Лазерное устройство для указания направления

Авторы патента:

Полезная модель относится к оптико-электронному приборостроению. Задача предлагаемого решения заключается в повышении выходной оптической мощности и плотности выходной оптической мощности лазерного излучателя.

Поставленная задача решается тем, что в лазерное устройство, представляющее собой расположенный в корпусе с выходным окном лазерный модуль, состоящий из корпуса, часть поверхности которого имеет сферическую форму, а часть цилиндрическую, в котором расположены полупроводниковый лазерный диод и объектив, установленный с возможностью его перемещения вдоль оптической оси, и схемы управления лазерным диодом, механизм фиксации положения лазерного модуля, обеспечивающий угловое перемещение лазерного модуля относительно корпуса излучателя, согласно техническому решению, введены, по крайней мере, один дополнительный лазерный модуль, держатель лазерных модулей, термохолодильники, схема управления модулями, соединенная со схемами управления лазерными диодами, плата контроля температуры лазерных модулей, радиатор, встроенный в корпус лазерного устройства со стороны его задней стенки для дополнительного отвода тепла, при этом держатель выполнен из теплопроводящего материала и имеет ячейки для размещения лазерных модулей с механизмами фиксации их положения в ячейках, а термохолодильники одним основанием жестко соединены с радиатором со стороны его внутренней поверхности, а другим - с держателем.

Механизм фиксации лазерного модуля в ячейке держателя выполнен с возможностью перемещения лазерного модуля относительно держателя вдоль направления излучения модуля и состоит из двух шайб с внутренней поверхностью сферической формы, сопрягаемой со сферическим участком поверхности корпуса модуля, одна из которых имеет резьбовое соединение с ячейкой держателя, и гайки, также имеющей резьбовое соединение с ячейкой держателя, обеспечивающей фиксацию положения сферического участка корпуса модуля между шайбами.

Лазерные модули расположены с возможностью обеспечения максимальной плотности выходного излучения. Для улучшения обеспечения отвода тепла радиатор снабжен рифлением. Лазерное устройство снабжено нагревателем корпуса излучателя. Выходное окно корпуса устройства расположено под углом к направлению излучения для исключения попадания отраженного излучения в лазерные модули. На корпусе излучателя имеются разъемы для подключения блока питания.

Полезная модель относится к оптико-электронному приборостроению, в частности, к лазерным источникам света, и может быть использована 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, 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: H 01 S 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, 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 №5121188, МПК: Н 01 L 23/04).

Описанный модуль также может использоваться, например, для указания направления или цели и в отличие от предыдущего модуля имеет более компактную и надежную конструкцию. Однако эта конструкция также не позволяет получать достаточный уровень мощности и плотности мощности для наблюдения и фиксации лазерного луча на больших расстояниях.

Наиболее близким к заявляемому является лазерное устройство для наведения на цель (лазерный излучатель), представляющее собой размещенный в полом цилиндрическом корпусе с выходным окном лазерный модуль, часть внешней поверхности корпуса которого имеет сферическую форму, а часть цилиндрическую, включающий полупроводниковый лазерный диод, схему управления лазерным диодом и объектив, установленный с возможностью его перемещения вдоль оптической оси, механизм фиксации лазерного модуля в корпусе излучателя, обеспечивающий угловое перемещение лазерного модуля относительно корпуса излучателя (Патент РФ на ПМ №36498, МПК: F 41 G 1/34).

Недостатком указанного устройства является также ограничение возможности получения достаточного уровня выходной оптической 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.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен в разрезе общий вид лазерного устройства сверху, на фиг.2 - общий вид лазерного устройства сбоку, на фиг.3 - лазерный модуль в продольном разрезе, на фиг.4 - держатель лазерных модулей в разрезе, на фиг.5 - блок схема устройства.

Позициями на чертежах обозначены: 1 - держатель лазерных модулей, 2 - плата со схемой управления лазерными модулями, 3 - нагреватель, 4 - термохододильник, 5 - передняя крышка, 6 - выходное окно, 7 - герметизирующая прокладка, 8 - лазерный модуль, 9 - электрический разъем, 10 - плата контроля температуры, 11 - корпус лазерного устройства, 12 - радиатор, 13 - герметизирующая прокладка, 14 - корпус лазерного модуля, 15 - цилиндрическая часть поверхности корпуса лазерного модуля, 16 - сферическая часть поверхности корпуса лазерного модуля, 17 - схема управления лазерным диодом, 18 - лазерный диод, 19 - стакан - держатель микрообъектива, 20 - микрообъектив, 21 - шайба с внутренней сферической поверхностью и резьбовым соединением, 22 - шайба с внутренней сферической поверхностью, 23 - гайка, 24 - датчик температуры.

Лазерное устройство (Фиг.1 и Фиг.2) имеет общий корпус 11, к которому со стороны выхода излучения (передней стороны) закрепится крышка 5. В крышке 5 корпуса 11 герметично закреплено выходное окно 6. На задней стенке корпуса 11 герметично установлены электрические разъемы 9 для подачи напряжения питания и управляющих сигналов, а также выполнено отверстие для установки радиатора 12. В центральной части корпуса 11 расположены: держатель лазерных модулей 1, плата со

схемой управления 2 лазерными модулями, нагреватель 3, плата контроля температуры 10, на которой сформированы схемы управления термохолодильниками 4 и нагревателем 3 и может быть выполнена схема контроля напряжения питания лазерных модулей. Передняя крышка 5 присоединена к корпусу 11 через герметизирующую прокладку 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. Радиатор 12 жестко соединен с термохолодильниками 4 и держателем лазерных модулей 1 и герметично, через прокладку 13, соединен с корпусом 11 устройства по периметру отверстия в задней стенке корпуса 11, через которое он выступает за пределы корпуса 11. Держатель лазерных модулей 1 (Фиг.3) выполнен с возможностью размещения в нем нескольких лазерных модулей 8 (Фиг.4). При этом модули размещены в отдельных ячейках (Фиг.3), представляющих резьбовое отверстие. Лазерный модуль 8 закреплен сферической частью 16 поверхности своего корпуса 14 между двумя шайбами 21 и 22, имеющими внутреннюю сферическую поверхность, сопрягаемую соответственно с задним и передним фронтом сферической части 16 поверхности корпуса 14 лазерного модуля 8. Шайба 21, кроме того, имеет внешнюю резьбу, с помощью которой заворачивается в резьбовое отверстие на необходимую глубину. Корпус 14 лазерного модуля 8 выполнен с возможностью перемещения вдоль направления излучения в зависимости от положения шайбы 21 и углового перемещения за счет вращения сферической части 16 поверхности корпуса 14 между сферическими поверхностями шайб 21 и 22. Для закрепления лазерного модуля в выбранном положении в держателе 1 служит гайка 23, которая сжимает сферическую часть 16 поверхности корпуса 14 лазерного модуля 8 между шайбами 21 и 22. Лазерный модуль 8 (Фиг.4), в свою очередь, состоит из корпуса 14 и расположенных внутри него лазерного диода 18, содержащего встроенный фотодиод обратной связи и излучающий кристалл, генерирующий свет, например, в видимом диапазоне, микрообъектива 20, состоящего из одной или более линз, закрепленных в стакане 19 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. Схема управления 17 соединяется со схемой управления 2 проводами, проходящими через отверстия в держателе лазерных модулей 1.

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,

например, 36 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 25 (двадцать пять). Если количество лазерных модулей четное, то их располагают симметрично относительно продольной плоскости симметрии корпуса лазерного устройства. Количество модулей может быть нечетным, тогда их располагают симметрично относительно продольной оси симметрии корпуса лазерного устройства. Держатель лазерных модулей 1 прикреплен к корпусу 11 винтами. К держателю 1 в свою очередь прикреплены термохолодильники, обеспечивающие охлаждение блока лазерных модулей при работе в условиях повышенной температуры окружающей среды. К термохолодильникам с обратной стороны закреплен радиатор. Оба соединения выполнены с оптимальным тепловым контактом. Количество термохолодильников в зависимости от их мощности может быть выбирала, например, от 2 до 6. На держателе 1 установлены датчики температуры - 24, сигналы от которых подаются на плату контроля температуры 10.

Устройство работает следующим образом.

На электронную схему управления 2 лазерными модулями через электрический разъем 9 и плату контроля температуры 10 подают напряжение питания и управляющие сигналы (Фиг.5). 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 18 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 20, который позволяет сформировать 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 следующим образом. На цилиндрическую часть 15 корпуса 14 лазерного модуля 8 одевается приспособление (поводок) в виде трубочки, с помощью которого при включенном лазерном модуле и ослабленной гайке 23 лазерный модуль выставляется в нужное положение. Затем специальным ключом гайка 23 затягивается и лазерный модуль фиксируется в выставленном положении. При оптимальной регулировке лазерное устройство, изготовленное в соответствии с заявляемой конструкцией, способно генерировать луч света с расходимостью, намного меньшей значения в 1 мрад, определяемого расходимостью отдельного лазерного модуля и расходимостью оптических осей лазерных модулей в излучателе относителньо друг друга, и мощностью излучения в несколько сотен 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 0,6N 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 устройства обеспечивает широкий рабочий диапазон температур. При повышенной температуре окружающей среды автоматически включаются термохолодильники и обеспечивают снижение температуры блока лазерных модулей до 15-20°С. Излучатель может работать при температуре окружающей среды +40°С, а при принудительном обдуве внешнего радиатора при +50°С. Имеющаяся в конструкции лазерного устройства система внутреннего обогрева работает также 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 плата контроля температуры 10 отключает питание лазерных модулей.

В соответствии с заявляемой конструкцией было изготовлено лазерное устройство, содержащее двадцать пять лазерных модулей. Корпус устройства изготавливался из дюралюминия и был подобен корпусу типа G115. Корпус имел следующие габаритные

размеры: 148×108×75 мм. Блок лазерных модулей бал изготовлен из меди, корпуса лазерных модулей - из бронзы, радиатор - из дюралюминия. Нагреватель проволочного типа закреплялся на стенке корпуса 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 450 мВт, размер сечения луча на расстоянии 1 км был равен ˜0,8 м. Работоспособность лазерного устройства проверялась в диапазоне температур от - 30°С до +45°С. Дальность видимости луча при нормальной погоде 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 0,6N 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 корпуса и возможности охлаждения блока лазерных модулей термохолодильниками в сочетании с автоматическим поддержанием заданной температуры блока лазерных модулей при крайних отрицательных и положительных температурах расширяет области применения данной конструкции.

1. Лазерное устройство для указания направления, представляющее собой расположенной в корпусе с выходным окном лазерный модуль, состоящий из корпуса, часть поверхности которого имеет сферическую форму, а часть цилиндрическую, в котором расположены полупроводниковый лазерный диод и объектив, установленный с возможностью его перемещения вдоль оптической оси, и схемы управления лазерным диодом, механизм фиксации положения лазерного модуля, обеспечивающий угловое перемещение лазерного модуля относительно корпуса излучателя, отличающееся тем, что оно содержит расположенные в корпусе лазерного устройства, по крайней мере, один дополнительный лазерный модуль, держатель лазерных модулей, термохолодильники, схему управления модулями, соединенную со схемами управления лазерными диодами, плату контроля температуры лазерных модулей, радиатор, встроенный в корпус лазерного устройства со стороны его задней стенки для дополнительного отвода тепла, при этом держатель выполнен из теплопроводного материала и имеет ячейки для размещения лазерных модулей с механизмами фиксации их положения в ячейках, а термохолодильники одним основанием жестко соединены с радиатором со стороны его внутренней поверхности, а другим - с держателем.

2. Лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что механизм фиксации лазерного модуля в ячейке держателя выполнен с возможностью перемещения лазерного модуля относительно держателя вдоль направления излучения модуля и состоит из двух шайб с внутренней поверхностью сферической формы, сопрягаемой со сферическим участком поверхности корпуса модуля, одна из которых имеет резьбовое соединение с ячейкой держателя, и гайки, также имеющей резьбовое соединение с ячейкой держателя, обеспечивающей фиксацию положения сферического участка корпуса модуля между шайбами.

3. Лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что для обеспечения отвода тепла часть наружной поверхности радиатора выполнено с рифлением для увеличения площади поверхности.

4. Лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено нагревателем корпуса излучателя.

5. Лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что выходное окно корпуса излучателя расположено под углом к направлению излучения для исключения попадания отраженного излучения в лазерные модули.

6. Лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что модули расположены с возможностью обеспечения максимальной плотности выходного излучения.

7. Лазерное устройство по п.1, отличающееся тем, что корпус излучателя снабжен разъемами для подключения блока питания.