МОДУЛЬ ПОДКЛЮЧЕНИЯ ЛАЗЕРА Российский патент 2023 года по МПК H01S5/22 H01S5/40 

Изобретение относится к модулю лазерного соединения, обеспечивающему структурные и определяющие характеристики, которые значительно улучшают текущее состояние техники в их области применения.

ОБЪЕКТ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Более конкретно, объект изобретения предназначен для использования в качестве крепежного устройства для электрического соединения и теплового контакта между лазерными диодами и электродами, последовательно уложенными между соответствующими прокладками, имеющими внутренние каналы для циркуляции охлаждающей жидкости, с преимуществом наличия улучшенной конструктивной конфигурации, которая позволяет, с одной стороны, закреплять и удерживать вместе все его компоненты, а с другой стороны, для обеспечения надежности такого электрического соединения, позволяет осуществить контролируемое приложение усилия зажима непосредственно к лазерным диодам и в точке, где они встречаются, для обеспечения электрического и теплового контакта между электродами и диодам.

ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Область применения настоящего изобретения относится к промышленному сектору, занимающемуся производством устройств и компонентов для лазерного технологического оборудования.

ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ

В некоторых из лазерных модулей известного в настоящее время и упоминаемого здесь типа лазерные диоды, также называемые чипами или стержнями, были установлены по меньшей мере на одном из электродов посредством сварки, что создает несколько проблем.

Основная проблема заключается в том, что лазерный чип должен быть расположен с предельной точностью, чтобы его конец выступал на расстояние от восьми до десяти микрон от конца электрода, чтобы сварное соединение, которое соединит его с указанным электродом, не достигло эпитаксии, потому что, если это произойдет, лазерный модуль будет неисправен. Для правильного позиционирования лазерного чипа относительно электродов и сварного соединения указанных электродов с приемлемой точностью требовались микророботы и другие высокоточные устройства, что требовало очень больших инвестиций.

Кроме того, сварное соединение лазерного чипа не позволяет осуществлять последующую регулировку его положения или его замену в случае выхода из строя.

Другая проблема заключалась в том, что различные коэффициенты расширения между лазерным чипом и материалами, используемыми в сварном соединении, и электродом приводят к возможности изменений в лазерном чипе, что приводит к изгибу чипа.

Эта проблема преодолена в патенте US 5978396, в котором описан полупроводниковый лазерный источник, включающий набор полупроводниковых лазерных диодов, каждый иг которых имеет, по меньшей мере, одну активную область. Активная область включает в себя ряд полупроводниковых слоев, расположенных между омическим контактным слоем и подложкой, которая также выполняет функцию омического контактного слоя. Давление заставляет диоды поддерживать контакт друг с другом через их омические контактные слои. Каждый диод имеет размеры, особенно по толщине, которые позволяют кратковременному нагреву каждого диода быть как можно более низким и таким, чтобы средний нагрев штабелируемых диодов не превышал заданного значения.

Патентный документ US 6151341 описывает штабелируемый интегрированный диодный блок, в котором предлагается набор лазерных элементов, выполненных с возможностью поглощения тепла, выделяемого указанными лазерными элементами, для обеспечения возможности их ремонта и/или замены, а также тестирования. Узел содержит ячейки, которые имеют полость для прохождения охлаждающей жидкости для охлаждения лазерных элементов. Ячейки могут быть сконструированы индивидуально для индивидуального тестирования, а затем сложены вместе и закреплены съемно для легкой замены. Полости ячеек образуют по существу смежную полость, через которую хладагент входит и выходит из всего узла. Полости ячеек включают области и поверхности, которые усиливают поток охлаждающей жидкости в области, по существу, прилегающие к лазерным элементам, для охлаждения указанных лазерных элементов.

Патентный документ US 6245589 описывает изготовление устройства для охлаждения плоского источника света, которое включает в себя устройство для охлаждения массива лазерных диодов с использованием набора из множества металлических пластин, выполненных с рифленым рисунком с выступами или отверстиями, которые действуют как канал циркуляции охлаждающей воды для указанных лазерных диодов.

И улучшает указанные решения патент ES 2191559 В1, владельцем которого является заявитель настоящего изобретения- модуль лазерного соединения, содержащий: электроды, обращенные друг к другу и соединенные в чередующемся порядке противоположными полюсами; изолирующие прокладки, расположенные между обращенными поверхностями электродов для предотвращения прямого контакта электродов и их короткое замыкание; лазерные чипы, установленные между обращенными поверхностями указанных электродов, вступающие в контакт с электродами; зажимное средство, отвечающее за сближение электродов, обращенных друг к другу, для обеспечения их контакта с расположенными между ними лазерными чипами, обеспечивая подачу электроэнергии на лазерные чипы и рассеивание выделяемого тепла.

В указанном изобретении вышеупомянутые зажимные средства состоят из винтов, установленных на сквозных отверстиях, воздействующих на электроды и изолирующие прокладки, и соответствующих гаек, которые навинчиваются на указанные винты, при этом головки винтов и гаек воздействуют непосредственно на внешнюю поверхность двух электродов, занимающих конечные положения в лазерном модуле.

Хотя этот лазерный модуль эффективно решает вышеупомянутую проблему обеспечения надежного соединения между диодами и электродами, позволяя легко регулировать и/или заменять электроды, у него есть определенные проблемные аспекты, которые можно было бы улучшить. В частности, одним из недостатков является риск повреждения концевых электродов из-за того, что головки винтов и соответствующие гайки в зонах зажима воздействуют непосредственно на них, принимая во внимание: с одной стороны, что эти электроды изготовлены из относительно мягкого электропроводящего материала, такого как медь и, с другой стороны, что сечение электродов уменьшается в указанных зонах зажима за счет отверстий, выполненных для крепления винтов.

Дополнительным недостатком изобретения, раскрытого в патенте ES 2191559 B1, является то, что верхний и нижний концевые электроды открыты без какого-либо элемента защиты от возможных случайных ударов, что увеличивает риск повреждения лазерного модуля.

Целью настоящего изобретения является создание усовершенствованного лазерного модуля, который обеспечивает правильное крепление между всеми уложенными в штабель компонентами модуля, защищает концевые электроды, чтобы они не подвергались случайным ударам, и гарантирует, что винты и гайки зажимных элементов не воздействуют непосредственно на указанные концевые электроды, тем самым предотвращая их повреждение.

Заявителю неизвестно о существовании какого-либо предшествующего уровня техники с техническими, структурными и функциональными характеристиками, аналогичными характеристикам настоящего изобретения.

ОБЪЯСНЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Модуль лазерного соединения, являющийся предметом изобретения, с техническими характеристиками, изложенными в п. 1 формулы изобретения, удовлетворительно устраняет вышеупомянутые недостатки.

В частности, модуль подключения лазера по изобретению относится к типу, используемому для электрического соединения между лазерными диодами и расположенными поочередно электродами и лазерными диодами, и может быть снабжен внутренними каналами для циркуляции охлаждающей жидкости.

Этот модуль подключения лазера имеет технические характеристики, которые позволяют закреплять все его компоненты и удерживать их вместе, и одновременно обеспечивать защиту концевых электродов, предотвращая их повреждение из-за случайного удара или из-за зажимных винтов и гаек, действующих непосредственно на указанные концевые электроды; и без указанного зажима винты проходят через электроды источника питания лазерных диодов.

Более конкретно, этот модуль подключения лазера относится к типу, описанному в п. 1 формулы, содержащий: несколько наложенных друг на друга электродов, соединенных в чередующемся порядке с противоположными полюсами источника электропитания; по меньшей мере один лазерный диод, установленный между обращенными поверхностями последовательных электродов, контактирующих с указанными электродами; и средство для зажима узла электродов и лазерных диодов вместе. Согласно изобретению, для достижения предложенных целей этот модуль лазерного соединения содержит:

- внешнюю конструкцию, ограничивающую пространство, определяемое зоной светового излучения лазерных диодов, и подходящую для размещения узла лазерных диодов и электродов, наложенных друг на друга в чередующемся порядке,

- зажимное средство, установленное на первом конце конструкции, которое прижимает узел электродов и лазерных диодов ко второму противоположному концу указанной конструкции, обеспечивая их крепление и взаимный контакт лазерных диодов с последовательными электродами, и,

- промежуточную защитную пластину, расположенную между зажимным средством и концевым электродом, ближайшим к указанному зажимному средству.

Указанная внешняя конструкция содержит: верхнюю часть, образующую первый конец конструкции; нижнюю часть, образующую второй конец конструкции, и средство для крепления указанных верхней и нижней частей в параллельном положении, разделенных вертикально на подходящем расстоянии для свободного размещения электрода и узла лазерного диода между указанными верхней и нижней частями; так что зажимное средство отвечает за прижатие электрода и узла лазерного диода к нижней части конструкции.

Внешняя конструкция обеспечивает надлежащую защиту узла электрода и лазерного диода, одновременно служа опорой для зажимных средств, ответственных за прижатие узла электрода и лазерного диода к нижней части или второму концу конструкции, при этом указанные зажимные средства не проходят через какой-либо из вышеупомянутых элементов или не ослабляют их.

Зажимное средство содержит зажимные шпильки, установленные в резьбовых отверстиях, определенных для этой цели в верхней части или первом конце конструкции. В свою очередь, промежуточная пластина, расположенная между зажимными шпильками и ближайшим к ним верхним электродом, изготовлена из прочного материала, который тверже электродов, его функция заключается в предотвращении повреждения зажимными шпильками верхнего электрода во время затягивания указанных шпилек.

Средства для крепления верхней и нижней частей конструкции могут иметь различные конфигурации, состоящие из крепежных винтов; или из трубчатых прокладок, расположенных между верхней и нижней частями и установленных на крепежных винтах; или из направляющих колонн, расположенных между верхней и нижней частями и прикрепленных своими концами к указанным верхней и нижней частям. В любом случае; указанное средство крепления гарантирует надлежащее разделение между верхней и нижней частями конструкции для неограниченного размещения узла электродов и лазерных диодов.

Модуль подключения лазера включает в себя средство для выравнивания последовательных электродов в вертикальном направлении, которое, в зависимости от средства крепления конструкции, может состоять из штифтов, размещенных в вертикальных отверстиях, выполненных для этой цели в последовательных электродах, или из самих направляющих колонн; во втором случае электроды имеют углубления в их контуре, которые имеют конфигурацию, дополняющую часть секции направляющих колонн и подходящую для сборки электродов в качестве элемента скольжения между указанными направляющими колоннами; указанные направляющие колонны образуют одновременно средство для разделения верхней и нижней частей конструкции и средство для вертикального выравнивание электродов.

В одном варианте осуществления изобретения лазерные диоды расположены между некоторыми передними концами электродов, модуль содержит электроизолирующие прокладки, расположенные между задними концами указанных последовательных электродов и имеющие толщину, аналогичную толщине лазерных диодов, указанные прокладки предотвращают соприкосновение последовательных электродов друг с другом, не вызывая короткое замыкание.

В этом варианте осуществления модуля зажимное средство содержит передние шпильки, которые прижимают передний конец электродов к лазерным чипам, и задние шпильки, которые прижимают задний конец электродов к электроизолирующим прокладкам, причем указанные передняя и задняя шпильки компенсируют зажим на соответствующих концах электродов.

ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

В дополнение к представленному описанию и для того, чтобы обеспечить лучшее понимание характеристик изобретения, описание в настоящем документе сопровождается чертежами, являющимися его неотъемлемой частью, на которых в иллюстративных и неограничивающих целях представлено следующее:

- На фиг. 1 показан перспективный вид в разрезе примера варианта осуществления модуля подключения лазера, снабженного одним лазерным диодом.

- На фиг. 2 показан перспективный вид модуля подключения лазера на фиг. 1, после сборки.

- На фиг. 3, 4 и 5 показаны виды спереди, сбоку и сверху, соответственно, модуля подключения лазера на предыдущих рисунках, в собранном положении.

- На фиг. 6 показан перспективный вид в разрезе модуля подключения лазера согласно изобретению, который в данном случае содержит множество лазерных диодов, чередующихся с соответствующими электродами.

- На фиг. 7 показан перспективный вид модуля подключения лазера на фиг.6, после сборки.

- На фиг. 8 показан перспективный вид в разрезе модуля подключения лазера, в котором конструкция включает в себя направляющие колонны, которые являются частью средства для крепления верхней и нижней частей и вертикального выравнивания электродов.

- На фиг. 9 показан перспективный вид модуля подключения лазера на фиг. 8 в собранном положении.

ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЙ ВАРИАНТ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

С учетом вышеупомянутых рисунков и в соответствии с принятой нумерацией можно увидеть два неограничивающих примера осуществления рекомендуемого модуля лазерного соединения, содержащих детали и элементы, указанные и подробно описанные ниже.

В примере осуществления, показанном на фиг. 1-5, модуль (1) подключения лазера содержит: электроды (2), соединенные в чередующемся порядке с противоположными полюсами источника электропитания; прокладку (3), расположенную между обращенными поверхностями последовательных электродов (2) для предотвращения их прямого контакта и короткого замыкания, по меньшей мере один лазерный диод (4), установленный между обращенными поверхностями последовательных электродов (2), контактирующий с ними в области, оставленной свободной соответствующей прокладкой (3); и зажимное средство (6) для зажима узла электродов (2) и лазерных диодов (4) друг к другу.

Прокладка (3) имеет меньшую поверхность, чем обращенные друг к другу поверхности электродов (2). Согласно изобретению модуль (1) содержит внешнюю конструкцию (5), ограничивающую пространство, определяемое зоной светового излучения лазерного диода (4) и пригодную для размещения узла электродов (2) и лазерных диодов (4); зажимное средство (6) установлено на первый конец конструкции (5) и прижимает узел электродов (2) и лазерных диодов (4) ко второму противоположному концу указанной конструкции, обеспечивая последовательное крепление и взаимный контакт лазерных диодов (4) с электродами (2).

Модуль (1) содержит установленную между зажимным средством (6) и электродом (2), ближайшим к указанному зажимному средству (6), промежуточную пластину (50), защищающую указанный концевой электрод (2).

Внешняя конструкция (5) содержит: - верхнюю часть (а), образующую первый конец конструкции (5) и снабженную резьбовыми отверстиями (55), в которых установлены шпильки (60), образующие часть зажимного средства (6), - нижнюю часть (в), образующую второй конец конструкции (5), и - средство для крепления указанны; верхней (а) и нижней (в) частей в параллельном положении, разделенных вертикально на подходящем расстоянии для свободного размещения электрода и узла лазерного диода между указанными верхней и нижней частями.

В этом первом примере осуществления средство для крепления верхней (а) и нижней (в) частей внешней конструкции (5) содержит крепежные винты (51), установленные со вставкой шайб (54) в сквозные отверстия (52), выполненные в верхней части (а), и вставленные в резьбовые отверстия (53) нижней части (b), позволяющие регулировать зазор между верхней (а) и нижней (b) частями внешней конструкции (5). Модуль (1) имеет разъемы (7) для подключения источника электропитания (не показано) электродов (2) и внутренние трубопроводы (10) для циркуляции охлаждающего продукта.

В этом примере осуществления модуль (1) включает в себя средство для вертикального выравнивания последовательных электродов (2), состоящее из штифтов (8), размещенных в вертикальных отверстиях, выполненных для этой цели в последовательных электродах (2) и в верхней (а) и нижней (в) частях внешней конструкции (5); между этими элементами установлены уплотнения (9) для предотвращения утечки.

В указанном примере осуществления лазерные диоды (4) расположены между передними концами электродов (2), а прокладки (3), электрически изолирующие и имеющие толщину, аналогичную толщине лазерных диодов (4), расположены между последовательными задними концами электродов (2).

В этом конкретном варианте осуществления зажимное средство содержит: передние шпильки (60), которые прижимают передний конец электродов (2) к лазерным диодам (4), и задние шпильки (61), которые прижимают задний конец электродов (2) к электроизолирующим прокладкам (3).

В примере осуществления, показанном на фиг. 6 и 7, модуль подключения лазера имеет конфигурацию, аналогичную описанной выше, включающую в этом случае большее количество электродов (2) и лазерных диодов (4), расположенных в чередующемся порядке.

В этом примере осуществления средство для крепления верхней (а) и нижней (b) частей конструкции (5) содержит трубчатые распорки (56), расположенные между указанными верхней (а) и нижней (b) частями и установленные на крепежных винтах (51), указанные трубчатые прокладки (56) являются именно теми, которые определяют разделение между верхней (а) и нижней (b) частями.

В примере осуществления, показанном на фиг.8 и 9 средство для крепления верхней (а) и нижней (b) частей конструкции (5) содержит направляющие колонны (57), расположенные между верхней (а) и нижней (b) частями и прикрепленные на их концах посредством винтов (58) к упомянутым верхней и нижней частям.

В этом варианте осуществления электроды (2) имеют углубления (21) по своему контуру, причем указанные углубления имеют дополнительную конфигурацию к части секции направляющих колонн (57) и подходят для установки электродов (2) в качестве скользящего элемента между направляющими колоннами; указанные направляющие колонны (57) образуют одновременно средство для разделения верхней (а) и нижней (в) частей конструкции и средство для вертикального выравнивания электродов (2).

Использование этих направляющих колонн (57) является предпочтительным по сравнению с предыдущими вариантами осуществления, поскольку оно позволяет исключить штифты (8) и расположить шпильки (60), образующие зажимное средство (6), в центрированном положении относительно узла электродов (2) и лазерных диодов (4), избегая использования электроизолирующих прокладок (3) и второго набора шпилек (61) для прижатия электродов (2) к указанным прокладкам (3).

Достаточно описав сущность изобретения и приведя пример предпочтительного варианта осуществления, настоящим для соответствующих целей указывается, что материалы, форма, размер и расположение описанных элементов могут быть изменены при условии, что не будут изменены существенные признаки заявленного ниже изобретения.

Изобретение предназначено для использования в качестве крепежного устройства для электрического соединения и теплового контакта между лазерными диодами и электродами, последовательно уложенными между соответствующими прокладками. Модуль подключения лазера содержит несколько наложенных друг на друга электродов (2), соединенных в чередующемся порядке с противоположными полюсами источника электропитания; лазерные диоды (4), установленные между обращенными поверхностями последовательных электродов (2), контактирующих с ними; зажимное средство узла электродов (2) и лазерных диодов (4) друг к другу; и внешнюю конструкцию (5). При этом внешняя конструкция (5) содержит верхнюю часть (а), образующую первый конец конструкции, нижнюю часть (b), образующую второй конец конструкции, и средство для крепления указанных верхней и нижней частей в параллельном положении в виде крепежных винтов (51). Технический результат – обеспечение правильного крепления между всеми уложенными в штабель компонентами модуля, защита концевых электродов, таким образом, чтобы они не подвергались случайным ударам, тем самым предотвращая их повреждение. 2 з.п. ф-лы, 9 ил.

1. Модуль подключения лазера, содержащий

- несколько наложенных друг на друга электродов (2), соединенных в чередующемся порядке с противоположными полюсами источника электропитания,

- лазерные диоды (4), установленные между обращенными поверхностями последовательных электродов (2), контактирующих с ними;

- зажимное средство узла электродов (2) и лазерных диодов (4) друг к другу;

- внешнюю конструкцию (5), ограничивающую пространство, определяемое зоной светового излучения лазерных диодов (4), и подходящую для размещения узла электродов (2) и лазерных диодов (4), наложенных друг на друга, при этом

- зажимное средство (6) содержит шпильки (60), установленные на резьбовых отверстиях (55), выполненных в первом конце внешней конструкции (5), и которое прижимает узел электродов (2) и лазерных диодов (4) ко второму противоположному концу указанной конструкции (5), с возможностью крепления и взаимного контакта лазерных диодов (4) с последовательными электродами (2), и промежуточную пластину (50), расположенную между зажимным средством (6) и концевым электродом (2), ближайшим к указанному зажимному средству (6), а

- внешняя конструкция (5) содержит верхнюю часть (а), образующую первый конец конструкции, нижнюю часть (b), образующую второй конец конструкции, и средство для крепления указанных верхней и нижней частей в параллельном положении в виде крепежных винтов (51), причем указанные части разделены вертикально на подходящем расстоянии для свободного размещения узла электродов (2) и лазерных диодов (4) между указанными верхней (а) и нижней (в) частями,

отличающийся тем, что

средство для крепления верхней и нижней частей содержит трубчатые распорки (56), расположенные между верхней (а) и нижней (в) частями конструкции (5) и установленные на крепежных винтах (51), при этом модуль (1) подключения лазера содержит средство для выравнивания последовательных электродов (2) в вертикальном направлении, состоящее из штифтов (8), размещенных в вертикальных отверстиях, выровненных для этой цели в последовательных электродах и, по меньшей мере, в одной верхней (а) или нижней (б) части конструкции.

2. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что лазерные диоды (4) расположены между передними концами электродов (2), при этом модуль (1) содержит электроизолирующие прокладки (3), расположенные между последовательными задними концами указанных электродов (2) и имеющими толщину, аналогичную толщине лазерных диодов (4).

3. Модуль по п. 1, отличающийся тем, что зажимное средство (6) содержит передние шпильки (60), которые прижимают передний конец электродов (2) к лазерным диодам (4), и задние шпильки (61), которые прижимают задний конец электродов (2) к электроизолирующей прокладке (3).