CN101834402B - 一种半导体激光器侧泵模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种半导体激光器侧泵模块，由一个或多个侧泵模块单元以及一个晶体棒组成，所述侧泵模块单元包括底板、固定于底板上的半导体激光模块、设于半导体激光模块前端的快轴准直镜和设于快轴准直镜后的扩束镜，所述扩束镜后为晶体棒。所述半导体激光模块由一个巴条组成，所述侧泵模块单元还包括一个匀化镜，所述匀化镜设于扩束镜和晶体棒之间。该侧泵模块能利用较少的大功率半导体激光器阵列作为泵浦源，经过扩束和匀化，使泵浦半导体激光器的光束均匀性和能量密度满足使用要求。

Description

一种半导体激光器侧泵模块

技术领域

本发明属于激光器领域，涉及一种半导体激光器，尤其是一种半导体激光器侧泵模块。

背景技术

随着全固态激光器在工业、医疗、军事等领域展现越来越广阔的应用前景，对作为核心部件的半导体激光侧泵模块提出了更高的要求。目前国内外的侧泵模块通常采用半导体激光器水平阵列呈正三角，正五角，正七角等分布泵浦中心的晶体棒。而半导体激光器阵列为了满足晶体棒对泵浦尺寸、功率密度等参数要求，又多采用1×3，1×4，1×N等传统水平阵列形式(Burbgan R，SPIE，1994，2206：256；吕百达，邵怀宗，红外与激光工程，1997，26(6)：29)。由于多个巴条呈一字排布，这样泵浦光束在慢轴方向的尺寸与晶体棒几乎一致；又由于半导体激光器巴条光束在晶体表面互相叠加使慢轴方向的泵浦光束很均匀；因此实际应用中在该方向无需加光学部件。而快轴方向只需加一个圆柱面透镜即可将该方向光束压缩控制在晶体棒尺寸内。这种侧泵方式的优势在于泵浦模块光学部件少，光学损耗少，但该方式给泵浦带来了很多潜在缺陷。为了满足泵浦功率要求，不得不采用多个半导体激光器巴条进行泵浦，比如客户需要60W的泵浦功率，那么就需要3个20W的巴条呈线阵排列(即1×3阵列，如图1和图2所示)。这将导致整个晶体棒的泵浦能量不均匀。而目前输出功率达60W以上的大功率半导体激光器产品成熟，通过光学整形的方法可用1个巴条大功率半导体激光器来代替由3个巴条封装在一起的1x3水平阵列大功率半导体激光器。这种方法不仅降低了成本，而且增强了可靠性，对该型产品的产业化升级具有重大意义。本发明专利利用目前市场上较为成熟的大功率半导体激光器巴条，并结合优化的光束整形系统来代替传统的多个小功率半导体激光器巴条泵浦源的新型侧泵技术。

具体而言，传统的侧泵技术存在以下缺点：

1)成本高。传统的侧泵技术需要多个小功率半导体激光器巴条线性排列才能达到泵浦功率要求，这导致泵浦源的成本高。

2)装配复杂。传统的泵浦系统中各个巴条条排布时纵向和横向必须保持一致，否则会导致泵浦光分布不均匀，造成转换效率低。因此泵浦系统对机械定位部件的加工和装配要求很严格。且系统经长时间工作将导致半导体激光器巴条间的排布一致性降低，造成泵浦效率下降。

3)可靠性差。传统的侧泵技术采用多个小功率半导体激光器巴条串联的连接方式，因此所需水冷模块的水路系统复杂，很容易发生漏水，造成整个泵浦模块的损坏。此外，为满足光束均匀性的要求，传统的泵浦技术中各个半导体激光器巴条之间只有约0.5mm的间隙，不易于安装，给电路连接带来困难，因此大大降低了系统的可靠性。

4)侧泵能量不均匀。传统的侧泵技术主要对半导体激光器泵浦源快轴方向光束进行压缩，慢轴方向不做处理，因此侧泵光束能量分布不均匀，从而使晶体棒受热不均产生热效应，这将导致整个模块的转换效率下降。

发明内容

本发明的目的在于克服传统侧泵技术的缺点，提供一种新型半导体激光器侧泵模块，该侧泵模块能利用大功率半导体激光器阵列作为泵浦源，经过扩束和匀化，使泵浦光束的均匀性和能量密度满足使用要求。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种新型半导体激光器侧泵模块，由一个或多个侧泵模块单元以及一个晶体棒组成，所述侧泵模块单元包括底板、固定于底板上的半导体激光器模块、设于半导体激光器模块前端的快轴准直镜和设于快轴准直镜后的扩束镜，所述扩束镜后为晶体棒。所述半导体激光器模块由一个巴条组成，所述侧泵模块单元还包括一个匀化镜，所述匀化镜设于扩束镜和晶体棒之间。

上述半导体激光器模块为传导冷却型大功率半导体激光器阵列，所述底板上还设有热沉，通过热沉将整个半导体激光器模块固定在底板上。

上述快轴准直镜为棒状透镜，对光束快轴方向进行准直压缩。

上述扩束镜为双凹柱面镜或平凸柱面镜。

上述匀化镜为平凸柱面镜。

进一步的，在上述匀化镜和晶体棒之间加设一个90°旋转后的平凸柱面镜，所述90°旋转后的平凸柱面镜对快轴方向光束进行进一步均匀化。

进一步的，上述半导体激光器模块也可以为单巴条液体制冷半导体激光器。

以上所述由多个单巴条大功率半导体激光器泵浦源组成的侧泵模块单元和一个晶体棒可组成正三角侧泵模块、正五角侧泵模块或者正七角侧泵模块。

本发明具有以下几点有益效果：

(1)成本低。与传统侧泵模块相比，本发明在相同的功率密度下显著减少了半导体激光器巴条数量，大幅降低泵浦源成本。由于泵浦半导体激光器巴条数量的减少，机械部分加工难度随之降低，从而降低了加工成本。

(2)可靠性高。本发明专利不仅使泵浦半导体激光器巴条数量少，降低了三个小功率巴条组装在一起的封装难度；而且由于传统1x3水平阵列是由3个微型巴条串联在一起，若其中的一个巴条失效会导致整个激光器失效，这大大降低了整个激光器的可靠性，而本发明专利只由一个大功率巴条封装而成，可靠性较高。

(3)装配容易。本发明所使用的单巴条泵浦源只需对单个巴条进行定位，从而使定位大大简化。

(4)泵浦光能量分布均匀。本发明避免了多巴条由于装配误差而产生的能量分布不均；且扩束和匀化透镜的加入使能量分布更为均匀，这是传统侧泵所不能达到的。

附图说明

图1是传统侧泵模块单元示意图。

图2是传统侧泵模块在正三角侧泵模块上应用的整体示意图。

图3是本发明侧泵模块单元示意图。

图4是本发明应用在正三角侧泵模块上的整体示意图。

图5是ZEMAX模拟的传统侧泵晶体棒表面能量分布图与本发明晶体棒光斑能量分布图。

图6为ZEMAX模拟的传统侧泵与本发明慢轴方向晶体棒能量分布比较图。

图7为ZEMAX模拟的传统侧泵与本发明快轴方向晶体棒能量分布比较图。

图8为本发明的替代方案结构图。

图9为本发明的另一替代方案结构图。

其中：1为半导体激光模块；2为快轴准直镜；3为扩束镜；4为匀化镜；5为晶体棒；6为底板；7为平凸柱面镜。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例详细叙述本发明：

参见图3和图4，本发明的半导体激光器侧泵模块在结构上主要包括半导体激光模块1、快轴准直镜2、扩束镜3、匀化镜4、晶体棒5、底板6(另外配合本发明主要部件的一些附属部件如水冷部分及外壳部分与现有技术相同，因此图中未表示出来)。其中由半导体激光模块1、快轴准直镜2、扩束镜3和匀化镜4组成侧泵模块单元，其中半导体激光模块1、快轴准直镜2、扩束镜3和匀化镜4均固定于底板6上，快轴准直镜2设于半导体激光模块1前端，扩束镜3设于快轴准直镜2后，匀化镜4设于扩束镜3和晶体棒5之间；晶体棒5设于扩束镜3的后方(即扩束镜3的输出端)。

以上的半导体激光模块1可以为传导冷却型大功率半导体激光器阵列，在底板上设有热沉，通过热沉将整个半导体激光模块1固定在底板6上。所述半导体激光模块1也可以为微通道液体制冷半导体激光器阵列。

本发明的快轴准直镜2为棒状透镜，其作用是对光束快轴方向进行准直压缩。

本发明的扩束镜3为双凹柱面镜(如图3所示)，扩束镜3也可以使用平凸柱面镜，通过交叉后发散的方式来达到扩束的目的(如图8或图9所示)。

本发明所述的匀化镜4为平凸柱面镜。另外除了图3所示的侧泵模块单元外，本发明还在匀化镜4和晶体棒5之间再加一个90°旋转后的平凸柱面镜，对快轴方向光束进行进一步均匀化。

本发明的侧泵模块单元有一个或者多个，这样，如果是三个侧泵模块单元和一个晶体棒5则可以组成正三角侧泵模块(如图4)，若是五个侧泵模块单元和一个晶体棒5则可以组成正五角侧泵模块，若是七个侧泵模块单元和一个晶体棒5则可以组成正七角侧泵模块。

本发明的半导体激光器侧泵模块在制造时，主要分两步，第一步，将快轴准直镜2固定到半导体激光模块1前端，第二步，将整个半导体激光模块1(含快轴准直镜2)、扩束镜3、匀化镜4统一固定到底6板上，构成如图3所示的侧泵模块单元，其中晶体棒5的位置根据侧泵模块单元的参数确定。根据不同的使用要求，可以选择不同的侧泵单元个数，利用该侧泵模块单元制备出正三角(如图4)，正五角、正七角等侧泵模块。

工作原理

如图3所示，半导体激光模块1发出的光，在快轴呈70°左右发散，而慢轴方向则呈10°左右发散，这种光束在空间发散太快，如不加光学整形装置，很难达到现实中侧泵晶体的要求，所以本发明先通过快轴准直镜2对该光束快轴进行准直压缩(压缩的宽度主要根据工作距离和晶体棒的尺寸来确定)，而慢轴方向为了满足晶体的尺寸和泵浦能量密度的要求，分别通过扩束镜3和匀化镜4对慢轴方向光束进行扩束和匀场，使光束的尺寸和均匀性满足泵浦晶体棒所需条件，最终射在晶体棒5上，实现晶体粒子数反转，最终产生激光。在本发明中，扩束镜3的光学扩束实现了以往三个发光芯片才能达到的尺寸要求，而匀化镜4则实现了慢轴方向的匀场化。利用ZEMAX的仿真结果表明，经过简单光学扩束，均匀化后，光束更加均匀，这就能更好的避免晶体的热应力，提高光-光转换效率，更好的满足客户需求。

运用光学设计软件ZEMAX，我们对传统方案和本发明的相关参数进行了模拟、比对。

参见图5其中图5a为传统侧泵方式中泵浦光在晶体棒处的光斑能量分布，而图5b为本侧泵方案泵浦光在晶体棒处的光斑能量分布。由这两图可以看出，本发明得到的泵浦光斑能量分布更加均匀，有利于泵浦效率的提高。

参见图6其中图6a和图6b分别为传统侧泵方案和本发明的泵浦光在晶体棒上慢轴的光强分布图。从图中可看出，本发明的慢轴光强分布更加均匀。

参见图7其中图7a和图7b分别为传统侧泵方案和本发明的泵浦光在晶体棒上快轴的光强分布图。从图中可看出，本发明的快轴光强分布更加均匀。

Claims (7)

1.一种半导体激光器侧泵模块，由一个或多个侧泵模块单元以及一个晶体棒(5)组成，所述侧泵模块单元包括底板(6)、固定于底板上的半导体激光模块(1)、设于半导体激光模块(1)前端的快轴准直镜(2)和设于快轴准直镜(2)后的扩束镜(3)，所述扩束镜(3)后为晶体棒(5)，其特征在于：所述半导体激光模块(1)由一个巴条组成，所述侧泵模块单元还包括一个匀化镜(4)，对慢轴方向的光束进行匀化，所述匀化镜(4)设于扩束镜(3)和晶体棒(5)之间；所述侧泵模块单元还包括一个设置于匀化镜(4)和晶体棒(5)之间的平凸柱面镜，其对快轴方向的光束进行匀化。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器侧泵模块，其特征在于：所述半导体激光模块(1)为半导体激光器阵列，所述底板(6)上还设有热沉，通过热沉将整个半导体激光模块(1)固定在底板上。

3.根据权利要求2所述的半导体激光器侧泵模块，其特征在于：所述半导体激光模块(1)为传导冷却型大功率半导体激光器阵列。

4.根据权利要求1所述的半导体激光器侧泵模块，其特征在于：所述快轴准直镜(2)为棒状透镜，快轴准直镜(2)对光束快轴方向进行准直压缩。

5.根据权利要求1所述的半导体激光器侧泵模块，其特征在于：所述扩束镜(3)为双凹柱面镜或平凸柱面镜。

6.根据权利要求1所述的半导体激光器侧泵模块，其特征在于：所述匀化镜(4)为平凸柱面镜。

7.根据权利要求1、2、3、4或5所述的半导体激光器侧泵模块，其特征在于：所述多个侧泵模块单元和一个晶体棒(5)组成正三角侧泵模块、正五角侧泵模块或者正七角侧泵模块。

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