Лазерный модуль

Полезная модель относится к конструкции оптоэлектронных лазерных модулей, в частности, к конструкции модулей высокоточных узкополосных лазеров с оптоволоконным выходом и пассивным охлаждением.
Из уровня техники известен модуль высокоточного оптоволоконного лазера, содержащий коробчатый корпус, к внутренней стенке которого приварена тепловыделяющая труба, к наружной стороне тепловыделяющей трубы приварено теплоотводящее кольцо, в нижней части корпуса через болты установлена теплопроводящая силикагелевая основа, в нижнем конце выпуклого кольца тепловыделения через болты установлена металлическая прокладка, к верхнему концу металлической прокладки приварена опорная втулка, а в опорной втулке неподвижно установлен вытяжной вентилятор; труба рассеивания тепла выполнена в нижней части корпуса; на трубе рассеивания тепла выполнено теплоотводящее кольцо; труба рассеивания тепла соединена с теплопроводной силикагелевой основой в нижней части корпуса; в нижней части основания теплопроводного силикагеля установлена металлическая опора для прокладки, в нижней части металлической прокладки выполнена опорная втулка, в опорной втулке установлен вытяжной вентилятор, воздушный поток вводится в трубу рассеивания тепла через вытяжной вентилятор, сбор и рассеивание тепла проводятся по трубе рассеивания тепла (патент CN №210744442, опубл. 12.06.2020).
Известное техническое решение обладает достаточно эффективной системой рассеивания тепла, однако неприемлемо в большинстве оптоэлектронных лазерных модулей ввиду существенных габаритов, обусловленных использованием габаритного вспомогательного охлаждающего оборудования.
Из уровня техники известен модуль высокоточного оптоволоконного лазера, установленного в корпусе, который приводится в действие и устанавливается рядом с его драйвером. Для уменьшения воздействия на лазер тепла, генерируемого драйвером, корпус включает в себя пассивный теплоотводящий элемент, на котором установлен драйвер, при этом тепло, генерируемое драйвером, рассеивается пассивным теплоотводящим элементом (патент US №7804867, опубл. 28.09.2010).
В отличие от ранее рассмотренного аналога, данная конструкция весьма компактна, но обладает существенным недостатком. Поскольку тепло, генерируемое драйвером, передается на пассивный теплоотводящий элемент конвективно, через внутрикорпусную воздушную массу, теплообмен недостаточно эффективен, что негативно сказывается на эксплуатационных/качественных показателях лазерного модуля, таких, как точность, стабильность, надежность.
Наиболее близким к заявленному техническому решению - прототипом -является лазерный модуль, 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 (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.ш/product/draj ver-dlya-lazernyh-diodov-tipa-14-pin-babochka/, без ограничений (свободный) - 26.04.2021).
К недостаткам прототипа следует отнести те же недостатки, что и у вышеприведенного аналога, а именно 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.
Техническая проблема, решаемая заявленным техническим решением - устранение вышеуказанных недостатков путем минимизации теплового влияния на качество лазерного излучения лазерного модуля.
Технический результат - повышение качества излучения высокоточного узкополосного лазерного модуля.
Проблема решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в лазерном модуле, содержащем 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, упомянутые опорные элементы базовой части выполнены в виде внутренней периферийной ступеньки для прилегания к ней печатного узла, печатный узел включает n≥1 теплопроводных слоев, электрически изолированно размещенных во внутренней части печатного узла, внешние слои включают электрически изолированные теплопроводные периферийные поверхностные элементы, а в печатный узел в зоне его контакта с периферийной ступенькой базовой части корпуса введены теплопроводные стержневые элементы, соединяющие между собой упомянутые теплопроводные слои и электрически изолированные теплопроводные периферийные поверхностные элементы внешних слоев, кроме того целесообразно исполнение средства стока тепла на теплоотводящий корпус в виде электрически изолированных теплопроводных поверхностных элементов, сформированных в токопроводящих слоях печатного узла, а в последний введены теплопроводные стержневые элементы, соединяющие между собой упомянутые теплопроводные поверхностные элементы с теплопроводными слоями, помимо этого целесообразно исполнение средства стока тепла на теплоотводящий корпус в виде электрически изолированных теплопроводных поверхностных элементов, сформированных в наружных слоях печатного узла в зоне контакта с тепловыделяющими элементами, а в печатный узел введены теплопроводные стержневые элементы, соединяющие между собой упомянутые теплопроводные поверхностные элементы с теплопроводными слоями.
Заявленное техническое решение иллюстрируется следующими условными схематическими изображениями:
Фиг. 1 - внешний вид лазерного модуля в изометрии;
Фиг. 2 - коробчатая базовая часть корпуса без лазерного диода и печатного узла, вид в плане;
Фиг. 3 - коробчатая базовая часть корпуса с установленными лазерным диодом и печатным узлом, вид в плане;
Фиг. 4 - печатный узел со стороны контакта с периферийным бордюром базовой части корпуса, вид в плане;
Фиг. 5 - сечение А-А на Фиг. 4;
Фиг. 6 - сечение В-В на Фиг. 5.
Цифровые позиции на представленных условных изображениях обозначают следующее:
1 - базовая часть корпуса;
2 - крышка корпуса;
I
3 - винт (3 - резьбовое отверстие под винт 3);
4 - периферийная ступенька;
5 - многослойный печатный узел;
6 - дно коробчатой базовой части 1;
7 - лазерный диод;
8 - электрический вывод;
9 - оптоволоконный вывод оптического сигнала;
10 - окно;
11 - разъем интерфейса и питания;
12 - электрически изолированные теплопроводные периферийные поверхностные элементы внешних слоев многослойного печатного узла;
13 - внешние токопроводящие слои;
14 - внутренние токопроводящие слои;
15 - электрически изолирующие слои;
16 - токопроводящие стержневые элементы;
17 - теплопроводные слои;
18 - электрически изолированные окна;
19 - теплопроводные стержневые элементы;
20 - токопроводящие треки;
21 - функциональные тепловыделяющие элементы;
22 - электрически изолированные теплопроводные поверхностные элементы;
23 - электрически изолированные теплопроводные элементы.
Как это представлено на Фиг. 1, заявленный лазерный модуль выполнен на базе разъемного теплоотводящего корпуса из теплопроводного материала, содержащего коробчатую базовую часть 1 и крышку 2, выполненные с возможностью взаимной фиксации посредством, например, винтов 3.
Согласно полезной модели, в коробчатой базовой части 1 выполнена периферийная ступенька 4 (Фиг. 2), предназначенная для теплового контакта с печатным узлом 5, конструктивное исполнение которого будет представлено ниже. Дно 6 коробчатой базовой части 1 используется для установки на нем лазерного диода 7 (Фиг. 3, исполнение аналогично прототипу и поэтому подробно в рамках настоящей заявки не описывается). Лазерный диод 7 электрически связан с печатным узлом 5 посредством электрических выводов 8 (Фиг. 3, исполнение аналогично прототипу или иное из числа известных и поэтому подробно в рамках настоящей заявки не описывается). Лазерный диод 7 имеет оптоволоконный вывод оптического сигнала 9, проходящий через одно из окон 10 в коробчатой базовой части 1. Внешние электрические связи печатного узла 5 осуществляются через разъем интерфейса и питания 11, размещенного во втором окне 10 (Фиг. 3, исполнение аналогично прототипу или иное из числа известных и поэтому подробно в рамках настоящей заявки не описывается).
Согласно полезной модели, как отмечалось выше, печатный узел 5 имеет тепловой контакт с периферийной ступенькой 4 коробчатой базовой части 1, выполненной из материала с высокой теплопроводностью (например, медь, латунь, алюминий и т.п.). Указанный тепловой контакт обеспечен наличием электрически изолированных теплопроводных периферийных поверхностных элементов 12, которые могут быть, в зависимости от особенностей конструкции лазерного модуля и/или его компонентов, как сплошными/замкнутыми, так и прерывистыми/фрагментарными.
Печатный узел 5 включает внешние 13 и внутренние 14 токопроводящие слои, разделенные между собой электрически изолирующими слоями 15, при этом межслойные электрические соединения обеспечены через выполненные в печатном узле токопроводящие стержневые элементы 16. Согласно полезной модели, печатный узел 5 сформирован с дополнительными одним или более теплопроводными слоями 17, электрически изолированно размещенными во внутренней части печатного узла 5 (Фиг. 5 и Фиг. 6). В случае пересечения стержневыми элементами 16 теплопроводных слоев 17, в последних формируют электрически изолированные окна 18. Теплопроводные слои 17 соединяются «по теплу» с элементами 12 посредством теплопроводных стержневых элементов 19, размещаемых вне зон пересечения с токопроводящими треками 20 (на Фиг. 3 условно показан единичный трек 20, в целом исполнение треков не отличается от прототипа, не является предметом настоящей полезной модели и дополнительных пояснений/изображений не требует) токопроводящих слоев 13 и 14.
Таким образом, заявленное техническое решение, по сути, реализует радиатор, интегрированный в многослойную плату печатного узла, превосходно воспринимающий тепловую нагрузку от функциональных тепловыделяющих элементов 21 и осуществляющий эффективный вывод избыточного тепла на теплоотводящий корпус. При этом печатный узел 5 (его печатная плата) перестает быть аккумулятором тепла, превносимого элементами 21, поскольку означенное тепло отводится «изнутри» печатной платы по формируемой заявленным техническим решением высокоэффективной теплоотводящей цепочке: слои 17 - элементы 19 - элементы 12 - базовая часть 1 - крышка 2. При этом эффективность теплоотвода имеет потенциал повышения за счет увеличения количества слоев 17 и применения электрически изолирующего материала с высокой теплопроводностью, например - теплопроводная керамика из оксида или нитрида алюминия - в качестве материала слоев 15.
В зависимых пунктах формулы полезной модели раскрываются частные случаи реализации существенного признака независимого пункта, а именно средств стока тепла на теплоотводящий корпус, нереализуемые в рамках вышеприведенных прототипа и/или аналога и/или иных решениях вне заявленного.
Как отмечалось выше, в прототипе средство стока тепла на теплоотводящий корпус формируется развитием площади «принимающих» поверхностей конвективного теплообмена и их теплоемкости, обеспечиваемой массовой инерционностью. Такой подход влечет существенное повышение массогабаритных параметров лазерного модуля, что в ряде применений является просто недопустимым.
Одним из частных технических решений, позволяющих сформировать эффективный сток тепла от элементов 21 на теплоотводящий корпус является формирование на внешних слоях 13 печатного узла 5 в зоне контакта с элементами 21 электрически изолированных теплопроводных поверхностных элементов 22, которые посредством теплопроводных стержневых элементов 19 соединяются «по теплу» с теплопроводными слоями 17 - началом ранее рассмотренной теплоотводящей цепочки: слои 17 - элементы 19 - элементы 12 - базовая часть 1 - крышка 2 (Фиг. 5).
Другим частным техническим решением, позволяющим сформировать эффективный сток тепла от теплоемких внутренних токопроводяших слоев 14, предложено исполнение средства стока тепла на теплоотводящий корпус в виде электрически изолированных теплопроводных элементов 23, сформированных в токопроводяших слоях 14 печатного узла 5, соединенных «по теплу» посредством теплопроводных стержневых элементов 19 с теплопроводными слоями 17 - началом ранее рассмотренной теплоотводящей цепочки: слои 17 - элементы 19 - элементы 12 - базовая часть 1 - крышка 2 (Фиг. 5).
Помимо организации эффективного отвода тепла, описанного выше, в остальном заявленное техническое решение работает в соответствии с заложенным в него функционалом аналогично прототипу и в дополнительных пояснениях не нуждается.
Проведенные эксперименты подтвердили высокую эффективность заявленного технического решения, снижение тепловых шумов на 15% и более по сравнению с прототипом и, как следствие, способность сужения линии полосы лазерного излучения до значений менее 10 кГц.
Таким образом, изложенное позволяет сделать вывод о том, что техническая проблема - минимизация теплового влияния на качество лазерного излучения лазерного модуля - решена, а заявленный технический результат - повышение качества излучения высокоточного узкополосного лазерного модуля - достигнут.