КОНСТРУКЦИЯ ОПТИЧЕСКОЙ НАКАЧКИ Российский патент 2013 года по МПК H01S3/42 

Областью изобретения является оптическая накачка для оптического квантового генератора, в частности, накачка диодами.

Конструкция оптической накачки является решающей составной частью для характеристик оптического квантового генератора.

Она нуждается как в хорошем отводе тепловой мощности, рассеиваемой в активной среде, так и в хорошей однородности температур используемых диодов накачки для обеспечения однородного распределения коэффициента усиления оптического квантового генератора во время одного цикла вспышки и при различных интервалах между двумя последовательными импульсами, когда речь идет об импульсном оптическом квантовом генераторе. Следует напомнить, что для импульсного оптического квантового генератора средняя мощность (Pmoy), рассеиваемая конструкцией, представлена соотношением:

Pmoy=Pdiodes × количество диодов × продолжительность накачки × интервал импульсов,

где Pdiodes - мощность каждой совокупности диодов накачки.

Интервал и продолжительность накачки, связанные с продолжительностью цикла вспышки, изменяют рассеиваемую мощность таким образом, что оказывает влияние на оптические характеристики.

В настоящее время существуют конструкции накачки прямоугольной конфигурации, вид в разрезе которых представлен на фиг.2а. Такая конструкция содержит продольный стержень 1, имеющий квадратное сечение, который используется в качестве активной среды; он накачивается двумя сборками диодов 2, которые расположены вдоль стержня и симметрично напротив двух параллельных сторон, причем две другие стороны стержня находятся в контакте с элементом 3 отвода тепла путем теплопроводности. Если такая конфигурация эффективна для рассеяния тепла, то она таковой не является, если речь идет о качестве получаемого на выходе пучка: форма пучка на выходе 10, показанного в разрезе на фиг.2Ь, которая обусловлена геометрией сечения, не является круглой.

Другое решение заключается в использовании конструкции накачки с круглой конфигурацией, т.е. содержащей стержень 1, имеющий круглое сечение (вид в разрезе представлен на фиг.1а). Форма пучка на выходе 10, которая обусловлена геометрией сечения и показана на фиг.1b, является, таким образом, круглой, что обеспечивает хорошее качество пучка. Сборки диодов накачки 2, например, три сборки, расположены звездой вокруг стержня 1. Элементы рассеяния тепла в виде алюминиевых колец 4 зажимают, как это показано на фиг.1с, концы стержня 1; рассеяние тепла также обеспечивается посредством устройства охлаждения 3, использующего циркуляцию жидкости, которое соединяет сборки диодов 2, как это показано в разрезе на фиг.1а. Пример такой конструкции накачки с жидкостным охлаждением, содержащей четыре сборки диодов, расположенных звездой, представлен в патенте US 6101208, в котором также указывается, что охлаждение путем теплопроводности не является удовлетворительным. В данном случае хорошее качество пучка достигается в ущерб большим габаритным размерам и использованию жидкого теплоносителя.

Эффективное охлаждение, использующее газ (например, воздух) вместо жидкости, в минимальном габаритном объеме, является важной целью и задачей.

Вследствие этого на настоящий момент сохраняется потребность в конструкции накачки, которая удовлетворяет одновременно всей совокупности вышеперечисленных требований, а именно охлаждение газом, хороший отвод тепловой мощности, рассеиваемой в активной среде (снижение температур и осевых и продольных внутренних температурных градиентов), хорошая однородность температур используемых диодов накачки, минимальный габаритный объем и хорошее качество оптического пучка.

Если быть более точным, то технической задачей изобретения является конструкция оптической накачки для оптического квантового генератора, которая содержит активную среду в виде цилиндрического стержня, имеющего круглое сечение; причем концы стержня введены в два кольца, выполненные из теплопроводного материала; по меньшей мере, три пакета небольших стержней диодов накачки, расположенных звездой вокруг стержня; опору с регулировкой температуры посредством модуля на основе эффекта Пельтье. Она в основном отличается тем, что кольца находятся в контакте с опорой, а также тем, что пакет диодов, так называемый нижний пакет, размещен между стержнем и опорой, причем она содержит для каждого другого пакета блок теплопроводности, образующий опору для упомянутого пакета; причем эти блоки установлены на охлажденной опоре, но не находятся в контакте ни друг другом, ни с кольцами.

Кроме того, она содержит, предпочтительно, вставку, выполненную из теплопроводного материала, расположенную под нижним пакетом для адаптирования теплового сопротивления между этим пакетом и ее опорой.

Согласно одному отличительному признаку изобретения, вставка содержит, по меньшей мере, одно отверстие, возможно, заполненное теплопроводным материалом, отличным от материала вставки.

Согласно другому отличительному признаку изобретения, кольцо прикреплено к опоре посредством гибкого зажима, позволяющего поглощать различные температурные расширения между стержнем и его опорой, а именно кольцами.

Другие признаки и преимущества изобретения станут более очевидны после изучения нижеприводимого детального описания, которое носит иллюстративный, но не ограничительный характер, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 (уже описана) схематично изображает виды в разрезе конструкции оптической накачки с цилиндрическим стержнем, имеющим круглое сечение, в соответствии с уровнем техники, спереди (фиг.1а), сбоку (фиг.1с) и форму образующегося пучка (фиг.1b);

фиг.2 (уже описана) схематично изображает виды в разрезе конструкции оптической накачки с цилиндрическим стержнем, имеющим квадратное сечение, в соответствии с уровнем техники, спереди (фиг.2а) и форму образующегося пучка (фиг.2b);

фиг.3 изображает последовательные этапы установки конструкции оптической накачки с цилиндрическим стержнем, имеющим круглое сечение, согласно изобретению.

В каждой из фигур одни и те же элементы обозначены одними и теми же цифровыми позициями.

Со ссылкой на фиг.3 приводится описание различных элементов одного примера конструкции оптической накачки, согласно изобретению, по мере сборки данной конструкции.

Она содержит опору 5, которая выполняет функцию распределителя тепла и на которой располагается пакет диодов накачки, так называемый нижний пакет 21, устанавливаемый на подложке 211. Эта опора 5 выполнена из теплопроводного материала, такого как медь или сплав алюминия.

Активная среда представлена в виде цилиндрического стержня 1, имеющего круглое сечение; она своими концами введена в два кольца 11, выполненные из меди или сплава алюминия, которые позволяют путем теплопроводности симметрично отводить на концах тепловую мощность, рассеиваемую в стержне. Этот стержень, снабженный двумя кольцами установлен на опоре 5, причем кольца 11 находятся в контакте с упомянутой опорой 5; при этом он крепится к опоре 5, например, посредством достаточно гибкого зажима 6, обеспечивающего удержание стержня, позволяя поглощать различные тепловые расширения между стержнем 1 и его опорой, а именно кольцами 11. Стержень установлен сверху пакета диодов 21 таким образом, что данный пакет 21 располагается вдоль центральной части стержня, которая остается свободной от колец, на небольшом расстоянии от стержня.

Второй пакет диодов накачки, так называемый боковой пакет 22, также устанавливаемый на подложке 221, крепится на блоке 7 теплопроводности, образуя опору для этого пакета 22; этот опорный блок 7 устанавливается на опоре 5 таким образом, что пакет располагается вдоль центральной части стержня 1, остающегося, как и в предыдущем случае, свободным от колец. Опорный блок 7 выполнен из меди или сплава алюминия и находится частично в контакте с опорой 5.

Как и в случае второго пакета, третий пакет диодов накачки, также называемый боковым пакетом 22, закрепленный на блоке 7 теплопроводности, образующем опору, устанавливается на опоре 5. Этот блок 7 также выполнен из меди или сплава алюминия. Три пакета диодов 21, 22 расположены симметрично вокруг стержня 1 звездой, то есть под углом приблизительно 120° друг от друга. Как это показано на фиг.3d и 3е, эти пакеты имеют одно и то же местоположение относительно продольной оси стержня, а блок 7 теплопроводности для нижнего 21 пакета диодов отсутствует.

Опорные блоки 7 не находятся в непосредственном контакте ни друг с другом, ни с кольцами 11 стержня. Таким образом, управление температурами диодов минимально взаимозависимо от управления температурой стержня. Такая тепловая и механическая концепция позволяет обеспечить однородность оптимальной температуры трех пакетов диодов.

Модуль 8 на основе эффекта Пельтье, установлен под опорой 5 для регулировки температуры пакетов диодов и отвода рассеиваемой теплоты, причем вся сборка установлена на металлическом теплообменнике с циркуляцией газа (например, воздуха) вместо жидкости в качестве жидкого теплоносителя; причем этот теплообменник находится в контакте с горячей стороной модуля на основе эффекта Пельтье. Также может добавляться средство сопряжения между модулем 8 и данным теплообменником.

Тепловое сопротивление между пакетом диодов 21 или 22 и его опорой 5 или 7 адаптировано таким образом, чтобы сделать три пакета диодов однородными по температуре, что позволяет минимизировать изменения длины волн во время одного цикла вспышки или при разных интервалах и обеспечить, таким образом, однородное распределение коэффициента усиления, которым обладает стержень.

В связи с этим конструкция содержит, предпочтительно, вставку 9, выполненную из теплопроводного материала, такого как медь или сплав алюминия, которая расположена под нижним пакетом 21, для адаптирования теплового сопротивления между этим пакетом и его опорой 5. Отверстие 91 или даже множество отверстий также могут быть образованы в этой вставке 9 и, возможно, заполнены теплопроводным материалом, отличным от материала вставки, как, например, индий или силиконы, насыщенные окисью алюминия, для подгонки теплового сопротивления между упаковкой и ее опорой.

Конструкция накачки, согласно изобретению, позволяет добиться небольшой разницы температур между упаковками диодов и симметрично отводить мощность, рассеиваемую в стержне.

Использование газа (например, воздуха) вместо жидкости в качестве жидкого теплоносителя позволяет, кроме того, уменьшить массу устройства, повысить его надежность, в частности, связанную с опасностью утечки жидкости, присущей для устройств из уровня техники, смягчить требования, предъявляемые к логистике и техническому обслуживанию.

Ее общий объем незначителен по сравнению с оптической формой.

И, наконец, оптимизирована процедура установки этой конструкции.

Конструкция оптической накачки, согласно изобретению, была выполнена со следующими характеристиками:

- диаметр стержня - приблизительно 4 мм;

- тепловая мощность, присущая стержню, выполненному из Nd:Yag - в среднем приблизительно 2 Вт;

- длина излучаемой волны равна приблизительно 1 µм;

- три пакета по 10 (приблизительно) небольших стержней диодов, рассредоточенных с интервалом в 120° и удаленных от стержня на расстояние приблизительно 1,5 мм;

- мощность одного пакета приблизительно 3 Вт;

- длина волны диодов приблизительно 808 нм;

- разница температур между основанием нижнего пакета и металлическим теплообменником с циркуляцией газов <3°С;

- разница температур между верхом основания бокового пакета и низом основания <3°С;

- разница температур между нижним пакетом и боковым пакетом <1°С;

- габаритный объем приблизительно 0,07 л;

- постоянные характеристики для одного интервала изменяются от 1 до 20 Гц.

В нижеследующей таблице для сведения приводятся примеры использованных материалов.

Деталь Материалы подложки диодов 211, 212 Медь Опоры боковых пакетов (блок 7) Медь или сплав алюминия Регулировочные вставки 9 Медь или сплав алюминия Стержень 1 Иттриево-алюминиевый гранат (Yag) Кольца 11 Медь или сплав алюминия Средство сопряжения с модулем на основе эффекта Пельтье Индий или силикон, насыщенный окисью алюминия Опора 5 Медь или сплав алюминия

Изобретение относится к конструкции оптической накачки для оптического квантового генератора, которая содержит активную среду в виде цилиндрического стержня (1), имеющего круглое сечение, причем концы стержня введены в два кольца (11), выполненные из теплопроводного материала, по меньшей мере, три пакета (21, 22) небольших стержней диодов накачки, расположенных звездой вокруг стержня, опору (5) с регулировкой температуры посредством модуля (8) на основе эффекта Пельтье, причем кольца (11) находятся в контакте с опорой (5). При этом пакет диодов, так называемый нижний пакет (21), размещен между стержнем (1) и опорой (5) и содержит для каждого другого пакета (22) блок (7) теплопроводности, образующий опору для упомянутого пакета (22), причем блоки (7) установлены на охлажденной опоре (5) и не находятся в контакте ни между собой, ни с кольцами (11). Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения эффективности охлаждения при уменьшении габаритов устройства. 5 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Конструкция оптической накачки для лазеров, которая содержит:
- активную среду в виде цилиндрического стержня, имеющего круглое сечение; причем концы стержня введены в два кольца, выполненные из теплопроводного материала;
- по меньшей мере, три пакета стержней диодов накачки, расположенных звездой вокруг стержня;
- опору с регулировкой температуры посредством модуля на основе эффекта Пельтье,
отличающаяся тем, что кольца находятся в контакте с опорой, а также тем, что пакет диодов, так называемый нижний пакет, размещен между стержнем и опорой, при этом конструкция содержит для каждого другого пакета блок теплопроводности, образующий опору для упомянутого пакета; причем эти блоки установлены на охлажденной опоре, но не находятся в контакте ни между собой, ни с кольцами.

2. Конструкция оптической накачки для лазеров по п.1, отличающаяся тем, что она содержит теплообменник, использующий газ в качестве теплоносителя и закрепленный на стороне модуля (8) на основе эффекта Пельтье рядом с опорой.

3. Конструкция оптической накачки для лазеров по п.1, отличающаяся тем, что она содержит, кроме того, вставку, выполненную из теплопроводного материала, которая расположена под нижним пакетом, для адаптирования теплового сопротивления между данным пакетом и его опорой.

4. Конструкция оптической накачки для лазеров по п.3, отличающаяся тем, что вставка (9) содержит, по меньшей мере, одно отверстие.

5. Конструкция оптической накачки для лазеров по п.4, отличающаяся тем, что отверстие заполнено теплопроводным материалом, отличным от материала вставки.

6. Конструкция оптической накачки для лазеров по п.1, отличающаяся тем, что она содержит гибкий зажим для удержания кольца.