ЛАЗЕРНЫЙ МОДУЛЬ Российский патент 2015 года по МПК H01S5/06 H01S5/62 H01S5/22 

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, в частности к малогабаритным лазерным источникам света, и может быть использовано в оптических приборах, предназначенных, например, для целей ближней морской и воздушной навигации.

Известен лазерный модуль, включающий цилиндрический корпус, в котором соосно расположены лазерный диод, оптическая система, представляющая собой линзу в оправке, и электронная схема управления лазерным диодом, подключенная к его выводам. Задняя часть корпуса закрывается крышкой, через которую выходят вывода для подачи питания. Лазерное излучение выходит через линзу в передней части корпуса модуля. Схема управления по сигналу встроенного в лазерный диод фотодиода регулирует величину тока накачки лазерного диода с целью стабилизации значения мощности, излучаемой лазерным диодом, т.е. выполняет функции автоматического контроля мощности излучения - Automatic Power Control Circuit (APC) (см. патент США №5121188, МПК H01L 23/04).

Недостатком данного технического решения является нетехнологичная конструкция корпуса модуля, обусловливающая определенные трудности при сборке модуля, неэффективное с точки зрения отвода тепла крепление лазерного диода к корпусу модуля, а также низкая функциональность электронной схемы управления, определяющая ограниченные возможности применения данного устройства.

Известен также лазерный модуль, имеющий цилиндрический корпус, в котором расположены оптическая система, представляющая собой линзу в оправке, держатель, на котором смонтированы кристалл лазерного диода и кристалл фотодиода, закрытый со стороны линзы защитным стеклом, причем кристалл фотодиода может быть смонтирован как на одной плоскости с кристаллом лазерного диода, так и на плоскости, перпендикулярной к плоскости с кристаллом лазерного диода. Лазерное излучение выходит через защитное стекло и линзу в передней части корпуса модуля. Схема управления имеет круглую форму и закрепляется на заднем торце корпуса лазерного модуля (см. патент США №5394430, МПК H01S 3/08).

В качестве недостатков описанного устройства следует отметить сложность и неэффективность изготовления излучающего элемента лазерного модуля (из-за невысокого процента выхода годных при изготовлении лазерных диодов будет отходить в брак часть деталей лазерного модуля), а также уже упомянутую низкую функциональность электронной схемы управления, которая в данном устройстве работает как АРС.

Известен лазерный модуль, в корпусе которого, состоящем из двух частей, на одной оптической оси размещены лазерный диод, оптическая система, представляющая собой линзу в оправке, и электронная схема управления лазерным диодом, подключенная к его выводам. Причем оптическая система и лазерный диод расположены в первой части корпуса модуля, а схема управления лазерным диодом - во второй. Лазерный диод устанавливается передней поверхностью своего корпуса в специальное посадочное место и закрепляется прижимным элементом, обеспечивающим хороший тепловой контакт с корпусом модуля. Лазерное излучение выходит через линзу в передней части корпуса модуля. Вывода лазерного диода проходят через отверстие в прижимном элементе и распаиваются на плату со схемой стабилизации мощности излучения лазерного диода. Вывода питания от платы выходят за пределы корпуса через отверстие в торце второй части корпуса модуля (Патент РФ №36570, МПК H01L 23/04).

Основным недостатком данного лазерного модуля является низкая функциональность электронной схемы управления, ограничивающая в значительной степени его область применения.

Наиболее близким к заявляемому из известных устройств является лазерный модуль, который имеет корпус, состоящий из трех частей, представляющих собой переднюю крышку с выходным отверстием, вставляющуюся в нее оправку с линзой, и вворачивамый в оправку держатель лазерного диода, положение которого фиксируется пружиной, помещаемой между оправкой линзы и держателем лазерного диода. С задней стороны модуля на выводах лазерного диода размещена монтажная прокладка, имеющая отверстия под выводы диода. Плата со схемой управления лазерным диодом может иметь круглую форму такую же, как монтажная прокладка, и крепиться к ней плоскостью, а может иметь прямоугольную форму и крепиться торцом к монтажной площадке, располагаясь, таким образом, за пределами корпуса лазерного модуля. Схема управления в данном устройстве работает как АРС (см. патент США №5878073, МПК H01S 3/08).

Недостатком прототипа является чрезмерно сложная конструкция корпуса и ограниченная функциональность электронной схемы управления, определяющая узкие границы области его применения.

Задача изобретения заключается в создании лазерного модуля с расширенным функционалом для применения в различных областях техники и науки.

Техническим результатом является расширение функциональных возможностей за счет оригинальной конструкции лазерного модуля, обеспечивающей его работу с различными внешними устройствами в режиме генерации непрерывной мощности и в режиме генерации импульсной мощности с возможностью регулировки как уровня непрерывной мощности, так и амплитуды импульсной мощности, а также функционального размещения в аппаратуре применения.

Указанный технический результат достигается тем, что в лазерном модуле, включающем составной корпус, в котором соосно расположены оптическая система и лазерный диод, плату со схемой управления лазерным диодом, выполняющей функции стабилизации мощности излучения, соединенную с выводами лазерного диода, согласно решению плата со схемой управления лазерным диодом дополнительно содержит схему регулировки выходной оптической мощностью лазерного диода, схему импульсного режима, разъем с выводами для подачи импульсного сигнала, для контроля импульсного сигнала, для подачи питания, для подачи управляющего напряжения. Корпус выполнен из передней и задней частей, соединенных между собой с помощью резьбы, оптическая система и лазерный диод расположены в передней части корпуса, а в задней части корпуса расположены выводы лазерного диода, при этом выводы лазерного диода соединены с платой посредством проводов, выходящих за пределы корпуса через отверстие в торце задней части корпуса, оптическая система закреплена в оправке, имеющей резьбовое соединение с внутренней поверхностью корпуса, лазерный диод, закреплен прижимным винтом с отверстием для выводов лазерного диода. Задняя часть корпуса модуля залита герметиком. В отверстии в торце задней части корпуса расположена герметизирующая втулка, через которую проходят провода, соединяющие лазерный диод и плату со схемой управления. Герметизирующая втулка выполнена из резины. Оптическая система представляет собой набор линз. Линзы оптической системы изготовлены из стекла или из пластика. Длина проводов между лазерным диодом и платой со схемой управления составляет не более 15 см.

Предлагаемое устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена общая схема лазерного модуля и плата со схемой управления, на фиг. 2 - излучающая часть лазерного модуля: корпус с лазерным диодом и оптической системой, на фиг. 3 - схема управления. Позициями на чертежах обозначены:

1 - корпус лазерного модуля,

2 - провод, соединяющий схему управления и лазерный диод,

3 - плата со схемой управления,

4 - схема стабилизации выходной оптической мощности,

5 - схема импульсного режима,

6 - схема регулировки выходной оптической мощности,

7 - разъем,

8 - вход регулировки мощности V_p,

9 - общий провод,

10 - вход импульсного сигнала V_мод,

11 - контрольный выход импульсного сигнала V_c,

12 - вход напряжения питания V_пит,

13 - герметизирующая втулка,

14 - задняя часть корпуса модуля,

15 - герметизирующий компаунд,

16 - прижимной винт,

17 - лазерный диод,

18 - держатель лазерного диода,

19 - оправка оптической системы,

20 - передняя часть корпуса,

21 - оптическая система.

Лазерный модуль представляет собой прибор (см. фиг. 1, 2), в корпусе 1 которого размещены оптическая система 21 и лазерный диод 17, электрически соединенный со схемой управления, реализованной на плате 3. Корпус 1 состоит из двух частей 14 и 20, соединенных между собой с помощью резьбы. В передней части 20 расположена оптическая система 21, закрепленная в оправке 19, имеющей резьбовое соединение с внутренней поверхностью корпуса, и лазерный диод 17, закрепленный в держателе 18 прижимным винтом 16, что существенно повышает эффективность отвода тепла от лазерного диода. Держатель 18 также как и оправка 19 имеет резьбовое соединение с внутренней поверхностью корпуса. Вращением держателя 18 и оправки 19 возможно плавно перемещать лазерный диод и оптическую систему относительно друг друга вдоль оптической оси. Выводы лазерного диода 17 через отверстие в прижимном винте 16 выходят в заднюю часть 14 корпуса модуля, где пайкой соединяются с проводом 2 от платы 3 со схемой управления. Провод 2 схемы управления с платы 3 заводятся в заднюю часть 14 корпуса модуля через герметизирующую втулку 13, расположенную в осевом отверстии в задней стенке корпуса 14. Пространство в задней части 14 корпуса модуля заливается герметизирующим компаундом 15. На плате 3 выполнены схема 4 стабилизации выходной оптической мощности, схема 5, обеспечивающая импульсный режим работы модуля при подаче соответствующего внешнего сигнала, и схема 6 регулировки уровня выходной оптической мощности. Также на плате 3 имеется электрический разъем 7 для подсоединения к модулю внешних устройств (питания, подачи импульсного сигнала и его контроля). Выводы разъема 7 имеют следующее назначение: вывод 8 предназначен для подачи напряжения, регулирующего выходную оптическую мощность модуля V_p, 9 - общий провод, 10 - для подачи импульсного сигнала V_мод, задающего параметры импульсного режима излучения модуля (частота модуляции, длительность импульса излучения), 11 - для контроля параметров импульсного режима работы V_c, 12 - для подачи напряжения питания V_пит.

Устройство работает следующим образом.

Лазерный диод 17 модуля генерирует излучение в виде пучка, сечение которого представляет собой эллипс с эксцентриситетом ~ 2,5-3,5. Оптическая система 21 преобразовывает этот пучок в узкий коллимированный луч с расходимостью ~ 0,5 млрад. Величина расходимости лазерного излучения модуля подбирается перемещением оправки 19 вдоль оптической оси относительно держателя 18 посредством плавного вращения, обеспечиваемого резьбовым соединением этих элементов с внутренней поверхностью корпуса 20. По окончании регулировки положение элементов закрепляется клеем. Режим работы лазерного диода регулируется схемами, расположенными на плате 3. Схема 6 позволяет посредством подачи плавно меняющегося внешнего напряжения V_p установить требуемый уровень мощности излучения, но не более номинального, определяемого параметрами лазерного диода. Схема 4 обеспечивает стабильность заданного уровня мощности излучения модуля при изменении внешних условий окружающей среды (например, температуры). Схема 5 при подаче внешнего модулирующего сигнала V_мод с определенным значением амплитуды импульса напряжения реализовывает импульсный режим излучения модуля с частотой следования и длительностью оптических импульсов, заданными подаваемым на схему сигналом V_мод. Причем амплитуда оптических импульсов может регулироваться с помощью схемы регулировки выходной мощности 6. При необходимости на выводе 11 разъема 7 можно проконтролировать параметры импульсного сигнала V_c. Питание модуля может осуществляться от внешнего источника, в качестве которого могут использоваться стационарный сетевой блок питания или батареи и аккумуляторы. Напряжение питания подается на разъем 7 платы 3 со схемой управления и имеет величину не более 5 вольт.

Пример.

В соответствии с изобретением были изготовлены образцы лазерных модулей, в которых использовались лазерные диоды с длиной волны излучения 650 нм и мощностью излучения 30-40 мВт. Детали корпуса модуля были выполнены из дюралюминия с последующим анодированием внешней поверхности. Оптическая система состояла из одной линзы, изготовленной из оптического стекла К-8. Линза имела с обеих сторон просветляющие покрытия. Плата со схемой управления была изготовлена по технологии SMT. Общая схема изготовленной платы приведена на фиг. 3. В схему стабилизации мощности излучения входят следующие элементы: микросхема DA1, резистор R8 и конденсаторы С2 и С3. В схему регулировки выходной мощности излучения входят стабилитрон D4 и резисторы R7 и R9*. Подбором резистора R9* изначально устанавливается номинальный уровень мощности излучения модуля. Схема импульсного режима включает транзисторы VT1 и VT2, стабилитрон D3, диод D2, резисторы R1,R2, R3, R4, R5 и R6. Диод D1 и конденсатор С1 образуют входной фильтр по питанию. Номиналы и типы элементов указаны на фиг. 3. На плате крепился разъем типа PLD-R. В качестве блока питания использовался стандартный аккумулятор. Модуль генерировал узкий видимый луч с расходимостью 0,3 мрад и мощностью 15-20 мВт. Изменение мощности излучения при подаче регулирующего напряжения V_p от 0 до 5 В происходило в диапазоне от 3 до 20 мВт. Импульсный режим проверялся при длительности импульсов 3 мсек и скважности 10. Контроль сигнала V_c производился с помощью осциллографа. Лазерный луч модуля хорошо виден в атмосфере в отсутствие яркого освещения. Модуль удобен для работы в устройствах указания направления, а также в устройствах со сканаторами для целей ближней навигации. Изготовленные образцы использовались, например, в лазерных створных маяках (ЛСМ) под кодовым названием "Анемон" в соответствии с патентами РФ на изобретение №2302357 и №2354580.

Изобретение относится к лазерным модулям, полупроводниковым источникам света. Лазерный модуль включает составной корпус, в котором соосно расположены оптическая система и лазерный диод, плату со схемой управления лазерным диодом, выполняющей функции стабилизации мощности излучения, соединенную с выводами лазерного диода. Указанная плата дополнительно содержит схему регулировки выходной оптической мощности лазерного диода и схему импульсного режима, а также разъем с выводами для подачи импульсного сигнала, для контроля импульсного сигнала, для подачи питания, для подачи управляющего напряжения. Технический результат заключается в расширении функциональных возможностей лазерного модуля за счет обеспечения его работы с различными внешними устройствами в режиме генерации непрерывной мощности и в режиме генерации импульсной мощности с возможностью регулировки как уровня непрерывной мощности, так и амплитуды импульсной мощности, а также функционального размещения в аппаратуре применения. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Лазерный модуль, включающий составной корпус, в котором соосно расположены оптическая система и лазерный диод, плату со схемой управления лазерным диодом, включающую схему стабилизации выходной оптической мощности, соединенную с выводами лазерного диода, а также выводы для подачи питания, отличающийся тем, что плата со схемой управления лазерным диодом дополнительно содержит соединенные со схемой стабилизации выходной оптической мощности схему регулировки выходной оптической мощности лазерного диода, снабженную выводом для подачи управляющего напряжения от внешнего устройства, и схему импульсного режима, снабженную выводами для подачи импульсного сигнала от внешнего устройства и для контроля импульсного сигнала внешним устройством.

2. Лазерный модуль по п. 1, отличающийся тем, что корпус выполнен из передней и задней частей, соединенных между собой с помощью резьбы, оптическая система и лазерный диод расположены в передней части корпуса, а в задней части корпуса расположены выводы лазерного диода, при этом выводы лазерного диода соединены с платой посредством проводов, выходящих за пределы корпуса через отверстие в торце задней части корпуса, оптическая система закреплена в оправке, имеющей резьбовое соединение с внутренней поверхностью корпуса, лазерный диод закреплен прижимным винтом с отверстием для выводов лазерного диода.

3. Лазерный модуль по п. 1, отличающийся тем, что задняя часть корпуса модуля залита герметиком.

4. Лазерный модуль по п. 1, отличающийся тем, что в отверстии в торце задней части корпуса расположена герметизирующая втулка, через которую проходят провода, соединяющие лазерный диод и плату со схемой управления.

5. Лазерный модуль по п. 1, отличающийся тем, что оптическая система представляет собой набор линз.

6. Лазерный модуль по п. 4, отличающийся тем, что герметизирующая втулка выполнена из резины.

7. Лазерный модуль по п. 5, отличающийся тем, что линзы оптической системы изготовлены из стекла.

8. Лазерный модуль по п. 5, отличающийся тем, что линзы оптической системы изготовлены из пластика.

9. Лазерный модуль по пп. 1-8, отличающийся тем, что длина проводов между лазерным диодом и платой со схемой управления составляет не более 15 см.