CN100364188C - 侧面泵浦薄片激光器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于固体激光领域。目前薄片激光器散热效果差或激光器效率不高。本发明的激光器包括LD阵列(8)、贴热沉晶体薄片、耦合输出镜(15)，特征在于，该晶体薄片正视：中心为掺杂增益介质圆柱状薄片晶体(17)，外部为正n边形非掺杂非规结构晶体(18)，n≥6且为偶数，该正n边形中心有一圆柱孔；该晶体薄片侧视：上下两端的非规结构晶体(18)为对称的等腰梯形，该等腰梯形的上底边长等于掺杂增益介质圆柱状薄片晶体(17)的高；圆柱状薄片晶体(17)镀振荡激光全反射膜的面贴微通道冷却热沉(16)；n个LD阵列(8)固定于非掺杂非规结构晶体(18)的外侧面周围。本发明实现激光高功率输出，泵浦光结构简化，机械稳定性提高，散热较好。

Description

侧面泵浦薄片激光器及其制备方法

技术领域：

侧面泵浦薄片激光器及其制备方法属于固体激光技术领域。

背景技术：

半导体泵浦固体激光器在信息处理、医疗、材料加工及国防等领域有着十分广泛的用途。半导体泵浦的固体激光器有光纤激光器、棒状激光器、板条激光器以及薄片激光器。

随着半导体工艺的不断进步和成本的降低，半导体泵浦的固体激光器得到了飞速的发展，无论是传统圆棒状还是板条激光器连续输出都达到了1000W。但在一般高功率棒状固体激光器中，激光晶体在泵浦中产生的热透镜效应和热致应力双折射是严重的问题。为了减少热透镜效应，板条、薄片等结构的激光器得到发展。但棒和板条均存在相对于激光光束的横向热流，难于兼顾半导体泵浦高功率固体激光器高光束质量的要求。

薄片激光器的优点是热梯度和激光传输方向平行，介质具有高的泵浦功率密度而不产生显著的温度梯度，当泵浦区尺寸远大于薄片厚度时，热流沿厚度方向是近一维分布的。合理设计泵浦耦合结构，可以使薄片径向温度分布近似均匀，从而大大降低介质的热透镜效应和热致应力双折射，解决了高功率激光器冷却和高功率泵浦的矛盾，避免了放大的自发辐射。与高功率棒状和板条激光器相比，可以获得更高的功率输出，同时保持很好的光束质量。

目前，薄片激光器的泵浦方式有端面泵浦、边缘泵浦。

端面泵浦的结构是将光纤耦合输出的平行泵浦辐射光5泵浦带有热沉的晶体薄片4，并设置多个折叠式反射镜7将剩余的泵浦光反射回去，再次泵浦带有热沉的晶体薄片4，使泵浦光多次通过晶体薄片4而被充分吸收，如图1。结合截面1和截面2可知，光路走向为：泵浦光经抛物柱面镜3A→晶体薄片4→抛物柱面镜3B→抛物柱面镜3C→晶体薄片4→抛物柱面镜3D→抛物柱面镜3E→晶体薄片4→抛物柱面镜3F→抛物柱面镜3G→晶体薄片4→抛物柱面镜3H。其主要优点是多次泵浦增益介质晶体薄片泵浦光耦合效率高；泵浦光与激光模匹配好，激光器转换效率高；易于获得高光束质量的激光输出。但其机械稳定性要求很高，泵浦光折叠式反射镜7微小的变化将影响泵浦光与激光模匹配，影响激光的输出，大功率激光系统的机械稳定性存在缺陷。另外，LD阵列发射的泵浦光端面泵浦，经光学耦合系统聚焦到晶体的端面上。这种结构形式紧凑，转换效率高，基模光强分布较好。但这种结构散热效果差，故一般只能在低功率情况工作。

边缘泵浦的结构是将掺杂Yb的YAG晶体薄片13与非掺杂的YAG晶体薄片12复合(键合)，晶体被切割成正六边形结构，泵浦光从薄片的边缘进入晶体，泵浦面切割成45°角，使得泵浦光在晶体中沿Z形传播。泵浦LD阵列8经过透镜导管9入射到泵浦面上，透镜导管9输入口径和输出口径分别与LD列阵8的发光面和晶体的45°斜面口径相匹配，如图2。其主要优点是泵浦光无需光纤耦合，泵浦光结构简化，泵浦光多次经过增益介质，泵浦均匀；散热方向11与激光振荡方向10平行，减小了在激光轴向上的热梯度，避免了热透镜效应和激光产生相位畸变；同时薄片的通光口径较大，避免了圆棒状和板条介质由于口径限制而引起的衍射损耗。但掺杂Yb的YAG晶体薄片13只吸收部分泵浦光，掺杂Yb的YAG晶体薄片13内泵浦光与振荡激光只部分匹配，激光器的效率不高，边缘泵浦的效率比端面泵浦低。

发明内容：

本发明的目的是利用薄片状增益介质晶体激光器热流沿厚度方向近一维分布的特点，提出侧面泵浦的方法，既充分利用激活区使泵浦光与激光模很好匹配，获得高功率输出，又不需光纤耦合，泵浦光结构简化，激光系统的机械稳定性提高，同时具有薄片状增益介质晶体激光器较好的散热特性。

本发明提供了一种侧面泵浦薄片激光器，依次包括LD阵列8、贴有热沉的晶体薄片、耦合输出镜15，如图3a所示；其特征在于，图3b为该晶体薄片正视图，中心为掺杂增益介质圆柱状薄片晶体17，外部为正n边形非掺杂非规结构晶体18，n≥6且为偶数，该正n边形中心有一圆柱孔，该圆柱孔形状与中心圆柱状薄片晶体17匹配；正n边形与其中心圆柱孔的大小比例根据所需激光器的功率要求以及泵浦功率密度要求而定；

该晶体薄片侧视图如图3a所示，上下两端的非掺杂非规结构晶体18为对称的等腰梯形，等腰梯形与增益介质接触的底边的边长等于掺杂增益介质圆柱状薄片晶体17的高；

掺杂增益介质圆柱状薄片晶体17与非掺杂非规结构晶体18以热键合方式紧密地结合；

非掺杂非规结构晶体18的外侧面，镀泵浦光增透膜，掺杂增益介质圆柱状薄片晶体17两圆形底面，一面镀振荡激光增透膜，另一面镀振荡激光全反射膜，并与耦合输出镜15构成一激光器谐振腔；该掺杂增益介质圆柱状薄片晶体17镀振荡激光全反射膜的面贴微通道冷却热沉16；n个LD阵列8依次地按照现有技术平行地固定于非掺杂非规结构晶体18的的外侧面的周围，即n个长方形面的周围。

掺杂增益介质圆柱状薄片晶体17选用Nd:YAG或Yb:YAG晶体。

非掺杂非规结构晶体18选用YAG。

上述LD阵列8用由若干个LD阵列8组成的LD堆代替。

热沉16与掺杂增益介质圆柱状薄片晶体17以热贴合方式结合，以减少其热阻，并与散热功率匹配。

泵浦光从LD阵列中发出，无发散光直接进入掺杂增益介质圆柱状薄片晶体17，发散光经边缘折射后进入掺杂增益介质圆柱状薄片晶体17。非掺杂非规结构晶体18的外侧面的光可低损耗地传输到内部的掺杂增益介质圆柱状薄片晶体17。当用LD阵列8进行泵浦时，薄片晶体受激产生激光，在腔内振荡，最终经耦合输出镜输15出激光。

此侧面泵浦薄片激光器的制备方法，其特征在于晶体薄片的制备，其余部件按现有技术制备。该晶体薄片的制备方法为：第一步，掺杂增益介质圆柱状薄片晶体的两底面及薄片晶体的侧面，并抛光侧面；初加工外部非掺杂非规结构晶体，并抛光其上与中心掺杂增益介质圆柱状薄片晶体匹配的圆柱孔侧面，沿外部正n边形两对称顶点，n≥6且为偶数，在过中心的截面上将非掺杂非规结构晶体切为两半，如图3b中的虚线，截面抛光；

第二步，两半非掺杂非规结构晶体与侧面已抛光掺杂增益介质圆柱状薄片晶体，合起对磨加工，使圆柱孔侧面和掺杂增益介质圆柱状薄片晶体侧面面形很好贴合；

第三步，两半非掺杂非规结构晶体与掺杂增益介质圆柱状薄片晶体热键合；

第四步，对掺杂增益介质圆柱状薄片晶体的两底面进行加工，对非掺杂非规结构晶体的外侧面进行加工；

第五步，镀膜，非掺杂非规结构晶体的外侧面，即n个长方形面，镀泵浦光增透膜，掺杂增益介质圆柱状薄片晶体的两底而，一面镀振荡激光增透膜，另一面镀振荡激光全反射膜；

第六步，掺杂增益介质圆柱状薄片晶体镀振荡激光全反射膜的面贴有高效微通道冷却热沉。

此泵浦方法具有如下优点：

1.泵浦光无需整形(端面泵浦需要光纤耦合，边缘泵浦需要透镜导管)即可进行泵浦，从而减少了光的损耗，整体效率高。

2.掺杂增益介质圆薄片晶体的散热性增强，不仅可以从端面散热，也可以从侧面散热，从而增加了散热面积，故系统的散热性好。

3.LD阵列呈对称排列，泵浦光从各个不同方向均匀入射到掺杂增益介质圆薄片晶体，故泵浦均匀性好。而端面泵浦均匀性好是由于泵浦光的多次反射，边缘泵浦均匀性好是由于泵浦光在晶体中沿Z形传播。

4.该系统结构简单、紧凑，防震，受外界干扰小，机械稳定性好。

5.该系统加工工艺要求不高，成本较低，可广泛应用于各个行业。为增加泵浦的功率，激光器泵浦源可采用LD阵列堆，增加掺杂增益介质圆薄片晶体内部的泵浦功率密度；通过增加非掺杂非规结构晶体的尺寸，外部可扩展到n边形(n≥6，且为偶数)，由于加工工艺限制，一般只扩展到正八边形、正十边形、正十二边形等(如图4)，增加掺杂增益介质圆薄片晶体内部的泵浦功率，激光器输出可扩展。掺杂增益介质圆薄片晶体与非掺杂非规结构晶体的结合方式，镀膜、泵浦、冷却等方式均可采用上述方法。

采用薄片激光器模块串接方式，可构成更大功率输出的激光器。此方法可输出连续的激光，也可输出脉冲的激光，对泵浦光的形式无限制。同时，可采用调Q、锁模技术，进一步提高激光脉冲的峰值功率。

附图说明：

图1.端面泵浦的薄片激光器模型示意图；

图2.边缘泵浦的六边形YAG-Yb:YAG晶体薄片模型示意图；

图3.侧面泵浦的正六边形晶体薄片模型示意图；

图4.侧面泵浦的晶体薄片模型示意图；图4a是侧面泵浦的正八边形晶体薄片模型示意图；图4b是侧面泵浦的正十二边形晶体薄片

模型示意图。

图中，1为截面1，2为截面2，3为抛物柱面镜，4为带有热沉的晶体薄片，5为平行泵浦辐射光，6为晶体及焦平面，7为折叠式反射镜，8为LD阵列，9为透镜导管，10为激光振荡方向，11为散热方向，12为非掺杂的YAG晶体薄片，13为掺杂Yb的YAG晶体薄片，14为激光输出方向，15为耦合输出镜，16为热沉，17为掺杂增益介质圆柱状薄片晶体，18为非掺杂非规结构晶体。

具体实施方式：

本发明的设计图如图3所示。中心为掺杂增益介质圆薄片晶体，外部为正六边形非掺杂非规结构晶体，中心有一圆柱孔，外部正六边形厚，而中间圆柱孔薄，其对称截面为对称的等腰梯形。掺杂增益介质圆柱状薄片晶体选用Yb:YAG晶体。非掺杂非规结构晶体选用YAG。掺杂增益介质圆薄片晶体(掺杂浓度为3at％)与非掺杂非规结构晶体以热键合方式紧密地结合。

掺杂增益介质圆薄片晶体与非掺杂非规结构晶体的制备方法为：第一步，初加工掺杂增益介质圆薄片晶体的两底面(厚度1.0mm)及薄片晶体的侧面(直径5mm正公差)，并抛光圆侧面；初加工外部非掺杂非规结构晶体，外部正六边形边长为12mm，厚度为3mm，中心圆孔直径5mm负公差，厚度为1.0mm，抛光其圆柱孔侧面，沿外部正六边形两对称顶点，在过中心的截面上将其切为两半(图3中的虚线)，截面抛光；

第二步，两半非掺杂非规结构晶体与初加工掺杂增益介质圆薄片晶体，合起对磨加工，使圆柱孔侧面和掺杂增益介质圆柱状薄片晶体侧面面形很好贴合；

第三步，两半非掺杂非规结构晶体与掺杂增益介质圆薄片晶体热键合，即将非掺杂非规结构晶体与掺杂增益介质圆薄片晶体拼合，置于真空状态，加以1200℃的高温，并施加压力，保持这一状态12小时，而后退温退压：

第四步，掺杂增益介质圆柱状薄片晶体的两底面加工，非掺杂非规结构晶体的外侧面加工，这是由于在热键合会导致薄片晶体发生形变；

第五步，镀膜，非掺杂非规结构晶体的外侧面，即六个长方形面，镀泵浦光(对应0.94μm波长)增透膜，掺杂增益介质圆柱状薄片晶体的两底面，一面镀振荡激光(对应1.03μm波长)增透膜，另一面镀振荡激光(对应1.03μm波长)全反射膜；

第六步，掺杂增益介质圆柱状薄片晶体镀振荡激光全反射膜的面贴高效微通道冷却热沉。

将6个快轴准直的LD阵列，即50W连续半导体激光阵列，阵列发光区长度为10mm，依次地按照现有技术平行地固定于非掺杂非规结构晶体的外侧面，即六个长方形面，晶体的周围(如图3)，并连接驱动电源和水冷。

激光器耦合输出镜的反射率为87％。经测量，泵浦功率为240W(6个LD阵列)，输出功率为103W，光光转化效率为43％。输出激光的光束质量好，并适合大功率的输出。

Claims (1)

1.一种侧面泵浦薄片激光器的制备方法，其特征在于晶体薄片的制备，其余部件按现有技术制备；该晶体薄片正视：中心为掺杂增益介质圆柱状薄片晶体，外部为正n边形非掺杂非规结构晶体，n≥6且为偶数，该正n边形中心有一圆柱孔，该圆柱孔形状与中心掺杂增益介质圆柱状薄片晶体匹配；该晶体薄片侧视：上下两端的非掺杂非规结构晶体为对称的等腰梯形，该等腰梯形与增益介质接触的底边的边长等于掺杂增益介质圆柱状薄片晶体的高；

该晶体薄片的制备方法为：第一步，掺杂增益介质圆柱状薄片晶体的两底面及薄片晶体的侧面，并抛光侧面；初加工外部非掺杂非规结构晶体，并抛光非掺杂非规结构晶体上与中心掺杂增益介质圆柱状薄片晶体匹配的圆柱孔侧面，沿外部正n边形两对称顶点在过中心的截面上将非掺杂非规结构晶体切为两半，n≥6且为偶数，截面抛光；

第二步，两半非掺杂非规结构晶体与侧面已抛光的掺杂增益介质圆柱状薄片晶体，合起对磨加工，使圆柱孔侧面和掺杂增益介质圆柱状薄片晶体侧面面形很好贴合；

第三步，两半非掺杂非规结构晶体与掺杂增益介质圆柱状薄片晶体热键合；

第四步，对掺杂增益介质圆柱状薄片晶体的两底面进行加工，对非掺杂非规结构晶体的外侧面进行加工；

第五步，镀膜，非掺杂非规结构晶体的外侧面，镀泵浦光增透膜，掺杂增益介质圆柱状薄片晶体的两底面，一面镀振荡激光增透膜，另一面镀振荡激光全反射膜；

第六步，掺杂增益介质圆柱状薄片晶体镀振荡激光全反射膜的面贴有高效微通道冷却热沉。

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