Патент на изобретение №2316864

(54) ЛАЗЕРНЫЙ ИЗЛУЧАТЕЛЬ

(57) Реферат:

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, а именно к лазерным источникам света, и может быть использовано в оптических системах, предназначенных, например, для указания направления или цели. Устройство содержит лазерный модуль, представляющий собой размещенные в цилиндрическом корпусе полупроводниковый лазерный диод, схему управления лазерным диодом и объектив, установленный с возможностью его перемещения вдоль оптической оси. Введены, по крайней мере, один дополнительный лазерный модуль, схема управления лазерными модулями, соединенная со схемами управления лазерными диодами модулей. Каждый модуль размещен в теплоотводящем корпусе с возможностью вращения в нем модуля вокруг своей оси и его углового перемещения. Модули размещены в общем корпусе излучателя с возможностью обеспечения максимальной плотности излучения. Общий корпус снабжен выходным окном для вывода излучения. Технический результат – увеличение выходной оптической мощности излучения и плотности выходной оптической мощности в лазерном луче. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к оптико-электронному приборостроению, в частности к лазерным источникам света, и может быть использовано в оптических системах, предназначенных, например, для указания направления или цели, в частности в лазерных курсо-глиссадных системах посадки воздушных судов.

Известен, например, гелий-неоновый лазер ЛГН-220М, выпускаемый отечественной промышленностью (ОАО “НИИ газоразрядных приборов “Плазма”), имеющий в качестве активной среды газовую смесь. Лазер генерирует излучение мощностью несколько десятков милливатт в видимом диапазоне спектра и может быть использован для указанных применений.

Однако расходимость излучения такого лазера имеет достаточно большое значение 1,5 мрад., что ограничивает возможность достижения достаточной плотности мощности излучения. Сам лазер имеет очень большие размеры (длина около 2-х метров), сложную систему питания и работает только при плюсовых температурах. Эти факторы существенно ограничивают возможность его применения.

Известен лазерный модуль, включающий полый цилиндрический корпус, линзу, расположенную в держателе, закрепленном в передней части корпуса модуля, лазерный диод с выводами, расположенный в корпусе на одной оптической оси с линзой, плату с электронной схемой для управления лазерным диодом, соединенную с выводами лазерного диода, расположенную за пределами корпуса и закрепленную со стороны его открытой задней торцевой поверхности (Патент США №5394430, МПК: H01S 3/08).

Данный модуль излучает тонкий, коллимированный лазерный луч и может использоваться, например, для указания направления или цели. Однако данная конструкции модуля не позволяет получать достаточный уровень мощности оптического излучения для наблюдения и фиксации лазерного луча на больших расстояниях, например нескольких километров.

Известен также лазерный модуль, включающий расположенные в полом цилиндрическом корпусе линзу, закрепленную с помощью резиновых колец в держателе, расположенном в передней части корпуса модуля, лазерный диод с выводами, плату с электронной схемой для управления лазерным диодом, соединенную с выводами лазерного диода и закрепленную в задней части корпуса. При этом между держателем линзы и лазерным диодом расположена пружина, которая не допускает смещения лазерного диода относительно линзы (Патент США №5878073, МПК: H01S 3/08).

Описанный модуль также может использоваться, например, для указания направления или цели и в отличие от предыдущего модуля имеет более компактную и надежную конструкцию. Однако лазерный диод, состоящий из основания, на котором расположен лазерный кристалл и крышка, так же как и в предыдущей модели, контактирует с корпусом модуля только передней частью поверхности основания, что не обеспечивает должного теплоотвода для лазерного диода, и таким образом уменьшает его ресурс при непрерывном режиме работы и ограничивает уровень мощности излучения. Кроме того, модуль имеет негерметичную конструкцию, что ограничивает его область применения.

Наиболее близким к заявляемому является лазерный модуль, содержащий полый цилиндрический корпус, в котором на одной оптической оси расположены оптическая система, закрепленная в держателе, ввинчивающемся в корпус с его передней стороны, и лазерный диод с выводами, электронную схему управления лазерным диодом, которая электрически соединена с выводами лазерного диода, и заглушку, закрепленную со стороны задней торцевой поверхности корпуса. Лазерный диод представляет собой основание, на котором закреплен лазерный кристалл, закрытый крышкой. При этом корпус модуля является первым электрическим контактом для подачи питания на драйвер и лазерный диод, а в заглушке расположен второй электрический контакт (Патент США №5121188, МПК: H01L 23/04).

Недостатком указанного устройства является также ограничение получения достаточного уровня мощности излучения и плотности выходной оптической мощности в лазерном луче для наблюдения и фиксации лазерного луча на больших расстояниях.

Задача предлагаемого решения заключается в повышении выходной оптической мощности и плотности выходной оптической мощности лазерного излучателя.

Техническим результатом является существенное увеличение выходной оптической мощности излучения и плотности выходной оптической мощности в лазерном луче за счет создания в дальнем поле излучения суперпозиции лазерных лучей, определяемой степенью перекрытия сечений лучей от каждого модуля.

Поставленная задача решается тем, что в лазерный излучатель, содержащий лазерный модуль, представляющий собой размещенные в цилиндрическом корпусе полупроводниковый лазерный диод, схему управления лазерным диодом и объектив, установленный с возможностью его перемещения вдоль оптической оси, согласно техническому решению введены, по крайней мере, один дополнительный лазерный модуль, схема управления лазерными модулями, соединенная со схемами управления лазерными диодами модулей, при этом каждый модуль размещен в теплоотводящем корпусе с возможностью вращения в нем модуля вокруг своей оси и его углового перемещения, все модули размещены в общем корпусе излучателя с возможностью обеспечения максимальной плотности излучения, а общий корпус снабжен выходным окном для вывода излучения.

Кроме того, количество модулей может быть выбрано четным, при этом они расположены симметрично относительно продольной плоскости симметрии корпуса излучателя. Для обеспечения возможности вращения модуля с последующим закреплением в теплоотводящем корпусе последний может быть снабжен продольным разрезом и стягивающим крепежным элементом в верхней части. Для обеспечения углового перемещения теплоотводящий корпус снабжен площадками, расположенными с противоположных сторон вдоль направления излучения, при этом в площадках выполнены отверстия, одно из которых – со стороны выхода излучения является осевым, а второе – регулировочным. Излучатель может быть снабжен системой нагрева корпуса излучателя, а корпус излучателя – внешним радиатором охлаждения и разъемами для подключения блока питания. Выходное окно корпуса излучателя расположено под углом к направлению излучения для исключения попадания отраженного излучения в лазерные модули.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид лазерного излучателя, на фиг.2 – общий вид лазерного модуля, закрепленного в теплоотводящем корпусе, на фиг.3 – лазерный излучатель в продольном разрезе, на фиг.4, 5, 6 – блок лазерных модулей – вид сбоку (продольный разрез), сверху, спереди соответственно.

Позициями на чертежах обозначены: 1 – блок лазерных модулей, 2 – схема управления лазерными модулями, 3 – нагреватель, 4 – блок контроля температуры, 5 – передняя крышка, 6 – выходное окно, 7 – герметизирующая прокладка, 8 – задняя крышка, 9 – электрический разъем, 10 – основание, 11 – корпус излучателя, 12 – радиатор, 13 – теплоотводящий корпус, 14 – стакан (держатель линзы), 15 – цилиндрический корпус лазерного модуля, 16 – микрообъектив, 17 – схема управления лазерным диодом, 18 – лазерный диод, 19 – винт, 20 – регулировочное отверстие, 21 – пластина, 22 – винт, 23 – продольный разрез, 24 – стойка.

Лазерный излучатель (Фиг.1 и Фиг.3) представляет собой общий корпус 11, состоящий из трех частей: передней крышки – 5, задней крышки – 8 и центральной части, сопрягающейся по форме с передней и задней крышками. В передней крышке 5 корпуса герметично закреплено выходное окно 6. На задней крышке герметично установлены электрические разъемы 9 для подачи напряжения питания и управляющих сигналов. В центральной части корпуса расположены: блок лазерных модулей 1, плата со схемой управления 2 лазерными модулями, нагреватель 3, блок контроля температуры 4, который может быть выполнен с функцией контроля напряжения питания лазерных модулей, и основание 10, на котором расположены перечисленные элементы. Передняя 5 и задняя 8 крышки присоединены к центральной части корпуса через герметизирующие прокладки 7. При этом выходное окно 6 на передней крышке расположено под углом к направлению излучения для исключения возможности попадания отраженного излучения от поверхности выходного окна в модули. Снаружи к корпусу излучателя крепится радиатор 12. Блок 1 (Фиг.4-6) содержит несколько лазерных модулей, размещающихся каждый в своем теплоотводящем корпусе 13 (Фиг.2), имеющем прямоугольное сечение. Корпус 13 выполнен с рифлением в верхней части (относительно стороны закрепления) для увеличения площади поверхности корпуса и соответственно наиболее эффективного обеспечения отвода тепла и продольным разрезом 23 (Фиг.6) в верхней части, обеспечивающим свободное вращение лазерного модуля внутри теплоотводящего корпуса 13. Для закрепления лазерного модуля в теплоотводящем корпусе 13 служит винт 22, который стягивает разделенные продольным разрезом верхние части корпуса и зажимает лазерный модуль в теплоотводящем корпусе 13. Лазерный модуль (Фиг.4), в свою очередь, состоит из цилиндрического корпуса 15 и расположенных внутри него лазерного диода 18, содержащего встроенный фотодиод обратной связи и излучающий кристалл, генерирующий свет, например, в видимом диапазоне, микрообъектива 16, состоящего из одной или более линз, закрепленных в стакане 14, и формирующего лазерное излучение в пучок заданной формы, и схемы управления 17 лазерным диодом 18, представляющей собой сформированную, например, на поликоровой плате электрическую схему, поддерживающую постоянную мощность излучения лазерного диода 18. В торце задней части корпуса 15 выполнено отверстие, в котором с помощью герметизирующего элемента закреплены провода, соединяющие лазерные модули со схемой управления 2. Теплоотводящие корпуса 13 устанавливаются на пластину 21. Теплоотводяший корпус 13 для закрепления и обеспечения углового перемещения имеет площадки, расположенные с противоположных сторон вдоль направления излучения, при этом в площадках выполнены отверстия, одно из которых – со стороны выхода излучения является осевым для углового перемещения теплоотводящего корпуса, а второе отверстие 20 – регулировочным. Фиксация теплоотводящего корпуса 13 на пластине 21 происходит с помощью винтов 19. Расположение модулей выбрано максимально плотным с учетом необходимых условий отвода тепла и возможностей их перемещения при регулировке направления излучения. Максимальное количество лазерных модулей в излучателе может быть 10-12 и больше и определяется техническими задачами и технологическими возможностями. Минимальное количество модулей в излучателе может быть равно двум. Оптимальным количеством модулей с точки зрения применения такого устройства может быть 8 (восемь). Если количество лазерных модулей четное, то их располагают симметрично относительно продольной плоскости симметрии корпуса излучателя, роль которой выполняет пластина 21. Количество модулей может быть нечетным, тогда оптимальным является такой вариант их расположения относительно продольной плоскости симметрии корпуса излучателя, когда с одной стороны расположено на один модуль больше, чем с другой. Блок лазерных модулей 1 крепится к основанию 12 с помощью стоек 24. На стойках 24 устанавливают датчики температуры, сигналы от которых подаются на блок контроля температуры 4.

Устройство работает следующим образом.

На электронную схему управления 2 лазерными модулями через электрический разъем 9 и блок контроля температуры 4 подают напряжение питания и управляющие сигналы. Схема 2 распределяет и передает управляющие сигналы на схемы управления 17 в каждый модуль. Электронная схема 17 поддерживает постоянную мощность излучения лазерного кристалла, благодаря наличию обратной связи с фотодиодом. Обратная связь осуществляется следующим образом, например, при уменьшении мощности излучения вследствие нагревания лазерного кристалла происходит изменение тока фотодиода, электронная схема 17 увеличивает ток накачки, подаваемый на лазерный кристалл, пропорционально изменившемуся току фотодиода, уровень испускаемой оптической мощности увеличивается, оставаясь, таким образом, постоянным. Кроме поддержания заданного уровня оптической мощности лазерного диода 4 электронная схема управления 17 выполняет еще и защитные функции, отключая лазерный диод 18 при создании ситуации, способной привести к выходу его из строя. Выходящее из лазерного диода 18 излучение попадает в микрообъектив 16, который позволяет формировать пучок с заданными параметрами расходимости. Используя, например, коллимирующий объектив, состоящий из одной или нескольких линз, можно получить пучок с расходимостью порядка 0,5-2 мрад., представляющий собой в сечении круг или эллипс.

Несколько лазерных модулей, расположенных согласно заявляемой конструкции, позволяют получить в дальнем поле излучения суперпозицию лазерных лучей с повышенной плотностью мощности, определяемой количеством лазерных модулей и степенью перекрытия сечений лучей от каждого модуля. Степень перекрытия сечений лучей зависит в свою очередь от угла расходимости излучения каждого модуля и угла расположения модулей (их оптических осей) относительно друг друга. Заявляемая конструкция обеспечивает возможность точной регулировки положения каждого модуля. Регулировка происходит в два этапа. По вертикальной координате положение оптических осей излучения модулей регулируется путем вращения каждого модуля вокруг своей оси в теплоотводящем корпусе 13, а по горизонтальной координате – угловым перемещением теплоотводящего корпуса 13 с последующим закреплением винтами 19 на пластине 21. При оптимальной регулировке лазерный излучатель, изготовленный в соответствии с заявляемой конструкцией, способен генерировать луч света с расходимостью, намного меньшей значения в 1 мрад., складывающегося из расходимости отдельного лазерного модуля и расходимости оптических осей лазерных модулей в излучателе, и мощностью излучения в несколько сотен и более мВт в зависимости от используемых в лазерных модулях лазерных диодов 18. При этом плотность оптической мощности в лазерном луче будет по сравнению с известными аналогами, как минимум, в 0,5N раз (где N – количество лазерных модулей в излучателе) больше.

Кроме того, заявляемое устройство может работать как в непрерывном режиме, так и в импульсном.

Конструкция лазерного излучателя обеспечивает широкий рабочий диапазон температур. Излучатель может работать при +40°С, а при принудительном обдуве внешнего радиатора при +50°С. Имеющаяся в конструкции лазерного излучателя система внутреннего обогрева работает в автоматическом режиме – включается при снижении температуры ниже +5°С и поддерживает это значение температуры внутри корпуса излучателя до температуры окружающей среды -40°С. В случае превышения абсолютных значений температур выше критических блок контроля температуры 4 отключает питание лазерных модулей.

В соответствии с заявляемой конструкцией был изготовлен лазерный излучатель, содержащий восемь лазерных модулей, расположенных симметрично, как показано на Фиг.6. Корпус излучателя изготавливался из дюралюминия и был подобен корпусу, используемому в термокожухах SVS26P. Корпус имел следующие габаритные размеры: 320×130×100 мм. Внешний радиатор, основание, пластина, теплоотводящие корпуса, стойки и корпуса модулей были изготовлены также из дюралюминия, как наиболее технологичного материала, имеющего высокую теплопроводность. Нагреватель проволочного типа закреплялся на основании и имел мощность тепловыделения порядка 100 Вт. Используемые лазерные диоды работали в видимом диапазоне спектра и имели длину волны излучения 635 нм. Микрообъектив состоял из двух линз. Мощность оптического излучения изготовленного образца составила 150 мВт, размер сечения луча на расстоянии 1 км был равен 0,8 м. Излучатель был работоспособен в диапазоне температур от -40°С до +45°С. Дальность видимости лучей составила более 5 км.

Таким образом, заявляемая конструкция позволяет получить лазерное излучение с большой мощностью и, что самое главное, увеличить плотность оптической мощности в лазерном луче по сравнению с известными аналогами, как минимум, в 0,5N раз (где N количество лазерных модулей в излучателе). Излучатель отличается повышенной надежностью, т.к. выход из строя одного из модулей уменьшает мощность излучения всего устройства только на 1/N часть. Конструкция излучателя в целом является более устойчивой к климатическим воздействиям, при этом обеспечение герметичности корпуса и наличие системы нагрева в сочетании с автоматическим поддержанием заданной температуры корпуса при сильных отрицательных температурах расширяет области применения данной конструкции.

Формула изобретения

1. Лазерный излучатель, содержащий лазерный модуль, представляющий собой размещенные в цилиндрическом корпусе полупроводниковый лазерный диод, схему управления лазерным диодом и объектив, установленный с возможностью его перемещения вдоль оптической оси, отличающийся тем, что он содержит, по крайней мере, один дополнительный лазерный модуль, схему управления лазерными модулями, соединенную со схемами управления лазерными диодами модулей, при этом каждый модуль размещен в теплоотводящем корпусе с возможностью вращения в нем модуля вокруг своей оси и его углового перемещения, все модули размещены в общем корпусе излучателя с возможностью обеспечения максимальной плотности излучения, а общий корпус снабжен выходным окном для вывода излучения.

2. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что количество модулей выбрано четным, при этом они расположены симметрично относительно продольной плоскости симметрии корпуса излучателя.

3. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения возможности вращения модуля с последующим закреплением в теплоотводящем корпусе, последний снабжен продольным разрезом и стягивающим крепежным элементом в верхней части.

4. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения углового перемещения теплоотводящий корпус снабжен площадками, расположенными с противоположных сторон вдоль направления излучения, при этом в площадках выполнены отверстия, одно из которых – со стороны выхода излучения – является осевым, а второе – регулировочным.

5. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что он снабжен системой нагрева корпуса излучателя.

6. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что корпус излучателя снабжен внешним радиатором охлаждения.

7. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что выходное окно корпуса излучателя расположено под углом к направлению излучения для исключения попадания отраженного излучения в лазерные модули.

8. Излучатель по п.1, отличающийся тем, что корпус излучателя снабжен разъемами для подключения блока питания.

РИСУНКИ