ДИФРАКЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО
DIFFRACTIVE DEVICE

Изобретение относится к оптике, а именно к дифракционным устройствам, имеющим нарезную решетку с отражательной поверхностью, и может быть использовано, преимущественно, в качестве оптического элемента в мощных лазерных системах для селективного усиления генерируемого излучения.
Известно устройство, имеющее нарезную дифракционную решетку, которую изготавливает Акционерное общество «Научно-производственное объединение «Государственный институт прикладной оптики» (http://shvabe.com/products/opticheskie-materialy/difraktsionnaya-optika-nareznaya-difraktsionnaya-reshetka-dlya-so-i-so2-lazerov/). Дифракционная решетка состоит из подложки, выполненной из суперинвара марки 32НКД - материала, имеющего низкий коэффициент термического расширения, размером не более 90×90 мм, и отражающего алюминиевого покрытия с рельефом в виде штрихов. Мощное лазерное излучение, падающее на поверхность дифракционной решетки, нагревает ее. В результате термического расширения материала дифракционной решетки происходит выгибание поверхности, приводящее к искажению волнового фронта отраженного излучения. Для сохранения качества волнового фронта отраженного излучения необходимо использовать дифракционную решетку, имеющую систему охлаждения.
2
Известно дифракционное устройство, имеющее дифракционную решетку с водяным охлаждением, которое применяется в мощных СО лазерах (патент FR 2653903 А1, МПК G02B 5/18, опубликован 03.05.1991).
Недостатком аналога является то, что поток воды создает вибрации решетки, давление воды стремится выгнуть поверхность решетки наружу, так же как и тепловое расширение, вследствие облучения поверхности решетки мощным световым потоком, что приводит к искажению волнового фронта отраженного излучения. Устройство требует подвода шлангов, емкости с хладагентом, насосного оборудования, электрического питания, т.е. является довольно громоздким, и при этом работает лишь при температурах выше температуры замерзания хладагента.
Известно также дифракционное устройство мощного газоразрядного лазера, имеющее дифракционную решетку, нерабочая поверхность которой охлаждается потоком газообразного гелия (патент RU 2250544 С2, МПК H01S 3/04, опубликован 20.04.2005).
Недостатком аналога является сложность обеспечения гелиевой продувки дифракционной решетки.
Прототипом является дифракционное устройство, содержащее дифракционную решетку, состоящую из подложки и отражающего покрытия с рельефом в виде штрихов, а также термоэлектрический охладитель, установленный на всей нерабочей поверхности подложки (патент US 6498681 В2, МПК G02B 5/18, G02B 27/44, опубликован 24.12.2002).
Недостатком прототипа является искажение волнового фронта отраженного излучения. Это обусловлено равномерным охлаждением подложки дифракционной решетки из-за наличия одного термоэлектрического охладителя, установленного на всей нерабочей поверхности подложки. Однако пространственное распределение интенсивности излучения в лазерном пучке неоднородно.
В одномодовом режиме это распределение описывается Гауссовским контуром, т.е. излучение в центре пучка значительно интенсивней, чем на периферии, и, соответственно, центральная зона подложки дифракционной решетки, на которую падает максимальная лучевая нагрузка, нагревается интенсивней, чем периферийные зоны.
Таким образом, равномерное охлаждение всей нерабочей поверхности подложки дифракционной решетки не позволяет компенсировать температурное расширение ее материала при использовании в мощных лазерных системах и приводит к искажению волнового фронта отраженного излучения.
Кроме этого, недостатком прототипа является то, что наличие только одного термоэлектрического охладителя, установленного на всей нерабочей поверхности подложки, ограничивает размеры дифракционной решетки, что не позволяет достигать с ее помощью более высоких мощностей лазерного излучения.
Задачей изобретения является разработка конструкции дифракционного устройства, в которой устранены недостатки аналогов и прототипа.
Техническим результатом изобретения является исключение искажения волнового фронта отраженного излучения за счет обеспечения компенсации температурного расширения материала подложки дифракционной решетки и максимального сохранения плоскостности ее поверхности, а также увеличение габаритных размеров дифракционной решетки для достижения с ее помощью более высоких мощностей генерируемого лазерного излучения.
Технический результат достигается тем, что в дифракционном устройстве, содержащем дифракционную решетку, состоящую из подложки и отражающего покрытия с рельефом в виде штрихов, а также систему термоэлектрического охлаждения дифракционной решетки, установленную на нерабочей поверхности подложки, согласно настоящему изобретению система термоэлектрического охлаждения дифракционной решетки состоит из центрального термоэлектрического модуля и периферийных термоэлектрических модулей, мозаично расположенных на нерабочей поверхности подложки, при этом холодильная мощность центрального термоэлектрического модуля выше холодильной мощности каждого периферийного термоэлектрического модуля.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображено предлагаемое дифракционное устройство, а на фиг. 2 представлен вид А на фиг. 1 (вид на систему термоэлектрического охлаждения дифракционной решетки).
На чертежах элементы и узлы дифракционного устройства обозначены следующими позициями:
1 - дифракционная решетка,
2 - подложка дифракционной решетки,
3 - отражающее покрытие дифракционной решетки,
4 - рельеф отражающего покрытия,
5 - система термоэлектрического охлаждения,
6 - нерабочая поверхность подложки,
7 - центральный термоэлектрический модуль,
8 - периферийный термоэлектрический модуль.
Дифракционное устройство содержит дифракционную решетку 1 и систему 5 термоэлектрического охлаждения дифракционной решетки. Дифракционная решетка 1 состоит из подложки 2 и отражающего покрытия 3 с рельефом 4 в виде штрихов. Система 5 термоэлектрического охлаждения дифракционной решетки установлена на нерабочей поверхности 6 подложки 2.
Отличием предлагаемого дифракционного устройства является то, что система 5 термоэлектрического охлаждения дифракционной решетки состоит из центрального термоэлектрического модуля 7 и периферийных термоэлектрических модулей 8, мозаично расположенных на нерабочей поверхности 6 подложки 2, при этом холодильная мощность центрального термоэлектрического модуля 7 выше холодильной мощности каждого периферийного термоэлектрического модуля 8.
Пример конкретного выполнения
Подложка 2 дифракционной решетки представляет собой плоскопараллельную пластину, выполненную из суперинвара марки 32НКД - материала, имеющего низкий коэффициент термического расширения. На плоскопараллельную пластину в вакууме нанесено отражающее алюминиевое покрытие 3, в котором алмазным резцом нанесен рельеф 4 в виде параллельных штрихов с частотой 600 штр./мм с пилообразным профилем и глубиной, порядка 550 нм. За счет мозаичного расположения термоэлектрических модулей 7 и 8 (элементы Пельтье, изготавливаемые ОАО "НЛП ТФП "ОСТЕРМ СПБ", г. Санкт-Петербург) на нерабочей поверхности 6 подложки 2 обеспечена возможность охлаждения крупногабаритной подложки 2 размером 120×120 мм.
Центральный термоэлектрический модуль 7 и периферийные термоэлектрические модули 8 монтируются на нерабочей поверхности подложки 2 дифракционной решетки путем наклеивания на термопасту КПТ-8. Термоэлектрический модуль 7, расположенный в центральной зоне подложки 2 дифракционной решетки, имеет холодильную мощность, равную 340 Вт, а каждый термоэлектрический модуль 8, расположенный в периферийной зоне подложки 2, имеет холодильную мощность, равную 85 Вт, т.е. термоэлектрический модуль 7, расположенный в центральной зоне, выбран с большей холодильной мощностью.
Дифракционное устройство работает следующим образом.
2
На рабочую поверхность дифракционной решетки 1 падает генерируемое лазерное излучение с плотностью мощности 100 Вт/см и нагревает ее. Для устранения выгибания рабочей поверхности дифракционной решетки 1, облучаемой интенсивным потоком светового излучения, и, соответственно, для сохранения качества волнового фронта отраженного излучения, на нерабочей поверхности подложки 2 установлена система 5 термоэлектрического охлаждения, состоящая из центрального термоэлектрического модуля 7 и периферийных термоэлектрических модулей 8, мозаично расположенных на нерабочей поверхности 6 подложки 2.
Провода от термоэлектрических модулей 7 и 8 припаяны к электрическому разъему (условно не показаны). На разъем подается электрическое напряжение от внешнего блока питания, не входящего в конструкцию дифракционного устройства.
Для отвода тепла от термоэлектрических модулей 7 и 8 может быть использован радиатор (условно не показан), рассеивающий тепловую энергию в окружающую среду.
Центральный термоэлектрический модуль 7 и периферийные термоэлектрические модули 8 работают независимо, каждый в своем температурном режиме. Регулировка степени охлаждения различных зон подложки 2 дифракционной решетки 1 осуществляется путем регулировки подаваемого на термоэлектрические модули 7 и 8 электрического напряжения (с блока питания, пульта или программными средствами с персонального компьютера), при этом центральная зона подложки 2 дифракционной решетки 1, на которую падает максимальная лучевая нагрузка, охлаждается интенсивней, чем ее периферийная зона.
Система 5 термоэлектрического охлаждения дифракционной решетки 1 не содержит подвижных элементов, охлаждающих жидкостей, при этом в ходе работы не происходит механического износа деталей, не возникает вибраций, утечек жидкости, искривления поверхности подложки 2 решетки из-за внутреннего давления хладагента. Отсутствие шлангов, насосов, теплообменников, вентиляторов позволяет выполнить систему охлаждения дифракционной решетки 1 компактной, эргономичной и бесшумной. Отсутствие жидкостей исключает возможности замерзания или закипания в системе охлаждения.
Использование предлагаемого дифракционного устройства позволит исключить искажения волнового фронта отраженного излучения за счет обеспечения компенсации температурного расширения материала подложки дифракционной решетки и максимального сохранения плоскостности ее поверхности, а также увеличить габаритные размеры дифракционной решетки для достижения с ее помощью более высоких мощностей генерируемого лазерного излучения.