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 точки накачки, а также совершенствования средств термо- и вибростабилизации лазера.
Последнее является предметом заявляемой 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 (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.
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, 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 (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 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 - обеспечение излучения с предельно малой (10 кГц и менее) шириной полосы излучения в условиях промышленной эксплуатации.
Технический результат - повышение качества излучения. - Проблема решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в источнике лазерного излучения, 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 в корпусе из теплопроводного материала, закрепленным на опорных элементах базовой части печатным узлом, разъемом интерфейса и питания и оптоволоконным выводом оптического сигнала, размещенными в соответствующих окнах базовой части, и крышку, между лазерным диодом и дном базовой части размещен промежуточный двухслойный элемент с контуром, находящимся между контурами лазерного диода и дна базовой части, первый из слоев которого выполнен из металла с теплопроводностью не меньшей теплопроводности корпуса лазерного диода и прилегает к лазерному диоду, а второй слой выполнен из электроизолирующего, теплопроводного и демпфирующего в диапазоне от 1 Гц до 2000 Гц материала и прилегает к дну базовой части.
Заявленное техническое решение иллюстрируется следующими изображениями
Фиг. 1 - внешний вид источника лазерного излучения в изометрии;
Фиг. 2 - коробчатая базовая часть корпуса с лазерным диодом и печатным узлом, вид в плане;
Фиг. 3 - коробчатая базовая часть корпуса с лазерным диодом без печатного узла, вид в плане;
Фиг. 4 - сечение А-А на Фиг. 3;
Фиг. 5 - сравнительный график по результатам натурных экспериментов.
Цифровые позиции на представленных изображениях обозначают следующее:
1 - базовая часть корпуса;
2 - крышка корпуса;
1
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 - двухслойный элемент;
14 - первый слой двухслойного элемента;
15 - второй слой двухслойного элемента;
16 - контур двухслойного элемента;
17 - контур корпуса лазерного диода;
18 - контур дна базовой части;
19 - теплопроводные стержневые элементы;
20 - токопроводящие треки;
21 - контур первого слоя;
22 - контур второго слоя.
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, как и в прототипе, в коробчатой базовой части 1 может быть выполнена периферийная ступенька 4 (Фиг. 3), предназначенная для теплового контакта с печатным узлом 5. Дно 6 коробчатой базовой части 1 используется для установки на нем лазерного диода 7 (Фиг. 2, 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. 2, 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, размещенный во втором окне 10 (Фиг. 2, исполнение аналогично прототипу или иное из числа известных и поэтому подробно в рамках настоящей заявки не описывается).
Как и в прототипе, печатный узел 5 может иметь 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 может включать внешние и внутренние токопроводящие слои, разделенные между собой электрически изолирующими слоями, при этом межслойные электрические соединения обеспечены через выполненные в печатном узле токопроводящие стержневые элементы. Так же, печатный узел 5 может быть сформирован с дополнительными одним или более теплопроводными слоями, электрически изолированно размещенными во внутренней части печатного узла 5 (не является предметом настоящей полезной модели, подробно представлено в прототипе). Теплопроводные слои соединяются «по теплу» с элементами 12 посредством теплопроводных стержневых элементов 19, размещаемых вне зон пересечения с токопроводящими треками 20 (на Фиг. 2 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 печатного узла 5. Таким образом, источник лазерного излучения в части, заимствованной и/или предполагаемой к заимствованию из прототипа, по сути, реализует радиатор, интегрированный в многослойную плату печатного узла, превосходно воспринимающий тепловую нагрузку от функциональных тепловыделяющих элементов и осуществляющий эффективный вывод избыточного тепла на теплоотводящий корпус. Отмеченное выше важно, поскольку заявленное техническое решение, по сути, направлено на снижение уровня вибрационных шумов с учетом влияния применяемых средств на иные, в том числе - тепловые шумы.
В отличие от прототипа, заявленный источник лазерного излучения снабжен промежуточным двухслойным элементом 13 (Фиг. 3), размещенным между лазерным диодом 7 и дном 6 базовой части 1. Двухслойный элемент 13 выполнен с линейными размерами, превышающими соответствующие линейные размеры обращенной к дну 6 базовой части 1 грани корпуса лазерного диода 7 и меньшими (или, в предельном случае - равными) соответствующих линейных размеров дна 6 базовой части 1, так, что его контур 16 лежит между контуром 17 корпуса лазерного диода 7 (конкретнее - обращенной к дну 6 базовой части 1 грани корпуса лазерного диода 7) и контуром 18 дна 6 базовой части 1. При этом упомянутый двухслойный элемент 13 включает два слоя, первый слой 14 из которых выполнен из металла с теплопроводностью не меньшей теплопроводности корпуса лазерного диода 7 и прилегает к последнему, а второй слой 15 выполнен из электроизолирующего, теплопроводного и демпфирующего в диапазоне 1…2000 Гц материала и прилегает к дну 6 базовой части 1.
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 Гц до 2000 Гц. Соответственно, уменьшить означенный вибрационный шум можно введением демпфирующей в диапазоне 1…2000 Гц прокладки между корпусом (базовой частью 1) и корпусом лазерного диода 7. Однако, введение такой прокладки создаст ухудшение теплоотвода от корпуса лазерного диода 7 к базовой части 1 теплоотводящего корпуса источника лазерного излучения, что в свою очередь повысит уровень теплового шума и, следовательно, понизит качество излучения. Поэтому в заявленном техническом решении, с учетом конструктивных особенностей источника лазерного излучения, означенная демпфирующая прокладка выполнена в виде двухслойного элемента 13 с конфигурацией (раскрытой выше), обеспечивающей рассредоточенный на большую площадь и, как следствие, количественно увеличенный отвод тепла от корпуса лазерного диода 7 к базовой части 1 теплоотводящего корпуса источника лазерного излучения. Условие применения электроизолирующего материала второго слоя 15 обусловлено стремлением избежать дополнительных шумов, обусловленных паразитными электрическими наводками в цепи корпус лазерного диода - теплоотводящий корпус источника лазерного излучения.
Обоснованность заявленного технического решения полностью подтвердилась в ходе проведения многочисленных натурных испытаний, наиболее значимые результаты которых обобщены на сравнительном графике Фиг. 5, представленные значения на котором соответствуют следующему:
I, II и III - заявленное исполнение источника лазерного излучения;
IV - источник лазерного излучения по прототипу;
V - источник лазерного излучения по прототипу с введением однослойной демпфирующей прокладки;
VI - источник лазерного излучения по прототипу с введением в качестве демпфирующей прокладки мягкого припоя.
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. 5 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). В качестве первого слоя 14 использовалась медная M1 фольга толщиной 0,5 мм, в качестве второго слоя использовалась термопрокладка Coolian (40×30x×0,5 мм 5wmk 35shoreOO) - оба материала вполне удовлетворяют соответствующим ограничительным условиям, означенным в формуле полезной модели.
Оптимальная конфигурация (в рамках заявленного диапазона) определяется экспериментально в зависимости от рабочих параметров конкретного источника лазерного излучения. При этом оптимальными являются следующие ограничения:
контуры первого 21 и второго 22 слоя двухслойного элемента 13 совпадают;
контур 21 первого слоя промежуточного двухслойного элемента 13 находится между контурами лазерного диода 7 и второго 22 слоя промежуточного двухслойного элемента 13.
Как показали натурные эксперименты, в обоих означенных случаях достигается минимальный (значения I и II на Фиг. 5) уровень технического (совокупного) шума, определяющий минимально возможную ширину линии излучения лазерного источника. Увеличение контура 21 первого слоя относительно контура 22 второго слоя двухслойного элемента 13 приводит к некоторому росту уровня технического (совокупного) шума (значение III на графике Фиг. 5) по сравнению с заявленными уточнениями. Остальные представленные выше случаи показали существенно худшие результаты, отраженные на графике Фиг. 5 и не требующие дополнительных пояснений.
Таким образом, изложенное позволяет сделать вывод о том, что проблема - обеспечение излучения с предельно малой (10 кГц и менее) шириной полосы излучения в условиях промышленной эксплуатации - решена, а заявленный технический результат - повышение качества излучения – достигнут.