CN101854021A - 闪光灯泵浦板条增益模块 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种闪光灯泵浦板条增益模块，该增益模块中，板条形增益介质5的一个大面51与热沉6紧密接触；板条形增益介质5的另一个大面52与透光板3之间具有循环冷却液的流动空间，循环冷却液4在所述流动空间内流通；聚光罩2和透光板3之间形成板条型的聚光腔21，闪光灯1设置在聚光腔21内，闪光灯1发出的光依次通过透光板3和循环冷却液4从板条形增益介质5的另一个大面52进入板条形增益介质5内；板条形增益介质52的一对侧表面被抛光并镀有增透膜。本发明还公开了采用闪光灯泵浦板条增益模块制成的激光振荡器和激光放大器。本发明能够获得良好的冷却效果，高效地转移废热，从而实现高功率、高光束质量的激光输出。

Description

闪光灯泵浦板条增益模块

技术领域

本发明涉及激光器技术领域，更具体而言，涉及一种闪光灯泵浦板条增益模块。

背景技术

板条激光器是目前获得高功率、高光束质量激光输出的一种重要方式。根据不同的泵浦方式，板条激光器分为端面泵浦、侧面泵浦和大面泵浦三种结构。针对板条形增益介质的几何形状特点(厚度远小于其他两个方向的尺寸)，采用两个较大表面作为冷却面可以获得良好的冷却效果，能够高效地转移废热，从而实现高功率的激光输出。为实现通光面和冷却面的分离，多采用端面或侧边泵浦方式。但是端面和侧边的面积较小，不利于高泵浦光功率的注入，同时由于增益介质对泵浦光的指数吸收使，导致增益介质端面附近的热效应比较严重，也不利于激光器的功率升级。

在现有技术中，闪光灯泵浦方式示意图如图1所示。其中棒状增益介质33和棒状闪光灯22分别设置在截面形状为椭圆形的聚光腔11内，具体而言，棒状增益介质33和棒状闪光灯22位于椭圆形的两个焦点上。这样的结构存在泵浦不均匀，效率低下的缺点，在高功率泵浦时，通常输出光束质量较差，故不利于激光器的功率升级。同时，该结构明显不适用于板条形增益介质，在现有技术中对于板条形增益介质通常采用二极管泵浦。但采用二极管作为泵浦源通常成本较高。

发明内容

本发明旨在提出一种闪光灯泵浦板条增益模块，该模块采用两个较大表面作为冷却面，并循环液冷却和热传导两种冷却方式，可以获得良好的冷却效果，能够高效地转移废热，有利于实现高功率、高光束质量的激光输出。

该闪光灯泵浦板条增益模块，包括：一个或多个闪光灯、聚光罩、透光板、循环冷却液、板条形增益介质和热沉，所述板条形增益介质的一个大面与热沉紧密接触；板条形增益介质的另一个大面与透光板之间具有循环冷却液的流动空间，循环冷却液在所述流动空间内流通；聚光罩和透光板之间形成板条型的聚光腔，闪光灯设置在聚光腔内，闪光灯发出的光依次通过透光板和循环冷却液从板条形增益介质的另一个大面进入到板条形增益介质内；板条形增益介质的其中一对相向的侧表面被抛光并镀有增透膜。

其中，板条形增益介质的一个大面通过金属焊接或光胶粘接与热沉紧密接触。

其中，该闪光灯泵浦板条增益模块进一步包括用于冷却热沉的风冷装置、循环水冷装置或半导体制冷器。

较佳地，所述板条形增益介质(5)的厚度为0.5～3mm，宽度为20～200mm，长度为20～200mm。

其中，板条形增益介质采用激光晶体或陶瓷制成。

其中，所述透光板采用对闪光灯发出的光具有高透过率的材料制成。

其中，所述闪光灯为连续发光的闪光灯，或脉冲工作方式发光的闪光灯。

其中，所述聚光罩的顶面为平板型顶面，或者所述聚光罩的顶面具有多个相互平行且截面积为半圆形或半椭圆形的长条形凹槽，所述闪光灯设置在长条形凹槽内。

本发明还提出了一种闪光灯泵浦板条增益模块制成的激光振荡器，能够实现高功率、高光束质量的激光输出，达到激光器功率升级的目的。

该激光振荡器包括上述任意一种闪光灯泵浦板条增益模块，还包括输入镜和输出镜；输入镜和输出镜分别位于闪光灯泵浦板条增益模块的两侧，板条形增益介质上镀有增透膜的一对侧表面为通光面。

本发明又提出了一种闪光灯泵浦板条增益模块制成的激光放大器，能够实现高功率、高光束质量的激光输出，达到激光器功率升级的目的。

该激光放大器包括上述任意一种闪光灯泵浦板条增益模块，还包括输入镜和输出镜；输入镜和输出镜分别位于闪光灯泵浦板条增益模块的两侧，板条形增益介质上镀有增透膜的一对侧表面为通光面。

由以上所述可以看出，本发明具有如下有益效果：

本发明结构简单，采用板条形增益介质的两个较大表面作为冷却面，一个大面采用循环冷却液直接冷却，另一个大面与热沉紧密接触以实现热传导冷却，这循环冷却液直接冷却和热传导冷却相结合可以获得较好的冷却效果，同时大面泵浦的泵浦方式能够减小增益介质热效应的影响和增大泵浦光的分布面积，从而注入更多的泵浦功率，结合谐振腔镜可构成激光振荡器和放大器，可以实现高功率高光束质量的激光输出。

更重要的是，本发明采用闪光灯作为泵浦源，闪光灯设置在聚光腔内，且聚光腔为板条形结构，一方面，闪光灯作为泵浦源能够降低成本，其次板条形结构聚光腔使得增益模块的结构更为紧凑，提高了聚光效果，能够避免泵浦不均匀、效率低下的缺点，在高功率泵浦时，通常输出光束质量较差，故有利于激光器的功率升级。

附图说明

图1为现有技术中闪光灯泵浦棒状增益模块结构图；

图2(a)和图2(b)为闪光灯泵浦板条增益模块结构图；

图3为闪光灯泵浦负支混合腔板条激光振荡器结构图；

图4为闪光灯泵浦正支混合腔板条激光振荡器结构图；

图5为闪光灯泵浦平凹稳定腔板条激光振荡器结构图；

图6为闪光灯泵浦板条混合腔激光放大器结构图。

符号说明

1：闪光灯，2、2′：聚光罩，21、21′：聚光腔，3：透光板，4：循环冷却液，5：板条形增益介质，51、52：板条形增益介质的大面，6：热沉，8A：凹球面输入镜，7：振荡器输出激光，9A、10A、11A：凹球面(或柱面)输入镜，8B：凹球面输出镜，9B、11B：凸柱面输出镜，10B：平面输出镜，12：种子光，13：放大光。

具体实施方式

结合附图和实施例对本发明中的增益模块加以说明。

图2(a)为本发明闪光灯泵浦板条增益模块的一个实施例的示意图。如图2(a)所示，该闪光灯泵浦板条增益模块包括一个或多个闪光灯1、聚光罩2、透光板3、循环冷却液4、板条形增益介质5和热沉6。

聚光罩2、透光板3、板条形增益介质5和热沉6自上而下顺序放置。

板条形增益介质5的一个大面51与热沉6紧密接触，从而通过热沉6实现热传导冷却。大面51与热沉6的接触方式可以为通过金属焊接或光胶粘接。

板条形增益介质5的另一个大面52与透光板3之间具有循环冷却液的流动空间，循环冷却液4在该流动空间内流通，从而实现循环冷却液直接冷却。

聚光罩2于透光板3之间形成聚光腔21。闪光灯1设置在聚光腔21内，闪光灯1发出的光依次通过透光板3和循环冷却液4从板条形增益介质5的另一个大面52进入到板条形增益介质5内。板条形增益介质52的其中一对相向的侧表面被抛光并镀有对振荡激光或放大光的增透膜，作为激光或放大光的通光面。

本实施例中的聚光腔21为板条形的聚光腔，即聚光腔21的截面形状大致为矩形。所谓“大致”是指：聚光罩的顶面可以为如图2(b)所示的平板型顶面，或者如图2(a)所示，聚光罩2的顶面为具有相互平行且截面为半圆形或半椭圆形的长条形凹槽的类平板型底面，闪光灯1设置在长条形凹槽内。板条形结构的聚光腔使得增益模块的结构更为紧凑，提高了聚光效果。

板条型聚光腔21的长度和宽度根据板条形增益介质5的长度和宽度进行设计，聚光腔21的高度大致为使得闪光灯距聚光罩2顶面和距透光板3的距离相同。闪光灯的形状为长条形，靠近或紧贴聚光腔21的上底面，距下底面(透光板3)的距离由闪光灯的功率和发热量决定，同时还要兼顾泵浦效率，即不能离透光板3过远。

为了提高泵浦功率密度和泵浦功率注入的均匀性，多个闪光灯之间的距离应尽量地小，故闪光灯的数量由晶体的尺寸和单个闪光灯的泵浦功率决定。

其中，大面52与透光板3之间的循环冷却液流动空间的具体构成方式并不重要，也不加以限定。例如，透光板3为带有侧边的透光罩，透光罩的侧边与板条形增益介质5的另一个大面52接触，形成冷却液流动空间。或者，透光板3为带有侧边的透光罩，且其侧边内侧具有卡槽，卡槽与透光罩顶部具有一定距离，板条形增益介质5以卡接方式与透光罩连接，从而形成循环冷却液流动空间。或者，透光板3与板条形增益介质5的另一个大面52之间增加作为流动空间侧边的条型垫片，一条或多条的条型垫片沿着透光板3的4个侧边环绕成矩形，透光板3和大面52压紧条型垫片后形成循环冷却液流动空间。再或者，可以在大面52与透光板3之间夹一具有至少两处开口的密封框，该密封框的材质可以为金属、陶瓷等，冷却液在密封框中流动。当然，上述的这些冷却液流动空间必然具有冷却液的进出口，就不一一指出。

为了提高冷却效率，该增益模块还可以包括用于冷却热沉6的风冷装置、循环水冷装置或半导体制冷器。

在材料的选择上，板条形增益介质5可以采用激光晶体或陶瓷等制成。透光板3由对闪光灯1发出的光具有高透过率的材料制成(所谓的高透过率例如可以为95％)，同时可以在其光入射面(上表面)镀有对闪光灯1发出的光的增透膜。闪光灯1为可以为连续发光的闪光灯，也可以为脉冲工作方式发光的闪光灯。

采用本发明闪光灯泵浦板条增益模块结合相应的输入镜和输出镜构成的激光振荡器和激光放大器能够实现高功率、高光束质量的激光输出，达到激光器功率升级的目的。其中，输入镜和输出镜分别位于增益模块的两侧，镀有输入镜和输出镜分别位于板条形增益介质5的两侧，板条形增益介质5上镀有增透膜的一对侧表面为通光面。

下面对基于本发明的增益模块构成的激光振荡器和激光放大器示例加以说明。其中实例1～5为不同谐振腔激光振荡器的构成示例，实例6为激光放大器的构成示例。以下实施例中，板条形增益介质5的尺寸为：厚度为0.5～3mm，宽度为20～200mm，长度为20～200mm。

实例1：

图3为闪光灯泵浦负支混合腔板条激光振荡器结构图。如图3所示，采用尺寸为50mm×80mm×1mm的板条形增益介质5、凹球面输入镜8A和凹球面输出镜8B。板条形增益介质5接触热沉6的一面(50mm×80mm)镀金，凹球面输入镜8A的曲率半径为500mm；凹球面输出镜8B的曲率半径为350mm，通过调整凹球面输入镜8A、凹球面输出镜8B位置可以获得高功率、高光束质量激光输出7。其中，输入镜和输出镜的具体位置和放置角度不是本发明的重点，本领域技术人员可以根据本领域知识确定。

实例2：

仍参见图3，本实例中，采用尺寸为200mm×200mm×3mm的板条形增益介质5、凹球面输入镜8A和凹球面输出镜8B。板条形增益介质5接触热沉6的一面(200mm×200mm)镀金，凹球面输入镜8A的曲率半径为1000mm；凹球面输出镜8B的曲率半径为600mm，通过调整凹球面输入镜8A、凹球面输出镜8B位置可以获得高功率、高光束质量激光输出7。

实例3：

图4为闪光灯泵浦正支混合腔板条激光振荡器结构图。如图4所示，本实例采用尺寸为50mm×50mm×1mm的板条形增益介质5，输入镜9A和凸柱面输出镜9B如图4所示的位置。板条形增益介质5接触热沉6的一面(50mm×50mm)镀金，输入镜9A为凹球面(或柱面)镜，曲率半径为300mm；凸柱面输出镜9B的曲率半径为-200mm，通过调整输入镜9A、凸柱面输出镜9B位置可以获得高功率、高光束质量激光输出7。

实例4：

仍参见图4，本实例采用尺寸为200mm×200mm×3mm的板条形增益介质5、输入镜9A、凸柱面输出镜9B。板条形增益介质5接触热沉6的一个大面(200mm×200mm)镀金，输入镜9A为凹球面(或柱面)镜，曲率半径为1000mm；凸柱面输出镜9B的曲率半径为-700mm，通过调节腔镜位置可以获得高功率、高光束质量激光输出7。

实例5：

图5为闪光灯泵浦平凹稳定腔板条激光振荡器结构图。如图5所示，本实例采用尺寸为60mm×80mm×2mm的板条形增益介质5、凹球面输入镜10A和平面输出镜10B。腔长(输入镜和输出镜之间的距离)为100mm。板条形增益介质5接触热沉6的一面(60mm×80mm)镀金，输入镜10A为凹球面(或柱面)镜，曲率半径为500mm；平面输出镜10B对振荡激光的透过率T＝25％，可以获得高功率激光输出7。

实例6：

图6为闪光灯泵浦板条混合腔激光放大器结构图。如图6所示，本实例采用尺寸为100mm×100mm×2mm的板条形增益介质5、输入镜11A和凸柱面输出镜11B。板条形增益介质5接触热沉6的一面(100mm×100mm)镀金，输入镜11A为凹球面(或柱面)镜，曲率半径为500mm；凸柱面输出镜11B的曲率半径为-350mm。种子光12从板条形增益介质5的一端入射，在输入镜11A和凸柱面输出镜11B构成的谐振腔内反复传播获得功率放大，得到高功率放大光13。

以上所述的具体描述，是对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。例如，激光振荡器或放大器的腔镜尺寸不限于各实施例中所列举数值。此外，虽然未在图示中示出闪光灯的水冷器件，但本领域的技术人员应该理解，在实际中，闪光灯一般由与热沉共用的或独立的循环冷却液冷却。

Claims (10)

1.一种闪光灯泵浦板条增益模块，包括一个或多个闪光灯(1)、聚光罩(2)、透光板(3)、循环冷却液(4)、板条形增益介质(5)和热沉(6)，其特征在于：所述板条形增益介质(5)的一个大面(51)与热沉(6)紧密接触；板条形增益介质(5)的另一个大面(52)与透光板(3)之间具有循环冷却液的流动空间，循环冷却液(4)在所述流动空间内流通；聚光罩(2)和透光板(3)之间形成板条型的聚光腔(21)，闪光灯(1)设置在聚光腔(21)内，闪光灯(1)发出的光依次通过透光板(3)和循环冷却液(4)从板条形增益介质(5)的另一个大面(52)进入到板条形增益介质(5)内；板条形增益介质(52)的其中一对相向的侧表面被抛光并镀有增透膜。

2.根据权利要求1所述的闪光灯泵浦板条增益模块，其特征在于，板条形增益介质(5)的一个大面(51)通过金属焊接或光胶粘接与热沉(6)紧密接触。

3.根据权利要求1所述的闪光灯泵浦板条增益模块，其特征在于，该闪光灯泵浦板条增益模块进一步包括用于冷却热沉(6)的风冷装置、循环水冷装置或半导体制冷器。

4.根据权利要求1所述的闪光灯泵浦板条增益模块，其特征在于，所述板条形增益介质(5)的厚度为0.5～3mm，宽度为20～200mm，长度为20～200mm。

5.根据权利要求1所述的闪光灯泵浦板条增益模块，其特征在于，板条形增益介质(5)采用激光晶体或陶瓷制成。

6.根据权利要求1所述的闪光灯泵浦板条增益模块，其特征在于，所述透光板(3)采用对闪光灯(1)发出的光具有高透过率的材料制成。

7.根据权利要求1所述的闪光灯泵浦板条增益模块，其特征在于，所述闪光灯(1)为连续发光的闪光灯，或脉冲工作方式发光的闪光灯。

8.根据权利要求1所述的闪光灯泵浦板条增益模块，其特征在于，所述聚光罩(2)的顶面为平板型顶面，或者所述聚光罩(2)的顶面具有多个相互平行且截面积为半圆形或半椭圆形的长条形凹槽，所述闪光灯(1)设置在长条形凹槽内。

9.一种采用闪光灯泵浦板条增益模块制成的激光振荡器，其特征在于，所述激光振荡器包括如权利要求1至9任意一项所述的闪光灯泵浦板条增益模块，以及输入镜和输出镜；输入镜和输出镜分别位于闪光灯泵浦板条增益模块的两侧，板条形增益介质(5)上镀有增透膜的一对侧表面为通光面。

10.一种采用闪光灯泵浦板条增益模块制成的激光放大器，其特征在于，所述激光放大器包括如权利要求1至9任意一项所述的闪光灯泵浦板条增益模块，以及输入镜和输出镜；输入镜和输出镜分别位于闪光灯泵浦板条增益模块的两侧，板条形增益介质(5)上镀有增透膜的一对侧表面为通光面。

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