МОЩНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ УСИЛИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА С ТОРЦЕВОЙ ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА В ВИДЕ ПЛАСТИНЫ
HIGH-POWER OPTICAL AMPLIFIER HEAD WITH END DIODE PUMPING OF ACTIVE ELEMENT IN FORM OF PLATE

Изобретение относится к твердотельным лазерам с диодной накачкой большой мощности, в частности, к элементам накачки и системам их охлаждения и может быть использовано при изготовлении лазерной техники.
Известна система фокусировки диодной накачки усилителя большой апертуры, которая содержит блок диодной накачки (БДН) с элементами накачки, активный элемент (АЭ) и систему охлаждения, элементы накачки расположены в виде сферы, центр которой совпадает с центром активного элемента (патент Китая №203135204, МПК G02B 6/43, H01S 3/16, 3/0941, опубл. 2013).
Блок диодной накачки соединяется с блоком активного элемента при помощи световода и представляет собой массив диодных матриц, расположенных по сфере. Полый световод, имеющий прямоугольную форму, состоит из четырех пластин (например, посеребренных, позолоченных металлических пластин, выполненных из алюминия или нержавеющей стали, или полированных стеклянных). Сборка матрицы состоит из множества лазерных диодов, расположенных в четырех секторах. Все лазерные диоды одинаковы по размерам. Массив диодов представляет собой множество компактно расположенных параллельных пластин.
Данное устройство позволяет добиться эффективной однородной накачки, получить высокий кпд для высокоэнергетических усилителей. Однако, наличие световода для фокусировки излучения накачки в конструкции БДН усложняет массогабаритные характеристики. Сама система фокусировки БДН требует изготовления специальных матриц лазерных диодов, предназначенных для использования в системах фокусировок только данного типа, что не отвечает условиям взаимозаменяемости и технологичности изделия.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является известная из патента Китая №202602081, МПК H01S 3/0941, 3/16, опубл. 2012 г., система фокусировки, содержащая блок диодной накачки с элементами накачки, активный элемент в виде пластины и систему охлаждения, содержащую канал охлаждения активного элемента, расположенный между активным элементом и элементами накачки, которые снабжены линзами, установленными на их излучающей части, элементы накачки расположены в виде сферы, центр которой совпадает с центром активного элемента. Система также содержит световод, в качестве элементов накачки используются матрицы лазерных диодов. Множество модулей диодной накачки соединены также механическим способом с опорной рамой и закреплены с помощью винтов со световодом на входе излучения. Каждый модуль диодной накачки жестко установлен в металлическом каркасе, присоединенном к опорной раме винтами и является несущей частью системы охлаждения.
Данное устройство позволяет уменьшить количество отражений на поверхностях световода и, таким образом, сократить потери энергии накачки. Угол расходимости коллимирования накачки составляет 5°.
Способ крепления каждого модуля в отдельности к опорной раме, содержащей систему охлаждения, увеличивают общую расходимость излучения накачки, что делает необходимым применение световода. Это снижает кпд доставки излучения накачки, а следовательно и мощность лазерного излучения.
Задача, на решение которой направлено изобретение, - повышение эффективности накачки.
Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения - оптимизация системы охлаждения, увеличение кпд и мощности излучения.
Указанный технический результат достигается тем, что в мощной оптической усилительной головке (ОУГ) с торцевой диодной накачкой активного элемента в виде пластины, содержащей блок диодной накачки с элементами накачки, активный элемент в виде пластины и систему охлаждения, содержащую канал охлаждения активного элемента, расположенный между активным элементом и элементами накачки, которые снабжены линзами, установленными на их излучающей части, элементы накачки расположены в виде сферы, центр которой совпадает с центром активного элемента, особенность заключается в том, что ОУГ снабжена термоинтерфейсом, активный элемент установлен в ограничительную рамку, на внутренней поверхности корпуса блока диодной накачки расположены держатели для элементов накачки, система охлаждения выполнена в виде двух независимых контуров для охлаждения активного элемента и элементов накачки, каждый из которых расположен в корпусе активного элемента и блока диодной накачки соответственно, контур охлаждения активного элемента содержит каналы, которые соединяют входной, выходной штуцеры и коллекторы, соединяющиеся каналом охлаждения активного элемента, коллекторы образованы ограничительной рамкой и корпусом, контур охлаждения элементов накачки содержит входной, выходной штуцеры и коллекторы, соединяющиеся каналами корпуса, а также входной, выходной коллекторы держателей, которые соединяются с входным, выходным коллекторами корпуса каналами корпуса и между собой каналами держателей, корпус активного элемента снабжен пластиной, выполненной из оптически прозрачного материала, между которой и активным элементом размещен канал охлаждения активного элемента, термоинтерфейс размещен между держателями и элементами накачки.
Всей совокупностью существенных признаков обеспечивается эффективный режим работы ОУГ. Этого добились следующим образом: разделили систему охлаждения активного элемента и блока диодной накачки, установив при этом активный элемент в ограничитель потока, и оптимально разместив каналы охлаждения в блоке диодной накачки и блоке активного элемента, использовав термоинтерфейс для эффективной передачи тепла от элементов накачки к рабочей охлаждаемой поверхности держателей. Таким образом, оптимизировали систему охлаждения, увеличили кпд и мощность излучения, оптимизировали конструкцию концентратора излучения, и за счет этого решили задачу повышения эффективности накачки.
Для увеличения мощности накачки и эффективности накачки пластина выполнена с просветляющим покрытием.
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 представлена схема накачки АЭ.
На фиг. 2 - вид сверху БДН.
На фиг. 3 - разрез А-А.
На фиг. 4 - общий вид корпуса БДН.
На фиг. 5 - продольный разрез блока АЭ.
На фиг. 6 - общий вид ограничительной рамки.
Мощная оптическая усилительная головка (ОУГ) с торцевой диодной накачкой активного элемента в виде пластины содержит установленные на опорной конструкции 1 (либо силовой платформе) два корпуса: корпус 2 для блока диодной накачки с элементами накачки 3 (например, матрицами лазерных диодов, линейками лазерных диодов) и корпус 4 для активного элемента 5 в виде пластины (фиг. 1-3). Система охлаждения ОУГ выполнена в виде двух независимых контуров для охлаждения АЭ 5 и элементов накачки 3, каждый из которых расположен в корпусе АЭ и БДН соответственно.
Элементы накачки 3 установлены на держатели 6, которые расположены на внутренней поверхности корпуса 2 БДН. Элементы накачки расположены в виде сферы, центр которой совпадает с центром АЭ 5, при этом излучающие области, образующие сферическую поверхность, охватывают АЭ.
Элементы накачки 3 снабжены линзами 7 (например, цилиндрическими), установленными на их излучающей части. Держатели 6 расположены на посадочных поверхностях 8 корпуса 2 БДН (фиг. 4) и содержат посадочные поверхности (на фиг. не показано) для элементов накачки 3. Между держателями 6 и элементами накачки 3 расположен термоинтерфейс 9 (например, припой сплав Розе).
Корпус 4 АЭ 5 содержит ограничительную рамку 10 (фиг. 5, 6), в которую установлен АЭ, и пластину 11, выполненную из оптически прозрачного материала, между которой и АЭ размещен теплоноситель (например, вода, охлаждающая жидкость) в канале δ охлаждения АЭ. Пластина 11 может быть выполнена с просветляющим покрытием на длину волны накачки.
Контур охлаждения АЭ 5 содержит каналы а, которые соединяют входной, выходной штуцеры 12 и коллекторы 13, соединяющиеся каналом δ охлаждения АЭ. Канал δ расположен между АЭ 5 и элементами накачки 3 и имеет прямоугольное сечение. Входной, выходной коллекторы 13 образованы ограничительной рамкой 10 и корпусом 4.
Контур охлаждения элементов накачки 3 содержит: выполненные в корпусе 2 входной, выходной штуцеры 14 и коллекторы 15, которые соединены каналами b корпуса 2; входной, выходной коллекторы 16 держателей 6, которые соединены с входным, выходным коллекторами 15 корпуса 2 каналами с, d, е корпуса и между собой каналами f держателей 6.
Устройство работает следующим образом. На элементы накачки 3 (фиг. 3) подается напряжение питания, они начинают генерировать излучение накачки, проходящее через линзы 7, образуя световой поток 17, ограниченный двугранным углом α и β в двух плоскостях Χ-Υ и Υ-Ζ трехмерного пространства координат (фиг. 1). Угловое положение посадочных поверхностей держателей 6 и посадочных поверхностей 8 корпуса 2 под держатели 6 определяют углы α и β светового потока 17 излучения от элементов накачки 3. Излучение накачки 17, формирующееся от массива элементов накачки 3, согласуется формой пятна с формой АЭ 5, при этом площадь его торца максимально эффективно заполняется излучением накачки. Излучение накачки поглощается АЭ 5, часть поглощенной энергии накачки идет на тепловые потери. С противоположной стороны АЭ 5 падает лазерное излучение 18 с апертурой, максимально закрывающей свободную площадь АЭ 5, и получая усиление от АЭ 5 (так называемого «активного зеркала»), уходит в зеркальном отражении. Таким образом, получается мощное излучение 19 на выходе оптической усилительной головки с торцевой диодной накачкой, работающей по схеме «активное зеркало».
При работе устройства мощность тепловыделения АЭ 5 достаточно высока, а часть электрической энергии, подаваемой на элементы накачки 3, тратится на тепловые потери, поэтому требуется эффективное охлаждение не только АЭ 5, но и элементов накачки 3. Охлаждение происходит следующим образом. Охлаждающая жидкость (ОЖ) подается в систему охлаждения параллельно для элементов накачки и АЭ. При входе в контур охлаждения элементов накачки ОЖ через входной штуцер 14 поступает во входной коллектор 15 через канал b корпуса 2 (фиг. 2, 3). Затем разделяется на два потока - по каналам с, d и через каналы е корпуса 2 ОЖ перемещается во входной коллектор 16 держателей 6, проходя по каналам f, после этого в обратном порядке собирается в выходной коллектор 16 держателей. Термоинтерфейс 9 обеспечивает передачу тепла от элементов накачки 3 к рабочей поверхности держателя 6. Далее ОЖ перемещается по каналам a корпуса 2 и выводится в каналы с и d. Затем собирается в выходной коллектор 15 корпуса и по каналу b через выходной штуцер 14 выводится из контура охлаждения элементов накачки.
Второй поток ОЖ контура охлаждения АЭ (фиг. 5) через входной штуцер 12 проходит по каналам а корпуса 4 и поступает во входной коллектор 13 (фиг. 6). Затем проходит через канал прямоугольной формы δ, образованный максимальной площадью поверхности АЭ 5 и пластиной 11. Поток ОЖ протекает вдоль всей поверхности АЭ 5, контактируя с ней и, таким образом, охлаждая его. На выходе из канала δ на противоположном конце АЭ 5 ОЖ в обратном порядке собирается в выходной коллектор 13, затем через канал а корпуса 4 и выходной штуцер 12 выводится из корпуса 4 АЭ. При этом уплотнения 20 и 21 обеспечивают герметизацию АЭ 5 и пластины 11, прокладка 22 распределяет равномерную нагрузку от прижима 23 по поверхности пластины 11. Подбор прокладок 24 по толщине регулирует усилие прижатия пластины 11, а подбор угловых прокладок 25 по толщине снижает его действие на поверхность АЭ 5. Таким образом происходит герметизация АЭ 5 в виде пластины.
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 электронной и оптико-механической промышленности при изготовлении лазерных устройств с повышенной мощностью;
- для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.
Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «промышленная применимость».