Студентка МАИ разработала систему термостабилизации лазерных диодов
19 апреля 2021
Лазерные диоды — современные электронно-оптические приборы, используемые во многих областях науки и техники. Они находят широкое применение в волоконно-оптических системах, металлообработке, измерительном оборудовании, а также в источниках широкополосного излучения высокой яркости на основе оптических разрядов. Как раз для последних студентка кафедры «Физика конструкционных материалов» института №11 «Материаловедение и технологии материалов» МАИ Елизавета Яценко разработала систему стабилизации температуры. Устройство может быть применено для поддержания заданной температуры лазерных диодов, а также других маломощных (тепловая мощность до 80 Вт) устройств, которым это необходимо. Девушка создала экспериментальный образец и доказала, что он не просто работает, но даже превосходит существующие аналоги.
Диапазон изменения рабочей температуры, не противоречащий условиям эксплуатации приборов, обычно лежит в промежутке от 10 до 50 градусов Цельсия. Во многих случаях термостабилизация лазерного диода может осуществляться с помощью теплообменника, охлаждаемого воздухом или водой. Но в некоторых случаях возникает задача обеспечения куда более точной стабилизации температуры, а также наличия возможности её оперативного изменения.
За работу над проектом девушка взялась, учась на втором курсе. Тогда кафедра «Физика конструкционных материалов» МАИ организовала для студентов экскурсию в Институт проблем механики им. А.Ю. Ишлинского РАН, и Елизавету очень впечатлила лаборатория лазерных разрядов. Она решила попробовать там начать работу по диплому, но в итоге с головой погрузилась в научную деятельность.
«Глобальная идея состоит в следующем. Получение оптического разряда — довольно сложный и опасный эксперимент, требующий большого количества разного оборудования, а также наличия узкоспециализированных знаний и навыков. Но столь маленький и высокоинтенсивный источник широкополосного излучения может быть полезен для специалистов другого профиля, например, для биологов. Поэтому было бы здорово создать прибор, который позволяет нажатием нескольких кнопок получить оптический разряд. Моя же работа — разработка системы термостабилизации — является лишь небольшой частью этого проекта. Идея заключалась в том, чтобы создать простую и эффективную систему, которая будет выполнять именно те функции, которые необходимы для прибора», — говорит Елизавета.
В своей разработке в качестве охлаждающего элемента девушка использовала термоэлектрический модуль, основанный на эффекте Пельтье. Для достижения необходимых температур достаточно поместить его между лазерным диодом и теплообменником, подав напряжение и обеспечив интенсивный отвод тепла от его горячей стороны, например, с помощью вентилятора.
На сегодняшний день большая часть термостабилизирующих систем универсальна и создана для решения широкого спектра задач, поэтому не всегда удобна в использовании. Так, на эффективность работы влияют большие габариты изделия, а также не очень высокая скорость стабилизации из-за дискретности получаемой информации о температуре. Поэтому Елизавета решила разработать максимально простое и доступное устройство.
Проведя эксперименты и получив необходимые данные, студентка МАИ создала термостабилизирующую систему, включающую в себя термоэлектрический модуль и схему обратной связи на базе пропорционально-интегрального регулятора, а также охлаждающую систему, состоящую из теплообменника, вентилятора и схемы широтно-импульсной модуляции. Помимо этого Елизавета собственноручно разработала схему автоматического управления скоростью вращения до трёх вентиляторов, которые предусмотрены в лазерноплазменном источнике. Схема работает по алгоритму, заимствованному из принципов работы систем охлаждения серверов. Созданные схемы были воссозданы в виде печатных плат.
Немаловажными преимуществами разработки перед заводскими аналогами являются скорость термостабилизации, обусловленная использованием аналоговых компонентов, габаритные размеры (57×48×15 мм) и сборка из небольшого количества доступных элементов. Елизавете удалось достигнуть точности термостабилизации с погрешностью не более 0,1 градуса Цельсия и переброса температуры при изменении режима — не более 1 градуса Цельсия.
«Устройство разработано специально для лазерно-плазменного источника широкополосного излучения. Было бы странно, если бы проект одной студентки превосходил работу целого коллектива опытных инженеров. По сути, моё устройство является лишь компиляцией уже существующих технологий: для охлаждения лазерных диодов давно используются элементы Пельтье, о ПИД-регуляторах известно всем, кто знаком с электроникой. Но моя работа отчасти заключалась как раз в том, чтобы приспособить всё это под конкретную задачу. Например, ранее в качестве ПИД-регулятора использовался ОВЕН ТРМ101, но он имел неподходящие габариты и не очень высокую скорость термостабилизации», — отмечает молодой изобретатель.
Готовый прототип системы был успешно интегрирован в работу лаборатории лазерных разрядов летом 2020 года. В дальнейшем автор планирует встроить прототип в лазерно-плазменный источник широкополосного излучения, который сейчас находится на стадии сборки. Эта работа проводится в рамках сотрудничества с Государственным научным центром прикладной микробиологии и биотехнологии по экспериментальному исследованию бактерицидной эффективности коротковолнового УФ, генерируемого лазерно-плазменным источником, в отношении мультивидовых биоплёнок.
