RU195797U1 - Pulsed laser semiconductor emitter - Google Patents

Pulsed laser semiconductor emitter Download PDF

Info

Publication number
RU195797U1
RU195797U1 RU2019127725U RU2019127725U RU195797U1 RU 195797 U1 RU195797 U1 RU 195797U1 RU 2019127725 U RU2019127725 U RU 2019127725U RU 2019127725 U RU2019127725 U RU 2019127725U RU 195797 U1 RU195797 U1 RU 195797U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radiation
emitter
base
laser
laser diodes
Prior art date
Application number
RU2019127725U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Игорьевич Данилов
Сергей Михайлович Сапожников
Владимир Александрович Симаков
Алексей Викторович Подкопаев
Евгений Владленович Бурый
Сергей Леонидович Сумин
Игорь Юрьевич Ударов
Original Assignee
Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России)
Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (АО "НИИ "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России), Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" (АО "НИИ "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха") filed Critical Российская Федерация в лице Министерства промышленности и торговли Российской Федерации (Минпромторг России)
Priority to RU2019127725U priority Critical patent/RU195797U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU195797U1 publication Critical patent/RU195797U1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/30Structure or shape of the active region; Materials used for the active region
    • H01S5/32Structure or shape of the active region; Materials used for the active region comprising PN junctions, e.g. hetero- or double- heterostructures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/40Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4018Lasers electrically in series
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00Semiconductor lasers
    • H01S5/40Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
    • H01S5/4025Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
    • H01S5/4031Edge-emitting structures
    • H01S5/4056Edge-emitting structures emitting light in more than one direction

Abstract

Полезная модель относится к лазерной технике. Импульсный лазерный полупроводниковый излучатель содержит основание с решетками лазерных диодов, находящихся равномерно под углом друг к другу по окружности минимального диаметра на плоскости, перпендикулярной оси излучения излучателя, с электрическими выводами и герметичной оболочкой, содержащей крышку с прозрачным для излучения лазерных диодов окном и корпус. Число решеток лазерных диодов является нечетным. P-n-переход каждой из решеток параллелен виртуальной плоскости, проведенной через центр каждой из них и центр основания. Основание является теплопроводящим. Решетки лазерных диодов электрически соединены последовательно с соблюдением полярности и с оборотной стороны основания подключены к выходной обмотке введенного импульсного согласующего трансформатора с коэффициентом трансформации K, имеющего обмотку смещения рабочей точки сердечника, выполненного из магнитного материала с большой величиной индукции насыщения. Технический результат заключается в обеспечении возможности получения высокой равномерности интенсивности излучения при близкой к окружности форме контура поперечного сечения диаграммы направленности излучения с большой импульсной мощностью излучения. 6 ил.The utility model relates to laser technology. A pulsed laser semiconductor emitter contains a base with arrays of laser diodes that are uniformly at an angle to each other around a circle of minimum diameter on a plane perpendicular to the axis of radiation of the emitter, with electrical leads and a sealed enclosure containing a cover with a window and a housing transparent to the radiation of laser diodes. The number of gratings of laser diodes is odd. The Pn junction of each lattice is parallel to the virtual plane drawn through the center of each of them and the center of the base. The base is thermally conductive. The laser diode arrays are electrically connected in series with the correct polarity, and on the reverse side of the base are connected to the output winding of an inserted pulse matching transformer with a transformation coefficient K having a bias winding of the core operating point made of magnetic material with a large saturation induction value. The technical result consists in providing the possibility of obtaining a high uniformity of the radiation intensity with a near-circumferential shape of the contour of the cross section of the radiation pattern with a large pulsed radiation power. 6 ill.

Description

Полезная модель относится к лазерной технике, и может быть использовано в промышленности для организации открытых каналов передачи информации, в технологии, медицине, системах накачки твердотельных лазеров, контрольно-измерительной аппаратуре.The utility model relates to laser technology, and can be used in industry for organizing open channels for transmitting information, in technology, medicine, pumping systems for solid-state lasers, instrumentation.

Повышение характеристик лазерных систем в основном решают путем увеличения их импульсной мощности излучения в узком спектральном диапазоне, приближение диаграммы направленности (далее ДН) поля излучения осесимметричной ДН с круглым поперечным сечением. Одновременно решают задачу снижения массы лазерных излучателей, в том числе - за счет отказа от применения формирующей оптики.The improvement of the characteristics of laser systems is mainly solved by increasing their pulsed radiation power in a narrow spectral range, approximating the radiation pattern (hereinafter referred to as the radiation pattern) of the radiation field of an axisymmetric radiation beam with a circular cross section. At the same time, they solve the problem of reducing the mass of laser emitters, including by eliminating the use of forming optics.

Известны полупроводниковые излучатели (см., например, [патент RU 141870, B64F 1/18, публ. 20.06.2014], [патент RU 2241287, H01S 5/00, 5/40, публ. 27.11.2004], [патент RU 2187183, H01S 5/00, 5/40, публ. 10.08.2002]).Semiconductor emitters are known (see, for example, [patent RU 141870, B64F 1/18, publ. 06/20/2014], [patent RU 2241287, H01S 5/00, 5/40, publ. 11/27/2004], [patent RU 2187183, H01S 5/00, 5/40, publ. 10.08.2002]).

В полезной модели по патенту 141870 лазерные модули равномерно размещены по окружности, каждый из них сориентирован большой осью пятна облучения осесимметрично в радиальном направлении и развернут в сторону от оси излучателя, кроме того введены диафрагмы у каждого лазерного модуля, снижающие освещенность.In the utility model according to patent 141870, the laser modules are evenly spaced around the circumference, each of them is oriented by the large axis of the irradiation spot axisymmetrically in the radial direction and deployed away from the axis of the emitter, in addition, diaphragms are introduced at each laser module to reduce illumination.

В изобретении по патенту 2241287 исключена формирующая оптика в импульсном лазерном полупроводниковом излучателе и использовано по крайней мере два звена блоков лазерных диодов. Внутри каждого из звеньев требуется точно выдерживать в том числе различные углы разворота р-n переходов блоков лазерных диодов как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях излучателя, что создает большие сложности при сборке данных излучателей.In the invention according to patent 2241287, forming optics in a pulsed laser semiconductor emitter is excluded and at least two links of blocks of laser diodes are used. Inside each of the links it is required to accurately withstand, among other things, various pivoting angles of pn junctions of the blocks of laser diodes in both the vertical and horizontal planes of the emitter, which creates great difficulties in assembling these emitters.

Наиболее близким по технической сущности является известный излучатель лазерный полупроводниковый инжекционный (см. [патент RU 2187183, H01S 5/00]), имеющий герметичную оболочку, состоящую из корпуса с выводами и крышки со стеклом. Блоки лазерных диодов установлены на плоскости корпуса, перпендикулярной к оси излучения, по окружности минимального диаметра путем последовательного их разворота относительно друг друга. В соответствии с приведенным примером «Блоки лазерных диодов расположены равномерно по окружности с угловым шагом 2α, так, что p-n-переходы каждого блока 1, 3, 5, 7, 9 направлены к центру окружности (параллельны линии, соединяющей центр блока лазерного диода и центр окружности), а p-n-переходы блоков 2, 4, 6, 8, 10 развернуты относительно направления к центру окружности на угол α по часовой стрелке вокруг своей оси.» Получена ДН излучателя, близкая к круглосимметричной (т.е. осесимметричной, с круглым поперечным сечением). При этом линейные размеры тела свечения, а, следовательно, и всего излучателя получены минимальными, отмечена его устойчивость к внешним механическим факторам. Излучатель по патенту RU 2187183 принят нами за прототип.The closest in technical essence is the known laser semiconductor injection emitter (see [patent RU 2187183, H01S 5/00]) having a sealed enclosure consisting of a housing with leads and a cover with glass. The blocks of laser diodes are mounted on the plane of the housing, perpendicular to the axis of radiation, around the circumference of the minimum diameter by sequentially turning them relative to each other. According to the above example, “The blocks of laser diodes are evenly spaced around the circle with an angular pitch of 2α, so that the pn junctions of each block 1, 3, 5, 7, 9 are directed to the center of the circle (parallel to the line connecting the center of the laser diode block and the center circles), and the pn junctions of blocks 2, 4, 6, 8, 10 are rotated relative to the direction to the center of the circle at an angle α clockwise around its axis. ”The emitter’s bottom is obtained that is close to round-symmetric (that is, axisymmetric, with a round cross section). In this case, the linear dimensions of the luminescence body, and, consequently, of the entire emitter, were obtained to be minimal; its resistance to external mechanical factors was noted. The emitter of the patent RU 2187183 adopted by us for the prototype.

В тоже время устройство с такими параметрами недостаточно эффективно, показана малая импульсная мощность излучения, недостаточная ее стабильность, высокое тепловыделение. В нем ограничено управление его параметрами.At the same time, a device with such parameters is not effective enough, low pulse power of the radiation, its insufficient stability, and high heat generation are shown. It has limited control over its parameters.

Техническим результатом предложенной полезной модели является повышение характеристик лазерных систем за счет увеличения импульсной мощности излучения и улучшения равномерности интенсивности излучения при наилучшем приближении контура поперечного сечения к окружности диаграммы направленности (далее ДН) импульсного лазерного полупроводникового излучателя с узким спектральным диапазоном, а также снижение среднего тепловыделения.The technical result of the proposed utility model is to increase the characteristics of laser systems by increasing the pulsed radiation power and improving the uniformity of radiation intensity with the best approximation of the contour of the cross section to the circumference of the radiation pattern (hereinafter NF) of a pulsed laser semiconductor emitter with a narrow spectral range, as well as reducing the average heat generation.

В соответствии с предлагаемой полезной моделью технический результат достигается тем, что предложен импульсный лазерный полупроводниковый излучатель (далее Излучатель), содержащий основание с блоками лазерных диодов, далее названными решетками лазерных диодов (далее РЛД), находящимися равномерно под углом друг к другу по окружности минимального диаметра на плоскости, перпендикулярной оси излучения излучателя, с электрическими выводами и герметичной оболочкой, содержащей крышку с прозрачным для излучения лазерных диодов окном и корпус. При этом имеется преимущественно нечетное число РЛД с p-n-переходами каждой из них, параллельными виртуальной плоскости, проведенной через центр каждой из них и центр основания. Основание является теплопроводящим. Все РЛД электрически соединены последовательно с соблюдением полярности и с оборотной стороны основания подключены к выходной обмотке введенного импульсного согласующего трансформатора с коэффициентом трансформации K, имеющего обмотку смещения рабочей точки сердечника, являющегося магнитопроводом, выполненного из магнитного материала с большой величиной индукции насыщения, например, нанокристаллического металлического сплава.In accordance with the proposed utility model, the technical result is achieved by the fact that a pulsed laser semiconductor emitter (hereinafter referred to as the Emitter) is proposed, comprising a base with laser diode blocks, hereinafter referred to as laser diode arrays (hereinafter RLD), uniformly at an angle to each other around the circumference of the minimum diameter on a plane perpendicular to the axis of radiation of the emitter, with electrical leads and a sealed enclosure containing a cover with a window and a body transparent to the radiation of laser diodes a. Moreover, there is a predominantly odd number of RLDs with p-n junctions of each of them parallel to the virtual plane drawn through the center of each of them and the center of the base. The base is thermally conductive. All RLDs are electrically connected in series with the correct polarity and on the reverse side of the base are connected to the output winding of an inserted pulse matching transformer with a transformation coefficient K having a bias winding of the core operating point, which is a magnetic core made of magnetic material with a large saturation induction value, for example, nanocrystalline metal alloy.

Предложенная совокупность существенных признаков позволила создать значительно более мощный Излучатель с узким спектральным диапазоном излучения, с улучшенной равномерностью интенсивности излучения с наилучшим приближением контура поперечного сечения ДН к окружности за счет суперпозиции полей определенно ориентированных РЛД преимущественно нечетного числа, на которые импульсы тока накачки подаются не напрямую, а через оригинальный импульсный согласующий трансформатор с коэффициентом трансформации К=5. При этом получена возможность уменьшить длительность импульса тока накачки и при сохранении его значительной амплитуды увеличить длину питающих проводников и уменьшить величину их сечения, а также за счет уменьшения тепловыделения в РЛД увеличить частоту следования импульсов тока накачки РЛД. Нами также получено приближение контура сечения ДН к окружности при меньшем количестве РЛД, чем в прототипе.The proposed set of essential features made it possible to create a much more powerful Emitter with a narrow spectral range of radiation, with improved uniformity of radiation intensity with the best approximation of the DN cross section contour to the circle due to the superposition of fields of specifically oriented RLDs of predominantly odd numbers, to which the pump current pulses are not directly applied, and through the original pulse matching transformer with a transformation coefficient of K = 5. At the same time, it was possible to reduce the duration of the pump current pulse and, while maintaining its significant amplitude, increase the length of the supply conductors and reduce their cross-section, and also by increasing the heat generation in the RLD, increase the repetition rate of the RLD pump current pulses. We also obtained the approximation of the contour of the cross section of the DN to the circle with a smaller number of RLDs than in the prototype.

Импульсный согласующий трансформатор обеспечивает формирование импульсов тока накачки с требуемой большой амплитудой при том, что амплитуда импульсов тока в первичной обмотке согласующего трансформатора и проводниках, соединяющих генератор импульсов и согласующий импульсный трансформатор, в K раз меньше, чем амплитуда импульсов тока, протекающих через РЛД, что, в свою очередь, позволяет обеспечить протекание через РЛД импульсов тока амплитудой 140 А - 175 А с длительностью единиц (3-5) микросекунд и тем снизить тепловыделение РЛД, а также увеличить максимальную интенсивность формируемого излучения, по сравнению с интенсивностью для импульсов большей длительности в десятки - сотни микросекунд.The pulse matching transformer provides the formation of pump current pulses with the required large amplitude, while the amplitude of the current pulses in the primary winding of the matching transformer and the conductors connecting the pulse generator and the matching pulse transformer are K times less than the amplitude of the current pulses flowing through the RLD, which , in turn, allows for the flow of current pulses through the RLD with an amplitude of 140 A - 175 A with a duration of units (3-5) microseconds and thereby reduce the heat generation of the RLD, as well as to increase the maximum intensity of the generated radiation, in comparison with the intensity for pulses of a longer duration of tens to hundreds of microseconds.

При этом излучатель может быть удален от источника импульсов тока накачки, что особенно важно при необходимости плотной упаковки составных частей изделия применения.In this case, the emitter can be removed from the source of pulses of the pump current, which is especially important if it is necessary to tightly pack the components of the product.

Обмотка смещения служит для задания положения рабочей точки магнитного сердечника трансформатора, при котором обеспечивается максимальный диапазон рабочей индукции. Применение сердечника, изготовленного из материала с большой величиной индукции насыщения (например, из нанокристаллического металлического сплава), обеспечивает минимальный размер трансформатора, а также малые величины токов намагничивания первичной обмотки и обмотки смещения, что, в свою очередь, способствует минимальным искажениям формы трансформируемого импульса тока.The bias winding serves to set the position of the operating point of the magnetic core of the transformer, which ensures the maximum range of working induction. The use of a core made of a material with a large value of saturation induction (for example, of a nanocrystalline metal alloy) ensures a minimum transformer size, as well as small values of the magnetization currents of the primary and bias windings, which, in turn, contributes to minimal distortion of the shape of the transformed current pulse .

Технический результат достигается также тем, чтоThe technical result is also achieved by the fact that

- имеется цилиндрический теплопроводящий корпус, при этом возможны случаи использования для ряда применений конструкции квадратного основания, квадратного или прямоугольного корпуса и для них вся заявленная совокупность признаков не изменится.- there is a cylindrical heat-conducting body, while it is possible to use the construction of a square base, square or rectangular case for a number of applications, and for them the entire claimed combination of features will not change.

По имеющимся у авторов сведениям, совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемого изобретения, неизвестна и не следует из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии полезной модели критерию "Новизна". Из всех обнаруженных нами источников информации не вытекает возможности получения предложенной нами совокупности признаков.According to the information available to the authors, the set of essential features characterizing the essence of the claimed invention is unknown and does not follow from the prior art, which allows us to conclude that the utility model meets the criterion of "Novelty". From all the sources of information that we have discovered, the possibility of obtaining the set of features we have proposed does not follow.

Технологическая реализация предложенного излучателя лазерного полупроводникового инжекционного основана на известных базовых методах изготовления полупроводникового излучателя и импульсного согласующего трансформатора, которые к настоящему времени хорошо разработаны и широко применяются. Предложение удовлетворяет критерию «Промышленная применимость».The technological implementation of the proposed laser semiconductor injection emitter is based on well-known basic methods for manufacturing a semiconductor emitter and a pulsed matching transformer, which are currently well developed and widely used. The proposal meets the criterion of "Industrial Applicability".

Настоящее изобретение поясняется фигурами 1-6.The present invention is illustrated by figures 1-6.

На Фиг. 1 а) схематично изображен продольный разрез предложенного Излучателя в соответствии с примером 1;In FIG. 1 a) schematically shows a longitudinal section of the proposed Emitter in accordance with example 1;

б) изображен вид А на основание с установленными решетками лазерных диодов при снятой крышке со стеклом в соответствии с примером 1.b) shows view A on the base with the installed arrays of laser diodes with the cover removed with glass in accordance with Example 1.

На фиг. 2 изображена вспомогательная схема для определения зависимости интенсивности I (ω,α) излучения Излучателя.In FIG. Figure 2 shows an auxiliary circuit for determining the dependence of the intensity I (ω, α) of the radiation of the Emitter.

На фиг. 3 а) изображена зависимость интенсивности I (ω,α) излучения Излучателя в соответствии с Примером 1 (9 РЛД);In FIG. 3 a) shows the dependence of the intensity I (ω, α) of the radiation of the Emitter in accordance with Example 1 (9 RLD);

б) изображена диаграмма направленности излучения Излучателя в соответствии с Примером 1 (9 РЛД).b) the radiation pattern of the Emitter is shown in accordance with Example 1 (9 RLD).

На фиг. 4 а) изображена зависимость интенсивности I (ω,α) излучения Излучателя в соответствии с Примером 2 (10 РЛД);In FIG. 4 a) shows the dependence of the intensity I (ω, α) of the radiation of the Emitter in accordance with Example 2 (10 RLD);

б) изображена диаграмма направленности излучения Излучателя в соответствии с Примером 2(10 РЛД).b) the radiation pattern of the Emitter is shown in accordance with Example 2 (10 RLD).

На фиг. 5 а) изображена зависимость интенсивности I (ω,α) излучения Излучателя в соответствии с Примером 3 (8 РЛД);In FIG. 5 a) shows the dependence of the intensity I (ω, α) of the radiation of the Emitter in accordance with Example 3 (8 RLD);

б) изображена диаграмма направленности излучения Излучателя в соответствии с Примером 3 (8 РЛД).b) the radiation pattern of the Emitter is shown in accordance with Example 3 (8 RLD).

На фиг. 6 а) изображена зависимость интенсивности I (ω,α) излучения Излучателя в соответствии с Примером 4 (7 РЛД);In FIG. 6 a) shows the dependence of the intensity I (ω, α) of the radiation of the Emitter in accordance with Example 4 (7 RLD);

б) изображена диаграмма направленности излучения Излучателя в соответствии с Примером 4 (7 РЛД).b) the radiation pattern of the Emitter is shown in accordance with Example 4 (7 RLD).

Далее приводим список позиций, указанных на прилагаемых фигурах (сквозная нумерация):The following is a list of the positions indicated on the attached figures (continuous numbering):

1 - Излучатель,1 - Emitter,

2 - решетка лазерных диодов (далее РЛД),2 - the array of laser diodes (hereinafter RLD),

3 - основание,3 - base

4 - первая крышка (с окном со стороны вывода излучения),4 - the first cover (with a window on the side of the radiation output),

5 - окно, прозрачное для лазерного излучения,5 - window, transparent to laser radiation,

6 - цилиндрический теплопроводящий корпус,6 - cylindrical heat-conducting body,

7 - вторая крышка,7 - the second cover,

8 - электрические выводы каждой РЛД.8 - electrical leads of each RLD.

9 - крайние электрические выводы РЛД,9 - extreme electrical conclusions RLD,

10 - согласующий импульсный трансформатор,10 - matching pulse transformer,

11 - входные внешние электрические выводы упомянутого трансформатора,11 - input external electrical terminals of said transformer,

12 - выходные электрические контакты трансформатора,12 - output electrical contacts of the transformer,

13 - паз для ввода входных внешних электрических выводов трансформатора,13 - groove for inputting input external electrical terminals of the transformer,

14 - обмотки трансформатора,14 - transformer windings,

15 - сердечник трансформатора,15 - transformer core,

16 - заливочный компаунд16 - casting compound

17 - ось излучения Излучателя,17 - radiation axis of the Emitter,

18 - первая виртуальная плоскость наблюдения,18 - the first virtual observation plane,

19 - вторая виртуальная плоскость наблюдения.19 - second virtual observation plane.

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретными вариантами осуществления Излучателя. Приведенные примеры модификаций не являются единственными и предполагают наличие других реализаций.In the future, the invention is illustrated by specific embodiments of the Emitter. The given examples of modifications are not the only ones and suggest the presence of other implementations.

Пример 1. Устройство Излучателя 1, схематично изображенное на Фиг. 1, характеризуется следующим. На плоской поверхности медного теплопроводящего основания 3 по окружности с одинаковым углом разворота θn, равном 40±0,25° относительно его центра расположено девять РЛД 2 с практически одинаковыми характеристиками ДН дальнего поля излучения, соединенных между собой электрическими выводами 8 последовательно с соблюдением полярности, крайние электрические выводы 9 выведены на оборотную сторону основания 3.Example 1. The device of the Emitter 1, schematically depicted in FIG. 1 is characterized by the following. On a flat surface of a copper heat-conducting base 3 around a circle with the same pivot angle θ n equal to 40 ± 0.25 ° relative to its center, there are nine RLDs 2 with almost identical characteristics of the far-field radiation field, interconnected by electrical leads 8 in series with respect to the polarity, extreme electrical leads 9 are displayed on the back of the base 3.

С обратной стороны основания 3 центрировано расположен узел согласования, представляющий собой импульсный согласующий трансформатор 10, выходные электрические контакты 12 которого соединены с крайними электрическими выводами 9 РЛД 2. Входные электрические выводы 11 импульсного согласующего трансформатора 10 подключены к внешней электрической схеме накачки - внешнему генератору коротких импульсов тока (на фигуре не показаны), отнесенного на расстояние 50 см (в других случаях может быть иное расстояние требуемое и удобное для эксплуатации, порядка 30 - 70 см). Со стороны РЛД 2 на основании 3 имеется первая крышка 4 со стеклянным выходным окном 5. Со стороны согласующего импульсного трансформатора 10 Излучатель 1 заключен в цилиндрический теплопроводящий корпус 6, соединенный с основанием 3 по периметру его боковой стороны. Цилиндрический теплопроводящий корпус 6 снизу закрыт второй крышкой 7 и в ней выполнен паз 13 для входных внешних электрических выводов 11. Между корпусом 6, изолированными электрическими выводами 9, 11, 12 и импульсным согласующим трансформатором 11 имеется заливочный компаунд 16.On the reverse side of the base 3, a matching unit is located centered, which is a pulse matching transformer 10, the output electrical contacts 12 of which are connected to the extreme electrical terminals 9 of the RLD 2. The input electrical terminals 11 of the pulse matching transformer 10 are connected to an external pump circuit - an external short pulse generator current (not shown in the figure), referred to a distance of 50 cm (in other cases, there may be a different distance required and convenient for operation, p Row 30 - 70 cm). On the side of the RLD 2 on the base 3 there is a first cover 4 with a glass exit window 5. On the side of the matching pulse transformer 10, the Emitter 1 is enclosed in a cylindrical heat-conducting housing 6 connected to the base 3 along the perimeter of its side. The cylindrical heat-conducting body 6 is closed from below by a second cover 7 and a groove 13 is made in it for input external electrical leads 11. Between the housing 6, the insulated electrical leads 9, 11, 12 and the pulse matching transformer 11 there is a casting compound 16.

Импульсный согласующий трансформатор 10 обеспечивает получение в нагрузке, которая состоит из последовательно соединенных РЛД 2, импульса тока большой амплитуды величиной до 200 А длительностью от 3 до 5 мкс, фронт и спад которого имеют длительности менее 1,5 мкс. Столь малые длительности фронта и спада обеспечиваются за счет реализации трансформатора с коэффициентом трансформации K, равном 5. При этом индуктивность проводников 8, соединяющих между собой РЛД 2 и выходную обмотку трансформатора 10, образующих контур протекания тока, оказывается меньшей индуктивности рассеяния импульсного согласующего трансформатора 10 и минимально влияет на увеличение длительности фронта и спада протекающего в этом контуре импульса тока. С целью минимизации габаритов и массы импульсного согласующего трансформатора 10, а также минимизации паразитной емкости и индуктивности рассеяния этого трансформатора 10 используется магнитопровод, изготовленный из материала с большой величиной индукции насыщения - например, нанокристаллического металлического сплава марки 5Т-М ТУ 14-23-215-2009. Этой же цели служит двухкратное увеличение диапазона изменения индукции, которое достигается магнитным смещением магнитопровода. Оно реализуется обмоткой магнитного смещения, на которую перед формированием импульса тока накачки РЛД 2 подается маломощный электрический импульс. Длительность этого импульса должна гарантированно обеспечивать формирование необходимого магнитного потока смещения. В результате применения импульсного согласующего трансформатора 10 допустимая индуктивность электрической линии соединения Излучателя 1 и генератора электрических импульсов увеличивается в K2 раз.The pulse matching transformer 10 provides, in the load, which consists of a series-connected RLD 2, a large-amplitude current pulse of up to 200 A in duration from 3 to 5 μs, the front and falling of which have a duration of less than 1.5 μs. Such short durations of the rise and fall are ensured by the implementation of a transformer with a transformation coefficient K equal to 5. In this case, the inductance of the conductors 8 connecting the RLD 2 and the output winding of the transformer 10, forming a current path, is less than the leakage inductance of the pulse matching transformer 10 and minimally affects the increase in the duration of the front and the decline of the current pulse flowing in this circuit. In order to minimize the dimensions and mass of the pulse matching transformer 10, as well as to minimize the stray capacitance and dissipation inductance of this transformer 10, a magnetic circuit is used made of a material with a large saturation induction value, for example, a 5T-M TU 14-23-215- nanocrystalline metal alloy 2009. A double increase in the range of variation of the induction, which is achieved by magnetic displacement of the magnetic circuit, serves the same purpose. It is implemented by a magnetic bias winding, to which a low-power electric pulse is supplied before the formation of the pulse of the pump current of the RLD 2. The duration of this pulse must be guaranteed to ensure the formation of the necessary magnetic flux bias. As a result of using a pulsed matching transformer 10, the permissible inductance of the electric line connecting the Radiator 1 and the generator of electric pulses increases by K 2 times.

Реализация коротких импульсов тока накачки РЛД 2 снижает выделяемую ими в корпусе 6 Излучателя 1 среднюю тепловую мощность и позволяет увеличить частоту их следования при сохранении высокого амплитудного значения тока накачки.The implementation of short pulses of the pump current RLD 2 reduces the average thermal power emitted by them in the housing 6 of the Radiator 1 and allows increasing their repetition rate while maintaining a high amplitude value of the pump current.

Следует заметить, что нами опробованы и другие марки нанокристаллического магнитного материала, для изготовления сердечника (на фигуре не показан) трансформатора 11. При всех остальных параметрах Излучателя, соответствующих конструкции Примера 1, не обнаружено отклонений от результатов, полученных в Примере 1.It should be noted that we also tested other grades of nanocrystalline magnetic material for the manufacture of the core (not shown in the figure) of transformer 11. For all other parameters of the Emitter, corresponding to the design of Example 1, no deviations from the results obtained in Example 1 were found.

Излучатель 1 работает следующим образом. На вход Излучателя 1, т.е. на первичную обмотку (на фигуре не показано) согласующего трансформатора 10, от внешнего генератора коротких импульсов тока (на фигуре не показан) на вход трансформатора 10 подается импульсный сигнал высокого (800 В) напряжения и малого (30 А) тока. Согласующий импульсный трансформатор 10 с коэффициентом трансформации К равным 5, обеспечивает на выходе рабочие импульсы тока амплитудой порядка 150 А с длительностью 4±1 мкс при напряжении 150 В, что и определило минимальные искажения формы трансформируемого импульса тока.The emitter 1 operates as follows. At the input of the Emitter 1, i.e. to the primary winding (not shown) of the matching transformer 10, from an external generator of short current pulses (not shown) to the input of the transformer 10 is a pulse signal of high (800 V) voltage and small (30 A) current. Matching pulse transformer 10 with a transformation coefficient K equal to 5 provides the output current pulses with an amplitude of about 150 A with a duration of 4 ± 1 μs at a voltage of 150 V, which determined the minimum distortion of the shape of the transformed current pulse.

Для определения интенсивности I, отн.ед., излучения Излучателя в зависимости от позиции наблюдателя нами предложено использовать соотношениеTo determine the intensity I, rel.units, the radiation of the Emitter, depending on the position of the observer, we proposed using the relation

Figure 00000001
,
Figure 00000001
,

где угловые координаты наблюдателя - ω и α, обозначающиеwhere the angular coordinates of the observer are ω and α, denoting

ω, град. - угол разворота плоскости, проходящей через ось Излучателя 1, далее плоскость наблюдения, вокруг оси Излучателя 1;ω, deg. - the angle of rotation of the plane passing through the axis of the Emitter 1, then the observation plane, around the axis of the Emitter 1;

α, град. - угол наклона относительно оси Излучателя 1, а именно угол между осью Излучателя 1 и осью наблюдения в плоскости наблюдения, развернутой на угол ω относительно "нулевого" положения;α, city - the angle of inclination relative to the axis of the Emitter 1, namely the angle between the axis of the Emitter 1 and the axis of observation in the observation plane, rotated by an angle ω relative to the "zero" position;

Wx и Wy, град. - ширина диаграммы направленности РЛД 2 на уровне 0.5 от максимума в плоскостях перпендикулярной и параллельной p-n-переходу соответственно;Wx and Wy, hail. - the beam pattern of the RLD 2 at the level of 0.5 from the maximum in the planes perpendicular and parallel to the p-n junction, respectively;

θn, рад. - угол разворота n-ой РЛД 2 определяется формулой:θ n , rad. - the angle of rotation of the n-th RLD 2 is determined by the formula:

Figure 00000002
Figure 00000002

где n - порядковый номер РЛД 2 и N - общее количество РЛД 2.where n is the ordinal number of RLD 2 and N is the total number of RLD 2.

Предложенная зависимость интенсивности излучения от угла разворота ω плоскости наблюдения вокруг оси Излучателя 1 при различных углах наклона α оси наблюдения по отношению к оси Излучателя 1 (ось наблюдения при значении углах наклона α0 совпадает с осью Излучателя 1) может быть пояснена с помощью Фиг. 2, где изображен Излучатель 1, виртуальные плоскости наблюдения 17 и 18 и показаны угловые координаты наблюдателя - ω и α.The proposed dependence of the radiation intensity on the angle of rotation ω of the observation plane around the axis of the Emitter 1 at various angles of inclination α of the axis of observation with respect to the axis of the Emitter 1 (the axis of observation at an angle of inclination α 0 coincides with the axis of the Emitter 1) can be explained using FIG. 2, where the Emitter 1 is shown, the virtual observation planes 17 and 18 and the angular coordinates of the observer are shown — ω and α.

Ранее было отмечено, что для данного Примера 1 угол разворота θn n-ой РЛД 2 равен 40±0.25°, РЛД 2 подобраны с практически одинаковыми характеристиками ДН дальнего поля излучения, т.е. отклонения значений Wx и Wy, град. пренебрежимо малы и приняты следующими - Wx равна 40±2° и Wy равна 10±1°. После проведения расчетов получены очень незначительные изменения интенсивности I, отн.ед., излучения Излучателя в зависимости от угла разворота ω вокруг оси Излучателя 1 при различных углах наклона α, т.е. в зависимости от позиции наблюдателя (см. Фиг. 3а). Контур поперечного сечения ДН излучения Излучателя 1 близок к окружности (см. Фиг. 3б).It was previously noted that for this Example 1, the turning angle θ n of the n-th RLD 2 is 40 ± 0.25 °, and the RLD 2 are selected with almost identical characteristics of the far-field radiation field, i.e. deviations of the values of Wx and Wy, deg. are negligible and taken as follows - Wx is 40 ± 2 ° and Wy is 10 ± 1 °. After the calculations, very small changes in the intensity I, rel.units, of the Radiator's radiation were obtained depending on the angle of rotation ω around the axis of the Radiator 1 at various tilt angles α, i.e. depending on the position of the observer (see Fig. 3a). The cross-sectional contour of the radiation pattern of the emitter 1 is close to a circle (see Fig. 3b).

В дальнейших примерах исследовано влияние расположения РЛД 2 (изменение угла разворота θn) и выбора числа N РЛД 2 на диаграммы направленности дальнего поля Излучателя 1 и интенсивности I, отн. ед., излучения Излучателя 1 в зависимости от позиции наблюдателя.In further examples, the influence of the position of the RLD 2 (change in the angle of rotation θ n ) and the choice of the number N of the RLD 2 on the radiation patterns of the far field of the Radiator 1 and intensity I, rel. units, radiation of the Emitter 1, depending on the position of the observer.

Пример 2. Во втором примере Излучатель 1 состоит из десяти РЛД 2, расположенных с одинаковым углом разворота θn, равном 36±0,25° относительно его центра. Остальные параметры Излучателя 1 соответствуют конструкции Примера 1.Example 2. In the second example, the Emitter 1 consists of ten RLD 2 located with the same turning angle θ n equal to 36 ± 0.25 ° relative to its center. The remaining parameters of the Emitter 1 correspond to the design of Example 1.

Полученные расчетные результаты интенсивности I, отн.ед., излучения Излучателя в зависимости от позиции наблюдателя показаны на Фиг. 4а. Наблюдается значительно большие колебания значения интенсивности I, отн.ед., что не приемлемо для ряда применений.The obtained calculated results of the intensity I, rel.ed., emitter radiation depending on the position of the observer are shown in FIG. 4a. Significantly large fluctuations in the intensity value I, rel.ed., which is not acceptable for a number of applications.

Контур поперечного сечения ДН излучения Излучателя 1 близок к окружности (см. Фиг. 4б).The cross-sectional contour of the radiation pattern of the Radiator 1 is close to a circle (see Fig. 4b).

Пример 3. В данном примере Излучатель 1 состоит из восьми РЛД 2, расположенных с одинаковым углом разворота θn, равном 45±0,25° относительно его центра. Остальные параметры Излучателя 1 соответствуют конструкции Примера 1. Получено весьма значительное изменение интенсивности излучения в зависимости от угла разворота ω вокруг оси Излучателя 1 при различных углах наклона α (см. Фиг. 5а), что не приемлемо для ряда применений. Контур поперечного сечения ДН излучения Излучателя 1 близок к окружности (см. Фиг. 5б).Example 3. In this example, the Emitter 1 consists of eight RLD 2 located with the same turning angle θ n equal to 45 ± 0.25 ° relative to its center. The remaining parameters of the Emitter 1 correspond to the design of Example 1. A very significant change in the radiation intensity is obtained depending on the angle of rotation ω around the axis of the Emitter 1 for various tilt angles α (see Fig. 5a), which is not acceptable for a number of applications. The cross-sectional contour of the radiation path of the emitter of the Emitter 1 is close to a circle (see Fig. 5b).

Пример 4. В данном примере Излучатель 1 состоит из семи РЛД 4, расположенных с одинаковым углом разворота θn, равном 51,4±0,25° относительно его центра. Остальные параметры Излучателя 1 соответствуют конструкции Примера 1. Получено весьма незначительное изменение интенсивности излучения в зависимости от угла разворота ω вокруг оси Излучателя 1 при различных углах наклона α (см. Фиг. 6а). Контур поперечного сечения ДН излучения Излучателя 1 близок к окружности (см. Фиг. 6б).Example 4. In this example, the Emitter 1 consists of seven RLD 4 located with the same turning angle θ n equal to 51.4 ± 0.25 ° relative to its center. The remaining parameters of the Emitter 1 correspond to the design of Example 1. A very insignificant change in the radiation intensity is obtained depending on the angle of rotation ω around the axis of the Emitter 1 at various tilt angles α (see Fig. 6a). The cross section contour of the radiation pattern of the emitter 1 is close to a circle (see Fig. 6b).

Показано, что возможны использования различных конструкций РЛД, позволяющих в совокупности получить ДН с близким к окружности контуром сечения и практически равномерной интенсивностью I, отн. ед., излучения Излучателя в зависимости от позиции наблюдателя получена только при использовании нечетного числа РЛД.It has been shown that it is possible to use various RLD designs, which together make it possible to obtain MDs with a section contour close to the circumference and almost uniform intensity I, rel. units, emitter radiation depending on the position of the observer was obtained only when using an odd number of RLD.

Отличия контуров сечений ДН от окружности в различных направлениях объясняются как разбросом пространственных характеристик используемых лазерных структур, так и дефектами технологии изготовления РЛД и сборки Излучателей.Differences in the contours of the cross sections of the beam pattern from the circumference in different directions are explained both by the scatter of the spatial characteristics of the used laser structures and by defects in the manufacturing technology of the RLD and the assembly of the Emitters.

Приведенные исследования показали улучшенную равномерность интенсивности излучения Излучателя при близкой к окружности форме контура поперечного сечения ДН импульсного лазерного полупроводникового излучателя, при повышенной частоте следования трансформируемых к РЛД импульсов тока с минимальными искажениями формы импульсов, что определило полученную большую импульсную мощность излучения Излучателя в узком спектральном диапазоне.The above studies showed an improved uniformity of the radiation intensity of the Emitter with a circular cross-sectional shape of the bottom beam of a pulsed laser semiconductor emitter, at an increased repetition rate of current pulses that are transformed to RLD with minimal distortion in the shape of the pulses, which determined the obtained high pulsed radiation power of the Emitter in a narrow spectral range.

Claims (1)

Импульсный лазерный полупроводниковый излучатель, содержащий основание с блоками лазерных диодов, далее названными решетками лазерных диодов, находящимися равномерно под углом друг к другу по окружности минимального диаметра на плоскости, перпендикулярной оси излучения излучателя, с электрическими выводами и герметичной оболочкой, содержащей крышку с прозрачным для излучения лазерных диодов окном и корпус, отличающийся тем, что имеется нечетное число решеток лазерных диодов с p-n-переходами каждой из них, параллельными виртуальной плоскости, проведенной через центр каждой из них и центр основания, основание является теплопроводящим, все решетки лазерных диодов электрически соединены последовательно с соблюдением полярности и с оборотной стороны основания подключены к выходной обмотке введенного импульсного согласующего трансформатора с коэффициентом трансформации K, имеющего обмотку смещения рабочей точки сердечника, выполненного из магнитного материала с большой величиной индукции насыщения, например нанокристаллического металлического сплава. A pulsed laser semiconductor emitter comprising a base with blocks of laser diodes, hereinafter referred to as laser diode arrays, uniformly at an angle to each other along a circle of a minimum diameter on a plane perpendicular to the axis of radiation of the emitter, with electrical leads and a sealed sheath containing a cover with a transparent for radiation laser diodes with a window and a housing, characterized in that there is an odd number of laser diode arrays with pn junctions of each of them parallel to the virtual plate The bones drawn through the center of each of them and the center of the base, the base is thermally conductive, all the arrays of the laser diodes are electrically connected in series with the correct polarity, and on the reverse side of the base are connected to the output winding of the introduced pulse matching transformer with a transformation coefficient K having a bias winding of the core operating point made of a magnetic material with a large amount of saturation induction, for example, a nanocrystalline metal alloy.
RU2019127725U 2019-09-03 2019-09-03 Pulsed laser semiconductor emitter RU195797U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019127725U RU195797U1 (en) 2019-09-03 2019-09-03 Pulsed laser semiconductor emitter

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019127725U RU195797U1 (en) 2019-09-03 2019-09-03 Pulsed laser semiconductor emitter

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU195797U1 true RU195797U1 (en) 2020-02-05

Family

ID=69416406

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019127725U RU195797U1 (en) 2019-09-03 2019-09-03 Pulsed laser semiconductor emitter

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU195797U1 (en)

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2187183C2 (en) * 2000-07-26 2002-08-10 Государственное унитарное научно-производственное предприятие "ИНЖЕКТ" Injection-type semiconductor laser radiator
JP3968910B2 (en) * 1999-04-23 2007-08-29 富士ゼロックス株式会社 Surface emitting laser array
DE102008062544A1 (en) * 2007-12-20 2009-06-25 DENSO CORPORARTION, Kariya-shi Laser array circuit
WO2015133936A1 (en) * 2014-03-05 2015-09-11 Yury Georgievich Shreter Semiconductor light-emitting device with an axis of symmetry

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3968910B2 (en) * 1999-04-23 2007-08-29 富士ゼロックス株式会社 Surface emitting laser array
RU2187183C2 (en) * 2000-07-26 2002-08-10 Государственное унитарное научно-производственное предприятие "ИНЖЕКТ" Injection-type semiconductor laser radiator
DE102008062544A1 (en) * 2007-12-20 2009-06-25 DENSO CORPORARTION, Kariya-shi Laser array circuit
WO2015133936A1 (en) * 2014-03-05 2015-09-11 Yury Georgievich Shreter Semiconductor light-emitting device with an axis of symmetry

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3396344A (en) Semiconductor laser array
CN109188823B (en) Laser array light source for optical scanning
US3102920A (en) Laser pumping technique using an internal pumping source
CN107743592A (en) Multi-emitter diode laser encapsulates
US20180143301A1 (en) Scanning LIDAR System using a curved rotating surface
RU195797U1 (en) Pulsed laser semiconductor emitter
US3341857A (en) Semiconductor light source
US20220114835A1 (en) Light-emitting device, optical device, and information processing device
JP2019062185A (en) Light-emitting device and lighting device
CN102227669A (en) Interleaving laser beams
US7872275B2 (en) Light-emitting diode arrangement
US10205065B2 (en) Light-emitting device
RU2722407C1 (en) Pulsed laser semiconductor emitter
US3359507A (en) Semiconductor junction laser device
CA2332864C (en) Scalable vertically diode-pumped solid-state lasers
RU2187183C2 (en) Injection-type semiconductor laser radiator
US3448403A (en) Laser structure with laser element inserted concentrically within cylindrical light pump tube
CN112864794B (en) Laser equipment and control method thereof
CN113225890B (en) Micro accelerator based on intelligent metamaterial and acceleration method thereof
CN215526244U (en) Variable angle dot matrix projection module
JPWO2014188746A1 (en) Solar simulator
CN115900591B (en) Optical system, method and equipment for generating M-type light field
CN219917898U (en) VCSEL light-emitting device
US20240021400A1 (en) Planar filament with focused, central electron emission
JP7210000B2 (en) Receiver module and optical power supply system