СПОСОБ УСТАНОВКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА И УСТРОЙСТВО УСТАНОВКИ ИЗЛУЧЕНИЯ ИЗЛУЧАТЕЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2016 года по МПК H01S5/68 H01S5/42 

Предлагаемая группа изобретений относится к области приборостроения и может быть использована при разработке систем накачки излучателей полупроводниковых лазеров.

В современных системах в качестве источника оптического излучения часто используются лазерные полупроводниковые излучатели (например, в зенитной управляемой ракете [Патент РФ №2167390. Зенитная управляемая ракета]). Такие излучатели имеют ряд преимуществ: малые габариты, высокое быстродействие, небольшая ширина спектра излучения. Но особенностью данного типа излучателя является то, что с ростом температуры растет пороговый ток излучателя [Елисеев П.Г. Введение в физику инжекционных лазеров. М.: Наука, 1983, с. 246], а согласно [Елисеев П.Г. Введение в физику инжекционных лазеров. М.: Наука, 1983, с. 277, ф. 8.11.1], при фиксированном токе накачки это приводит к падению мощности излучения, т.е. для поддержания параметров излучения на требуемом уровне при изменении рабочей температуры необходимо или снижать температуру излучателя с помощью системы охлаждения, или изменять ток накачки излучателя в зависимости от температуры излучателя по закону, установленному в документации на излучатель или определенному экспериментально.

Известно устройство [Патент РФ №2103810. Стабилизатор импульсной мощности излучения диодного лазера], в котором реализован способ стабилизации мощности излучения. Согласно этому способу в устройство введен фотодиод с резистором обратной связи. Сигнал, пропорциональный мощности излучения, формируется на резисторе обратной связи и используется для стабилизации мощности. Недостаток известного способа - необходимость наличия фотопреобразователя (фотодиода, фототранзистора), который может быть конструктивным элементом излучателя или отдельным элементом, но при этом требуется дополнительное устройство отвода мощности. Не каждый лазерный излучатель может быть конструктивно дополнен таким устройством.

Наиболее близким по составу признаков для предлагаемого технического решения является устройство [Патент на полезную модель №68792. Полупроводниковый лазер и его блок управления импульсным излучением лазерного диода], выбранное в качестве прототипа. В этом устройстве реализован способ поддержания мощности, при котором ток накачки излучателя стабилизируется, сигналы с датчиков температуры, установленных на лазерный диод и радиатор охлаждения, анализируется микроконтроллером, управляющим работой охладителя лазерного диода и вентилятора, которые включаются при перегреве лазерного диода.

Такой способ и устройство имеют следующие недостатки. Во-первых, для его реализации необходимо введение дополнительных элементов - охладителя и вентилятора, что неприемлемо в малогабаритных устройствах, во-вторых, при использовании устройства в условиях воздействия низких температур (до минус 50°С) стабилизированный для нормальных климатических условий ток приведет, как указано выше, к росту мощности излучения, что может вывести из строя лазерный диод.

Задачей, решаемой предлагаемой группой изобретений, является упрощение способа и устройства накачки излучателя полупроводникового лазера, обеспечивающих поддержание мощности излучения в требуемых для работы пределах при воздействии дестабилизирующего фактора - температуры, что позволяет использовать их в малогабаритной аппаратуре, например, в качестве оптического ответчика управляемой ракеты.

Поставленная задача решается предлагаемым способом установки излучения излучателя полупроводникового лазера, при котором мощность излучения поддерживают в требуемых для работы пределах и в котором новым является то, что для начальной температуры излучателя, находящейся в диапазоне от 15 до 35°С, для пониженной и повышенной рабочих температур излучателя определяют значения токов накачки, при которых мощность излучения находится в требуемых для работы пределах, измеряют соответствующие этим токам напряжения на емкостном накопителе энергии, определяют закон изменения напряжения при изменении температуры излучателя, затем при начальной температуре излучателя устанавливают определенное ранее напряжение на емкостном накопителе энергии, измеряют температуру излучателя и изменяют напряжение на емкостном накопителе энергии в зависимости от температуры излучателя в соответствии с определенным ранее законом.

Для реализации данного способа предлагается устройство установки излучения излучателя полупроводникового лазера (первый вариант), включающее последовательно соединенные датчик тока накачки, емкостной накопитель энергии, излучатель, электронный ключ, и в котором новым является то, что оно снабжено последовательно соединенными источником опорного напряжения, делителем напряжения с зависимым от температуры коэффициентом деления, предварительным усилителем и основным усилителем, а также делителем обратной связи и нерегулируемым преобразователем напряжения, выход которого соединен со входом питания основного усилителя, выход которого подключен ко второму входу емкостного накопителя энергии и ко входу делителя обратной связи, выход которого соединен со вторым входом основного усилителя.

Второй вариант реализации предлагаемого способа представляет собой устройство установки излучения излучателя полупроводникового лазера, включающее последовательно соединенные датчик тока накачки, емкостной накопитель энергии, излучатель, электронный ключ, а также датчик температуры, и в котором новым является то, что оно снабжено источником опорного напряжения, вычитателем, компаратором напряжения, аналоговым ключом, делителем, управляемым напряжением, сумматором, регулируемым преобразователем напряжения и делителем обратной связи, при этом выход датчика температуры соединен с инвертирующим входом вычитателя и с неинвертирующим входом компаратора напряжения, выход источника опорного напряжения соединен с первым входом сумматора, а также с неинвертирующим входом вычитателя и с инвертирующим входом компаратора напряжения, выход которого соединен с управляющим входом аналогового ключа, выход которого подключен к управляющему входу делителя, управляемого напряжением, второй вход которого подключен к выходу вычитателя, а выход соединен со вторым входом сумматора, выход которого соединен с первым входом регулируемого преобразователя напряжения, второй вход которого соединен с выходом делителя обратной связи, а выход подключен ко входу делителя обратной связи и ко второму входу емкостного накопителя энергии.

Как известно [Елисеев П.Г. Введение в физику инжекционных лазеров. М.: Наука, 1983, с. 147], ток накачки излучателя зависит от приложенного «прямого» напряжения. Включив последовательно и электронный ключ (ЭК), излучатель, емкостной накопитель энергии (ЕНЭ), устанавливая на ЕНЭ напряжение и замыкая ЭК, можно получить определенный ток накачки излучателя. В этом случае необходимое напряжение на ЕНЭ определяется по формуле:

U_ЕНЭ=U_и(I)+I·R+U_ЭК,

где U_ЕНЭ - напряжение на емкостном накопителе энергии,

U_и(I) - напряжение на излучателе при токе I через него,

I - ток накачки излучателя,

R - суммарное последовательное сопротивление, которое в общем случае может включать сопротивление контактов, сопротивление объема полупроводника [Елисеев П.Г. Введение в физику инжекционных лазеров. М.: Наука, 1983, с. 180], сопротивление соединительных проводов, сопротивление последовательно включенного датчика тока,

U_ЭК - падение напряжения на открытом электронном ключе.

Величина тока накачки излучателя определяется выражением:

Таким образом, изменять ток накачки можно, изменяя напряжение на емкостном накопителе энергии.

Закон изменения U_ЕНЭ при изменении температуры для получения требуемой формы зависимости тока накачки излучателя от температуры можно определить расчетным путем, используя приведенную выше формулу. Но, как правило, на практике для проведения расчета не хватает данных. В этом случае закон изменения U_ЕНЭ определяется экспериментально.

Согласно предлагаемому способу излучатель с последовательно включенными ЕНЭ, датчиком тока и ЭК помещается в термокамеру. В камере последовательно устанавливают начальную температуру из диапазона от 15 до 35°С, пониженную и повышенную температуру. При каждой температуре, изменяя напряжение на ЕНЭ и измеряя мощность излучения, устанавливают ток накачки излучателя для данной температуры, при котором мощность излучения находится в требуемых для работы пределах. Для этого ЭК замыкают на минимально возможное время, достаточное для контроля тока накачки. Это условие необходимо для того, чтобы температура излучателя не успела повыситься относительно температуры в камере. Значения токов накачки при изменении температуры для определенной мощности излучения производитель излучателя часто указывает в документации на конкретный образец излучателя. В этом случае измерение мощности излучения не проводят.

Затем измеряют напряжение на ЕНЭ, соответствующее установленному току накачки. Получив значения напряжений для разных температур, производят аппроксимацию (линейную или нелинейную). Таким образом получают требуемый закон изменения напряжения на ЕНЭ. Далее при работе излучателя, измеряя его температуру, устанавливая напряжение на ЕНЭ при различной температуре в соответствии с определенным ранее законом и замыкая ЭК, получают требуемый для данной температуры ток накачки излучателя, вследствие чего мощность излучения поддерживается на определенном уровне независимо от изменения рабочей температуры излучателя.

Для повышения точности измерения температуры излучателя, в частном случае проводят одновременно измерения температуры в нескольких точках на корпусе излучателя, затем находят среднее значение температуры, которое используется для вычисления напряжения на ЕНЭ.

Предлагаемая группа изобретений поясняется графическими материалами (фиг. 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10).

На фиг.1 приведена структурная схема первого варианта выполнения устройства установки излучения излучателя полупроводникового лазера, где представлены: 1 - источник опорного напряжения (ИОН), 2 - делитель напряжения с зависимым от температуры коэффициентом деления (ДН), 3 - предварительный усилитель (ПУ), 4 - нерегулируемый преобразователь напряжения (НПН), 5 - основной усилитель (У), 6 - делитель обратной связи (ДОС), 7 - емкостной накопитель энергии (ЕНЭ), 8 - излучатель (ИЛ), 9 - электронный ключ (ЭК), 10 - датчик тока накачки (ДТН).

На фиг. 2 приведена принципиальная электрическая схема ДН 2 в качестве примера выполнения, где представлены: 11, 12, 14, 16 - постоянные резисторы, 13, 15 - терморезисторы.

На фиг. 3 приведена принципиальная электрическая схема основного усилителя 5 с ДОС 6 в качестве примера выполнения, где представлены 17 - операционный усилитель, 18, 19, 21, 23 - постоянные резисторы, 20, 22 - транзисторы, 24, 25 - резисторы делителя обратной связи 6.

На фиг. 4 приведена структурная схема второго варианта выполнения устройства установки излучения излучателя полупроводникового лазера, где представлены: 26 - датчик температуры (ДТ), 27 - вычитатель (В), 28 - компаратор напряжения (КН), 29 - делитель, управляемый напряжением (ДУН), 30 - аналоговый ключ (К), 31 - сумматор (С), 32 -регулируемый преобразователь напряжения (РПН).

На фиг. 5 и 6 приведены графики зависимости напряжения на ЕНЭ 7 (U(T)) от температуры (Т) при нелинейной и линейной аппроксимации соответственно, где Т_пониж., Т_н., Т_повыш. - соответственно пониженная, начальная и повышенная температура излучателя.

На фиг. 7, 8 и 9 приведены графики зависимости напряжения от температуры (Т) на выходе датчика тока 26 (U_ДТ(Т)), на выходе вычитателя 27 (Ub(T)) и на выходе ДУН 29 (U_ДУН(Т)), соответственно. На графиках: Т_пониж., Т_н., Т_повыш. - соответственно пониженная, начальная и повышенная температура излучателя.

На фиг. 10 приведена схема включения n датчиков температуры в качестве примера выполнения, где представлены: 33 - первый датчик температуры, 34 - (n-1)-й датчик температуры, 35 - n-й датчик температуры, 36, 37 - резисторы делителя нагрузки.

Заявленное устройство, реализующее способ установки излучения излучателя полупроводникового лазера при нелинейной аппроксимации, (первый вариант) работает следующим образом. Напряжение ИОН 1 поступает на ДН 2. Напряжение с ДН 2, значение которого зависит от рабочей температуры, поступает на вход ПУ 3, служащий для согласования ДН 2 с основным усилителем 5. С выхода основного усилителя 5 напряжение поступает на первый вход ПУ 3, который увеличивает напряжение до уровня, необходимого для получения требуемого тока накачки излучателя. До этого напряжения заряжается ЕНЭ 7.

Основной усилитель 5 может быть реализован по схеме, представленной на фиг. 3. Используя свойства операционных усилителей [Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. М.: Высшая школа, 1991, с. 347-415], несложно получить формулу для расчета выходного напряжения усилителя 5:

где U_вых - выходное напряжение усилителя 5,

U_вх - входное напряжение усилителя 5,

R24, R25 - сопротивления резисторов 24 и 25 делителя обратной связи 6 соответственно (фиг. 3).

Таким образом, напряжение на выходе основного усилителя 5 зависит только от входного напряжения и сопротивлений резисторов ДОС 6. Для начальной температуры из диапазона от 15 до 35°С напряжение на ЕНЭ 7 устанавливается изменением коэффициента деления ДОС 6.

Нерегулируемый преобразователь напряжения 3 используется для питания основного усилителя 5.

При замыкании ЭК 9, по цепи ЕНЭ 7 - ИЛ 8 - ЭК 9 - ДТН 10 потечет ток накачки излучателя. ДТН 10 используется для измерения и контроля тока накачки.

Согласно способу устройство помещают в термокамеру, выдерживают при заданной температуре время, необходимое для выравнивания температуры между камерой и излучателем. Включают устройство, замыкают ЭК 9, на ДТН 10 измеряют величину тока накачки. Изменяя напряжение на ЕНЭ 7, устанавливают величину тока накачки, требуемую для получения определенного уровня мощности излучателя при заданной температуре. Как было указано выше, изменять напряжение на ЕНЭ 7 можно, изменяя коэффициент деления ДОС 6 или изменяя напряжение на входе основного усилителя, например, изменением коэффициента деления ДН 2 или изменением коэффициента усиления ПУ 3. Следовательно, с помощью заявленного устройства можно определить требуемый закон изменения напряжения на ЕНЭ 7 при изменении температуры.

Для автоматического воспроизведения необходимого закона изменения напряжения в устройство введен ДН 2 с зависимым от температуры коэффициентом деления (фиг. 2). График зависимости напряжения на ЕНЭ 7 в этом случае имеет вид плавной кривой (фиг. 5) (нелинейная аппроксимация). Изменением номиналов резисторов 11, 12, 14, 16 можно изменять крутизну данной зависимости [Мэклин Э.Д. Терморезисторы: Пер. с англ. / Под общей редакцией К.И. Мартюшова. М.: Радио и связь, 1983, с. 48-52].

Таким образом, заявленное устройство позволяет определить закон изменения напряжения на ЕНЭ 7 при изменении температуры, установить напряжение на ЕНЭ 7 при начальной температуре в диапазоне от 15 до 35°С, автоматически воспроизвести требуемый нелинейный закон изменения напряжения при изменении температуры от начальной до пониженной или повышенной, что обеспечит поддержание мощности излучения в определенных пределах.

Второй вариант реализации заявленного способа предлагается в устройстве, представленном на фиг. 4. В данном устройстве применен датчик температуры, имеющий линейную зависимость выходного напряжения от температуры (фиг. 7). Задача, решаемая предлагаемым устройством, - обеспечить установку требуемого напряжения на ЕНЭ 7 при начальной температуре из диапазона от 15 до 35°С, его увеличение по линейному закону с одним коэффициентом при повышении температуры относительно начальной и уменьшение по линейному закону с другим или таким же коэффициентом при снижении температуры относительно начальной.

Заявленное устройство (второй вариант) работает следующим образом. Напряжение с ДТ 26 и с ИОН 1 поступают на вычитатель 27, который убирает постоянную составляющую из напряжения ДТ 10 (фиг. 8). Эти же напряжения поступают на КН 28, который изменяет состояние своего выхода при переходе температуры излучателя через начальное значение, которое указано в паспорте на конкретный излучатель и устанавливается изменением опорного напряжения ИОН 1. КН 28 управляет аналоговым ключом 30, переводя его в открытое состояние, если температура ниже начального значения, и в закрытое - если температура выше начального значения.

Аналоговый ключ 30 управляет работой ДУН 29. ДУН 29 представляет собой простейший делитель напряжения [Резисторы: Справочник / В.В. Дубровский, Д.М. Иванов, Н.Я. Пратусевич и др.; Под ред. И.И. Четверткова и В.М. Терехова, М.: Радио и связь, 1991, с. 37], резистор нижнего плеча [там же, с. 37, рис. 4.1] которого подключен к общему проводу через аналоговый ключ 30. При температуре выше начального значения ДУН 29 не изменяет значение напряжения с вычитателя 27 (резистор нижнего плеча ДУН 29 отключен от общего провода, аналоговый ключ закрыт, коэффициент деления ДУН 29 равен 1). При температуре ниже начального значения - коэффициент деления ДУН 29 менее 1 (фиг. 9) (конкретное значение индивидуально для каждого экземпляра излучателя). В этом случае резистор нижнего плеча ДУН 29 подключен к общему проводу, аналоговый ключ открыт.

То есть наклон части кривой (фиг. 6) для температур, меньших начальной, можно менять, изменяя коэффициент деления ДУН 29. (В случае необходимости получения линейной зависимости напряжения на ЕНЭ 7 во всем диапазоне рабочих температур (без «перелома»), следует обеспечить коэффициент деления ДУН 29 равным 1 во всем диапазоне).

Далее напряжение с ДУН 29 поступает на сумматор 31, где складывается с напряжением ИОН 1 в пропорции, необходимой для получения требуемого относительного отклонения напряжения на ЕНЭ 7 при изменении температуры излучателя (фиг. 6). То есть изменяя коэффициент суммирования напряжений ДУН 29 и ИОН 1 можно «перемещать» кривую (фиг. 6) вдоль оси ординат, изменяя тем самым относительное изменение напряжения при изменении температуры. Напряжение с сумматора 31 поступает на неинвертирующий вход усилителя обратной связи РПН 32 и используется в качестве опорного напряжения [Костиков В.Г., Никитин И.Е. Источники электропитания высокого напряжения РЭА. М.: Радио и связь, 1986, с. 89]. На инвертирующий вход усилителя обратной связи РПН 32 [там же] поступает напряжение с ДОС 6. Изменением коэффициента деления ДОС 6 устанавливается уровень напряжения на ЕНЭ 7 при начальной температуре, а требуемый линейный закон изменения этого напряжения в диапазоне температур обеспечивается соответствующим изменением напряжения, поступающего с сумматора 31 на РПН 32.

Предлагаемое устройство (второй вариант) также может быть использовано для определения закона изменения напряжения. В данном случае ток накачки излучателя при разных температурах изменяют так же, как и в устройстве первого варианта, изменением коэффициента ДОС 6.

Кроме того, предлагаемое устройство (второй вариант) для увеличения точности измерения температуры позволяет использовать в своем составе несколько датчиков температуры. Однотипные ДТ1, ..., ДТ n-1, ДТ n включаются параллельно и используют общую нагрузку - резистор (или резистивный делитель), на которой сигналы датчиков складываются (фиг. 10). Сопротивление резистора нагрузки (или суммарное сопротивление резисторов делителя) должно быть в n раз меньше (где n - число параллельных ДТ), чем в схеме с одним ДТ. Сигнал с резистора нагрузки (или с выхода делителя) будет средней арифметической величиной сигналов всех датчиков.

Для реализации заявленных устройств могут быть применены следующие элементы.

- излучатель полупроводникового лазера ИЛПИ-132;

- источник опорного напряжения - прецизионный стабилитрон 2С117;

- терморезисторы ТР-1 или СТ4-16А;

- предварительный усилитель - операционный усилитель 140УД20А, включенный по схеме неинвертирующего усилителя [Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. М.: Высшая школа, 1991, с. 393];

- в основном усилителе - операционный усилитель 140УД20А, транзисторы 2Т506, 2П795;

- преобразователь напряжения может быть выполнен на микросхеме 1114ЕУЗ или 1156ЕУ2, позволяющих использовать для работы внешнее опорное напряжение, схема включения микросхем аналогична [Костиков В.Г., Никитин И.Е. Источники электропитания высокого напряжения РЭА. М.: Радио и связь, 1986, с. 89];

- датчик температуры - микросхема 1019ЧТЗС;

- в качестве вычитателя 11 и сумматора 15 - микросхемы операционного усилителя, включенного по схеме вычитающего устройства или сумматора [Гусев В.Г., Гусев Ю.М. Электроника. М.: Высшая школа, 1991, с. 395];

- компаратор напряжения 4 - специализированная микросхема - компаратор напряжения, например 1401СА1 ММ;

- аналоговый ключ - микросхема коммутатора, позволяющая работать с сигналами положительной и отрицательной полярности, например, из серии 590;

- в делителях - прецизионные резисторы С2-36 или Р1-8МП;

- в качестве емкостного накопителя энергии - конденсатор или параллельно включенные конденсаторы, например, типа К10-47.

- датчик тока - прецизионные резисторы С2-29 В, соединенные параллельно.

Способ и устройства, его реализующие, основаны на особенности излучателей полупроводниковых лазеров, заключающейся в том, что с увеличением температуры излучателя для сохранения выходных параметров (мощности, силы излучения) на требуемом для работы уровне необходимо увеличивать ток накачки излучателя, при снижении температуры излучателя необходимо уменьшать ток накачки излучателя. Напряжение на емкостном накопителе энергии изменяется при изменении температуры излучателя по заранее определенному закону, что обеспечивает протекание через излучатель тока накачки, необходимого для поддержания мощности излучения в требуемых для работы пределах. Технический результат - упрощение способа и устройства накачки излучателя полупроводникового лазера, обеспечивающих поддержание мощности излучения в определенных пределах при воздействии дестабилизирующего фактора - температуры. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Способ установки излучения излучателя полупроводникового лазера, при котором мощность излучения поддерживают в требуемых для работы пределах, отличающийся тем, что для начальной температуры излучателя, находящейся в диапазоне от 15 до 35°C, для пониженной и повышенной рабочих температур излучателя определяют значения токов накачки, при которых мощность излучения находится в требуемых для работы пределах, измеряют соответствующие этим токам напряжения на емкостном накопителе энергии, определяют закон изменения напряжения при изменении температуры излучателя, затем при начальной температуре излучателя устанавливают определенное ранее напряжение на емкостном накопителе энергии, измеряют температуру излучателя и изменяют напряжение на емкостном накопителе энергии в зависимости от температуры излучателя в соответствии с определенным ранее законом.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температуру излучателя измеряют одновременно в нескольких точках на корпусе излучателя, определяют среднее значение температуры и изменяют напряжение на емкостном накопителе энергии, используя среднее значение температуры.

3. Устройство установки излучения излучателя полупроводникового лазера, включающее последовательно соединенные датчик тока накачки, емкостной накопитель энергии, излучатель, электронный ключ, отличающееся тем, что оно снабжено последовательно соединенными источником опорного напряжения, делителем напряжения с зависимым от температуры коэффициентом деления, предварительным усилителем и основным усилителем, а также делителем обратной связи и нерегулируемым преобразователем напряжения, выход которого соединен со входом питания основного усилителя, выход которого подключен ко второму входу емкостного накопителя энергии и ко входу делителя обратной связи, выход которого соединен со вторым входом основного усилителя.

4. Устройство установки излучения излучателя полупроводникового лазера, включающее последовательно соединенные датчик тока накачки, емкостной накопитель энергии, излучатель, электронный ключ, а также датчик температуры, отличающееся тем, что оно снабжено источником опорного напряжения, вычитателем, компаратором напряжения, аналоговым ключом, делителем, управляемым напряжением, сумматором, регулируемым преобразователем напряжения и делителем обратной связи, при этом выход датчика температуры соединен с инвертирующим входом вычитателя и с неинвертирующим входом компаратора напряжения, выход источника опорного напряжения соединен с первым входом сумматора, а также с неинвертирующим входом вычитателя и с инвертирующим входом компаратора напряжения, выход которого соединен с управляющим входом аналогового ключа, выход которого подключен к управляющему входу делителя, управляемого напряжением, второй вход которого подключен к выходу вычитателя, а выход соединен со вторым входом сумматора, выход которого соединен с первым входом регулируемого преобразователя напряжения, второй вход которого соединен с выходом делителя обратной связи, а выход подключен ко входу делителя обратной связи и ко второму входу емкостного накопителя энергии.