CN101728756A - 一种全固态激光器用的激光头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种全固态激光器用的激光头，包括半导体激光器列阵、光学耦合器件和由光学部件组成的谐振腔，其中半导体激光器列阵输出光路上顺序设置光学耦合器件和片状激光晶体，半导体激光器列阵由一个半导体激光器列阵模块或两个或两个以上串联的半导体激光器列阵模块构成，且半导体激光器列阵模块包括两个或两个以上串联的半导体激光器发光元，半导体激光器列阵模块中相邻的半导体激光器发光元的最小间距与半导体激光器发光元的发光面在线阵排列方向上的宽度的比值大于5。本发明解决了大功率全固态激光器的晶体热效应问题，提高了电光转换效率，缩小了全固态激光器体积，实现了固体激光器的微型化，在激光照明和显示领域具有很高实用价值。

Description

一种全固态激光器用的激光头

技术领域

本发明涉及一种全固态激光头，特别涉及一种全固态激光器用的微型激光头。

背景技术

目前半导体激光器的发展情况，绿光半导体激光器和蓝光半导体激光器的输出应用停留在低功率水平，红光半导体激光器虽然功率水平上相对较高，但是波段较为单一。尽管半导体激光器体积小、集成度高，但是光束质量较差，无法获得大功率的输出，同时在光谱覆盖程度上也还需要进一步的扩展，与实际应用还有一定的差距。

由于全固态激光器单束激光输出功率提高的困难以及单束光束功率密度过高带来的晶体散热困难，为了满足全固态激光器大功率输出的需求，目前有采用半导体激光器列阵泵浦全固态激光器的方式，用以提高总输出功率和改善晶体热效应问题。现有技术中有几种采用半导体激光器列阵泵浦全固态激光器的情况，其中一种以垂直腔面发射的半导体激光列阵泵浦的全固态激光器，如在专利号为ZL02121545.6的中国专利中介绍的那样，它是一种垂直腔面发射的半导体激光列阵作为泵浦源并采用腔内倍频的激光器技术。但是由于其为垂直腔面发射，虽然其具有较好的光束质量，其发射形式却很大程度上限制了输出功率的提高。另一种现有技术如专利号为US5351259的美国专利，采用bar条形式的半导体激光器列阵作为全固态激光器的泵浦源，泵浦片状激光晶体，再通过非线性光学晶体变频输出。由于bar条的生长方式决定了bar条内部的半导体激光器发光元之间为并联连接，其并联结构造成了半导体激光器列阵所需要的总工作电流较大。以含有19个半导体激光器发光元的bar条为例，由于该19个半导体激光器发光元为并联结构，例如bar条上的一个半导体激光器发光元的工作电流为1A，整个bar条的总工作电流就为19A，如此高的工作电流会产生大量焦耳热，这样一来电源和电线尺寸需要很大，因此导致供电设备笨重且昂贵。此外，半导体激光器泵浦的大功率全固态激光器因为材料、散热等相关因素的制约，激光电光转换效率不高，而且现有的大功率全固态激光器体积较大，实现微型化尚有一定的技术困难。

发明内容

本发明的目的在于：针对现有技术的不足，为了减小全固态激光器的体积和减少电源传输损耗，同时还要提高采用半导体激光器列阵泵浦的大功率全固态激光器的电光转换效率和稳定性，从而提供一种使用串联结构的半导体激光器列阵作为泵浦源的全固态激光器用的激光头。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供一种全固态激光器用的激光头，包括半导体激光器列阵、光学耦合器件和由光学部件组成的谐振腔；其中所述半导体激光器列阵输出光路上设置所述光学耦合器件和所述谐振腔；其特征在于，还包括片状激光晶体；

所述半导体激光器列阵由一个半导体激光器列阵模块或者两个或两个以上串联的半导体激光器列阵模块构成；

所述半导体激光器列阵模块包括两个或两个以上串联的半导体激光器发光元；

相邻的所述半导体激光器发光元的最小间距与一个所述半导体激光器发光元的发光面在所述半导体激光器发光元的线阵排列方向上的宽度的比值大于5。

上述技术方案中，相邻的所述半导体激光器发光元的最小间距与一个所述半导体激光器发光元在所述半导体激光器发光元的线阵排列方向上的宽度的比值优选为从6到15。

上述技术方案中，所述光学耦合器件为由两个或两个以上单个耦合元件组成的列阵，其中所述耦合元件的数目与所述半导体激光器发光元的数目相同，且所述耦合元件与所述半导体激光器发光元出射的激光一一对应。

上述技术方案中，所述耦合元件的入射面和出射面均镀有对所述半导体激光器列阵输出波长的增透膜。

上述技术方案中，所述耦合元件为自聚焦透镜、柱状透镜、非球面透镜或耦合透镜组。

上述技术方案中，所述片状激光晶体包括一片或一片以上的薄片激光晶体，其中所述薄片激光晶体的厚度为0.1mm到3mm。

上述技术方案中，还包括用于进行激光频率转换的非线性光学晶体，所述非线性光学晶体放置于所述片状激光晶体的输出光路上。

上述技术方案中，所述片状激光晶体和所述非线性光学晶体可以通过粘接、光胶或离子键合结合成一体，形成一块晶体块。

上述技术方案中，还包括输出镜，其中所述输出镜为平面镜、球面镜列阵或体布拉格光栅。

采用本发明的技术方案，具有以下明显的有益效果：

1.半导体激光器列阵采用串联的方式可以将传统bar条的并联形式下的低压大电流电源改为使用高压小电流电源，有效地避免了高工作电流产生的大量焦耳热，从而减小了电源和电线的尺寸，使得供电设备成本降低，体积减小，提高了半导体激光器列阵泵浦的全固态激光器的抗灾变能力和系统的稳定性，并减少了电源传输损耗。

2.本发明的半导体激光器列阵模块由传统bar条改制而得，和单管半导体激光器列阵的结构相比，本发明的半导体激光器列阵模块对位精度更高、光束空间指向一致性更好，结构更为紧凑，更有利于激光器列阵的小型化，成本更为低廉；和传统bar条相比，本发明半导体激光器列阵模块的新结构降低了激光的功率密度，较好地实现了热力分散，减小了激光晶体热负载密度，有效地解决了bar条存在的功率密度过大而引起的激光晶体热效应的问题，从而显著地提高了半导体激光器列阵泵浦的大功率全固态激光器的电光转换效率，提高了光束质量和系统稳定性。

3.本发明的半导体激光器列阵模块由于是从传统bar条改制而来，所以引线比单管半导体激光器列阵的引线要短，而且本发明的引线为银焊，和单管半导体激光器列阵引线的锡焊相比，银焊的接触电阻要小于锡焊的接触电阻，由于引线较短和接触电阻较小，所以本发明引线的损耗更小，连线可靠性更高。

4.本发明可以根据半导体激光器列阵的功率和半导体激光器发光元的发光面的宽度以及片状激光晶体的材料、掺杂浓度和几何形状等具体情况，适当地设置半导体激光器发光元之间的距离，使激光功率密度调整到片状激光晶体能达到较好散热效果的范围，同时结合利用由于片状激光晶体因其表面积与体积比值较大而具有较好散热效果的特点，从而较好地解决了大功率全固态激光器的晶体热效应问题，更好地平衡了激光输出功率与激光效率之间的关系，有效地提高了全固态激光器的电光转换效率。由于晶体热效应的较好解决，全固态激光器可以选择使用体积更小的激光晶体和非线性光学晶体。此外，半导体激光器列阵和片状激光晶体的结合，显著地缩小了大功率全固态激光器的体积，从直观上将全固态激光器的体积缩小了十倍以上，实现了全固态激光器的微型化，将大功率全固态激光器拓展到以前由于体积大而无法应用的全新领域，对大功率全固态激光器的技术拓展与进步具有巨大意义。

5.在全固态激光器需要频率转换的情况下，由于热效应的有效解决，光束质量得到了提高，而光束质量的提高有利于提高非线性光学晶体的转换效率，因此使得全固态激光器的输出效率得到了提高，而且由于非线性转换效率的提高，可不必再通过增加非线性光学晶体的长度来提高非线性转换效率，从而达到进一步缩小全固态激光器体积的显著效果。

综上所述，本发明采用串联的半导体激光器列阵作为泵浦源，以半导体激光器发光元的间距和半导体激光器发光元的发光面的宽度的一定比例关系来结合片状激光晶体使用，不仅有效地解决了大功率全固态激光器的晶体热效应问题，大幅度地提高了电光转换效率，并提高了全固态激光器的稳定可靠性，而且还实现了大功率全固态激光器的紧凑设计，缩小了体积，实现了全固态激光器的微型化。本发明在激光照明和激光显示应用领域具有很高的实用价值，同时也可应用于雷达多点探测、非相干照明、生物学检测、化学研究、表面多点分析等领域。

附图说明

图1A为一种传统bar条的侧视图；

图1B为图1A的A-A’剖面图；

图2A为一种具有7个等间距半导体激光器发光元的半导体激光器列阵模块的侧视图；

图2B为图2A的A-A’剖面图；

图3为一种具有5个等间距半导体激光器发光元的半导体激光器列阵模块的侧视图；

图4为一种具有6个间距不完全相等的半导体激光器发光元的半导体激光器列阵模块的侧视图；

图5为一种线阵的倍频输出的全固态激光头的俯视图；

图6为图5的立体图；

图7为一种线阵的基频输出的全固态激光头的俯视图；

图8为另一种线阵的倍频输出的全固态激光头的俯视图；

图9为一种面阵输出的全固态激光头的立体图；

图10为另一种面阵输出的全固态激光头的立体图；

图11为一种平凹腔输出的全固态激光头的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

参考图1A和图1B，为一种传统bar条的结构示意图，包括有源区102、无源区103和衬底101，其中有源区102和无源区103集成或焊在衬底101上。有源区102含有19个半导体激光器发光元104。有源区102和无源区103由半导体量子阱材料制成，有源区102位于衬底101上，无源区103包围在有源区102之外。有源区102的出光面镀有针对输出波长的部分反射膜，另一面镀有针对输出波长的反射膜。通常半导体激光器发光元104的间距(本发明所提到的间距均为半导体激光器发光元的中心间距)为500微米，每个半导体激光器发光元的发光面的宽度(半导体激光器发光元的发光面的宽度定义为图1A中半导体激光器发光元沿水平方向AA’上的长度)通常为100微米到300微米。传统bar条的半导体激光器发光元的间距与半导体激光器发光元的发光面的宽度的比值小于等于5。

实施例1

参考图2A和图2B，本实施例为从图1A和图1B所示的传统bar条改制出的一种半导体激光器列阵模块的示意图，包括7个半导体激光器发光元104、无源区103和衬底101，其中7个半导体激光器发光元104和无源区103集成或焊在衬底101上。本实施例的半导体激光器列阵模块有7个等间距的半导体激光器发光元。本实施例所采用的被改制的传统bar条(图1A和图1B所示)有19个半导体激光器发光元，且半导体激光器发光元的间距为500微米，半导体激光器发光元的发光面的宽度为150微米。如图2A所示，从左至右依次排序，左数第一个半导体激光器发光元为第一个半导体激光器发光元，最右端的半导体激光器发光元为第十九个半导体激光器发光元。本实施例改制的方法为，留下第一个半导体激光器发光元，去掉第二个和第三个半导体激光器发光元，留下第四个半导体激光器发光元，去掉第五个和第六个半导体激光器发光元，以此类推，从左端起，每三个半导体激光器发光元去掉相邻的后两个半导体激光器发光元，直到最后不足三个只剩一个半导体激光器发光元，则留余下第十九个半导体激光器发光元，最终传统bar条被改制为具有相同间距的7个半导体激光器发光元的半导体激光器列阵模块，且相邻两个半导体激光器发光元的间距为1.5毫米。上述7个半导体激光器发光元处于同一个衬底101上且彼此绝缘，然后各自外接引线为串联，且引线为银焊。

上述半导体激光器发光元的间距为1.5毫米，传统bar条的半导体激光器发光元的间距为500微米，本实施例的半导体激光器列阵模块的半导体激光器发光元的间距为传统bar条的3倍。显而易见，半导体激光器发光元的间距增大，激光在激光晶体上的功率密度必然随之减少，激光晶体上的散热面积增大，从而散热面积和热源(热源为半导体激光器发光元在激光晶体上形成的光斑)的比值也增大，即散热越好。通常将激光束腰位置置于激光晶体入射面的附近，一个半导体激光器发光元在激光晶体上形成的光斑的直径大约为半导体激光器发光元的发光面的宽度的1.2到1.5倍，因此半导体激光器发光元的间距与半导体激光器发光元的发光面的宽度的比值一定比例地反映了激光晶体上的散热面积和热源的比值，所以半导体激光器发光元的间距与半导体激光器发光元的发光面的宽度的比值同样可以反映激光晶体的散热情况。而当光斑的直径与半导体激光器发光元的发光面的宽度的比值过大时，例如3倍，则输出激光的质量太差，通常不采用。本实施例的半导体激光器列阵模块中的半导体激光器发光元的间距与半导体激光器发光元的发光面的宽度的比值为10(1.5毫米/150微米)，是传统bar条的比值3.33(500微米/150微米)的3倍，因此激光晶体的散热效果也显然得到了提高。

其次，由于本实施例中的半导体激光器列阵模块是从传统bar条改制而成，半导体激光器列阵模块和单管半导体激光器列阵的结构相比，比单管半导体激光器列阵对位精度更高，光束空间指向一致性更好，结构更为紧凑，更有利于激光器列阵的小型化，成本更为低廉。而且，由于从传统bar条改制而成，本实施例的半导体激光器列阵模块的引线比单管半导体激光器列阵的引线要短，而且半导体激光器列阵模块的引线为银焊，和单管半导体激光器列阵引线的锡焊相比，银焊的接触电阻要小于锡焊的接触电阻，由于引线较短和接触电阻较小，所以半导体激光器列阵模块引线的损耗更小，连线可靠性更高。

此外，半导体激光器列阵模块采用串联的方式可以将传统bar条的并联形式下的低压大电流电源改为使用高压小电流电源，有效地避免了高工作电流产生的大量焦耳热，从而减小了电源和电线的尺寸，使得供电设备成本降低，体积减小，提高了半导体激光器列阵泵浦的全固态激光器的抗灾变能力和系统的稳定性，并减少了电源传输损耗。

实施例2

参考图3，本实施例为一种具有5个等间距的半导体激光器发光元的半导体激光器列阵模块。其从具有19个半导体激光器发光元的传统bar条上改制的方式为，从左端起，每四个半导体激光器发光元去除相邻的后三个半导体激光器发光元，以此类推，直到最后不足四个半导体激光器发光元，则留余第十七个半导体激光器发光元，切除最后两个半导体激光器发光元。本实施例中采用的传统bar条的半导体激光器发光元的间距为500微米，半导体激光器发光元的发光面的宽度为250微米，经上述方法改制后，得到半导体激光器发光元的间距为2毫米的具有5个半导体激光器发光元的半导体激光器列阵模块，上述5个半导体激光器发光元在同一个衬底上且彼此绝缘，然后引线接为串联，且引线为银焊。

本实施例采用的传统bar条的半导体激光器发光元的间距和半导体激光器发光元的发光面的宽度的比值为2(500微米/250微米)，而半导体激光器列阵模块的半导体激光器发光元的间距和半导体激光器发光元的发光面的宽度的比值则增至8(2毫米/250微米)，是传统bar条的4倍，因此激光晶体上的散热面积和热源的比值也得到了显著提高，激光晶体的散热效果也显然得到了极大改善。此外，本实施例同样具有实施例1中所述的优点。

实施例3

参考图4，本实施例为一种具有6个半导体激光器发光元的半导体激光器列阵模块。其从具有19个半导体激光器发光元的传统bar条上改制的方式为，从左端起，留下第一个半导体激光器发光元，去掉第二个、第三个和第四个半导体激光器发光元，留下第五个半导体激光器发光元，去掉第六个和第七个半导体激光器发光元，留下第八个半导体激光器发光元，去掉第九个、第十个和第十一个半导体激光器发光元，留下第十二个半导体激光器发光元，去掉第十三个和第十四个半导体激光器发光元，留下第十五个半导体激光器发光元，去掉第十六个、第十七个和第十八个半导体激光器发光元，留下第十九个半导体激光器发光元。本实施例采用的传统bar条的半导体激光器发光元的间距为500微米，半导体激光器发光元的发光面的宽度为200微米，改制后的半导体激光器列阵模块的第一个半导体激光器发光元和第二个半导体激光器发光元的间距为2毫米，第二个半导体激光器发光元和第三个半导体激光器发光元的间距为1.5毫米，第三个半导体激光器发光元和第四个半导体激光器发光元的间距为2毫米，第四个半导体激光器发光元和第五个半导体激光器发光元的间距为1.5毫米，第五个半导体激光器发光元和第六个半导体激光器发光元的间距为2毫米，2毫米和1.5毫米这两种间距交替出现，从而得到有一定规律的间距不完全相同的半导体激光器列阵模块，上述6个半导体激光器发光元在同一个衬底上且彼此绝缘，然后引线接为串联，且引线为银焊。

本实施例的半导体激光器列阵模块的半导体激光器发光元的间距为1.5毫米和2毫米，选择最小的半导体激光器发光元的间距来考虑散热效果，即选择间距1.5毫米进行比值计算，则半导体激光器发光元的最小间距与半导体激光器发光元的发光面的宽度的比值为7.5(1.5毫米/200微米)，与本实施例采用的传统bar条的半导体激光器发光元的间距和半导体激光器发光元的发光面的宽度的比值2.5(500微米/200微米)相比，是传统bar条的3倍，因此激光晶体的散热效果显然得到了提高。此外，本实施例除了具有实施例1中所述的优点外，从本实施例中还可以看出本发明具有很大的灵活性，可根据具体需要及特殊要求，自由地设计半导体激光器发光元的位置。但是规则的等间距的半导体激光器列阵模块比不规则半导体激光器列阵模块更具有普遍性。

半导体激光器列阵模块的制成不仅限于上述所述的几种方式，在制作半导体激光器列阵模块时，可以根据激光器具体激光功率、功率密度的不同要求并结合考虑后续光路上激光晶体的材料、形状及其特性(例如掺杂浓度)对半导体激光器列阵的不同要求，来决定半导体激光器发光元的数量、位置及其间距，考虑如何从传统bar条改制为所需的半导体激光器列阵模块，例如被保留和被去除的半导体激光器发光元的数量及其去除位置等，使得激光功率密度减小到合适的范围。改制方法可以为规则的形式，如实施例1和实施例2所示，构成等间距的半导体激光器列阵模块，也可以为不规则的形式，构成不同间距的半导体激光器列阵模块，例如实施例3所示，当然，也可以根据具体需要，构成间距完全不同的半导体激光器列阵模块。

传统bar条的半导体激光器发光元的间距与半导体激光器发光元的发光面的宽度的比值小于等于5，此比值不足以较好地实现激光晶体的散热，本发明适当地增大此比值，提高了激光晶体的散热效果。但半导体激光器发光元的间距与半导体激光器发光元的发光面的宽度的比值不宜过大，因为在已达到充分散热的前提下，再增大此比值，也不会达到提高散热效果的目的，反而只会造成体积的增大和晶体材料的浪费。

此外，半导体激光器列阵模块可以从传统bar条中切割生成，也可以从晶圆上通过光刻获得或者在沉积过程中通过掩膜技术外延生成。另外，除了使用整条传统bar条进行改制外，还可以在去除一段bar条后用部分bar条改制。还有改制时不仅可以从bar条两端的任一端开始改制，还可以从bar条中间的任一半导体激光器发光元开始改制，当然根据具体应用要求还可以有其他各种改制方式。另外，本方法也同样适用于除传统bar条外的任意其他bar条，这样半导体激光器发光元的间距可以有更多的选择，例如半导体激光器发光元的间距设置为1.2毫米，半导体激光器发光元的发光面的宽度为150微米，两者的比值为8，既较好地实现了散热效果，同时又不会造成体积较大和晶体材料的浪费。又例如半导体激光器发光元的间距设置为4.5毫米，半导体激光器发光元的发光面的宽度为300微米，两者的比值为15，激光晶体可以得到充分的散热。还例如半导体激光器发光元的间距设置为0.9毫米，半导体激光器发光元的发光面的宽度为150微米，两者的比值为6，其散热效果也比传统技术有较好的提高。无论如何选择半导体激光器发光元的间距和半导体激光器发光元的发光面的宽度，只要使半导体激光器发光元的间距和半导体激光器发光元的发光面的宽度的比值大于5，都不脱离本发明的发明精神，这是本领域技术人员可以理解的。

实施例4

参考图5和图6，为本发明的一种线阵倍频输出的全固态激光头，包括半导体激光器列阵501、光学耦合器件502、片状激光晶体503、非线性光学晶体504和输出镜505。本实施例中半导体激光器列阵501采用一个如实施例1(图2A和图2B)所示的半导体激光器列阵模块，其含有7个等间距的半导体激光器发光元，且7个半导体激光器发光元的电连接为串联，其中半导体激光器发光元的间距为1.5毫米，半导体激光器发光元的发光面的宽度为150微米，半导体激光器发光元的输出波长均为808nm。光学耦合器件502采用7个自聚焦透镜组成的自聚焦透镜列阵，7个自聚焦透镜分别放置于7个半导体激光器发光元的输出光路上且与7束半导体激光一一对应，光学耦合器件502的输出光路上依次设置片状激光晶体503、非线性光学晶体504和输出镜505。片状激光晶体503采用一片薄片激光晶体，为3×20×3mm³的Nd:YAG晶体(如图6中的空间直角坐标系所示，本发明的实施例中的方向定义为，沿X轴方向为长度，Y轴方向为宽度，Z轴方向为厚度)，Nd:YAG晶体的长度为3mm，宽度为20mm，厚度为3mm。(本发明所定义的片状激光晶体为一片或至少两片的厚度在0.1mm到3mm的薄片激光晶体，如果由于激光晶体长度上的缩小，而造成片状在外观形状上的改变，在本发明中仍属于薄片激光晶体的定义范围之内，仍然不脱离本发明的发明内容，这是本领域技术人员可以理解的。此处的Nd:YAG晶体的长度与厚度相同，此特殊情况下的块状外形的激光晶体，仍属于本发明薄片激光晶体和片状激光晶体的定义范围内。)非线性光学晶体504采用一决2×20×10mm³的KTP倍频晶体，其长度为10mm，宽度为20mm，厚度为2mm。本实施例中的输出镜505采用4×20×5mm³的平面镜(长度为4mm，宽度为20mm，厚度为5mm)，自聚焦透镜采用Φ1.8×5.5mm(直径为1.8mm，长度为5.5mm)。其中，光学耦合器件502中的每个自聚焦透镜的入射面和出射面均镀有808nm的增透膜(透过率大于99.8％)，Nd:YAG晶体的入射面镀有808nm的增透膜(透过率大于95％)和1064nm的反射膜(反射率大于99.8％)，出射面镀有808nm的反射膜(反射率大于80％)和1064nm的增透膜(透过率大于99.8％)，KTP倍频晶体入射面镀有1064nm增透膜(透过率大于99.8％)和532nm的反射膜(反射率大于95％)，出射面镀有532nm增透膜(透过率大于99.5％)和1064nm增透膜(透过率大于99.8％)。平面镜入射面镀有1064nm反射膜(反射率大于99.8％)和532nm增透膜(透过率大于95％)，出射面镀有532nm增透膜(透过率大于99.8％)。其中，Nd:YAG晶体的出射面也可以选择不镀808nm的反射膜，只镀1064nm的增透膜；或者Nd:YAG晶体的出射面改为镀532nm的反射膜和1064nm的增透膜，相应地，KTP倍频晶体的入射面改为镀532nm的增透膜和1064nm的增透膜。平面镜505的出射面也可以选择不镀膜。

半导体激光器列阵模块输出7束并行的808nm半导体激光，分别经过7个自聚焦透镜后，端面泵浦于Nd:YAG晶体，产生波长为1064nm的基频光，从Nd:YAG晶体出射的基频光经过KTP倍频晶体进行倍频转化为532nm的激光并经过平面镜输出。其中，半导体激光器列阵模块的外部包有热沉，包有热沉的半导体激光器列阵模块的长度约为10mm，其与自聚焦透镜列阵间的距离设置为2mm，自聚焦透镜列阵的输出光路上以1mm的间隔放置Nd:YAG晶体，其中Nd:YAG晶体的入射面和平面镜的入射面形成激光谐振腔，此谐振腔为平平腔，腔长为22mm。以上结构构成了本实施例的倍频输出的全固态激光头。本发明中的全固态激光头定义为通过泵浦源泵浦输出全固态激光的装置。全固态激光头再与各种形式的热沉、TEC和/或散热系统结合便构成了全固态激光器。

采用上述结构的全固态激光头，工作电流设置为4A、电输出功率设置为21W时，全固态激光头的激光总输出功率可达到5.5W到6W，电光转换效率约为25％以上，与相同电功率的传统全固态激光器的电光转换效率不足10％的情况相比，电光转换效率提高了一倍之多。这是由于本实施例中的半导体激光器列阵模块中相邻的半导体激光器发光元的间距增至1.5毫米，与半导体激光器发光元间距500微米的传统bar条相比，是其3倍，而每个808nm半导体激光器发光元为3W功率输出时，泵浦光在Nd:YAG晶体上产生的光斑的直径约为200微米，约为半导体激光器发光元的发光面的宽度的150微米的1.33倍，半导体激光器发光元的间距和一个半导体激光器发光元的发光面的宽度的比值为10(1.5毫米/150微米)，为采用相同半导体激光器发光元的发光面宽度的传统bar条的3倍，因此Nd:YAG晶体上散热面积与热源(热源即激光晶体上的光斑直径)的比值也由传统bar条的2.5(500微米/200微米)提高到7.5(1.5毫米/200微米)。因此，激光输出功率与激光效率之间的关系得到了更好的平衡，更好地实现了热力分散，减小了晶体热负载密度，解决了传统光路中由于激光功率密度过高和热密度过大产生的晶体热效应问题。由于激光晶体的表面积与体积比值越大，其散热效果越好，因此片状激光晶体具备很好的散热效果，上述半导体激光器列阵模块再与片状激光晶体结合使用，更好地解决了大功率全固态激光器的晶体热效应问题，有效地提高了全固态激光器的电光转换效率，提高了光束质量，而且热效应的解决同样使得光路中的激光晶体的体积和光路得以更大的缩小，因此显著地缩小了大功率全固态激光器的体积。此外，由于热效应的有效解决，光束质量得到了提高，而光束质量的提高有利于提高非线性光学晶体的转换效率，因此使得全固态激光器的效率得到了提高，而且由于非线性转换效率的提高，可不必再通过增加非线性光学晶体的长度来提高非线性转换效率，从而达到进一步缩小全固态激光器体积的显著效果。本实施例中的光路上的光学元件经固定后，再包以保护性的金属外壳，最后全固态激光头的体积大约为20×50×90mm³(长度90mm，宽度50mm，厚度20mm)，比相同功率的传统全固态激光头缩小了十倍以上，使得全固态激光器的微型化得以实现。

此外，本实施例由于采用实施例1而具有的其他优点，在这里不再赘述。

实施例5

参考图7，为本发明的一种线阵的基频输出的全固态激光头，包括半导体激光器列阵501、光学耦合器件502、片状激光晶体503和输出镜505。本实施例中半导体激光器列阵501采用一个结构如实施例1(图2A和图2B)所示的半导体激光器列阵模块，其含有7个等间距的半导体激光器发光元，且7个半导体激光器发光元的电连接为串联，7个半导体激光器发光元均为1.5mm间隔，只是本实施例中的半导体激光器发光元的发光面的宽度为200微米，不同于实施例1。半导体激光器发光元的输出波长为808nm。光学耦合器件502采用7个自聚焦透镜组成的自聚焦透镜列阵，7个自聚焦透镜分别放置于7个半导体激光器发光元的输出光路上且与7束半导体激光一一对应，光学耦合器件502的输出光路上依次设置片状激光晶体503和输出镜505。其中，片状激光晶体503采用一片薄片激光晶体Nd:YAG晶体。输出镜505采用平面镜。光学耦合器件502中的每个自聚焦透镜的入射面和出射面均镀有808nm的增透膜(透过率大于99.8％)，Nd:YAG晶体的入射面镀有808nm的增透膜(透过率大于95％)和1064nm的反射膜(反射率大于99.8％)，出射面镀有808nm反射膜(反射率大于97％)和1064nm的增透膜(透过率大于99.8％)，平面镜的入射面镀1064nm部分透过膜(透过率为8％)，出射面镀1064nm增透膜(透过率大于99.8％)。其中，Nd:YAG晶体的出射面也可以选择不镀808nm的反射膜，只镀1064nm的增透膜。平面镜的出射面也可以选择不镀膜。

半导体激光器列阵模块输出7束并行的808nm半导体激光，7束半导体激光分别经过各自对应的自聚焦透镜后，端面泵浦于Nd:YAG晶体上，产生波长为1064nm的基频光，并通过平面镜输出。其中，Nd:YAG晶体的入射面和平面镜的入射面形成了激光谐振腔，此谐振腔为平平腔。以上结构构成了一种基频输出的全固态激光头。

本实施例中的半导体激光器列阵模块中相邻的半导体激光器发光元的间距为1.5毫米，与半导体激光器发光元间距500微米的传统bar条相比，是其3倍，半导体激光器发光元的发光面的宽度为200微米，相邻半导体激光器发光元的间距和一个半导体激光器发光元的发光面的宽度的比值为7.5(1.5毫米/200微米)，为采用相同半导体激光器发光元的发光面宽度的传统bar条的3倍，晶体散热效果得到了明显地提高。

本实施例中采用了输出镜505形成谐振腔输出，当然还可以去除输出镜505，改为在片状激光晶体503的出射面上用镀膜实现谐振腔。相应地，片状激光晶体503的镀膜改为入射面镀有808nm的增透膜(透过率大于95％)和1064nm的反射膜(反射率大于99.8％)，出射面镀有808nm反射膜(反射率大于97％)和1064nm的部分透过膜(透过率为8％)，片状激光晶体的入射面和出射面构成谐振腔。

实施例6

参考图8，为本发明的一种线阵倍频输出的全固态激光头，包括半导体激光器列阵501、光学耦合器件502、片状激光晶体503和非线性光学晶体504。所述的片状激光晶体503和非线性光学晶体504通过粘接、光胶或离子键合结合成一体，形成一块晶体块。本实施例中半导体激光器列阵采用结构如实施例2(图3)所示的一个半导体激光器列阵模块，其含有5个等间距的发射波长为808nm的半导体激光器发光元，5个半导体激光器发光元的电连接为串联，且半导体激光器发光元的间隔为2mm，只是半导体激光器发光元的宽度与实施例2不同，为250微米。光学耦合器件502采用5个自聚焦透镜组成的自聚焦透镜列阵。组成晶体块的片状激光晶体503采用一片薄片激光晶体，为3×18×1mm³的Nd:YVO₄晶体(长度为3mm，宽度为18mm，厚度为1mm)，非线性光学晶体504采用一片2×18×1mm³的PPLN倍频晶体(长度为2mm，宽度为18mm，厚度为1mm)，Nd:YVO₄晶体和PPLN倍频晶体的厚度均为1mm，故而晶体块的厚度也为1mm。其中，光学耦合器件502的每个自聚焦透镜的入射面和出射面均镀有808nm的增透膜(透过率大于99.8％)，晶体块的入射面镀有808nm的增透膜(透过率大于95％)、1064nm的反射膜(反射率大于99.8％)和532nm的反射膜(反射率大于95％)，出射面镀有1064nm的反射膜(反射率大于99.8％)、808nm的反射膜(反射率大于90％)及532nm的增透膜(透过率大于95％)。晶体决的出射面也可以选择不镀808nm的反射膜。

半导体激光器列阵模块输出5束并行的808nm的泵浦光，5束泵浦光各自入射到与其对应的自聚焦透镜，再耦合入射到晶体块(片状激光晶体503和非线性光学晶体504结合的一体)上，泵浦光经过晶体块后输出532nm的激光。其中，晶体块的入射面和出射面构成谐振腔。由于此结构将片状激光晶体503和非线性光学晶体504集成使用，同时通过在晶体块的出射面上镀膜省却了输出镜，从而使得全固态激光头的体积得以进一步的缩小。本实施例中的半导体激光器列阵模块中相邻的半导体激光器发光元的间距为2毫米，与半导体激光器发光元间距500微米的传统bar条相比，是其4倍，半导体激光器发光元的发光面的宽度为250微米，相邻半导体激光器发光元的间距和一个半导体激光器发光元的发光面的宽度的比值为8(2毫米/250微米)，为采用相同半导体激光器发光元的发光面宽度的传统bar条的4倍，晶体散热效果得到了明显地提高。

当然，本实施例中组成晶体块的片状激光晶体503和非线性光学晶体504也可以分开放置，相当于实施例4去除输出镜的情况，此种情况下，与实施例4的镀膜情况相比较，片状激光晶体503上的镀膜可以不改，相应地非线性光学晶体504上的镀膜发生改变，即非线性光学晶体504的入射面镀有1064nm增透膜(透过率大于99.8％)和532nm的反射膜(反射率大于95％)，出射面镀有532nm的增透膜(透过率大于95％)和1064nm反射膜(反射率大于99.8％)，由片状激光晶体503的入射面和非线性光学晶体504的出射面形成谐振腔。

此外，光路还可以采用在晶体块的输出光路上加置输出镜的方案，镀膜情况具体为晶体块的入射面镀有808nm的增透膜(透过率大于95％)、1064nm的反射膜(反射率大于99.8％)和532nm的反射膜(反射率大于95％)，出射面镀有1064nm增透膜(透过率大于99.8％)和532nm的增透膜(透过率大于99.5％)，输出镜的入射面镀有1064nm反射膜(反射率大于99.8％)和532nm的增透膜(透过率大于95％)，输出镜的出射面镀有532nm的增透膜(透过率大于99.8％)，由晶体块的入射面和输出镜的入射面形成谐振腔。其中，输出镜的出射面也可以选择不镀膜。

实施例7

参考图9，本实施例为一种面阵输出的全固态激光头。半导体激光器列阵501由含有4个等间距的半导体激光器发光元的4个半导体激光器列阵模块组成，其中4个半导体激光器列阵模块之间为串联结构，每个半导体激光器列阵模块含有的4个半导体激光器发光元之间也为串联连接，其中半导体激光器发光元的间距为1毫米，半导体激光器发光元的发光面的宽度为100微米。光学耦合器件502为4×4的自聚焦透镜面阵，其中面阵中的自聚焦透镜与半导体激光器列阵输出的激光一一对应，片状激光晶体503为四片彼此平行设置的薄片激光晶体，非线性光学晶体504为一块倍频晶体，输出镜505为一块平面镜。4个半导体激光器列阵模块输出4×4面阵的泵浦光，16束泵浦光经过与其一一对应的自聚焦透镜耦合入射到彼此平行放置且与4个半导体激光器列阵模块一一对应的四片薄片激光晶体上，经过倍频晶体的倍频后最后经过平面镜输出，其光路结构和镀膜原则与实施例4(图5和图6所示)基本类似。

实施例8

参考图10，本实施例为将实施例7(如图9所示)所述的含有4个等间距的半导体激光器发光元的4个半导体激光器列阵模块重新排列的另外一种面阵输出的全固态激光头，其半导体激光器列阵501如图10所示，构成2×8面阵，与实施例7不同的还有本实施例的片状激光晶体503采用两片平行设置的薄片激光晶体，当然，光学耦合器件502的自聚焦透镜面阵相应的也改为2×8面阵，其他结构与实施例7基本相似。

本领域技术人员可以理解，面阵的排列不仅限于实施例7和8所述的方式，可根据具体情况设置任何不同的面阵排列。而且，薄片激光晶体的个数可以根据具体情况而定，非线性光学晶体504和输出镜505当然也可以根据具体情况采用多个。面阵输出的全固态激光头的具体光路设置也同样可以省却输出镜或者采用晶体块等各种线阵可以采用的光路形式。而半导体激光器列阵模块所采用的数目不仅限于上述实施例所举的个数，三个、五个、十个等各种大于2个半导体激光器列阵模块的情况也是同样适用于本发明的，这是可以被本领域技术人员所理解的。而多个半导体激光器列阵模块之间均为串联连接。

实施例4至实施例8中，片状激光晶体503除了实施例中所提到的激光晶体外，还可以采用Nd:YLF，Nd:GdVO₄，Yb:YAG等其他晶体或块状陶瓷材料；非线性光学晶体504还可以使用PPMgOLN、LBO、BBO、BiBO、PPKTP、KTA、CBO、CLBO、PPLN、KNO₃、LN、KN、LiI及半导体材料等。组成光学耦合器件502的单个耦合元件，除了自聚焦透镜，还可以为柱状透镜、非球面透镜、耦合透镜组或其他具有会聚作用的光学元件。光学耦合器件502可以为和半导体激光器列阵的输出激光一一对应的耦合元件列阵，也可以将耦合元件列阵集成为一个耦合部件。而输出镜505除了可以采用平面镜外，还可以采用球面镜列阵，从而形成平凹腔，如图11所示。此外还可以采用体布拉格光栅，或者使用在相应晶体上镀膜来代替输出镜形成谐振腔。

光路中片状激光晶体503和非线性光学晶体504的镀膜情况在保证激光谐振腔输出的前提下，可以根据具体情况对镀膜进行适当删减或增添，且透过率或反射率的百分比可以在适当范围内进行调整。此外，谐振腔的腔长也可以根据具体情况适当调整，其在20mm到80mm之间都是可以实现的。以上是本领域技术人员可以理解的。

另外，本发明不仅可以用于基频光和二倍频光，也可以产生三倍频、四倍频激光等，同时还可以用于差频光路、和频光路和参量振荡光路，当然其光路和镀膜也会根据具体情况的不同而相应地有所改变，这是本领域技术人员可以理解的。

以上述实施例为例与传统bar条对比进行解释说明，现有传统bar条中半导体激光器发光元的间距通常为500微米，半导体激光器发光元的发光面的宽度为100微米到300微米，即半导体激光器发光元的间距与半导体激光器发光元的发光面的宽度的比值小于等于5。传统条件下的半导体激光器列阵无法较好地解决激光晶体热效应问题，而本发明通过增大半导体激光器发光元之间的间距，来解决激光晶体热效应问题。本发明的半导体激光器列阵模块可以根据激光具体功率需要并结合考虑片状激光晶体的材料、掺杂浓度以及几何形状，计算设置半导体激光器发光元的数量、位置及其间距，使得激光功率密度减少到合适的范围，通常相邻的半导体激光器发光元的间距与一个半导体激光器发光元的发光面的宽度的比值至少大于5。因为上述比值过小无法较好实现散热，比值过大则会造成相应体积较大和晶体材料的浪费。以散热效果的最差情况作为考虑，即当半导体激光器发光元的间距不相等时，以半导体激光器发光元的最小间距作为比值计算的数值。由于半导体激光器的功率选择有所不同，其散热情况也所有不同，但通常情况下，半导体激光器发光元的间距与一个半导体激光器发光元的发光面的宽度的比值为15时，已经可以充分地进行散热。所以综合考虑全固态激光头的散热效果和体积，半导体激光器发光元之间的最小间距与一个半导体激光器发光元的发光面的宽度的比值优选为从6到15。

本发明实施例中所举出的片状激光晶体的厚度为3毫米和1毫米，这仅是作为实例说明，考虑到激光晶体表面积与体积比值越大散热效果越好的情况，薄片激光晶体越薄越利于散热，但是薄片激光晶体的厚度也需根据激光功率、光斑大小和激光晶体材料等具体情况进行适当选择，通常组成片状激光晶体的每片薄片激光晶体的厚度从0.1mm到3mm均可以较好实现散热。

本发明的具体实施例中采用平平腔作为实例，并且介绍了平凹腔的情况，但是本领域技术人员应该可以理解其他形式的稳定腔或非稳腔的情况也同样适用于本发明。

此外，本发明的全固态激光头的后续光路中，还可以根据最终激光密度输出的具体需要再将多束平行输出的激光通过光纤、耦合透镜或耦合透镜组进行耦合输出。

本发明的具体实施例中采用了端面泵浦，但是本发明同样也适用于侧面泵浦的形式。

此外，当采用多个半导体激光器列阵模块作为泵浦源时，可以如实施例中所示的采用相同的半导体激光器列阵模块，也可以采用不同结构的半导体激光器列阵模块。

还有，本发明所举实施例中的半导体激光器发光元的发光面的宽度为100微米到300微米，本领域技术人员可以理解，当半导体激光器发光元的发光面的宽度随着技术发展范围扩大时，仍适用于本发明，并属于本发明的技术方案。

最后应说明的是，以上各附图中的实施例仅用以说明本发明的全固态激光头的结构和技术方案，但非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (11)

1.一种全固态激光器用的激光头，包括半导体激光器列阵、光学耦合器件和由光学部件组成的谐振腔；其中所述半导体激光器列阵输出光路上设置所述光学耦合器件和所述谐振腔；其特征在于，还包括片状激光晶体；

所述半导体激光器列阵由一个半导体激光器列阵模块或者两个或两个以上串联的半导体激光器列阵模块构成；

所述半导体激光器列阵模块包括两个或两个以上串联的半导体激光器发光元；

相邻的所述半导体激光器发光元的最小间距与一个所述半导体激光器发光元的发光面在所述半导体激光器发光元的线阵排列方向上的宽度的比值大于5。

2.根据权利要求1所述的全固态激光器用的激光头，其特征在于，相邻的所述半导体激光器发光元的最小间距与一个所述半导体激光器发光元的发光面在所述半导体激光器发光元的线阵排列方向上的宽度的比值为从6到15。

3.根据权利要求1所述的全固态激光器用的激光头，其特征在于，所述光学耦合器件为由两个或两个以上单个耦合元件组成的列阵，其中所述耦合元件的数目与所述半导体激光器发光元的数目相同，且所述耦合元件与所述半导体激光器发光元出射的激光一一对应。

4.根据权利要求3所述的全固态激光器用的激光头，其特征在于，所述耦合元件的入射面和出射面均镀有对所述半导体激光器列阵输出波长的增透膜。

5.根据权利要求3所述的全固态激光器用的激光头，其特征在于，所述耦合元件为自聚焦透镜、柱状透镜、非球面透镜或耦合透镜组。

6.根据权利要求1所述的全固态激光器用的激光头，其特征在于，所述片状激光晶体包括一片或一片以上的薄片激光晶体。

7.根据权利要求6所述的全固态激光器用的激光头，其特征在于，所述薄片激光晶体的厚度为从0.1mm到3mm。

8.根据权利要求1所述的全固态激光器用的激光头，其特征在于，还包括用于进行激光频率转换的非线性光学晶体，所述非线性光学晶体放置于所述片状激光晶体的输出光路上。

9.根据权利要求8所述的全固态激光器用的激光头，其特征在于，所述片状激光晶体和所述非线性光学晶体可以通过粘接、光胶或离子键合结合成一体，形成一块晶体块。

10.根据权利要求1或8或9所述的全固态激光器用的激光头，其特征在于，还包括输出镜。

11.根据权利要求10所述的全固态激光器用的激光头，其特征在于，输出镜为平面镜、球面镜列阵或体布拉格光栅。

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