Источник лазерного излучения

Полезная модель относится к конструкции оптоэлектронных источников лазерного излучения, в частности к конструкции высокоточных узкополосных лазеров с оптоволоконным выходом и пассивным охлаждением, используемых, в том числе, в интерферометрах распределенных оптоволоконных акустических датчиков.
Основной тенденцией развития аппаратной части распределенных оптоволоконных акустических датчиков является повышение чувствительности интерферометров за счет использования источников лазерного излучения с предельно малой шириной полосы излучения, что достигается:
- снижением фазового шума излучения лазера путем применения резонаторов для дополнительного обужения лазерной линии;
- снижением квантового шума путем использования более мощных узкополосных лазеров;
- снижением технических (тепловых, вибрационных, амплитудных и пр.) шумов путем оптимизации конструкции компонентов и улучшения стабильности источников тока накачки, а также совершенствования средств термо- и вибростабилизации лазера.
Способность определять и различать виды воздействий на распределенный датчик во многом зависит от способности источника лазерного излучения противостоять вибрационным воздействиям, в результате которых появляются дополнительные технические шумы в оптическом спектре излучения, вызванные влиянием вибрационных воздействий на электрические цепи и оптические узлы источника лазерного излучения. При этом конструктивное исполнение аппаратной части распределенных оптоволоконных акустических датчиков ориентировано на применение стандартов для телекоммутационной аппаратуры связи (ГОСТ МЭК 61969-2013). Для такой аппаратуры высота входящих в нее модулей ограничена и кратна примерно 25 миллиметрам. Для охлаждения применяют, как правило, системы активной вентиляции, размещаемые как внутри аппаратной части распределенных оптоволоконных акустических датчиков, так и внутри телекоммутационных шкафов. Кроме того, на телекоммутационный шкаф воздействуют внешние вибрации и акустические шумы. В совокупности это создает сложное виброакустическое воздействие на аппаратную часть распределенных оптоволоконных акустических датчиков. Снижение вибрационных и акустических воздействий произвольной частоты и направленности на источник лазерного излучения при ограничении высоты модуля является предметом предлагаемой полезной модели.
Из уровня техники известен источник лазерного излучения (модуль высокоточного оптоволоконного лазера), включающий разъемный теплоотводящий корпус, выполненный из теплопроводного материала и включающий выполненные с возможностью взаимной фиксации коробчатую базовую часть с функционально связанными между собой закрепленным на дне базовой части лазерным диодом, закрепленным на опорных элементах базовой части многослойным печатным узлом, содержащим токопроводящие и электрически изолирующие слои, функциональные тепловыделяющие элементы и средства стока тепла на теплоотводящий корпус в виде развитых поверхностей конвективного теплообмена, разъемом интерфейса и питания и оптоволоконным выводом оптического сигнала, размещенными в соответствующих окнах базовой части, и крышку. Устройство предполагает средство непосредственного крепления базовой части к монтажному основанию - винтовое крепление (Сайт компании АО «ЛЛС» https://lenlasers.ru/ [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://lenlasers.ru/product/drajver-dlya-lazernyh-diodov-qc8x1x6x/ с внутренней ссылкой https://lenlasers.ru/upload/iblock/994/QC8x1x6x.LLS.pdf и дополнительно https://lenlasers.ru/product/drajver-dlya-lazernyh-diodov-tipa-14-pin-babochka/, без ограничений (свободный) - 26.04.2021).
К недостаткам известного аналога следует отнести низкое качество, обусловленное сложностью обеспечения (без использования дополнительных технических средств, таких, например, как система принудительной вентиляции, дополнительные охлаждающие устройства и т.п.) узкой полосы лазерного излучения шириной менее 10 кГц ввиду неэффективного отвода тепла от функциональных элементов печатного узла, что влечет чрезмерный и/или неравномерный нагрев функциональных элементов печатного узла, приводит к тепловому дисбалансу в работе печатного узла и лазерного диода и, как следствие, увеличению тепловых шумов системы управления лазерным диодом с сопутствующим расширением полосы лазерного излучения. При этом наблюдается крайне низкая способность источника лазерного излучения противостоять вибрационным воздействиям в силу непосредственного крепления базовой части к монтажному основанию.
Наиболее близким к заявленному техническому решению - прототипом -является источник лазерного излучения (лазерный модуль), содержащий разъемный теплоотводящий корпус, выполненный из теплопроводного материала и включающий выполненные с возможностью взаимной фиксации коробчатую базовую часть с функционально связанными между собой закрепленным на дне базовой части лазерным диодом, закрепленным на опорных элементах базовой части многослойным печатным узлом, содержащим токопроводящие и электрически изолирующие слои, функциональные тепловыделяющие элементы и средства стока тепла на теплоотводящий корпус, разъемом интерфейса и питания и оптоволоконным выводом оптического сигнала, размещенными в соответствующих окнах базовой части, и крышку. Устройство, по аналогии с вышеприведенным аналогом, предполагает средство непосредственного крепления базовой части к монтажному основанию - клей или мягкий припой или винтовое крепление (Заявка РФ на полезную модель от 02.06.2021 №202111592, по которой принято решение о выдаче патента от 12.08.2021).
В отличие от вышеприведенного аналога, техническое решение по прототипу минимизирует тепловой дисбаланс в работе печатного узла и лазерного диода и, как следствие, снижает тепловые шумы системы управления лазерным диодом с сопутствующим сужением полосы лазерного излучения.
К недостаткам прототипа следует отнести низкую способность источника лазерного излучения противостоять вибрационным воздействиям в силу непосредственного крепления базовой части к монтажному основанию и, как следствие - низкое качество из-за неспособности обеспечения в условиях промышленной эксплуатации излучения с предельно малой (10 кГц и менее) шириной полосы излучения, обусловленное высоким уровнем технических - вибрационных - шумов вне лабораторных (исключающих внешние шумы) условиях.
Проблема, решаемая заявленным техническим решением - снижение вибрационных и акустических воздействий произвольной частоты и направленности на источник лазерного излучения в условиях промышленной эксплуатации.
Технический результат - повышение качества излучения.
Проблема решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в источнике лазерного излучения, содержащем выполненный из теплопроводного материала базовый узел с установленными в нем и функционально связанными между собой лазерным диодом с оптоволоконным выводом оптического сигнала, печатным узлом и разъемом интерфейса и питания, и средство крепления базового узла к монтажному основанию, упомянутое средство крепления базового узла к монтажному основанию выполнено в виде рамочного несущего узла, обрамляющего с зазором базовый узел, размещенного с зазором относительно монтажного основания и содержащего распределенные по контуру рамочного несущего узла и ориентированные во взаимно перпендикулярных направлениях, одни - к базовому узлу, а другие - к монтажному основанию, сквозные ниши с опорными поверхностями, размещенные в упомянутых нишах с опорой на упомянутые опорные поверхности закладные элементы из упруго деформируемого демпфирующего материала с осевыми отверстиями, и размещенные в упомянутых осевых отверстиях винтовые крепежные элементы так, что головки упомянутых винтовых крепежных элементов взаимодействуют с упомянутыми закладными элементами, а резьбовые окончания упомянутых винтовых крепежных элементов, расположенных в упомянутых нишах и ориентированных к базовому узлу, взаимодействуют с ответными резьбовыми отверстиями, выполненными в базовом узле, а резьбовые окончания упомянутых винтовых крепежных элементов, расположенных в упомянутых нишах и ориентированных к монтажному основанию, взаимодействуют с ответными резьбовыми отверстиями, выполненными в монтажном основании, при этом закладные элементы в упомянутых нишах, ориентированных к базовому узлу, выступают внутрь контура рамочного несущего узла на величину не менее упомянутого зазора, но не более величины упругой деформации упомянутых закладных элементов в осевом направлении, упомянутые ниши, ориентированные к монтажному основанию, снабжены дополнительной опорной поверхностью со стороны монтажного основания, а закладные элементы, размещенные в нишах, ориентированных к монтажному основанию, выполнены составными, первая часть которых взаимодействует с опорной поверхностью ниши, а вторая часть взаимодействует с дополнительной опорной поверхностью ниши и выступает за контур рамочного несущего узла в направлении монтажного основания на величину не менее упомянутого зазора но не более величины упругой деформации упомянутых закладных элементов в осевом направлении.
Заявленное техническое решение иллюстрируется следующими изображениями:
Фиг. 1 - заявленный источник лазерного излучения, сечение в плане;
Фиг. 2 - сечение А-А на Фиг. 1;
Фиг. 3 - сечение Б-Б на Фиг. 1.
Цифровые позиции на представленных изображениях обозначают следующее:
1 - базовый узел;
2 - оптоволоконный вывод оптического сигнала;
3 - разъем интерфейса и питания;
4 - монтажное основание;
5 - рамочный несущий узел;
6 - ниша;
7 - опорная поверхность ниши;
8 - закладной элемент;
9 - осевое отверстие закладного элемента;
10 - винтовой крепежный элемент;
11 - резьбовое отверстие;
12 - дополнительная опорная поверхность ниши;
13 - первая часть составного закладного элемента;
14 - вторая часть составного закладного элемента;
15 - кольцевой бортик.
Как это представлено на Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3, источник лазерного излучения (модуль высокоточного оптоволоконного лазера) содержит выполненный из теплопроводного материала базовый узел 1 с установленными в нем и функционально связанными между собой лазерным диодом (не показан, поскольку аналогичен прототипу и не является предметом настоящей полезной модели) с оптоволоконным выводом оптического сигнала 2, печатным узлом (не показан, поскольку аналогичен прототипу и не является предметом настоящей полезной модели) и разъемом интерфейса и питания 3, и средство крепления базового узла к монтажному основанию 4. Упомянутое средство крепления базового узла 1 к монтажному основанию 4 выполнено в виде рамочного несущего узла 5, обрамляющего с зазором t (размер зазора t здесь и далее не важен, главное -исключить механический контакт - проводник виброакустических колебаний) базовый узел 1 и размещенного с зазором t относительно монтажного основания 4. Рамочный несущий узел 5 содержит ориентированные во взаимно перпендикулярных направлениях, одни - к базовому узлу 1 (Фиг. 1), а другие - к монтажному основанию 4 (Фиг. 2, Фиг. 3), сквозные ниши 6 с опорными поверхностями 7.
В сквозных нишах 6 с опорой на опорные поверхности 7 установлены закладные элементы 8 из демпфирующего материала. В закладных элементах 8 выполнены осевые отверстия 9, в которых размещены винтовые крепежные элементы 10 так, что головки упомянутых винтовых крепежных элементов 10 взаимодействуют с упомянутыми закладными элементами 8, а резьбовые окончания упомянутых винтовых крепежных элементов 10, расположенных в упомянутых нишах 6, ориентированных к базовому узлу 1, взаимодействуют с ответными резьбовыми отверстиями 11, выполненными в базовом узле 1 (резьбовые отверстия 11 на Фиг. 1 не показаны - исполнение аналогично резьбовым отверстиям 11 в монтажном основании 4), а резьбовые окончания упомянутых винтовых крепежных элементов 10, расположенных в упомянутых нишах 6, ориентированных к монтажному основанию 4, взаимодействуют с ответными резьбовыми отверстиями 11, выполненными в монтажном основании 4 (Фиг. 2, Фиг. 3). Закладные элементы 8 в упомянутых нишах 6, ориентированных к базовому узлу 1, выступают внутрь контура рамочного несущего узла 5 на величину не менее упомянутого зазора t, но не более величины упругой деформации упомянутых закладных элементов в осевом направлении. Такое исполнение позволяет центрировать рамочный несущий узел 5 относительно базового узла 1 в процессе сборки источника лазерного излучения. Упомянутые ниши 6, ориентированные к монтажному основанию 4, снабжены дополнительной опорной поверхностью 12 со стороны монтажного основания 4, а закладные элементы 8, размещенные в нишах 6, ориентированных к монтажному основанию 4, выполнены составными, первая часть 13 которых взаимодействует с опорной поверхностью 7 упомянутой ниши 6, а вторая часть 14 взаимодействует с дополнительной опорной поверхностью 12 упомянутой ниши 6 и выступает за контур рамочного несущего узла 5 в направлении монтажного основания 4 на величину не менее упомянутого зазора t но не более величины упругой деформации упомянутых закладных элементов 8 в осевом направлении (под осевым направлением подразумевается направление вдоль оси винтового крепежного элемента 10).
Заявляемая полезная модель основана на следующем. Практика показывает, что для условий эксплуатации электронных узлов, в том числе лазерной техники, характерным диапазоном частот внешних вибраций (формирующим вибрационный шум практически на 99%) является диапазон от 1 до 2000 Гц. Соответственно, уменьшить означенный вибрационный шум можно введением демпфирующей в диапазоне 1…2000 Гц прокладки между базовым узлом 1 и монтажным основанием 4. Эффективность такой прокладки определяется ее толщиной, которая в зависимости от применяемого материала должна составлять ориентировочно 2…5 мм и более, значения менее указанных, не обеспечивают полного подавления внешних вибраций. Однако, введение такой прокладки, как это указывалось ранее, существенно влияет на высоту модуля, ограниченную требованиями ГОСТ МЭК 61969-2013. Введение в конструкцию рамочного несущего узла 5, высота которого может быть в пределах высоты базового узла 1 (в минимальном исполнении порядка 20-25 мм) и размещение демпфирующих элементов - закладных элементов 8 - в упомянутых сквозных нишах 6 позволяет в полной мере обеспечить эффективную толщину демпфирующей прокладки (в нашем случае - распределенной) практически без существенного увеличения высоты источника (модуля) лазерного излучения. Виброизолирующие закладные элементы 8 (формирующие их части 13 и 14 в составном исполнении), расположены в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Форма горизонтальных эластичных закладных элементов 8 позволяет зафиксировать относительно рамочного несущего узла 5 защищаемый модуль - базовый узел 1, обеспечивая гарантированный зазор между ними. Демпфирующие свойства дискретно можно менять путем изменения упругих свойств за счет выбора соответствующего материала (каучуковая резина, силиконовые резины), плавно регулировать жесткость эластичного закладного элемента 8 возможно, меняя степень затяжки винтовых элементов 10. Вертикальные демпфирующие закладные элементы 8 (состоящие из частей 13 и 14) могут быть оснащены кольцевым бортиком 15, который опирается на монтажное основание 4. Наличие такого бортика расширяет диапазон регулирования жесткости каждого отдельного закладного элемента 8 (по сути - амортизатора), что позволяет индивидуально настраивать каждый амортизатор и уменьшать величину вибрационного воздействий одновременно воздействующих частот вибрации.
Обоснованность заявленного технического решения полностью подтвердилась в ходе проведения многочисленных натурных испытаний, наиболее значимые результаты которых обобщены на сравнительном графике Фиг. 4, представленные значения на котором соответствуют следующему:
I - заявленное исполнение источника лазерного излучения;
II - источник лазерного излучения по прототипу.
В дополнение отметим, что все натурные испытания проводились в идентичных условиях на одном и том же оборудовании для всех испытуемых образцов возбуждением внешнего шума на идентичных частотах (на графике Фиг. 4 представлены значения для случая возбуждения синусоидальной внешней вибрации на частоте 100 Гц, значения для возбужденного внешнего шума на иных частотах в пределах заявленного диапазона вполне коррелируют с представленными значениями). Для закладных элементов 8 использовалась техническая резина РС-26 ч ТУ 2512-013-46521402-2013 - материал вполне удовлетворяет соответствующим ограничительным условиям, означенным выше. Зазор t в ходе натурных испытаний устанавливали 0.5-1,0 мм, что позволило полностью исключить механический контакт между парами базовый узел 1 - рамочный несущий узел 5 и рамочный несущий узел 5 - монтажное основание 4 (величина зазора может быть и иной, принципиально - наличие гарантированного зазора, исключающего передачу вибрации в вышеозначенных парах).
Таким образом, изложенное позволяет сделать вывод о том, что проблема - снижение вибрационных и акустических воздействий произвольной частоты и направленности на источник лазерного излучения в условиях промышленной эксплуатации - решена, а заявленный технический результат - повышение качества излучения - достигнут.