ОПТИЧЕСКАЯ УСИЛИТЕЛЬНАЯ ГОЛОВКА С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ

Полезная модель относится к лазерной технике и может быть использована в оптических усилительных головках с диодной накачкой с системой охлаждения тепловыделяющих элементов.
Известна оптическая усилительная головка с диодной накачкой (патент РФ №2498467, МПК H01S 3/0933, 20.04.2013), состоящая из размещенных в корпусе активного элемента в виде стержня, матриц лазерных диодов, расположенных на держателях вдоль активного элемента, и системы охлаждения, содержащей стеклянную трубку, охватывающую активный элемент с образованием радиального канала, демпфирующие элементы, установленные на обоих торцах стеклянной трубки, и сеть охлаждающих каналов, расположенных в корпусе, держателях и матрицах лазерных диодов с входным и выходным патрубками, при этом корпус выполнен в виде шестигранника, на внешней поверхности каждой грани которого выполнено отверстие для размещения держателя, на грани которого, обращенной к активному элементу, установлены матрицы лазерных диодов, система охлаждения выполнена в виде двух независимых контуров, охлаждающие каналы одного контура - охлаждения активного элемента соединяют дополнительные входной и выходной патрубки с радиальным каналом через выполненные в виде сильфонов демпфирующие элементы, другой контур охлаждения - матриц лазерных диодов содержит выполненные в корпусе и соединенные с входным и выходным патрубками входной и выходной коллекторы, из которых выходят охлаждающие каналы, соединенные с каналами, выполненными в каждом держателе и матрицах лазерных диодов.
Недостатком известной оптической усилительной головки является сложность конструкции, поскольку в ней реализована шестиканальная компоновка конструктивных элементов с наличием демпфирующих элементов, что усложняет сборку и юстировку. Кроме того, система охлаждения, выполненная в виде двух независимых контуров, не является оптимальной и не обеспечивает устойчивости в работе устройства, что приводит к нестабильности физических параметров генерируемого лазерного пучка.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемой полезной модели является оптическая усилительная головка с диодной накачкой (патент РФ №166589, МПК H01S 3/09 от 15.04.2016), содержащая корпус, состоящий из защитного кожуха, основания и торцевых фланцев, активный элемент, выполненный в виде кристалла, размещенного с кольцевым зазором внутри прозрачного трубчатого элемента, держатели-теплообменники с закрепленными на них матрицами лазерных диодов, расположенными вдоль и вокруг боковой поверхности активного элемента, входной и выходной коллекторы, при этом в указанных держателях-теплообменниках, входном и выходном коллекторах выполнены каналы с образованием системы охлаждения, при этом корпус выполнен в виде пятигранной призмы, а входной и выходной коллекторы выполнены пятиугольными, причем система охлаждения выполнена по последовательно-параллельной схеме с обеспечением прохождения потока хладагента через входной коллектор параллельно по каналам всех держателей-теплообменников с обеспечением сбора хладагента в канале выходного коллектора, сообщающегося через кольцевой зазор внутри прозрачного трубчатого элемента с каналом выходного торцевого фланца.
Известное техническое решение обладает недостаточным оптическим коэффициентом полезного действия (КПД), что приводит к снижению выходной энергетической мощности излучения, а следовательно, обуславливает недостаточную эффективность работы устройства.
Вместе с тем, выполнение системы охлаждения по последовательно-параллельной схеме, усложняет техническую реализацию.
Технический результат, заключающийся в повышении эффективности работы устройства за счет увеличения коэффициента полезного действия и в упрощении технической реализации достигается в оптической усилительной головке с диодной накачкой, содержащей корпус, состоящий из основания и торцевых фланцев, защитный кожух, активный элемент, выполненный в виде цилиндрического кристалла, размещенного с кольцевым зазором внутри прозрачного трубчатого элемента, держатели-теплообменники с закрепленными на них матрицами диодов, расположенных вдоль и вокруг прозрачного трубчатого элемента, входной и выходной фланцевые коллекторы, при этом в указанных держателях-теплообменниках, входном и выходном фланцевых коллекторах выполнены каналы с образованием системы охлаждения с охлаждающим насосом, тем, что, он содержит отражательный трубчатый элемент, выполненный с продольными щелевыми окнами, расположенными напротив матриц диодов, на внутренней поверхности непрозрачных участков отражательного трубчатого элемента нанесено зеркальное покрытие, при этом прозрачный трубчатый элемент с активным элементом расположены соосно внутри отражательного трубчатого элемента, причем система охлаждения выполнена по параллельной схеме с обеспечением прохождения потока хладагента через входной фланцевый коллектор параллельно и одновременно по каналам всех держателей-теплообменников и кольцевого зазора прозрачного трубчатого элемента в канал выходного фланцевого коллектора, закольцованного через охлаждающий насос с каналом входного фланцевого коллектора.
При этом отражающее зеркальное покрытие непрозрачных участков отражательного трубчатого элемента выполнено из золота, а корпус и защитный кожух в поперечном сечении выполнены с прямоугольной формой со скошенными верхними углами.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
- на фиг. 1 изображена оптическая усилительная головка в собранном виде в защитном кожухе;
- на фиг. 1 изображена оптическая усилительная головка в собранном виде без защитного кожуха;
- на фиг. 2 показана оптическая усилительная головка в собранном виде со снятым защитным кожухом;
- на фиг. 3 приведен продольный разрез оптической усилительной головки,
- на фиг. 4 изображен поперечный разрез оптической усилительной головки;
- на фиг. 5 показан отражательный трубчатый элемент с продольными щелевыми окнами;
- на фиг. 6 показана оптическая усилительная головка в разобранном виде со снятым защитным кожухом;
- на фиг. 7 приведена параллельная схема системы охлаждения, реализованная в усилительной головке.
Устройство содержит корпус, состоящий из основания 1 и торцевых фланцев 2 и 3, защитный кожух 4, активный элемент (АЭ), выполненный в виде цилиндрического кристалла 5, размещенного с кольцевым зазором внутри прозрачного трубчатого элемента 6, держатели-теплообменники 7 с закрепленными на них матрицами 8 диодов, расположенных вдоль и вокруг прозрачного трубчатого элемента 6, входной и выходной фланцевые коллекторы 9 и 10.
Корпус и защитный кожух 4 в поперечном сечении выполнены с прямоугольной формой со скошенными верхними углами (фиг. 1 и 2).
В держателях-теплообменниках 7, входном и выходном фланцевых коллекторах 9 и 10 выполнены каналы с образованием системы охлаждения с охлаждающим насосом.
Устройство содержит также отражательный трубчатый элемент 11, выполненный с продольными щелевыми окнами 12, расположенными напротив матриц 8 диодов.
На внутренней поверхности непрозрачных участков 13 отражательного трубчатого элемента 11 нанесено зеркальное покрытие.
Отражательный трубчатый элемент 11 является важнейшим элементом для повышения эффективности работы устройства. Участки 13 с внутренней стороны покрыты золотом толщиной 3мкм, что обеспечивает высокий коэффициент отражения на длине волны накачки изделия.
Прозрачный трубчатый элемент 6 (фиг. 5) с активным элементом 5 расположены соосно внутри отражательного трубчатого элемента 11.
Система охлаждения выполнена по параллельной схеме с обеспечением прохождения потока хладагента через входной фланцевый коллектор 9 параллельно и одновременно по каналам всех держателей-теплообменников 7 и кольцевого зазора прозрачного трубчатого элемента 6 в канал выходного фланцевого коллектора 10, закольцованного через охлаждающий насос с каналом входного фланцевого коллектора 9 (фиг. 7).
Соосно с активным элементом 5 установлены крепежные элементы 14, закрывающие с торцов прозрачный трубчатый элемент 6.
На фланцах 2 и 3 расположены штуцеры 15 для подвода и отвода охлаждающей жидкости.
Подключение к блоку электропитания (не показан) осуществляется через электрический разъем 16.
Устройство собирается и работает следующим образом.
Сначала осуществляется сборка держателей-теплообменников 7 с матрицами диодов 8. Затем на горизонтальном основании 1 устанавливаются коллекторы 9 и 10, между которыми монтируются и закрепляются прозрачный трубчатый элемент 6, АЭ 5 и трубчатый отражательный элемент 11. Собранные держатели-теплообменники 7 закрепляют на коллекторах 9 и 10. С торцов с помощью торцевых крепежных элементов 14 закрепляются фланцы 2 и 3.
Проверку герметичности системы охлаждения путем прокачки через нее жидкости после подсоединения входного и выходного штуцеров 15 к охлаждающему насосу 17 (фиг. 7).
После проверки герметизации устройства закрепляется кожух 4.
В устройстве реализована параллельная схема системы охлаждения (фиг. 7). Охлаждающая жидкость из внешнего насоса 17 (чиллера) через входной штуцер 15 поступает во входной коллектор 9, затем параллельно по расположенным симметрично каналам держателей-теплообменников 7, в которых закреплены источники выделения тепла - матрицы 8 диодов и в кольцевой зазор трубчатого элемента 6, в котором расположен второй источник выделения тепла - АЭ 5. Равномерность распределения хладагента по всем каналам обеспечивается одинаковой площадью сечения для протока.
Далее охлаждающая жидкость поступает в канал выходного коллектора 10, полость фланца 3 и через выходной штуцер 15 поступает на вход охлаждающего насоса 17.
Накачка АЭ 5 осуществляется при помощи матриц диодов 8, расположенных вдоль и вокруг боковой поверхности АЭ 5, к которым подключен блок питания (на чертежах не показан). Диоды матриц 8 просвечивают АЭ 5, выполненный из керамики (YAG алюмоиттриевый гранат, легированный неодимом). При этом АЭ 5 генерирует излучение с заданными параметрами (мощностью и длины волны).
Лазерный импульс может генерироваться при разных токах и частотах, которые задаются блоком питания (на чертежах не показан). При этом, матрицы 8 и АЭ 5 выделяют тепло, которое отбирается у них с помощью системы охлаждения.
По сравнению с прототипом при одинаковом количестве диодных матриц и одинаковой вкладываемой энергии в активный элемент предложенная полезная модель обладает преимуществами.
Применение отражательного элемента с золотым покрытием позволяет более чем в 4 раза улучшить распределение люминесценции по сечению активного элемента.
Достигаемый технический результат заключается в повышении энергетической эффективности устройства, увеличении оптического кпд при генерации излучения с повышенной мощностью и заданной длиной волны, а также в упрощении системы охлаждения.
Конструкция устройства не содержит сложных в изготовлении деталей, обладает достаточной жесткостью, надежностью и стабильностью в работе.
Основные конструктивные элементы устройства (коллекторы, фланцы, держатели-теплообменники) изготавливаются из латунного сплава.