули (2), размещенные равномерно по нижней части корпуса лазера, в верхней части корпуса расположены блоки питания лазерных модулей (3). Для удобства перемещения в пространстве, лазер оснащен поворотными колесами (4). Так же, в задней части лазера установлена система вытяжной вентиляции, разъем для подключения оптических волокон. На передней части лазера расположена сенсорная панель управления, цветовые индикаторы работы лазера, кнопка аварийного выключения.
Таким образом, реализация изобретения решает все поставленные автором задачи.
Источники информации:
1. RU, 2108647, H01S 3/03;
2. RU, 2107976, H01S 3/02;
3. RU, 2580350, C21D 1/09, публ. 10.04.16.
4. http://www.nsu.ru/srd/lls/pdfs/lasern_reshetki.pdf - прототип