КВАНТРОН ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ЛАЗЕРА С ДИОДНОЙ НАКАЧКОЙ Российский патент 2017 года по МПК H01S3/42 H01S3/02 

Изобретение относится к твердотельным лазерам с диодной накачкой, в частности к элементам конструкции и системам охлаждения, и может быть использовано при изготовлении лазерной техники.

Известен квантрон твердотельного лазера с диодной накачкой (ТТЛДН), состоящий из размещенных в корпусе активного элемента (АЭ) в виде стержня, источников оптической накачки (ИОН) в виде линеек лазерных диодов, расположенных на держателях, и системы охлаждения (СО), содержащей трубку, охватывающую АЭ с образованием радиального зазора (РЗ), и каналы, расположенные в корпусе и держателях, с входным и выходным патрубками. ИОН расположены под углом 90° к оси АЭ (патент США №6101208, Н01S 3/0941, опубл. 1997 г.).

В этом устройстве охлаждение АЭ и ИОН происходит за счет высокой скорости потока охлаждающей жидкости (ОЖ). Поддержание постоянной температуры ОЖ позволяет продлить срок службы ИОН и обеспечить постоянные и устойчивые выходные параметры квантрона.

Однако неравномерное и неполное заполнение излучением накачки АЭ приводит к образованию неоднородных областей возбуждения и возникновению термомеханических напряжений внутри АЭ. Каналы охлаждения расположены на значительном расстоянии от ИОН, что приводит к снижению эффективности отвода тепла с нагретой поверхности ИОН. Все это может привести к снижению мощности и КПД устройства. Помимо этого квантрон отличается сложной конструкцией, а также большим числом гидравлических соединений и каналов СО, что снижает его технологичность и надежность.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является квантрон ТТЛДН, который содержит АЭ в виде стержня, ИОН, расположенные на держателях вокруг АЭ и обращенные к нему излучающей областью, СО АЭ и ИОН, фланцы и элемент, соединяющий фланцы, держатели расположены в соосных отверстиях фланцев, СО содержит трубку, охватывающую АЭ с образованием РЗ, а также входной, выходной коллекторы, выполненные во фланцах, и каналы держателей. Коллекторы соединены с РЗ, АЭ и трубка закреплены во фланцах. Во фланцах выполнены пазы, держатели установлены через уплотнения (патент США №6026109, Н01S 3/02, 3/042, опубл. 2000 г.).

При этом элемент, соединяющий фланцы, выполнен в виде двух трубчатых ребер и основания. Трубка закреплена во фланцах при помощи радиального уплотнения без прижима. Входной и выходной коллекторы сложной формы (близкой к треугольной) образованы крышками и фланцами. Входной и выходной коллекторы соединены с РЗ при помощи сужающихся кольцевых зазоров между фланцами и крышками. Каналы держателей соединены с входным, выходным коллекторами посредством каналов во фланцах и каналами между держателем и фланцем. Отверстия фланцев под держатели выполнены ступенчатыми, применено торцевое уплотнение держателей.

Применение в качестве ИОН матриц лазерных диодов и расположение их равномерно вокруг АЭ позволяет равномерно заполнить АЭ излучением накачки, что уменьшает в нем термические напряжения, а также повышает эффективность накачки. Применение простой схемы каналов СО ИОН и АЭ позволяет просто и эффективно поддерживать оптимальную температуру элементов квантрона.

Однако применение основания и трубчатых ребер усложняет конструкцию и утяжеляет ее. При этом при большом количестве держателей будет затруднен доступ к ИОН со стороны основания. Узел крепления трубки требует высокой точности изготовления как самой трубки, так и элементов ее фиксации и уплотнения. Коллекторы имеют сложную форму. Наличие множества переходных каналов между каналами держателей и коллекторами может привести к увеличению гидравлического сопротивления СО и к снижению КПД квантрона. Обеспечение надежной фиксации группы держателей и их герметизация при помощи торцевого уплотнения в ступенчатых отверстиях фланцев потребует очень высокой точности изготовления элементов конструкции, либо надежность герметизации будет низкой. В ряде случаев (АЭ малого диаметра, облинзованные ИОН, использование РО с зеркальным покрытием с узкими щелями для ввода излучения накачки) потребуется высокая точность позиционирования ИОН, что в данном случае возможно лишь за счет высокой точности изготовления деталей, монтажа ИОН и сборки квантрона. При снижении точности возможно уменьшение запасенной в инверсной населенности энергии и, как следствие, - уменьшение мощности и КПД квантрона.

Задача, на решение которой направлено изобретение, - увеличение мощности и КПД, а также повышение технологичности конструкции.

Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения - повышение эффективности СО, увеличение запасенной в инверсной населенности энергии, оптимизация конструкции.

Указанный технический результат достигается тем, что в квантроне твердотельного лазера с диодной накачкой, содержащем 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 при том, что 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, держатели установлены через уплотнения, согласно изобретению 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 пазом, взаимодействующим с эксцентриком, эксцентрики установлены в отверстия одного из фланцев, соосные отверстия фланцев выполнены сквозными, уплотнения держателей выполнены радиальными.

Применение пространственной рамы, состоящей из параллельных пластин с ребрами в качестве элемента, на котором квантрон собирается в единую конструкцию, обеспечивает простоту сборки квантрона. При этом конфигурация рамы (в частности, расположение ребер) обеспечивает свободный доступ к ним для электромонтажа и диагностики.

Применение держателей с ограничителями, а также уплотнение держателей радиальными кольцами в сквозных отверстиях фланцев и закрепление трубки в прижимах привело к снижению требований к точности изготовления деталей квантрона. Это также повысило надежность крепления элементов (особенно трубки) и гидравлических соединений.

Применение держателей с возможностью регулировки углового положения при помощи пазов и эксцентриков, а также конфигурация рамы позволяет расположить и сориентировать держатели с ИОН относительно АЭ наиболее оптимальным образом, что приводит к повышению запасенной в инверсной населенности энергии.

Наряду с этим, применение в СО патрубков, непосредственное соединение каналов держателей с коллекторами, а также описанные выше расположение и конфигурация элементов СО привели к снижению гидравлического сопротивления квантрона.

Помимо этого, соединение РЗ с коллекторами при помощи отверстий в прижиме позволило правильно распределить потоки ОЖ между каналами охлаждения АЭ и ИОН, допуская при этом изготовление остальных элементов СО с меньшей точностью.

Все это повысило эффективность СО квантрона, увеличило запасенную в инверсной населенности энергию и упростило его конструкцию. И таким образом, позволило решить задачу увеличения мощности и КПД квантрона, а также повысить технологичность конструкции.

При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявлении источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. 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 изобретения.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».

Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. В результате поиска не выявлены технические решения с этими признаками. На этом основании можно сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».

На фиг. 1 представлен общий вид квантрона.

На фиг. 2 представлен продольный разрез квантрона.

На фиг. 3 представлен поперечный разрез квантрона.

На фиг. 4 представлен общий вид рамы.

На фиг. 5 представлен общий вид фланца с пазами.

На фиг. 6 представлен общий вид держателя ИОН.

На фиг. 7 представлен общий вид эксцентрика.

Квантрон ТТЛДН (фиг. 1-3) состоит из рамы 1 (фиг. 4), фланца 2, фланца 3 (фиг. 5), входного и выходного патрубков 4, держателей 5 (фиг. 6), ИОН 6, трубки 7, прижимов 8, активного элемента 9, прижимов 10, эксцентриков 11. Рама 1, представляющая собой жесткую конструкцию в виде параллельных пластин 12 соединенных ребрами 13, служит для соединения фланцев 2, 3.

Входной, выходной патрубки 4, трубка 7 совместно с входным выходным коллекторами а и каналами b, с, d образуют СО квантрона (СО АЭ и ИОН).

Входной, выходной патрубки 4 расположены на фланцах 2, 3. Во фланцах 2, 3 закреплена трубка 7 прижимами 8 при помощи прокладок 14. Трубка 7 выполнена из материала, прозрачного для излучения накачки (стекло, сапфир и прочее). Фланцы 2, 3 и прижимы 8 образуют входной, выходной коллекторы a. Прижимы 8 содержат расположенные по кругу каналы b. Внутри трубки 7, коаксиально с ней, расположен АЭ 9, который закреплен во фланцах 2, 3 прижимами 8, 10 при помощи прокладок 15. Между наружной поверхностью АЭ 9 и внутренней поверхностью трубки 7 образован РЗ с. В качестве АЭ может использоваться стержень из YAG:Nd или иного твердого лазерного материала. Во фланцах 2, 3 выполнены группы соосных друг другу отверстий 16 для размещения держателей 5, на которых размещены ИОН 6. Держатели 5 содержат охлаждающие каналы d. В качестве ИОН 6 могут использоваться полупроводниковые (в том числе лазерные) диоды, линейки, матрицы (в том числе с установленными на них линзами). Держатели 5 расположены вокруг АЭ 9, а излучающая область ИОН 6 направлена в сторону АЭ 9. Для герметизации соединения фланцев 2, 3 и держателей 5 служат уплотнения радиального типа на основе кольцевых прокладок 17. Для предотвращения перемещения держателей 5 относительно фланцев 2, 3, держатели снабжены ограничителями 18, 19, которые взаимодействуют с фланцами 2, 3. Для регулировки углового положения держателей 5 с ИОН 6 служат эксцентрики 11, установленные в цилиндрические отверстия 20 фланца 3, взаимодействующие с пазами 21 ограничителей 19. Для простой и надежной защиты ИОН 6 от воздействия окружающей среды квантрон может быть закрыт съемными панелями 22, установленными на раме 1.

Устройство работает следующим образом.

При подаче питающего напряжения ИОН 6 начинают генерировать излучение накачки, которое поглощается АЭ 9. При этом в АЭ 9 и ИОН 6 выделяется тепло, для отвода которого служит жидкостная СО. ОЖ подается в квантрон через входной патрубок 4 (например, в левый на фиг. 2) и поступает во входной коллектор а, где разделяется на потоки охлаждения АЭ 9 и ИОН 6.

Для охлаждения АЭ 9 ОЖ из входного коллектора а через каналы b прижимов 8 трубки поступает в РЗ с. Пройдя вдоль поверхности АЭ 9 и охладив его, ОЖ попадает через каналы b прижимов 8 в выходной коллектор а, откуда выводится из квантрона через выходной патрубок 4.

Охлаждение ИОН 6 происходит следующим образом: ОЖ из входного коллектора а попадает в каналы держателей d, имеющих тепловой контакт с ИОН 6. Пройдя по каналам держателей d и охладив ИОН 6, ОЖ попадает в выходной коллектор а, откуда через выходной патрубок 4 выводится из квантрона.

Таким образом, представленные данные свидетельствуют о выполнении при использовании заявляемого изобретения следующей совокупности условий:

- средство, воплощающее заявленное устройство при его осуществлении, предназначено для использования в лазерной и оптико-механической промышленности при изготовлении устройств для медицины, технологии и других целей;

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

Следовательно, заявляемое изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

Изобретение относится к лазерной технике. Квантрон содержит активный элемент в виде стержня, источники оптической накачки, расположенные на держателях вокруг активного элемента, 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 и каналы держателей. Элемент, соединяющий фланцы, выполнен в виде рамы, содержащей параллельные пластины, соединенные ребрами. Держатели снабжены выполненными с обеих сторон ограничителями, взаимодействующими с торцевыми поверхностями фланцев, один из ограничителей каждого держателя выполнен с пазом, взаимодействующим с эксцентриком, эксцентрики установлены в отверстия одного из фланцев. Технический результат заключается в обеспечении возможности увеличения мощности и КПД, а также в повышении технологичности конструкции. 7 ил.

Квантрон твердотельного лазера 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 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, держатели установлены через уплотнения, отличающийся тем, что 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 пазом, взаимодействующим с эксцентриком, эксцентрики установлены в отверстия одного из фланцев, соосные отверстия фланцев выполнены сквозными, уплотнения держателей выполнены радиальными.