RO129307A0 - Sistem laser monolitic, compozit şi compact cu livrare simultană a două fascicule laser - Google Patents

Abstract

Invenţia se referă la un sistem laser monolitic, compozit şi compact, cu livrare simultană a două fascicule laser, destinat să funcţioneze ca sistem de aprindere a amestecului laser-combustibil, într-o cameră de ardere a unui motor. Sistemul laser, conform invenţiei, cuprinde un cristal () laser având zona centrală formată din Nd:YAG, lipită de două prisme () şi de un cristal () dopat cu Cr:YAG, care acţionează ca şi comutator pasiv, partea inferioară a ansamblului astfel format fiind acoperită cu straturi dielectrice multiple, întreg ansamblul fiind lipit de un suport () mecanic, prin folosirea unei răşini cu conţinut ridicat de pulbere metalică, pompajul optic făcându-se cu două diode laser cuplate la două fibre optice, având capătul de ieşire tăiat la un unghi adecvat, care să asigure pierderi minime la intrarea într-o prismă; rezonatorul optic este format din nişte oglinzi parţial reflectoare, depuse direct pe mediul activ Nd:YAG, şi dintr-o altă oglindă cu înaltă reflectivitate, depusă direct pe comutatorul pasiv Cr:YAG, radiaţia de pompaj emisă de o sursă de pompaj fiind livrată de fibrele optice pe suprafeţele prismelor, de unde se propagă prin reflexie totală internă, în mediul activ, unde este absorbită uniform de ionii activi, şi produce o inversie de populaţie, iar atunci când inversia de populaţie atinge nivelul de prag, comutatorul pasiv se saturează rapid, rezultând un puls laser gigant şi, datorită faptului că rezonatorul laser are două oglinzi de extracţie, pot rezulta două pulsuri laser care sunt focalizate de către două lentile, şi trec prin nişte ferestre de protecţie, către o cameră de ardere a unui motor.

Description

SISTEM LASER MONOLITIC, COMPOZIT SI COMPACT CU LIVRARE SIMULTANA A DOUA FASCICOLE LASER

Invenția este in legătură cu un dispozitiv laser destinat sa funcționeze ca sistem de aprindere a amestecului aer-combustibil in camera de ardere a motorului. Dispozitivul laser cuprinde: un mediu activ laser compozit, doua surse de pompaj tip dioda laser cuplate la doua fibre optice pentru pompajul uniform al mediului activ, un suport mecanic rezistent la vibrații si temperatura, un rezonator optic format prin depunerea directa a oglinzilor pe suprafețele mediului activ laser si, respectiv, a comutatorului pasiv, doua lentile de focalizare a fascicolelor laser rezultate, doua ferestre de protecție.

Stadiul tehnicii. Principalele probleme ale laserelor cu corp solid proiectate pentru a fi folosite in sisteme de ignitie a motoarelor cu ardere interna din industria auto sau in generatoarele de energie electrica cu puteri de ordinul MW-ilor constau in fiabilitatea aprinderii, fiabilitatea aparatului, prețul de cost competitiv. Pentru realizarea aprinderii motoarelor de automobil cu laserul au fost propuse diferite dispozitive cu un singur fascicol laser. Aranjamentul prezentat in patentul US 2006/0243238 Al are dezavantajul scăderii puterii de vârf a pulsului laser datorita faptului ca fotonii de pompaj neabsorbiti in mediul activ sunt absorbiți de comutatorul pasiv fapt care determina scăderea eficientei comutatorului pasiv. Un alt aranjament, Pat. No. US 6, 950,449 B2 oferă o creștere a puterii de vârf prin lărgirea diametrului fascicolului de pompaj dar trebuie sa folosească un montaj optic de colimare focalizare care complica dispozitivul, reduce fiabilitatea si creste prețul. Aranjamentul prezentat de E. Winter in Pat. No. US 6,802,290 Bl utilizează o soluție interesanta folosind o combinație de laseri microdisc si amplificatoare bazate pe fibra optica prezentând avantajul ca problemele legate de funcționarea laserului la temperaturi extreme si vibrații intense sunt reduse. Cu toate acestea eficienta este redusa si, din nou, întregul sistem este complicat si scump. G. Herdin demonstrează, patent US 7,040,270 B2 , ca amestecurile sarace pot fi aprinse cu laserul in mod eficient si ca reducerea noxelor emise este notabila. Alte patente, S.B. Gupta Patent No US 7,114,858 B2 si G. Herdin patent No: US 7,231,897 B2 se concentrează pe eliminarea rateurilor prin detectarea creșterii de presiune produse de dezvoltarea frontului undei de soc si aplicarea unui puls laser suplimentar in cazul in care primul puls laser nu a fost eficient.

Pentru aprinderea eficienta a combustibilului au fost propuse si dispozitive cu mai multe fascicole laser. Astfel, in patentul JP2006242038A un fascicol laser intens este divizat înainte de a fi introdus in camera de ardere a motorului, fiecare sub-fascicol,fiind. apoi focalizat. Patentul (? - 2 Ο 1 3 - Ο Ο 4 1 7 - 3 » -05- ΖίΒ

JP2007291965A propune ο soluție in care fasciculul laser este focalizat in camera de motorului, in mai multe puncte, prin reflexia lui pe peretele circular al cilindrului. O astfel de soluție nu este viabila, peretele cilindrului nefiind suficient de curat in timpul funcționarii motorului. Patentul JP2008002278A sugerează modificarea camerei de ardere astfel incat un fascicul laser intens sa fie reflectat de aceasta in trei puncte diferite. O soluție propusa in patentul JP2008002409A asigura construcția unui laser care livrează doua fascicule laser de la un singur mediu activ, prin utilizarea unei oglinzi laser de extracție speciale, cu doua găuri in ea. Patentul US2008257294A1 propune modificare motorului astfel incat fiecare camera de ardere sa fie echipata cu mai multe dispozitive laser, soluția fiind destul de costisitoare. O alta propunere de patent, WO2012039123A1/WOJP005268/20 Sept. 2011, prezintă o soluție de obținere a mai multor fascicole laser, in configurația pompaj longitudinal, folosind un mediu activ cu diametru mare si cate 5 lentile pentru fiecare fascicul.

Intr-un patent anterior, A 2010 01326, depus de autorii acestei invenții a fost oferita o soluție simpla si eleganta pentru depășirea unora dintre obstacolele menționate, utilizând un nou aranjament pentru un laser compact care sa livreza un singur fascicol laser. In aceasta invenție propunem un sistem laser monolitic, compozit, compact care livrează direct doua fascicule laser prin utilizarea unui singur mediu activ laser si unui singur cristal cu absorbție saturabila.

Descrierea invenției. Conform invenției, asa cum este descrisa in continuare, problema unui montaj simplu, eficient si care nu schimba transmisia inițiala a comutatorului pasiv prin absorbție parazita a radiației de pompaj, este rezolvata prin faptul ca mediul activ solid compozit este proiectat astfel incat radiația de pompaj poate fi introdusa in mediul activ folosind doua fibre optice ce se afla in contact direct cu materialul laser compozit, prin faptul ca propagarea radiației de pompaj in mediul laser înainte si înapoi se face prin prin reflexie totala interna, prin faptul ca întregul ansamblu este fabricat fara elemente de reglaj care se pot deteriora atunci când funcționează in regim de vibrații, prin faptul ca pulsul laser comutat se propaga in mediu prin reflexie totala interna; prin faptul ca exista doua oglinzi de extracție si se generează doua pulsuri laser.

Pentru a elimina posibilitatea dezalinierii mediului activ acesta este fabricat prin asamblarea, prin difuzie termica, a patru piese: i) mediul activ laser in forma de paralelipiped patrat Ia unul dintre capete si sub forma de ansamblu piramidal la celalalt capat; ii) un comutator pasiv avand forma de paralelipiped patrat si iii) doua prisme dintr-un material optic nedopat avand același indice de refracție ca si materialul gazda, prismele fiind lipite de mediul activ astfel incat propagarea radiației de pompaj sa se faca in direcție opusa poziției comutatorului pasiv.

2 0 1 3 - 0 0 4 1 7 -3 0 -05- 2013

Cuplarea radiației de pompaj in cristalul laser poate fi făcută, in principiu, in diferite moduri. Cu toate acestea este in mod particular foarte avantajos ca radiația de pompaj sa fie ghidata in cristal prin reflexie totala interna astfel incat zona activa sa fie excitata in mod uniform. Ghidarea prin reflexie totala interna apare întotdeauna când divergenta fascicolului de pompaj este astfel incat radiația cade pe suprafața reflectatoare la un unghi mai mare dacat unghiul limita corespunzător reflexiei totale interne. Un astfel de montaj de ajustare a divergentei se obține, folosind configurația propusa de noi, prin simpla apropiere a fibrelor optice de suprafața de intrare a prismelor. Datorita faptului ca mediul activ laser trebuie atașat prin lipirea acestuia la un suport mecanic este in mod particular avantajos ca suprafața ce este lipita sa fie acoperita cu straturi dielectrice subțiri astfel incat sa formeze o oglinda cu reflectivitate 100% pentru radiația laser.

Pentru a obține o conductie termica buna de la stratul reflectator la corpul de răcire este avantajos sa aplicam un pachet de straturi metalice, acestea avand rolul de a asigura o aderenta ridicata a joncțiunii dielectric-metal precum si un transfer termic ridicat. Acest lucru este posibil atunci când folosim un amestec metalic a cărui temperatura de topire este sub temperatura de deteriorare a straturilor dielectrice care constituie oglinda si are un coeficient de dilatare care este similar cu cel al cristalului laser. Intr-o astfel de configurație suprafața lipita îndeplinește mai multe funcții: suport mecanic pentru cristalul laser, oglinda cu reflexie totala de banda larga pentru radiația de pompaj si cea laser, transfer eficient de căldură de la mediul activ către extractorul de căldură. Propagarea radiației de pompaj se face prin reflexie totala interna folosind toate cele patru suprafețe longitudinale ale prismei. Baza patrata a mediului activ laser se lipește de materialul care constituie comutatorul pasiv. Un astfel de cristal compozit se realizează prin contact optic sau prin folosirea de materiale ceramice prelucrate optic si lipite prin tehnologii specifice fabricației materialelor ceramice. Oglinzile care formează rezonatorul laser se depun direct pe cristalul compozit, astfel incat suprafețele celor trei oglinzi, una cu reflectivitate 100% la lungimea de unda laser iar celelalte doua cu reflectivitate parțiala, sunt perfect perpendiculare pe fascicolul laser.

Pompajul optic transversal folosit de configurația laser propusa prin invenție introduce de o maniera simpla si fara pierderi radiația de pompaj in cristalul laser.

Cu privire la materialele gazda folosite pentru ionii dopanti invenția este in mod special folositoare pentru ionii Yb si Nd incorporați in YAG, YAP, YVO₄, etc.

Dimensional, cristalul laser are dimensiuni transversale cuprinse intre 0.8mm si 1.2mm si o lungime de 3-15 mm, dimensiunile prismelor fiind corelate cu dimensiunile fibrei optice si cu divergenta fascicolului de pompaj.

O alta problema care apare in cazul laserilor comutați pasiv ce funcționează la densități de--_;·. putere foarte mari este scăderea transmisiei inițiale a comutatorului pasiv atunci când radiația de / ...

Λ- 2 0 1 3 - 0 0 4 1 7 -- 33

Ο -05- 2013 pompaj este absorbita parțial de comutatorul pasiv. Acest fenomen duce la o scădere drastica a eficientei laserului, încălziri suplimentare, calitate slaba a fascicolului laser.

Fenomenul menționat este evitat in invenția descrisa mai sus datorita faptului ca drumul optic parcurs de radiația de pompaj in mediul activ este suficient de lung ca sa producă absorbția acesteia in totalitate.

Avantajul invenției trebuie văzut si in faptul ca prin folosirea unui cristal compozit rezulta un sistem laser simplu si stabil care livrează doua pulsuri laser si care, datorita pompajului cu doua diode laser, pot fi repetate intr-un interval de timp controlabil, de exemplu in domeniul lOOnslOOms.

Alte caracteristici si avantaje ale invenției rezulta din desenele următoare.

Fig.l a) si b) arata schema de ansamblu a sistemului laser inventat (secțiuni longitudinale, perpendiculare intre ele);

Fig. 2 este o vedere 3D a propagării fascicolului de pompaj prin cristalul compozit;

Fig. 3 este o vedere laterala a propagării fascicolului de pompaj prin mediul activ;

Fig. 4 este o vedere de sus a propagării fascicolului laser prin ansamblul mediu activcomutator pasiv.

Sistemul laser prezentat in Fig.l cuprinde un cristal laser (1, Fig.la) avand zona centrala formata din Nd:YAG, lipita de doua prisme de YAG (2 si 3, Fig.lb), si de un cristal dopat cu Cr⁴⁺:YAG (4, Fig.la) care actioneaza ca si comutator pasiv. Partea inferioara a ansamblului este acoperita cu straturi dielectrice multiple care elimina pierderile prin unda evanescenta a radiației de pompaj si asigura propagarea prin reflexie totala interna a fascicolului laser (19, Fig. 4). Ansamblul menționat este lipit de suportul mecanic (5, Fig.la) prin folosirea unei rășini cu continui ridicat de pulbere metalica sau prin tehnologia multistrat metalic (20, Fig.4); pompajul optic se face cu doua diode laser cuplate la doua fibre optice avand căpătui de ieșire taiat la un unghi adecvat care asigura pierderi minime la intrarea in prisma (6 si 7, Fig.lb); rezonatorul optic este format din oglinzile (12 si 13, Fig.2) parțial reflectatoare, depuse direct pe mediul activ Nd:YAG si de oglinda cu înalta reflectivitate depusa direct pe comutatorul pasiv Cr⁴⁺:YAG (14, Fig.2); pompajul optic se face prin suprafața prismei de pompaj care are un unghi astfel ales incat asigura condiția de reflexie totala interna pentru toate razele care ies din fibra optica. Asa cum se ilustrează in Fig. 3 radiația de pompaj (15 si 16, Fig. 3) emisa de sursa de pompaj (6 si 7, Fig.lb) este livrata de fibrele optice pe suprafatele prismelor de unde se propaga prin reflexie totala interna in mediul activ unde este absorbita uniform de ionii activi si produce o inversie de populație a ionilor activi, de exemplu Nd. Când inversia de populație atinge nivelul de prag, comutatorul pasiv; '77;. se satureaza rapid rezultând un puls laser gigant care are o durata de aproximativ o nanosecunda. 7

^2 0 1 3 - 0 0 4 1 7 -3 0 -05- 2013

Fiindcă rezonatorul laser are doua oglinzi de extracție (12 si 13 Fig. 2) pot rezulta doua pulsuri laser (17 si 18 Fig. 4) cu energii de peste 3 mJ funcție pe parametrii constructivi ai mediului activ, ai comutatorului pasiv si de parametrii pompajului. Pulsurile laser sunt focalizate de către doua lentile (10 si 11 Fig.l) si trec prin ferestrele de protecție (8 si 9 Fig.l) către camera de ardere. Testele făcute de autori au aratat ca un puls laser cu energia de 3 mJ si cu durata pulsului de Ins, produce prin focalizare plasma in aer prin fenomenul de ionizare in avalanșa a moleculelor existente in aer provocând astfel inițierea aprinderii amestecului combustibil. Studiile existente au aratat ca, in cazul aprinderii cu laserul in doua puncte diferite din volumul camerei de ardere, frontul de ardere se propaga mult mai rapid ceea ce este avantajos din punctul de vedere al eficientei motorului si al noxelor rezultate din ardere.

Claims (3)

1. REVENDICĂRI

   1. Un laser comutat pasiv ce folosește un mediu activ laser de tip compozit, cristalin sau ceramic, dopat cu ioni care absorb radiația de pompaj (1, Fig. la) are atașate, prin difuzie termica, alte trei elemente care servesc la introducerea eficienta a radiației de pompaj in mediul activ (prisme nedopate, 2 si 3, Fig. lb) si la comutarea pasiva a laserului (4, Fig. la), pompat cu diode laser prin fibre optice (6 si 7, Fig. lb) atașate direct la suprafața de intrare a prismei, avand un rezonator optic format din oglinzile de extracție (12 si 13, Fig. 4) si oglinda formata din straturi dielectrice subțiri de înalta reflectivitate (14, Fig. 2) depusa direct pe suprafața plana a comutatorului pasiv si care prin funcționare produce doua pulsuri laser simultan.
2. 2. Un material compozit activ laser asa cum este definit in revendicarea 1, material ce are la un capat forma de paralelipiped patrat cu latura bazei mult mai mica decât lungimea si o forma de diedru la celalalt capat, si care asigura o absorbție omogena a fascicolului laser de pompaj iar prin forma sa asigura eliminarea lentilelor de colimare si focalizare a radiației de pompaj, elimina posibilitatea ca fotonii de pompaj sa deschidă comutatorul pasiv înainte de atingerea maximului inversiei de populație, are o funcționare stabila pana la 150°C si este insensibil la vibrații.
3. 3. Metoda de a utiliza dispozitivul menționai la punctul 1 pentru a genera doua perechi de pulsuri laser cu un ecart temporal reglabil intre cele doua perechi de pulsuri fapt care influențează pozitiv eficienta dispozitivului in aprinderea amestecurilor combustibile.