RU226013U1

RU226013U1 - Compact solid state emitter

Info

Publication number: RU226013U1
Application number: RU2023133642U
Authority: RU
Inventors: Леонид Алексеевич Федоченко; Евгений Евгеньевич Головин; Евгений Алексеевич Дорофеев; Вячеслав Васильевич Тяпин; Виктор Серафимович Пряничников
Original assignee: Федеральное казенное предприятие "Государственный лазерный полигон "Радуга"
Filing date: 2023-12-13
Publication date: 2024-05-17

Abstract

Полезная модель относится к лазерной технике. Компактный твердотельный излучатель представляет собой импульсный твердотельный лазер с термостабилизацией активного элемента (АЭ) и диодной накачки, электрооптической модуляцией добротности, который содержит квантрон с кристаллическим стержнем АЭ, установленным в прозрачной трубке между фланцами, вокруг и вдоль которого расположены источники оптической накачки, расположенные на держателях, а в промежутках между ними смонтированы держатели с отражательными зеркалами, обращенными к АЭ. Излучатель содержит оптический резонатор, снабженный глухим и выходным полупрозрачным зеркалами, поляризатором, а также электрооптический затвор, снабженный драйвером, преобразователь второй гармоники и выходной коллиматор, содержит микроконтроллеры управления элементами лазера, а также быстродействующую цифровую видеокамеру обзора окружающей местности. Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения - компактность устройства, высокие характеристики лазерного излучения, стабильность их вне зависимости от внешних факторов. The utility model relates to laser technology. The compact solid-state emitter is a pulsed solid-state laser with thermal stabilization of the active element (AE) and diode pumping, electro-optical Q-switching, which contains a quantron with a crystalline AE rod installed in a transparent tube between the flanges, around and along which there are optical pumping sources located on holders , and in the spaces between them there are mounted holders with reflective mirrors facing the AE. The emitter contains an optical resonator equipped with a blind and output translucent mirrors, a polarizer, as well as an electro-optical shutter equipped with a driver, a second harmonic converter and an output collimator, contains microcontrollers for controlling laser elements, as well as a high-speed digital video camera for viewing the surrounding area. The technical result obtained by using the proposed technical solution is the compactness of the device, high characteristics of laser radiation, and their stability regardless of external factors.

Description

Полезная модель относится к лазерной технике. Компактный твердотельный излучатель представляет собой импульсный твердотельный лазер с термостабилизацией активного элемента (АЭ) и диодной накачки, электрооптической модуляцией добротности, который содержит квантрон с кристаллическим стержнем АЭ, установленным в прозрачной трубке между фланцами, вокруг и вдоль которого расположены источники оптической накачки, расположенные на держателях, а в промежутках между ними смонтированы держатели с отражательными зеркалами, обращенными к АЭ. Излучатель содержит оптический резонатор, снабженный глухим и выходным полупрозрачным зеркалами, поляризатором, а также электрооптический затвор, снабженный драйвером, преобразователь второй гармоники и выходной коллиматор, содержит микроконтроллеры управления элементами лазера, а также быстродействующую цифровую видеокамеру.The utility model relates to laser technology. The compact solid-state emitter is a pulsed solid-state laser with thermal stabilization of the active element (AE) and diode pumping, electro-optical Q-switching, which contains a quantron with a crystalline AE rod installed in a transparent tube between the flanges, around and along which there are optical pumping sources located on holders , and in the spaces between them there are mounted holders with reflective mirrors facing the AE. The emitter contains an optical resonator equipped with a blind and output semi-transparent mirrors, a polarizer, as well as an electro-optical shutter equipped with a driver, a second harmonic converter and an output collimator, contains microcontrollers for controlling laser elements, as well as a high-speed digital video camera.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения - компактность устройства, высокие характеристики лазерного излучения, стабильность их вне зависимости от внешних факторов.The technical result obtained by using the proposed technical solution is the compactness of the device, high characteristics of laser radiation, and their stability regardless of external factors.

Полезная модель относится к лазерной технике, конкретно к импульсным твердотельным лазерам с диодной накачкой, электрооптической модуляцией добротности, преобразованием излучения лазера во вторую оптическую гармонику в нелинейном кристалле и формированием мощного импульса лазерного излучения.The utility model relates to laser technology, specifically to pulsed solid-state lasers with diode pumping, electro-optical Q-switching, conversion of laser radiation into the second optical harmonic in a nonlinear crystal and the formation of a powerful pulse of laser radiation.

Известна полезная модель под названием «Оптическая усилительная головка с диодной накачкой» (патент RU 184832 U1, МПК H01S 3/09, опубл. 12.11.2018 Бюл. №32), содержащая корпус, состоящий из основания и торцевых фланцев, защитный кожух, активный элемент, выполненный в виде цилиндрического кристалла, размещенного с кольцевым зазором внутри прозрачного трубчатого элемента, держатели-теплообменники с закрепленными на них матрицами диодов, расположенными вдоль и вокруг прозрачного трубчатого элемента, входной и выходной фланцевые коллекторы, при этом в указанных держателях-теплообменниках, входном и выходном фланцевых коллекторах выполнены каналы с образованием системы охлаждения с охлаждающим насосом. Оптическая усилительная головка содержит отражательный трубчатый элемент, выполненный с продольными щелевыми окнами, расположенными напротив матриц диодов, на внутренней поверхности непрозрачных участков отражательного трубчатого элемента нанесено зеркальное покрытие, при этом прозрачный трубчатый элемент с активным элементом расположены соосно внутри отражательного трубчатого элемента, причем система охлаждения выполнена по параллельной схеме с обеспечением прохождения потока хладагента через входной фланцевый коллектор параллельно и одновременно по каналам всех держателей-теплообменников и кольцевого зазора прозрачного трубчатого элемента в канал выходного фланцевого коллектора, закольцованного через охлаждающий насос с каналом входного фланцевого коллектора.There is a known utility model called “Optical amplifier head with diode pumping” (patent RU 184832 U1, IPC H01S 3/09, publ. November 12, 2018 Bull. No. 32), containing a housing consisting of a base and end flanges, a protective casing, an active an element made in the form of a cylindrical crystal placed with an annular gap inside a transparent tubular element, heat exchanger holders with diode matrices attached to them, located along and around the transparent tubular element, inlet and outlet flange manifolds, while in said heat exchanger holders, the inlet and the outlet flange manifolds are made of channels to form a cooling system with a cooling pump. The optical amplifier head contains a reflective tubular element made with longitudinal slotted windows located opposite the diode arrays; a mirror coating is applied to the inner surface of the opaque sections of the reflective tubular element, while the transparent tubular element and the active element are located coaxially inside the reflective tubular element, and the cooling system is made according to a parallel circuit, ensuring that the refrigerant flow passes through the inlet flange manifold in parallel and simultaneously through the channels of all heat exchanger holders and the annular gap of the transparent tubular element into the channel of the outlet flange manifold, looped through the cooling pump with the channel of the inlet flange manifold.

Недостатком известной модели является сложность конструкции, так держатели-теплообменники с матрицами диодов установлены между входным и выходным фланцевыми коллекторами, в которых выполнены каналы для протока охлаждающей жидкости, при этом к фланцевым коллекторам снаружи герметично крепятся торцевые фланцы корпуса головки с полостями протока охлаждающей жидкости, с входным и выходным штуцерами подключения охлаждающего насоса системы охлаждения. Кроме того, устройство содержит отражательный трубчатый элемент сложной конструкции, выполненный с продольными щелевыми окнами, расположенными напротив матриц диодов, на внутренней поверхности непрозрачных участков этого трубчатого элемента нанесено зеркальное покрытие из золота, при этом прозрачный трубчатый элемент с активным элементом расположен соосно внутри отражательного трубчатого элемента. Эти обстоятельства значительно усложняют сборку и юстировку лазера.The disadvantage of the known model is the complexity of the design, so heat exchanger holders with diode matrices are installed between the input and output flange manifolds, in which there are channels for the flow of coolant, while the end flanges of the head housing with cavities for the flow of coolant are hermetically attached to the flange manifolds from the outside, with inlet and outlet fittings for connecting the cooling pump of the cooling system. In addition, the device contains a reflective tubular element of complex design, made with longitudinal slotted windows located opposite the diode matrices; a mirror coating of gold is applied to the inner surface of the opaque sections of this tubular element, while the transparent tubular element with the active element is located coaxially inside the reflective tubular element . These circumstances significantly complicate the assembly and alignment of the laser.

Наиболее близким аналогом заявляемой полезной модели, выбранным в качестве прототипа, является изобретение под названием «Квантрон твердотельного лазера с диодной накачкой» (патент RU 2614081 С1, МПК H01S 3/042, опубликовано: 22.03.2017 Бюл. №9), согласно которому квантрон содержит активный элемент в виде стержня, источники оптической накачки, расположенные на держателях вокруг активного элемента и обращенные к нему излучающей областью, систему охлаждения активного элемента и источников оптической накачки, фланцы и элемент, соединяющий фланцы, держатели расположены в соосных отверстиях фланцев, система охлаждения содержит трубку, охватывающую активный элемент с образованием радиального зазора, входной, выходной коллекторы, выполненные во фланцах, и каналы держателей, коллекторы соединены с радиальным зазором, активный элемент и трубка закреплены во фланцах, во фланце выполнены пазы, держатели установлены через уплотнения, при этом элемент, соединяющий фланцы, выполнен в виде рамы, содержащей параллельные пластины, соединенные ребрами, трубка закреплена прижимами, система охлаждения снабжена установленными на фланцах входным, выходным патрубками, соединенными с входным, выходным коллекторами, образованными прижимами и фланцами, и каналами прижимов, которые соединяют входной, выходной коллекторы с радиальным зазором, каналы держателей соединены с входным, выходным коллекторами, держатели снабжены выполненными с обеих сторон ограничителями, взаимодействующими с торцевыми поверхностями фланцев, один из ограничителей каждого держателя выполнен с лысками, взаимодействующими с пазами фланца, соосные отверстия фланцев выполнены сквозными, уплотнения держателей выполнены радиальными.The closest analogue of the claimed utility model, chosen as a prototype, is the invention called “Diode-pumped solid-state laser quantron” (patent RU 2614081 C1, IPC H01S 3/042, published: 03.22.2017 Bulletin No. 9), according to which the quantron contains an active element in the form of a rod, optical pumping sources located on holders around the active element and facing it with a radiating region, a cooling system for the active element and optical pumping sources, flanges and an element connecting the flanges, holders are located in coaxial holes of the flanges, the cooling system contains a tube enclosing the active element with the formation of a radial gap, inlet and outlet manifolds made in flanges, and holder channels, the manifolds are connected with a radial gap, the active element and the tube are fixed in the flanges, grooves are made in the flange, the holders are installed through seals, while the element , connecting the flanges, is made in the form of a frame containing parallel plates connected by ribs, the tube is secured with clamps, the cooling system is equipped with inlet and outlet pipes installed on the flanges, connected to the inlet and outlet manifolds formed by clamps and flanges, and clamp channels that connect the inlet , the output manifolds have a radial gap, the holder channels are connected to the inlet and outlet manifolds, the holders are equipped with limiters on both sides interacting with the end surfaces of the flanges, one of the limiters of each holder is made with flats interacting with the grooves of the flange, the coaxial holes of the flanges are made through, The seals of the holders are made radial.

Недостатком этого квантрона является сложность конструкции, так корпус квантрона составляет рама, содержащая параллельные пластины, соединенные ребрами, а крепления АЭ и держателей источников оптического излучения осуществляется фланцами и прижимами сложной формы, что значительно усложняет сборку и юстировку лазера. Кроме того, расположение источников оптической накачки по окружности вокруг АЭ увеличивает в нем термические напряжения, не обеспечивает максимального поглощения активной средой излучения накачки, так часть излучения накачки от одного источника оптической накачки, прошедшая сквозь АЭ не участвует в генерации лазерного излучения, а попадая на противоположно установленный в квантроне источник оптической накачки, дополнительно нагревает его.The disadvantage of this quantron is the complexity of the design, since the quantron body is made up of a frame containing parallel plates connected by ribs, and the AE and holders of optical radiation sources are mounted using flanges and clamps of complex shape, which significantly complicates the assembly and alignment of the laser. In addition, the arrangement of optical pumping sources in a circle around the AE increases thermal stress in it and does not ensure maximum absorption of pump radiation by the active medium, so part of the pump radiation from one optical pump source that passes through the AE does not participate in the generation of laser radiation, but falls on the opposite An optical pump source installed in the quantron additionally heats it.

Одна из задач, на решение которой направлена полезная модель, оптимизация массогабаритных характеристик при повышении эффективности накачки, увеличение КПД излучателя.One of the problems that the utility model is aimed at solving is optimizing the weight and size characteristics while increasing the pumping efficiency and increasing the efficiency of the emitter.

Указанный технический результат достигается тем, что компактный твердотельный излучатель с диодной накачкой содержит активный элемент в виде стержня, источники оптической накачки, расположенные на держателях вокруг активного элемента и обращенные к нему излучающей областью, систему охлаждения активного элемента и источников оптической накачки, фланцы и держатели, расположенные в соосных отверстиях фланцев, система охлаждения содержит трубку, охватывающую активный элемент с образованием радиального зазора, входной, выходной коллекторы, выполненные во фланцах, и каналы держателей; коллекторы соединены с радиальным зазором, активный элемент и трубка закреплены во фланцах, держатели установлены через уплотнения, система охлаждения снабжена установленными на фланцах входным и выходным патрубками. Излучатель жестко закреплен в корпусе, состоящим из основания, торцевых стенок, в которых имеются технологические отверстия, и защитного кожуха, при этом торцевые стенки, помимо основания, жестко соединены между собой силовой панелью; в пространстве между основанием и силовой панелью посредством держателей жестко крепятся: глухое плоское зеркало, электрооптический затвор, поляризатор, фланцы, в которых соосно через уплотнения установлен активный элемент в прозрачной трубке, вокруг и вдоль которого расположены держатели с источниками оптической накачки, а в промежутках между ними смонтированы держатели с отражательными зеркалами, обращенными к активному элементу; полупрозрачное зеркало, генератор второй гармоники, выходной коллиматор, панель емкостного накопителя, панель батареи аккумуляторов, плата внешнего управления. На силовой панели крепятся драйвер электрооптического затвора, микроконтроллер 1, управляющий оптической накачкой, а также микроконтроллер 2, управляющий температурой в системе охлаждения активного элемента и источников оптической накачки. Охлаждение активного элемента и источников оптической накачки осуществляется за счет прокачки жидкостным насосом охлаждающей жидкости в радиальном зазоре трубки, охватывающей активный элемент, в каналах держателей источников оптической накачки и каналах фланцев, которая охлаждается (нагревается) во внешнем теплообменнике, установленном на защитном кожухе корпуса излучателя, на котором жестко закреплены сборка термоэлектрических модулей и радиатор, при этом контроль температуры осуществляется с помощью цифровых термодатчиков, один из которых установлен на выходном патрубке фланца, другой на радиаторе системы охлаждения, выходы термодатчиков соединены с входами микроконтроллера 2, по команде которого подключаются вентиляторы обдува радиатора. На защитном кожухе излучателя жестко закреплена цифровая высокоскоростная видеокамера с длиннофокусным зеркально-линзовым объективом, которая осуществляет обзор окружающей местности. Кроме того, через плату внешнего управления возможно удаленное управление по Ethernet-кабелю от внешнего персонального компьютера.The specified technical result is achieved in that a compact solid-state emitter with diode pumping contains an active element in the form of a rod, optical pumping sources located on holders around the active element and facing it with the emitting region, a cooling system for the active element and optical pumping sources, flanges and holders, located in the coaxial holes of the flanges, the cooling system contains a tube enclosing the active element to form a radial gap, inlet and outlet manifolds made in the flanges, and holder channels; the collectors are connected with a radial gap, the active element and the tube are fixed in flanges, the holders are installed through seals, the cooling system is equipped with inlet and outlet pipes mounted on the flanges. The emitter is rigidly fixed in a housing consisting of a base, end walls in which there are technological holes, and a protective casing, while the end walls, in addition to the base, are rigidly connected to each other by a power panel; in the space between the base and the power panel, the following are rigidly attached by means of holders: a blank flat mirror, an electro-optical shutter, a polarizer, flanges in which the active element in a transparent tube is installed coaxially through seals, around and along which holders with optical pumping sources are located, and in the spaces between they are mounted with holders with reflective mirrors facing the active element; translucent mirror, second harmonic generator, output collimator, capacitive storage panel, battery panel, external control board. An electro-optical gate driver, microcontroller 1, which controls optical pumping, and microcontroller 2, which controls the temperature in the cooling system of the active element and optical pumping sources, are mounted on the power panel. Cooling of the active element and optical pumping sources is carried out by pumping a coolant with a liquid pump in the radial gap of the tube enclosing the active element, in the channels of the optical pumping source holders and the flange channels, which is cooled (heated) in an external heat exchanger mounted on the protective casing of the emitter housing, on which the assembly of thermoelectric modules and the radiator are rigidly fixed, while temperature control is carried out using digital temperature sensors, one of which is installed on the outlet pipe of the flange, the other on the radiator of the cooling system, the outputs of the temperature sensors are connected to the inputs of microcontroller 2, upon whose command the radiator blowing fans are connected . A digital high-speed video camera with a long-focal mirror-lens lens is rigidly mounted on the protective casing of the emitter, which provides an overview of the surrounding area. In addition, via an external control board, remote control via an Ethernet cable from an external personal computer is possible.

Конструкция полезной модели поясняется чертежами:The design of the utility model is illustrated by drawings:

- на фиг. 1 изображен компактный твердотельный излучатель в защитном корпусе без элементов системы охлаждения и видеокамеры;- in fig. 1 shows a compact solid-state emitter in a protective housing without elements of a cooling system and a video camera;

- на фиг. 2 изображен излучатель в собранном виде без защитного кожуха (вид спереди);- in fig. Figure 2 shows the assembled emitter without a protective casing (front view);

- на фиг. 3 изображен излучатель в собранном виде без защитного кожуха (вид сзади);- in fig. 3 shows the assembled emitter without a protective casing (rear view);

- на фиг. 4 приведен квантрон излучателя в собранном виде;- in fig. Figure 4 shows the assembled quantron of the emitter;

- на фиг. 5 приведен продольный разрез квантрона излучателя;- in fig. Figure 5 shows a longitudinal section of the emitter quantron;

- на фиг. 6 изображен вид сбоку квантрона излучателя без фланцев;- in fig. 6 shows a side view of the emitter quantron without flanges;

- на фиг. 7 показан излучатель в разобранном виде с установленными элементами импульсного твердотельного лазера (вид сверху);- in fig. Figure 7 shows the emitter disassembled with installed elements of a pulsed solid-state laser (top view);

- на фиг. 8 приведена оптическая схема излучателя;- in fig. 8 shows the optical diagram of the emitter;

- на фиг. 9 показаны установленные на защитном кожухе элементы системы охлаждения и видеокамера;- in fig. 9 shows the elements of the cooling system and the video camera installed on the protective casing;

- на фиг. 10 приведены элементы системы охлаждения с теплообменником;- in fig. 10 shows the elements of the cooling system with a heat exchanger;

- на фиг. 11 приведены элементы системы охлаждения со снятым теплообменником;- in fig. 11 shows the elements of the cooling system with the heat exchanger removed;

- на фиг. 12 приведена блок-схема излучателя.- in fig. Figure 12 shows a block diagram of the emitter.

Излучатель содержит корпус, состоящий из основания 1, передней 2 и задней торцевой стенки 3, защитный кожух 4, силовую панель 5, жестко соединяющую торцевые стенки 2 и 3.The emitter contains a housing consisting of a base 1, a front 2 and a rear end wall 3, a protective casing 4, a power panel 5 that rigidly connects the end walls 2 and 3.

Защитный кожух 4 имеет прямоугольное поперечное сечение с выступающей над передней торцевой стенкой 2 «крышей» для вывода лазерного излучения, имеет скошенные нижние углы (фиг. 1).The protective casing 4 has a rectangular cross-section with a “roof” protruding above the front end wall 2 for laser radiation output, and has beveled lower corners (Fig. 1).

Передняя торцевая стенка 2 имеет технологическое отверстие, предназначенное для вывода лазерного излучения, и закрываемое при переноске предохранительной крышкой.The front end wall 2 has a technological hole designed to output laser radiation, and is closed with a safety cover during transportation.

Задняя торцевая стенка 3 имеет технологическое отверстие, предназначенное для доступа к глухому плоскому зеркалу 11 резонатора и его регулировки, и закрываемое при переноске предохранительной крышкой.The rear end wall 3 has a technological hole designed for access to the blind flat mirror 11 of the resonator and its adjustment, and is closed with a safety cover when carried.

Между основанием 1 и силовой панелью 5 (фиг. 2, 3, 7) посредством держателей 10 и 8 жестко крепятся, соответственно, глухое плоское зеркало 11 и полупрозрачное зеркало 21 резонатора; посредством держателей 8, 9 жестко крепятся, соответственно, входной и выходной фланцы 14 и 15 квантрона. Между держателями 9 и 10 с использованием цилиндрических шпилек установлены поляризатор 12 и электрооптический затвор 13. К держателю 8 с использованием цилиндрических шпилек закреплен генератор второй гармоники 22. Между основанием 1 и силовой панелью 5 установлены панель емкостного накопителя 24, панель батареи аккумуляторов 25, плата внешнего управления 26, а также посредством держателей 6 и 7 закреплен выходной коллиматор 23.Between the base 1 and the power panel 5 (Fig. 2, 3, 7), by means of holders 10 and 8, a blind flat mirror 11 and a translucent resonator mirror 21 are rigidly attached, respectively; By means of holders 8, 9, the input and output flanges 14 and 15 of the quantron are rigidly attached, respectively. A polarizer 12 and an electro-optical shutter 13 are installed between the holders 9 and 10 using cylindrical pins. A second harmonic generator 22 is attached to the holder 8 using cylindrical pins. A capacitive storage panel 24, a battery panel 25, and an external board are installed between the base 1 and the power panel 5. control 26, and also by means of holders 6 and 7 the output collimator 23 is fixed.

В квантроне (фиг. 4-6) между входным и выходным фланцами 14 и 15 установлены АЭ 16, выполненный в виде кристаллического стержня, размещенного с радиальным зазором внутри прозрачной трубки 17, источники оптической накачки 19 (например, линейки или матрицы лазерных диодов), закрепленные на держателях 18, расположенных вокруг и вдоль АЭ 16, и обращенные излучающей областью к АЭ, в промежутках между которыми смонтированы держатели с отражательными зеркалами 20, обращенными к АЭ 16. Для подключения источников оптической накачки 19 в держателях 20 на изоляционной проставке 38 установлены электрические контакты 39, изолированные друг от друга, к которым подключаются с одной стороны выводы источников оптической накачки 19, а с другой - провода от групп электролитических конденсаторов панели емкостного накопителя 24.In the quantron (Fig. 4-6), between the input and output flanges 14 and 15, an AE 16 is installed, made in the form of a crystal rod placed with a radial gap inside a transparent tube 17, optical pumping sources 19 (for example, a ruler or matrix of laser diodes), mounted on holders 18 located around and along the AE 16, and facing the emitting area towards the AE, in the spaces between which holders with reflective mirrors 20 facing the AE 16 are mounted. To connect optical pumping sources 19, electrical contacts 39, isolated from each other, to which the leads of optical pumping sources 19 are connected on one side, and wires from groups of electrolytic capacitors of the capacitive storage panel 24 on the other.

На силовой панели 5 (фиг. 2 и 3) установлены драйвер электрооптического затвора 27, микроконтроллер 1 (поз. 30), который управляет сборкой источников оптической накачки 19, панелью емкостного накопителя 24, драйвером электрооптического затвора 27, а также взаимодействует через плату внешнего управления 26 с внешним персональным компьютером на удаленном проводном управлении по Ethernet-кабелю. А также установлен микроконтроллер 2 (поз. 28), который контролирует с помощью цифровых термодатчиков температуру в системе охлаждения АЭ 16, источников оптической накачки 19 и управляет драйвером термоэлектрических модулей 29, а также жидкостным насосом 31 и блоком вентиляторов 35, закрепленными на кожухе излучателя 4.On the power panel 5 (Figs. 2 and 3) an electro-optical gate driver 27, a microcontroller 1 (item 30) are installed, which controls the assembly of optical pump sources 19, the capacitive storage panel 24, the electro-optical gate driver 27, and also interacts through an external control board 26 with an external personal computer for remote wired control via an Ethernet cable. A microcontroller 2 (item 28) is also installed, which, using digital temperature sensors, controls the temperature in the AE cooling system 16, optical pump sources 19 and controls the driver of thermoelectric modules 29, as well as the liquid pump 31 and the fan unit 35, mounted on the emitter casing 4 .

На кожухе 4 излучателя (фиг. 9-11) закреплены элементы системы охлаждения: теплообменник 32, сборка термоэлектрических модулей 33, радиатор 34, жидкостной насос 31 и вентиляторы 35.The elements of the cooling system are fixed to the casing 4 of the emitter (Fig. 9-11): heat exchanger 32, assembly of thermoelectric modules 33, radiator 34, liquid pump 31 and fans 35.

Охлаждение АЭ 16 и источников оптической накачки 19 осуществляется за счет работы жидкостного насоса 31 и протока охлаждающей жидкости в радиальном зазоре трубки 17, охватывающей АЭ 16, в каналах держателей 18 и каналах фланцев 14 и 15, которая охлаждается во внешнем теплообменнике 32, за счет работы в прямом режиме сборки термоэлектрических модулей 33 и обдува радиатора 34 вентиляторами 35. При необходимости, микроконтроллер 2 (поз. 28) дает команду на драйвер термоэлектрических модулей 29 для реверсной работы сборки термоэлектрических модулей 33, при этом прокачиваемая жидкость во внешнем теплообменнике 32 подогревается до оптимальной температуры работы АЭ 16 и источников оптической накачки 19.Cooling of the AE 16 and optical pumping sources 19 is carried out due to the operation of the liquid pump 31 and the flow of coolant in the radial gap of the tube 17 covering the AE 16, in the channels of the holders 18 and the channels of the flanges 14 and 15, which is cooled in the external heat exchanger 32, due to the work in the direct mode of assembling thermoelectric modules 33 and blowing the radiator 34 with fans 35. If necessary, microcontroller 2 (item 28) gives a command to the driver of thermoelectric modules 29 for reverse operation of the assembly of thermoelectric modules 33, while the pumped liquid in the external heat exchanger 32 is heated to optimal operating temperatures of AE 16 and optical pumping sources 19.

В системе охлаждения контроль температуры осуществляется с помощью цифровых термодатчиков: термодатчик 42 установлен для измерения температуры охлаждающей жидкости в выходном патрубке 41 фланца 15; термодатчик 43 установлен на радиаторе 34 для измерения его температуры. Выходы термодатчиков 42 и 43 соединены с входами микроконтроллера 2 (поз. 28), который в автоматическом режиме управляет работой сборки термоэлектрических модулей 33 и вентиляторов 35.In the cooling system, temperature control is carried out using digital temperature sensors: a temperature sensor 42 is installed to measure the temperature of the coolant in the outlet pipe 41 of the flange 15; a temperature sensor 43 is installed on the radiator 34 to measure its temperature. The outputs of temperature sensors 42 and 43 are connected to the inputs of microcontroller 2 (item 28), which automatically controls the operation of the assembly of thermoelectric modules 33 and fans 35.

Оптическая схема излучателя (фиг. 8) выполнена на базе неустойчивого резонатора, включает глухое плоское зеркало резонатора 11, электрооптический затвор 12, поляризатор 13, АЭ 16, накачиваемый источниками оптической накачки 19, полупрозрачное зеркало 21 резонатора, генератор второй гармоники 22 и выходной коллиматор 23.The optical circuit of the emitter (Fig. 8) is made on the basis of an unstable resonator and includes a solid flat resonator mirror 11, an electro-optical shutter 12, a polarizer 13, an AE 16 pumped by optical pumping sources 19, a translucent resonator mirror 21, a second harmonic generator 22 and an output collimator 23 .

Питание элементов излучателя осуществляется от источника стабилизированного постоянного напряжения на основе батареи литий-полимерных аккумуляторов, установленных на панели батареи аккумуляторов 25.The emitter elements are powered from a stabilized constant voltage source based on a battery of lithium-polymer batteries installed on the battery panel 25.

Предлагаемый компактный твердотельный излучатель работает следующим образом (фиг. 12).The proposed compact solid-state emitter operates as follows (Fig. 12).

1. Излучатель через плату внешнего управления 26 подключается к внешнему персональному компьютеру (на схеме не показан).1. The emitter is connected through an external control board 26 to an external personal computer (not shown in the diagram).

2. В зависимости от температуры внешней среды через управляющий микроконтроллер 2 (поз. 28) подключаются элементы системы охлаждения для охлаждения/нагревания жидкости, прокачиваемой жидкостным насосом 31 по шлангам, подключенным к входному 40 и выходному патрубку 41 через прозрачную трубку 17 с АЭ 16 и держатели 18 с источниками оптической накачки 19.2. Depending on the ambient temperature, elements of the cooling system are connected through the control microcontroller 2 (item 28) to cool/heat the liquid pumped by the liquid pump 31 through hoses connected to the inlet 40 and outlet 41 through a transparent tube 17 with AE 16 and holders 18 with optical pumping sources 19.

3. После достижения оптимальной температуры по показаниям термодатчика 42 (например, +25°С) микроконтроллер 2 (поз. 28) дает разрешение микроконтроллеру 1 (поз. 30) на заряд накопительных электролитических конденсаторов на панели емкостного накопителя 24 (например, до 160 В) от батареи аккумуляторов панели 25.3. After reaching the optimal temperature according to the readings of temperature sensor 42 (for example, +25°C), microcontroller 2 (item 28) gives permission to microcontroller 1 (item 30) to charge storage electrolytic capacitors on the panel of capacitive storage 24 (for example, up to 160 V ) from the panel battery 25.

4. По готовности накопителя 24 по команде с внешнего персонального компьютера или в автоматическом режиме по команде микроконтроллера 1 (поз. 30) на источники оптической накачки 19 подается ток накачки с накопителя 24 с заданной амплитудой (например, 30 А на каждый элемент накачки) и длительностью (например, 250-300 мкс), при этом источники оптической накачки 19 начинают генерировать излучение накачки определенной длины волны (например, λ=808 нм). Излучение накачки, проходя прозрачную трубку 17 и охлаждающую жидкость внутри ее полости, поглощается АЭ 16. Часть излучения накачки, не поглотившаяся в АЭ 16 и прошедшая сквозь него, возвращается обратно отражательными зеркалами 20 в АЭ 16, что обеспечивает максимальное поглощение активной средой излучения накачки.4. When the drive 24 is ready, upon command from an external personal computer or in automatic mode, at the command of the microcontroller 1 (item 30), a pump current from the drive 24 is supplied to the optical pump sources 19 with a given amplitude (for example, 30 A for each pump element) and duration (for example, 250-300 μs), while the optical pump sources 19 begin to generate pump radiation of a certain wavelength (for example, λ=808 nm). The pump radiation, passing through the transparent tube 17 and the cooling liquid inside its cavity, is absorbed by the AE 16. The part of the pump radiation that is not absorbed in the AE 16 and passes through it is returned back by the reflective mirrors 20 to the AE 16, which ensures maximum absorption of the pump radiation by the active medium.

5. Источники оптической накачки 19 генерируют излучение накачки - происходит увеличение населенности на верхнем лазерном уровне в кристалле АЭ 16, что приводит к росту коэффициента усиления в некоторой полосе частот. Генерация лазерного излучения активной среды (например, YAG:Nd³⁺с длиной волны λ=1064 нм) не развивается, так как внутри оптического резонатора, образованного глухим зеркалом 11 и полупрозрачным зеркалом 21 находится электрооптический затвор 12, который закрыт. При определенной населенности верхнего лазерного уровня и достижении, так называемого порога генерации, через определенную уставку времени к концу накачки (например, 250 мкс) с микроконтроллера 1 (поз. 30) формируется управляющая команда на драйвер электрооптического затвора 27, который подает высоковольтный электрический импульс на затвор 12, открывая его. Начинается быстрый рост интенсивности излучения на частоте генерации, что приводит к генерации моноимпульса. Длительность такого мощного импульса составляет 30-50 нс. После окончания моноимпульса активный модулятор - электрооптический затвор 12 начинает восстанавливаться и приходит в первоначальное состояние.5. Optical pump sources 19 generate pump radiation - the population at the upper laser level in the AE crystal 16 increases, which leads to an increase in the gain in a certain frequency band. The generation of laser radiation from the active medium (for example, YAG:Nd ³⁺ with a wavelength λ=1064 nm) does not develop, since inside the optical resonator formed by the blind mirror 11 and the semi-transparent mirror 21 there is an electro-optical shutter 12, which is closed. When a certain population of the upper laser level is reached and the so-called lasing threshold is reached, after a certain time setting towards the end of pumping (for example, 250 μs), a control command is generated from microcontroller 1 (item 30) to the electro-optical gate driver 27, which supplies a high-voltage electrical pulse to shutter 12, opening it. A rapid increase in radiation intensity begins at the generation frequency, which leads to the generation of a monopulse. The duration of such a powerful pulse is 30-50 ns. After the end of the monopulse, the active modulator - electro-optical gate 12 begins to recover and returns to its original state.

6. Генератор второй гармоники преобразует лазерное излучение активной среды АЭ в излучение с половинной длиной волны (например, λ=532 нм), а выходной коллиматор формирует пучок лазерного излучения с нужной расходимостью (например, М²≤2).6. The second harmonic generator converts laser radiation from the active medium of the AE into radiation with half the wavelength (for example, λ=532 nm), and the output collimator forms a beam of laser radiation with the required divergence (for example, M ² ≤2).

7. При необходимости, вместо одиночного импульса лазерного излучения, излучатель может работать в режиме серии импульсов с частотой следования до 30 Гц, при этом после прохождения первого импульса работа микроконтроллера 1 (поз. 30) повторяется в автоматическом режиме (пп.3-6 выше приведенной последовательности включения оборудования излучателя).7. If necessary, instead of a single pulse of laser radiation, the emitter can operate in the mode of a series of pulses with a repetition rate of up to 30 Hz, and after the passage of the first pulse, the operation of microcontroller 1 (item 30) is repeated in automatic mode (items 3-6 above the given sequence of turning on the emitter equipment).

При работе излучателя часть поглощенной АЭ 16 энергии накачки идет на тепловые потери. При длительной работе тепловыделение достаточно высоко, поэтому требуется принудительное охлаждение АЭ 16. В источниках оптической накачки 19 часть электрической энергии также тратится на тепловые потери, поэтому их также необходимо охлаждать. Охлаждение АЭ 16 и источников оптической накачки 19 происходит следующим образом.During operation of the emitter, part of the pump energy absorbed by the AE 16 goes to heat losses. During long-term operation, the heat release is quite high, so forced cooling of the AE 16 is required. In optical pumping sources 19, part of the electrical energy is also spent on thermal losses, so they also need to be cooled. Cooling of the AE 16 and optical pumping sources 19 occurs as follows.

Охлаждающая жидкость подается через входной патрубок 40 во фланец 14 (фиг. 4, 5) и по его внутренним каналам разделяется и поступает в прозрачную трубку 17, внутри которой с радиальным зазором размещен АЭ 16, поступает в каналы держателей 18, имеющих тепловой контакт с источниками оптической накачки 19. Держатели 18 изготовлены из материала с высокой теплопроводностью, например, из меди или алюминия. На выходе из прозрачной трубки 17 и каналов держателей 18 охлаждающая жидкость по каналам фланца 15 поступает в выходной патрубок 41. Система охлаждающей жидкости закольцована шлангами от выходного патрубка 41 к теплообменнику 32 через жидкостной насос 31 к входному патрубку 40.The coolant is supplied through the inlet pipe 40 into the flange 14 (Fig. 4, 5) and is divided through its internal channels and enters a transparent tube 17, inside of which the AE 16 is located with a radial gap, enters the channels of the holders 18, which have thermal contact with the sources optical pumping 19. The holders 18 are made of a material with high thermal conductivity, for example, copper or aluminum. At the exit from the transparent tube 17 and the channels of the holders 18, the coolant flows through the channels of the flange 15 into the outlet pipe 41. The coolant system is looped with hoses from the outlet pipe 41 to the heat exchanger 32 through the liquid pump 31 to the inlet pipe 40.

Для герметизации соединений элементов системы охлаждения фланцев 14 и 15, трубки 17, держателей 18, патрубков 40 и 41 использованы кольцевые прокладки круглого сечения, уложенные в закрытые канавки соответствующих деталей.To seal the connections of the cooling system elements of flanges 14 and 15, tube 17, holders 18, pipes 40 and 41, circular gaskets are used, placed in closed grooves of the corresponding parts.

Все элементы излучателя, контактирующие с охлаждающей жидкостью, изготовлены из стойких к ее воздействию материалов, либо с применением защитных покрытий.All elements of the emitter in contact with the coolant are made of materials resistant to its influence, or with the use of protective coatings.

Создание излучателя указанным выше образом обеспечивает эффективное охлаждение АЭ 16 и элементов накачки при его работе, а также их термостабилизацию. Это приводит к повышению устойчивости к внешним воздействующим факторам наряду с низкой расходимостью лазерного пучка за счет построения оптической схемы излучателя указанным выше образом.Creating the emitter in the above manner ensures effective cooling of the AE 16 and pumping elements during its operation, as well as their thermal stabilization. This leads to increased resistance to external influencing factors along with low divergence of the laser beam due to the construction of the optical circuit of the emitter in the manner indicated above.

Кроме того, излучатель содержит жестко закрепленную на кожухе корпуса цифровую высокоскоростную видеокамеру 36 (фиг. 9) с длиннофокусным зеркально-линзовым объективом, передающую видеосигнал через плату внешнего управления 26 и интерфейс внешнего управления Ethernet 37 на внешний персональный компьютер для обработки.In addition, the emitter contains a digital high-speed video camera 36 (Fig. 9) rigidly mounted on the housing casing with a long-focal mirror-lens lens, transmitting the video signal through an external control board 26 and an external control Ethernet interface 37 to an external personal computer for processing.

Таким образом, благодаря наличию новых признаков совместно с известными, общими с прототипом, достигается следующий технический результат:Thus, thanks to the presence of new features together with the known ones, common to the prototype, the following technical result is achieved:

- упрощена конструкция излучателя и оптимизированы его массогабаритные размеры;- the design of the emitter has been simplified and its weight and dimensions have been optimized;

- обеспечена термостабилизация АЭ и источников оптической накачки и устойчивость конструкции излучателя к внешним воздействующим факторам;- thermal stabilization of the AE and optical pumping sources and stability of the emitter design to external influencing factors is ensured;

- повышена эффективность накачки АЭ, что позволило достигнуть высокой энергии выходного лазерного импульса.- the efficiency of AE pumping has been increased, which has made it possible to achieve a high energy output laser pulse.

При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявлении источников, содержащих сведения об аналогах заявленной полезной модели, не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данной полезной модели.When conducting an analysis of the level of technology, including a search through patent and scientific and technical sources of information, and identifying sources containing information about analogues of the claimed utility model, no analogues were found that were characterized by features identical to all the essential features of this utility model.

Определение из перечня выявленных аналогов прототипа, как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков от прототипа, изложенных в формуле полезной модели. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию «новизна».Determination from the list of identified analogues of the prototype as the closest analogue in terms of the set of essential features made it possible to identify a set of essential distinctive features from the prototype set out in the formula of the utility model. Consequently, the declared utility model meets the “novelty” condition.

Примером практического применения устройства может служить созданный компактный твердотельный излучатель с термостабилизацией диодной накачки и электрооптической модуляцией добротности с активным элементом в виде кристаллического стержня из алюмоиттриевого граната с неодимом YAG:Nd³⁺(Ø6×100 мм). В качестве элементов накачки применены матрицы лазерных диодов.An example of the practical application of the device is the created compact solid-state emitter with thermal stabilization of diode pumping and electro-optical Q-switching with an active element in the form of a crystalline rod of yttrium aluminum garnet with neodymium YAG:Nd ³⁺ (Ø6×100 mm). Laser diode arrays are used as pumping elements.

Основные характеристики созданного твердотельного лазера с диодной накачкой и электрооптической модуляцией добротности: энергия импульса - не менее 1,0 Дж, длительность импульса ~50 не, расходимость лазерного пучка по уровню М²≤2, частота следования импульсов до 30 Гц.The main characteristics of the created solid-state laser with diode pumping and electro-optical Q-switching: pulse energy - no less than 1.0 J, pulse duration ~50 ns, laser beam divergence at M ² level ≤2, pulse repetition rate up to 30 Hz.

Таким образом, создав конструкцию компактного твердотельного излучателя с диодной накачкой, обладающего высокими характеристиками лазерного излучения, стабильными выходными параметрами вне зависимости от внешних факторов, подтверждена возможность осуществления заявляемого устройства.Thus, having created the design of a compact diode-pumped solid-state emitter with high laser radiation characteristics and stable output parameters regardless of external factors, the feasibility of the proposed device has been confirmed.

Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует условию «промышленная применимость».Consequently, the claimed utility model meets the “industrial applicability” condition.

Полезная модель может быть использована при изготовлении компактной лазерной техники, работающей в жестких условиях эксплуатации.The utility model can be used in the manufacture of compact laser equipment operating under harsh operating conditions.

Claims

1. A compact solid-state emitter with diode pumping, containing an active element in the form of a rod, optical pumping sources located on holders around the active element and facing it with the emitting region, and located in the coaxial holes of the flanges; the cooling system contains a tube covering the active element to form radial clearance, inlet and outlet manifolds made in flanges, and holder channels, the manifolds are connected to the radial clearance, the active element and tube are fixed in flanges, the holders are installed through seals, the cooling system is equipped with inlet and outlet pipes mounted on flanges, characterized in that the emitter is rigidly fixed in a housing consisting of a base, end walls in which there are technological holes, and a protective casing, while the end walls, in addition to the base, are rigidly connected to each other by a power panel; in the space between the base and the power panel, the following are rigidly attached by means of holders: a blank flat mirror, an electro-optical shutter, a polarizer, flanges in which the active element in a transparent tube is installed coaxially through seals, around and along which holders with optical pumping sources are located, and in the spaces between they are mounted with holders with reflective mirrors facing the active element; translucent mirror, second harmonic generator, output collimator, capacitive storage panel, battery panel, external control board; and on the power panel are mounted the electro-optical gate driver, microcontroller 1 that controls optical pumping, as well as microcontroller 2 that controls the temperature in the cooling system of the active element and optical pumping sources; In this case, cooling of the active element and optical pumping sources is carried out by pumping a coolant with a liquid pump in the radial gap of the tube enclosing the active element, in the channels of the optical pumping source holders and the flange channels, which is cooled/heated in an external heat exchanger installed on the protective casing of the emitter housing , on which the assembly of thermoelectric modules and the radiator are rigidly fixed, while temperature control is carried out using digital temperature sensors, one of which is installed on the outlet pipe of the flange, the other on the radiator of the cooling system, the outputs of the temperature sensors are connected to the inputs of microcontroller 2, upon whose command the fans are connected radiator blower.

2. The emitter according to claim 1, characterized in that a digital high-speed video camera with a long-focal mirror-lens lens is rigidly mounted on the protective casing, which provides an overview of the surrounding area.

3. The emitter according to claim 1, characterized in that, through an external control board, remote control via an Ethernet cable from an external personal computer is possible.