ЛАЗЕРНЫЙ МОДУЛЬ
LASER MODULE

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, в частности к малогабаритным лазерным источникам света, и может быть использовано в оптических приборах, предназначенных, например, для целей ближней морской и воздушной навигации.
Известен лазерный модуль, включающий цилиндрический корпус, в котором соосно расположены лазерный диод, оптическая система, представляющая собой линзу в оправке, и электронная схема управления лазерным диодом, подключенная к его выводам. Задняя часть корпуса закрывается крышкой, через которую выходят вывода для подачи питания. Лазерное излучение выходит через линзу в передней части корпуса модуля. Схема управления по сигналу встроенного в лазерный диод фотодиода регулирует величину тока накачки лазерного диода с целью стабилизации значения мощности, излучаемой лазерным диодом, т.е. выполняет функции автоматического контроля мощности излучения - Automatic Power Control Circuit (APC) (см. патент США №5121188, МПК H01L 23/04).
Недостатком данного технического решения является нетехнологичная конструкция корпуса модуля, обусловливающая определенные трудности при сборке модуля, неэффективное с точки зрения отвода тепла крепление лазерного диода к корпусу модуля, а также низкая функциональность электронной схемы управления, определяющая ограниченные возможности применения данного устройства.
Известен также лазерный модуль, имеющий цилиндрический корпус, в котором расположены оптическая система, представляющая собой линзу в оправке, держатель, на котором смонтированы кристалл лазерного диода и кристалл фотодиода, закрытый со стороны линзы защитным стеклом, причем кристалл фотодиода может быть смонтирован как на одной плоскости с кристаллом лазерного диода, так и на плоскости, перпендикулярной к плоскости с кристаллом лазерного диода. Лазерное излучение выходит через защитное стекло и линзу в передней части корпуса модуля. Схема управления имеет круглую форму и закрепляется на заднем торце корпуса лазерного модуля (см. патент США №5394430, МПК H01S 3/08).
В качестве недостатков описанного устройства следует отметить сложность и неэффективность изготовления излучающего элемента лазерного модуля (из-за невысокого процента выхода годных при изготовлении лазерных диодов будет отходить в брак часть деталей лазерного модуля), а также уже упомянутую низкую функциональность электронной схемы управления, которая в данном устройстве работает как АРС.
Известен лазерный модуль, в корпусе которого, состоящем из двух частей, на одной оптической оси размещены лазерный диод, оптическая система, представляющая собой линзу в оправке, и электронная схема управления лазерным диодом, подключенная к его выводам. Причем оптическая система и лазерный диод расположены в первой части корпуса модуля, а схема управления лазерным диодом - во второй. Лазерный диод устанавливается передней поверхностью своего корпуса в специальное посадочное место и закрепляется прижимным элементом, обеспечивающим хороший тепловой контакт с корпусом модуля. Лазерное излучение выходит через линзу в передней части корпуса модуля. Вывода лазерного диода проходят через отверстие в прижимном элементе и распаиваются на плату со схемой стабилизации мощности излучения лазерного диода. Вывода питания от платы выходят за пределы корпуса через отверстие в торце второй части корпуса модуля (Патент РФ №36570, МПК H01L 23/04).
Основным недостатком данного лазерного модуля является низкая функциональность электронной схемы управления, ограничивающая в значительной степени его область применения.
Наиболее близким к заявляемому из известных устройств является лазерный модуль, который имеет корпус, состоящий из трех частей, представляющих собой переднюю крышку с выходным отверстием, вставляющуюся в нее оправку с линзой, и вворачивамый в оправку держатель лазерного диода, положение которого фиксируется пружиной, помещаемой между оправкой линзы и держателем лазерного диода. С задней стороны модуля на выводах лазерного диода размещена монтажная прокладка, имеющая отверстия под выводы диода. Плата со схемой управления лазерным диодом может иметь круглую форму такую же, как монтажная прокладка, и крепиться к ней плоскостью, а может иметь прямоугольную форму и крепиться торцом к монтажной площадке, располагаясь, таким образом, за пределами корпуса лазерного модуля. Схема управления в данном устройстве работает как АРС (см. патент США №5878073, МПК H01S 3/08).
Недостатком прототипа является чрезмерно сложная конструкция корпуса и ограниченная функциональность электронной схемы управления, определяющая узкие границы области его применения.
Задача изобретения заключается в создании лазерного модуля с расширенным функционалом для применения в различных областях техники и науки.
Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет оригинальной конструкции лазерного модуля, обеспечивающей его работу с различными внешними устройствами в режиме генерации непрерывной мощности и в режиме генерации импульсной мощности с возможностью регулировки как уровня непрерывной мощности, так и амплитуды импульсной мощности, а также функционального размещения в аппаратуре применения.
Указанный технический результат достигается тем, что в лазерном модуле, включающем составной корпус, в котором соосно расположены оптическая система и лазерный диод, плату со схемой управления лазерным диодом, выполняющей функции стабилизации мощности излучения, соединенную с выводами лазерного диода, согласно решению плата со схемой управления лазерным диодом дополнительно содержит схему регулировки выходной оптической мощностью лазерного диода, схему импульсного режима, разъем с выводами для подачи импульсного сигнала, для контроля импульсного сигнала, для подачи питания, для подачи управляющего напряжения. Корпус выполнен из передней и задней частей, соединенных между собой с помощью резьбы, оптическая система и лазерный диод расположены в передней части корпуса, а в задней части корпуса расположены выводы лазерного диода, при этом выводы лазерного диода соединены с платой посредством проводов, выходящих за пределы корпуса через отверстие в торце задней части корпуса, оптическая система закреплена в оправке, имеющей резьбовое соединение с внутренней поверхностью корпуса, лазерный диод, закреплен прижимным винтом с отверстием для выводов лазерного диода. Задняя часть корпуса модуля залита герметиком. В отверстии в торце задней части корпуса расположена герметизирующая втулка, через которую проходят провода, соединяющие лазерный диод и плату со схемой управления. Герметизирующая втулка выполнена из резины. Оптическая система представляет собой набор линз. Линзы оптической системы изготовлены из стекла или из пластика. Длина проводов между лазерным диодом и платой со схемой управления составляет не более 15 см.
Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена общая схема лазерного модуля и плата со схемой управления, на фиг. 2 - излучающая часть лазерного модуля: корпус с лазерным диодом и оптической системой, на фиг. 3 - схема управления. Позициями на чертежах обозначены:
1 - корпус лазерного модуля,
2 - провод, соединяющий схему управления и лазерный диод,
3 - плата со схемой управления,
4 - схема стабилизации выходной оптической мощности,
5 - схема импульсного режима,
6 - схема регулировки выходной оптической мощности,
7 - разъем,
p
8 - вход регулировки мощности V,
9 - общий провод,
мод
10 - вход импульсного сигнала V,
c
11 - контрольный выход импульсного сигнала V,
пит
12 - вход напряжения питания V,
13 - герметизирующая втулка,
14 - задняя часть корпуса модуля,
15 - герметизирующий компаунд,
16 - прижимной винт,
17 - лазерный диод,
18 - держатель лазерного диода,
19 - оправка оптической системы,
20 - передняя часть корпуса,
21 - оптическая система.
p
мод
c
пит
Лазерный модуль представляет собой прибор (см. фиг. 1, 2), в корпусе 1 которого размещены оптическая система 21 и лазерный диод 17, электрически соединенный со схемой управления, реализованной на плате 3. Корпус 1 состоит из двух частей 14 и 20, соединенных между собой с помощью резьбы. В передней части 20 расположена оптическая система 21, закрепленная в оправке 19, имеющей резьбовое соединение с внутренней поверхностью корпуса, и лазерный диод 17, закрепленный в держателе 18 прижимным винтом 16, что существенно повышает эффективность отвода тепла от лазерного диода. Держатель 18 также как и оправка 19 имеет резьбовое соединение с внутренней поверхностью корпуса. Вращением держателя 18 и оправки 19 возможно плавно перемещать лазерный диод и оптическую систему относительно друг друга вдоль оптической оси. Выводы лазерного диода 17 через отверстие в прижимном винте 16 выходят в заднюю часть 14 корпуса модуля, где пайкой соединяются с проводом 2 от платы 3 со схемой управления. Провод 2 схемы управления с платы 3 заводятся в заднюю часть 14 корпуса модуля через герметизирующую втулку 13, расположенную в осевом отверстии в задней стенке корпуса 14. Пространство в задней части 14 корпуса модуля заливается герметизирующим компаундом 15. На плате 3 выполнены схема 4 стабилизации выходной оптической мощности, схема 5, обеспечивающая импульсный режим работы модуля при подаче соответствующего внешнего сигнала, и схема 6 регулировки уровня выходной оптической мощности. Также на плате 3 имеется электрический разъем 7 для подсоединения к модулю внешних устройств (питания, подачи импульсного сигнала и его контроля). Выводы разъема 7 имеют следующее назначение: вывод 8 предназначен для подачи напряжения, регулирующего выходную оптическую мощность модуля V, 9 - общий провод, 10 - для подачи импульсного сигнала V, задающего параметры импульсного режима излучения модуля (частота модуляции, длительность импульса излучения), 11 - для контроля параметров импульсного режима работы V, 12 - для подачи напряжения питания V.
Устройство работает следующим образом.
p
мод
мод
c
Лазерный диод 17 модуля генерирует излучение в виде пучка, сечение которого представляет собой эллипс с эксцентриситетом ~ 2,5-3,5. Оптическая система 21 преобразовывает этот пучок в узкий коллимированный луч с расходимостью ~ 0,5 млрад. Величина расходимости лазерного излучения модуля подбирается перемещением оправки 19 вдоль оптической оси относительно держателя 18 посредством плавного вращения, обеспечиваемого резьбовым соединением этих элементов с внутренней поверхностью корпуса 20. По окончании регулировки положение элементов закрепляется клеем. Режим работы лазерного диода регулируется схемами, расположенными на плате 3. Схема 6 позволяет посредством подачи плавно меняющегося внешнего напряжения V установить требуемый уровень мощности излучения, но не более номинального, определяемого параметрами лазерного диода. Схема 4 обеспечивает стабильность заданного уровня мощности излучения модуля при изменении внешних условий окружающей среды (например, температуры). Схема 5 при подаче внешнего модулирующего сигнала V с определенным значением амплитуды импульса напряжения реализовывает импульсный режим излучения модуля с частотой следования и длительностью оптических импульсов, заданными подаваемым на схему сигналом V. Причем амплитуда оптических импульсов может регулироваться с помощью схемы регулировки выходной мощности 6. При необходимости на выводе 11 разъема 7 можно проконтролировать параметры импульсного сигнала V. Питание модуля может осуществляться от внешнего источника, в качестве которого могут использоваться стационарный сетевой блок питания или батареи и аккумуляторы. Напряжение питания подается на разъем 7 платы 3 со схемой управления и имеет величину не более 5 вольт.
Пример.
p
c
В соответствии с изобретением были изготовлены образцы лазерных модулей, в которых использовались лазерные диоды с длиной волны излучения 650 нм и мощностью излучения 30-40 мВт. Детали корпуса модуля были выполнены из дюралюминия с последующим анодированием внешней поверхности. Оптическая система состояла из одной линзы, изготовленной из оптического стекла К-8. Линза имела с обеих сторон просветляющие покрытия. Плата со схемой управления была изготовлена по технологии SMT. Общая схема изготовленной платы приведена на фиг. 3. В схему стабилизации мощности излучения входят следующие элементы: микросхема DA1, резистор R8 и конденсаторы С2 и С3. В схему регулировки выходной мощности излучения входят стабилитрон D4 и резисторы R7 и R9*. Подбором резистора R9* изначально устанавливается номинальный уровень мощности излучения модуля. Схема импульсного режима включает транзисторы VT1 и VT2, стабилитрон D3, диод D2, резисторы R1,R2, R3, R4, R5 и R6. Диод D1 и конденсатор С1 образуют входной фильтр по питанию. Номиналы и типы элементов указаны на фиг. 3. На плате крепился разъем типа PLD-R. В качестве блока питания использовался стандартный аккумулятор. Модуль генерировал узкий видимый луч с расходимостью 0,3 мрад и мощностью 15-20 мВт. Изменение мощности излучения при подаче регулирующего напряжения V от 0 до 5 В происходило в диапазоне от 3 до 20 мВт. Импульсный режим проверялся при длительности импульсов 3 мсек и скважности 10. Контроль сигнала V производился с помощью осциллографа. Лазерный луч модуля хорошо виден в атмосфере в отсутствие яркого освещения. Модуль удобен для работы в устройствах указания направления, а также в устройствах со сканаторами для целей ближней навигации. Изготовленные образцы использовались, например, в лазерных створных маяках (ЛСМ) под кодовым названием "Анемон" в соответствии с патентами РФ на изобретение №2302357 и №2354580.