Лазерное устройство

Полезная модель 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. Задача предлагаемого решения заключается в повышении выходной оптической мощности и плотности выходной оптической мощности лазерного излучения. Поставленная задача решается тем, что лазерное устройство для указания направления в виде лазерного модуля, представляющего собой размещенные в цилиндрическом корпусе, полупроводниковый лазерный диод, схему управления лазерным диодом и объектив, установленный с возможностью его перемещения вдоль оптической оси, согласно предлагаемому решению, содержит, по крайней мере, один дополнительный лазерный модуль, 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 устройства, имеющем выходное окно, модули расположены с возможностью обеспечения максимальной плотности излучения. Устройство содержит общую схему управления, соединенную со схемами управления лазерными диодами модулей. Количество модулей выбрано четным, при этом они расположены симметрично относительно продольной плоскости симметрии корпуса устройства. Для обеспечения возможности вращения модуля с последующим закреплением в теплоотводящем корпусе, последний 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. Корпус устройства снабжен системой нагрева. Корпус устройства снабжен внешним радиатором охлаждения. Выходное окно корпуса устройства расположено под углом к направлению излучения для исключения попадания отраженного излучения в лазерные модули. Корпус устройства снабжен разъемами для подключения блока питания.

Полезная модель 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 лазерный модуль, включающий полый цилиндрический корпус, линзу, расположенную в держателе, закрепленном в передней части корпуса модуля, полупроводниковый 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 №5,394,430 МПК: H 01 S 3/08).

Данный модуль имеет намного более компактную конструкцию, также 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 километрах.

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 №5,878,073, МПК: H 01 S 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, также 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 заявляемой полезной модели является лазерный модуль, содержащий полый цилиндрический корпус, в котором на одной оптической оси расположены оптическая система, закрепленная в держателе, ввинчивающимся 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 №5,121,188, МПК: H 01 L 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 излучения.

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 лазерное устройство для указания направления в виде лазерного модуля, представляющего собой размещенные в цилиндрическом корпусе, полупроводниковый лазерный диод, схему управления лазерным диодом и объектив, установленный с возможностью его перемещения вдоль оптической оси, согласно предлагаемому решению, содержит, по крайней мере, один дополнительный лазерный модуль, 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 устройства, имеющем выходное окно, модули расположены с возможностью обеспечения максимальной плотности излучения.

Устройство содержит общую схему управления, соединенную со схемами управления лазерными диодами модулей.

Количество модулей выбрано четным, при этом они расположены симметрично относительно продольной плоскости симметрии корпуса устройства.

Для обеспечения возможности вращения модуля с последующим закреплением в теплоотводящем корпусе, последний 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.

Корпус устройства снабжен системой нагрева.

Корпус устройства снабжен внешним радиатором охлаждения.

Выходное окно корпуса устройства расположено под углом к направлению излучения для исключения попадания отраженного излучения в лазерные модули.

Корпус устройства снабжен разъемами для подключения блока питания.

Технический результат достигается за счет введения, по крайней мере, одного дополнительного лазерного модуля таким образом, что каждый модуль размещен в теплоотводящем корпусе с возможностью вращения в нем модуля вокруг своей оси и его углового перемещения, и все модули в устройстве расположены с возможностью обеспечения максимальной плотности излучения.

Полезная модель поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид лазерного устройства, на фиг.2 - общий вид лазерного модуля, закрепленного в теплоотводящем корпусе, на фиг.3 - лазерной устройство 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 устройства, 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.

Лазерное устройство (Фиг.1 и Фиг.3) представляет собой 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 устройства крепится радиатор 12. Блок 1 (Фиг.4 - Фиг.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 либо с разъемом 9 на задней крышке 8 либо 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 устройстве может быть 10-12 и больше и определяется техническими задачами и технологическими возможностями. Минимальное количество модулей в устройстве 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 устройства, роль которой выполняет пластина 21. Количество модулей может быть нечетным, тогда оптимальным является такой вариант их расположения относительно продольной плоскости симметрии корпуса устройства, 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 подается 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 лазерное устройство, изготовленное в соответствии с заявляемой конструкцией, способно 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 0,5 N раз (где N количество лазерных модулей в устройстве) больше.

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

Конструкция лазерного устройства обеспечивает широкий рабочий диапазон температур. Устройство может работать при +40°С, а при принудительном обдуве внешнего радиатора при +50°С. Имеющаяся в конструкции лазерного устройства система внутреннего обогрева работает в автоматическом режиме - включается при снижении температуры ниже +5°С и поддерживает это значение температуры внутри корпуса устройства 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 было изготовлено лазерное устройство, содержащее восемь лазерных модулей, расположенных симметрично, как показано на Фиг.6. Корпус устройства 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. Лазерное устройство было работоспособно в диапазоне температур от - 40°С до +45°С.

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 0,5 N раз (где N количество лазерных модулей в излучателе). Устройство 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.

1. Лазерное устройство для указания направления в виде лазерного модуля, представляющего собой размещенные в цилиндрическом корпусе полупроводниковый лазерный диод, схему управления лазерным диодом и объектив, установленный с возможностью его перемещения вдоль оптической оси, отличающееся тем, что оно содержит, по крайней мере, один дополнительный лазерный модуль, 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 устройства, имеющем выходное окно, модули расположены с возможностью обеспечения максимальной плотности излучения.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит общую схему управления, соединенную со схемами управления лазерными диодами модулей.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что количество модулей выбрано четным, при этом они расположены симметрично относительно продольной плоскости симметрии корпуса устройства.

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

5. Устройство по п.1, отличающееся 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.

6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус устройства снабжен системой нагрева.

7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус устройства снабжен внешним радиатором охлаждения.

8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что выходное окно корпуса устройства расположено под углом к направлению излучения для исключения попадания отраженного излучения в лазерные модули.

9. Устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус устройства снабжен разъемами для подключения блока питания.