RU218788U1 - Излучатель твердотельного лазера - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к твердотельным лазерам с диодной накачкой. Излучатель твердотельного лазера содержит резонатор 1 с электрооптическим затвором и устройство накачки, установленные жестко на основание 2, и теплообменный блок, содержащий нагревательный элемент 6 и термодатчики 10, установленные в теплообменник, жестко закрепленный к теплоотводящей поверхности 13 излучателя и на держателях 11 элемента накачки 12 устройства накачки, и термоэлектрические модули 5. Между теплообменником и термоэлектрическими модулями, а также между теплообменником и держателями элементов накачки расположен термоинтерфейс 8. Электрооптический затвор 25 содержит поляризатор 18, дополнительный поляризатор 19 и кристаллы 20, устройство накачки установлено на основание через изолятор. Теплообменный блок снабжен ограничителями 9, в которых размещены термоэлектрические модули 5 с равномерным зазором между собой, интерфейсом 7, выполненным из материала, идентичного теплообменнику, расположенным между теплоотводящей поверхностью 13 излучателя и теплообменником и закрепленным на ограничителях 9, дополнительным термоинтерфейсом 8, расположенным между интерфейсом и теплоотводящей поверхностью излучателя. Термоэлектрические модули 5 размещены между посадочной поверхностью теплообменника и интерфейсом, при этом установлены отдающей тепло поверхностью к интерфейсу, а поглощающей - к теплообменнику, который снабжен изоляторами 26, 27, расположенными по его внешнему периметру, и закреплен на теплоотводящей поверхности излучателя через изолятор. Технический результат - снижение энергопотребления излучателя лазера. 4 ил.

Description

Полезная модель относится к твердотельным лазерам с диодной накачкой, в частности, к элементам накачки и системам их охлаждения и может быть использована при изготовлении лазерной техники, работающей при повышенных эксплуатационных нагрузках (при механических и термических напряжениях, при ударных и вибрационных нагрузках, воздействии предельных температур окружающей среды).

Известен твердотельный лазер с контролем температуры, содержащий резонатор, установленный жестко на основание, устройство накачки и теплообменный блок, содержащий термоэлектрические модули и теплообменники (патент Япония №2000091673, МПК Н01S 3/042, 3/109, опубл. 2000 г.).

Основание оптического резонатора лазера располагается на медном теплоотводе и алюминиевом радиаторе. Поверхности одного термоэлектрического модуля контактируют с основанием лазера и медным теплоотводом другого модуля с противоположной стороной теплоотвода и алюминиевым радиатором. В качестве материала основания резонатора используется инвар.

Накачка активного элемента - торцевая с системой фокусировки, осуществляется полупроводниковым инфракрасным лазером. Для стабилизации выходных параметров лазера, в частности, в качестве средства поддержания постоянного относительного взаимного расположения оптических компонентов, использованы термоэлектрические модули, основанные на эффекте Пельтье.

Данный лазер обладает стабильными долговременными параметрами и минимизированным временем выхода на рабочий режим. Контроль температуры лазерного резонатора осуществляется термоэлектрическими модулями, основанными на эффекте Пельтье.

В целом система управления температурой лазера позволяет предотвратить возникающие в основании в процессе работы лазера и под влиянием окружающей среды температурные расширения, деформационные напряжения. Данная система терморегулирования позволяет считать постоянным во времени соотношение относительных положений оптических компонентов оптического резонатора, что позволяет стабилизировать выходные параметры лазера.

Однако работа данного лазера достаточно эффективна только в диапазоне температур окружающей среды от плюс 15 до 70°С в течение 2 часов непрерывной работы, но не допускает эксплуатацию лазера в условиях воздействия более широкого диапазона температур, в том числе и минусовых.

Наиболее близким аналогом, близким к прототипу является универсальный излучатель твердотельного лазера, содержащий резонатор с электрооптическим затвором и устройство накачки, установленные жестко на основание, и теплообменный блок. Теплообменный блок содержит нагревательный элемент и термодатчики, установленные в теплообменник, а также термоэлектрические модули. Теплообменник жестко закреплен к теплоотводящей поверхности излучателя и на держателе элемента накачки устройства накачки, между теплообменником и термоэлектрическими модулями, а также между теплообменником и держателем элемента накачки расположен термоинтерфейс. Электрооптический затвор содержит поляризатор и кристаллы, устройство накачки установлено на основание через изолятор (патент РФ №2592057, МПК Н01S 3/042, опубл. 2016 г.).

Согласно изобретению, устройство накачки выполнено в виде квантрона, жестко закрепленного на основании, теплообменный блок снабжен нагревательным элементом, установленным в теплообменнике, закрепленном на держателе элемента накачки квантрона, контурной тепловой трубой с пластиной конденсатора, термоинтерфейсом и термодатчиками, установленными в теплообменниках и пластине конденсатора.

Термоэлектрические модули размещены между параллельной им пластиной конденсатора и теплообменником, закрепленным жестко на теплоотводящей поверхности, термоинтерфейс выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности и расположен между пластиной конденсатора и термоэлектрическими модулями, между теплообменником и термоэлектрическими модулями, а также между теплообменником и держателем элемента накачки. Конструкция резонатора выполнена деформационно-устойчивой.

Квантрон теплоизолирован от основания и не имеет контактов с резонатором, резонатор и квантрон позиционируются при помощи штифтов на основании, жестко закрепленном на посадочной поверхности, при этом оптическая схема выполнена на базе неустойчивого резонатора, а контурная тепловая труба содержит демпфирующие элементы.

Таким образом, обеспечивается термостабилизация элементов накачки, малое время выхода на рабочий температурный режим, минимальные массогабаритные характеристики, стабильность работы излучателя лазера при повышенных эксплуатационных нагрузках.

Однако применение в конструкции излучателя твердотельного лазера контурной тепловой трубы, конструкция которой содержит трубку с малой толщиной стенки и паяные соединения, снижает прочность излучателя к воздействию ударных нагрузок и повышенных предельных температур окружающей среды, а режим работы электрооптического затвора с постоянным четвертьволновым высоковольтным напряжением может привести к эффекту электрохромной деградации ряда нелинейных кристаллов, используемых в схеме, вследствие ионной проводимости материала, что снижает показатели надежности лазера и его тактико-технические характеристики в целом. Кроме того, для запуска контурной тепловой трубы и поддержания режима ее работы в открытом состоянии требуются постоянные затраты тепловой мощности, что приводит к излишнему тепловыделению в лазере.

Задача, на решение которой направлена полезная модель - уменьшение тепловыделения в лазере и повышение его устойчивости к воздействию повышенной рабочей температуры.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения - снижение энергопотребления излучателя лазера.

Указанный технический результат достигается тем, что в излучателе твердотельного лазера, который содержит резонатор с электрооптическим затвором и устройство накачки, установленные жестко на основание, и теплообменный блок, содержащий нагревательный элемент и термодатчики, установленные в теплообменник, жестко закрепленный к теплоотводящей поверхности излучателя и на держателях элемента накачки устройства накачки, и термоэлектрические модули, между теплообменником и термоэлектрическими модулями, а также между теплообменником и держателями элементов накачки расположен термоинтерфейс, электрооптический затвор содержит поляризатор и кристаллы, устройство накачки установлено на основание через изолятор, согласно предлагаемому решению теплообменный блок снабжен ограничителями, в которых размещены термоэлектрические модули с равномерным зазором между собой, интерфейсом, выполненным из материала идентичного теплообменнику, расположенным между теплоотводящей поверхностью излучателя и теплообменником и закрепленным на ограничителях, дополнительным термоинтерфейсом, расположенным между интерфейсом и теплоотводящей поверхностью излучателя, ограничители соединены с теплообменником, термоэлектрические модули размещены между посадочной поверхностью теплообменника и интерфейсом, при этом установлены отдающей тепло поверхностью к интерфейсу, а поглощающей - к теплообменнику, который снабжен изоляторами, расположенными по его внешнему периметру, и закреплен на теплоотводящей поверхности излучателя через изолятор, электрооптический затвор снабжен дополнительным поляризатором, а изоляторы выполнены из материала с низкой теплопроводностью.

Благодаря наличию новых признаков совместно с известными, общими с прототипом, достигается следующий технический результат. При работе за счет переноса тепла на теплоотводящую поверхность излучателя при помощи теплообменника, который снабжен интерфейсом, термоинтерфейсом и изоляторами, обеспечивается эффективное охлаждение излучателя, при этом дополнительный поляризатор, которым снабдили электрооптический затвор, позволил обеспечить возможность реализации режима активной модуляции добротности за счет подачи на ячейку Поккельса импульсного полуволнового напряжения и, тем самым, повысить контраст электрооптического затвора и исключить развитие эффекта электрохромной деградации ряда нелинейных кристаллов, используемых в ячейке Поккельса.

Все это позволило снизить энергопотребление излучателя лазера и как следствие, уменьшить тепловыделение в лазере и повысить его устойчивость к воздействию повышенной рабочей температуре.

При анализе уровня техники не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данной полезной модели. А также не выявлено факта известности влияния признаков, включенных в формулу, на технический результат заявляемого технического решения. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «новизна».

На фиг. 1 представлен общий вид излучателя.

На фиг. 2 - общий вид теплообменного блока.

На фиг. 3 - оптическая схема излучателя.

На фиг. 4 - разрез А-А.

Излучатель твердотельного лазера содержит резонатор 1 (фиг. 1), установленный жестко на основание 2, устройство накачки и теплообменный блок. Устройство накачки выполнено в виде квантрона 3, который жестко закреплен на основании 2. Теплообменный блок содержит теплообменник 4, термоэлектрические модули 5, нагревательный элемент 6, интерфейс 7, термоинтерфейс 8, ограничители 9, термодатчики 10 (фиг. 2). Нагревательный элемент 6 установлен в теплообменник 4, закрепленный на держателях 11 элементов накачки 12 квантрона 3. С другой стороны теплообменник 4 жестко крепится к теплоотводящей поверхности 13 излучателя при помощи крепежных элементов через шайбу 14, выполненную из изоляционного материала и выполняющую роль изолятора.

Термодатчики 10 установлены в теплообменнике 4 между модулями 5 и элементами накачки 12. Термоэлектрические модули 5 размещены с равномерным воздушным зазором между собой в ограничителях 9 между посадочной поверхностью теплообменника 4 и интерфейсом 7. Интерфейс 7 крепится к ограничителям 9, выполнен из материала, идентичного теплообменнику 4, и расположен между теплоотводящей поверхностью 13 и теплообменником 4. Термоинтерфейс 8 выполнен из материала с высоким коэффициентом теплопроводности и расположен между элементами, участвующими в теплообмене: между теплообменником 4 и термоэлектрическими модулями 5, между интерфейсом 7 и теплоотводящей поверхностью 13, между теплообменником 4 и держателями 11 элементов накачки.

Конструкция резонатора 1 выполнена деформационно-устойчивой. На фланцах резонатора закреплены зеркала 15, 16, при этом образованный этими зеркалами оптический резонатор может быть выполнен на основе устойчивой или неустойчивой конфигурации (фиг. 3). Оптический резонатор излучателя содержит активный элемент 17, глухое зеркало 16, поляризатор 18, дополнительный поляризатор 19, ячейку Поккельса на основе сборки высоко-омных кристаллов 20, выходное зеркало 15 (фиг. 3). Поляризаторы 18 и 19, а также ячейка Поккельса, образованная кристаллами 20, образуют электрооптический затвор (ЭОЗ) для активной модуляции добротности оптического резонатора, управление которым осуществляется с помощью подачи на ячейку Поккельса импульсного полуволнового напряжения.

Квантрон 3 устанавливается на основание 2 на подставку 21 через подложку 22, при этом его позицонирование относительно резонатора обеспечивается с помощью штифтов (фиг. 1, 4). Подставка 21 квантрона с подложкой 22 крепится к основанию 2 через изолятор 23. Таким образом, квантрон 3 теплоизолирован от основания 2 и при этом не имеет контактов с резонатором 1.

К корпусу квантрона 3 с одной стороны крепится жестко кронштейн 24 поляризатора 18, установленный симметрично относительно активного элемента квантрона. К корпусу блока ЭОЗ 25 крепится дополнительный поляризатор 19, установленный симметрично относительно кристаллов 20 (на фиг. не показано).

Блок ЭОЗ 25 позиционируется на основании 2. В блоке предусмотрена дополнительная юстировка нелинейных кристаллов 20 по углу относительно основания.

Термоэлектрические модули 5 и нагревательный элемент 6 используются в качестве элементов термостабилизации. Термоэлектрические модули 5 установлены: поглощающей тепло поверхностью к теплообменнику 4 и отдающей тепло поверхностью к интерфейсу 7.

Ограничители 9, предназначенные для устранения перемещения термоэлектрических модулей 5, крепятся к теплообменнику 4. (фиг. 2). К теплообменнику 4 с каждой стороны по его внешнему периметру крепятся изоляторы 26, 27. Ограничители 9, изоляторы 23, 26, 27, подложка 22, шайба 14 выполнены из материала с низкой теплопроводностью - неметалла с наименьшей теплопроводностью (например, полистирола, полиамида, текстолита, гетинакса и т.д.). В качестве материала для интерфейса 7 и теплообменника 4 выбран материал с высокой теплопроводностью (например, медь, алюминий и т.п.). В качестве элементов накачки (ЭН) могут использоваться либо матрицы лазерных диодов, либо линейки лазерных диодов.

Устройство работает следующим образом. На ЭН подается ток накачки с заданной амплитудой, и элементы накачки начинают генерировать излучение, поглощаемое АЭ 17. Таким образом, возбуждается активная среда, заполняющая оптический резонатор и возникает генерация излучения между выходным 15 и глухим 16 зеркалами. Направление излучения показано на фиг. 1.

Для обеспечения режимов работы излучателя в заданных условиях эксплуатации возникает необходимость термостабилизации элементов накачки, при этом обеспечение выхода на температурный рабочий режим ЭН происходит следующим образом. Нагревательный элемент 6 повышает температуру теплообменника 4 от исходной до температуры выхода ЭН на рабочий режим. Термоэлектрические модули 5 обеспечивают охлаждение ЭН от исходной повышенной температуры, образованной внешними климатическими условиями эксплуатации, а также в процессе работы ЭН, до рабочей, через теплообменник 4, входящий в теплообменный модуль. Теплообмен к теплоотводящей поверхности 13 по теплообменнику 4 от его части, примыкающей к элементам накачки 12, до термоэлектрических модулей 5 происходит за счет градиента температур. Термоинтерфейс 8 и интерфейс 7 обеспечивают высокую теплопроводность между элементами конструкции, участвующими в теплообмене. Таким образом, снижается температура элементов накачки до рабочей и происходит термостабилизация элементов накачки. Термостабилизация элементов накачки осуществляется посредством управления режимами работы нагревателей, термоэлектрических модулей при помощи термодатчиков 10, контролирующих температуру теплообменника 4 в месте установки термоэлектрического модуля 5 и элементов накачки.

Подложка 22, изоляторы 23 (фиг. 4) обеспечивают теплоизоляцию квантрона 3 с подставкой 21 от основания 2, жестко закрепленного на посадочной поверхности 28, а ограничители 9 и шайба 14 (фиг. 2) обеспечивают теплоизоляцию интерфейса 7 относительно теплообменника 4. Изоляторы 26, 27 обеспечивают теплоизоляцию теплообменника 4 от окружающей среды. Отсутствие контактов между корпусом резонатора 1 и конструкцией квантрона 3, содержащего корпус, элементы накачки, а также элементы термостабилизации, обеспечивает их теплоизоляцию относительно друг друга. Таким образом, обеспечивается снижение тепловыделения элементов конструкции излучателя лазера, а также эффективная работа электрооптического затвора, управление которым осуществляется с помощью подачи на ячейку Поккельса импульсного полуволнового напряжения. Что приводит к техническому результату, а именно снижению энергопотребления излучателя лазера.

Примером практического применения устройства может служить созданный твердотельный лазер с термостабилизацией диодной накачки и электрооптической модуляцией добротности с активным элементом в виде стержня из иттрий-алюминиевого граната с неодимом YAG:Nd³⁺ (∅ 5 × 65 мм). В качестве электрооптического модулятора добротности был применен высокоомный кристалл КТР (8×8×10) мм. В качестве элементов накачки применены матрицы лазерных диодов производства ФГУП РФЯЦ-ВНИИТФ, патент РФ №2544875. Вышеуказанный лазер предназначен для генерации импульсов лазерного излучения с энергией в импульсе не менее 120 мДж, длительностью ≈ 5 нс, частотой повторения до 30 Гц и энергопотреблением до 250 В⋅А в диапазоне рабочих температур более 100°С и может работать в режиме непрерывной генерации импульсов излучения в пределах ресурсных показателей лазера.

Таким образом, представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемой полезной модели следующей совокупности условий:

средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в электронной и оптико-механической промышленности при изготовлении лазерных устройств с повышенной мощностью;

для заявляемого устройства в том виде, в котором оно охарактеризовано в формуле полезной модели, подтверждена возможность его осуществления.

Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».

Claims (1)

1. Излучатель твердотельного лазера, содержащий резонатор с электрооптическим затвором и устройство накачки, установленные жестко на основание, и теплообменный блок, содержащий нагревательный элемент и термодатчики, установленные в теплообменник, жестко закрепленный к теплоотводящей поверхности излучателя и на держателях элементов накачки устройства накачки, и термоэлектрические модули, между теплообменником и термоэлектрическими модулями, а также между теплообменником и держателями элементов накачки расположен термоинтерфейс, электрооптический затвор содержит поляризатор и кристаллы, устройство накачки установлено на основание через изолятор, отличающийся тем, что теплообменный блок снабжен ограничителями, в которых размещены термоэлектрические модули с равномерным зазором между собой, интерфейсом, выполненным из материала, идентичного теплообменнику, расположенным между теплоотводящей поверхностью излучателя и теплообменником и закрепленным на ограничителях, дополнительным термоинтерфейсом, расположенным между интерфейсом и теплоотводящей поверхностью излучателя, ограничители соединены с теплообменником, термоэлектрические модули размещены между посадочной поверхностью теплообменника и интерфейсом, при этом установлены отдающей тепло поверхностью к интерфейсу, а поглощающей – к теплообменнику, который снабжен изоляторами, расположенными по его внешнему периметру, и закреплен на теплоотводящей поверхности излучателя через изолятор, электрооптический затвор снабжен дополнительным поляризатором, а изоляторы выполнены из материала с низкой теплопроводностью.

Images