CN102171895A - 光泵浦结构 - Google Patents

光泵浦结构 Download PDF

Info

Publication number
CN102171895A
CN102171895A CN2009801391870A CN200980139187A CN102171895A CN 102171895 A CN102171895 A CN 102171895A CN 2009801391870 A CN2009801391870 A CN 2009801391870A CN 200980139187 A CN200980139187 A CN 200980139187A CN 102171895 A CN102171895 A CN 102171895A
Authority
CN
China
Prior art keywords
optical pumping
lamination
strutting piece
pumping structure
rod
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN2009801391870A
Other languages
English (en)
Other versions
CN102171895B (zh
Inventor
F·吕罗
P·鲁索
M·雷诺迪
A·费拉尔
A·尼科利尼
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Thales SA
Original Assignee
Thales SA
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Thales SA filed Critical Thales SA
Publication of CN102171895A publication Critical patent/CN102171895A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN102171895B publication Critical patent/CN102171895B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/09—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping
    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/0941—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/025—Constructional details of solid state lasers, e.g. housings or mountings
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/042—Arrangements for thermal management for solid state lasers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/02—Constructional details
    • H01S3/04—Arrangements for thermal management
    • H01S3/0405—Conductive cooling, e.g. by heat sinks or thermo-electric elements
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/0602—Crystal lasers or glass lasers
    • H01S3/061—Crystal lasers or glass lasers with elliptical or circular cross-section and elongated shape, e.g. rod

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Lasers (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

本发明涉及一种用于激光器的光泵浦结构，包括：具有圆形横截面的圆柱形棒(1)形式的激活介质，所述棒的两个端部嵌在由导热材料制成的两个环(11)中；至少三个泵浦二极管条的叠层(21、22)，围绕棒按照星形设置；支撑件(5)，其温度由珀耳帖效应模块(8)调节。所述环(11)与所述支撑件(5)相接触，被称为底部叠层(21)的二极管叠层位于所述棒(1)和所述支撑件(5)之间。对于每个其他叠层(22)，该结构包括构成对所述叠层(22)的支撑的导热块(7)，所述块(7)安装在被冷却的支撑件(5)上且彼此之间以及与所述环(11)不接触。

Description

光泵浦结构
技术领域
本发明的领域是用于激光器的光泵浦领域，更具体而言，是二极管泵浦领域。
背景技术
光泵浦结构对于激光器性能而言是非常关键的组件。
光泵浦结构需要良好地吸取耗散到激活介质中的热功率，但也需要所使用的泵浦二极管具有良好的温度均匀性，以便在脉冲激光器的情况下，在发射序列(firing sequence)中以及两个连续脉冲之间的不同频率处确保激光器增益的均匀分布。回想一下，对于脉冲激光器，下面的关系式给出了结构所耗散的平均功率Pavg：
Pavg＝Pdiodes×nb二极管×泵浦时间×脉冲频率
Pdiodes为每组泵浦二极管的功率。
因此，与发射序列的持续时间有关的泵浦的频率和持续时间会改变耗散功率，这会对光学性能造成影响。
目前存在具有矩形配置的泵浦结构，图2a中显示了其剖面图。这种结构包括用作激活介质的具有正方形横截面的纵向棒1；其由沿着棒和相对的两个平行表面设置的两组二极管2泵浦，棒的另外两个表面与通过传导吸取热量的元件3相接触。虽然这种配置能够有效散热，但对于在输出端获得的光束质量则没什么效果：图2b的剖面图所示的用剖面的形状来表示的输出光束10的图形不是圆形的。
另一种方案涉及使用具有圆形配置的泵浦结构，即包括具有圆形横截面的棒1；图1a中显示了剖面图。图1b显示的用剖面的形状表示的输出光束10的图形则是圆形的，这确保了良好的光束品质。围绕棒1按照星形设置多组泵浦二极管2，例如三组。铝环4形式的散热元件夹住棒1的端部，如图1c所示；还通过使用连接所述多组二极管2的液体循环的冷却装置3来提供散热，如图1a的剖面图所示。美国专利6 101 208中介绍了这种使用液体冷却并且包括按照星形设置的四组二极管的泵浦结构的示例，并且还指出通过传导冷却不能令人满意。在这种情况下，获得光束的优良品质的不利代价是庞大的体积和冷却剂的使用。
在最小的体积中使用气体(例如空气)代替液体的有效冷却是主要的问题。
因此，至今仍需要一种泵浦结构来同时满足所有上述需求，即通过气体冷却、耗散到激活介质中的热功率的良好吸取(温度以及轴向和纵向的内部热梯度降低)、所使用的泵浦二极管的温度的良好的均匀性、最小的体积和良好的光束质量。
发明内容
更具体而言，本发明的主题是一种用于激光器的光泵浦结构，包括：具有圆形横截面的圆柱形棒形式的激活介质，所述棒的端部嵌在由导热材料制成的两个环中；至少三个泵浦二极管条的叠层，围绕棒按照星形设置；支撑件，其温度由珀耳帖效应模块调节。其主要特征在于，所述环与所述支撑件相接触，被称为底部叠层的二极管叠层位于所述棒和所述支撑件之间，对于每个其他叠层，该结构包括构成对所述叠层的支撑的导热块，这些块安装在被冷却的支撑件上，但彼此之间或与所述环不接触。
该光泵浦结构还有利地包括由导热材料制成的垫片，所述垫片位于所述底部叠层下方以调节该叠层及其支撑件之间的热阻。
根据本发明的特征，所述垫片包括至少一个孔，所述孔中可以填充有不同于所述垫片的导热材料。
根据本发明的另一特征，所述环通过柔性凸缘固定在支撑件上，所述柔性凸缘可以吸收所述棒及其支撑件(即所述环)之间的不同热膨胀。
附图说明
通过阅读接下来参考附图作为非限制性示例给出的具体描述，将显现本发明的其他特征和优点，其中：
上文已描述过的图1示意性地表示从正面(图1a)和侧面(图1c)所见的根据现有技术的具有圆形横截面的圆柱形棒的光泵浦结构的剖面图以及所产生的光束形状(图1b)，
上文已描述过的图2示意性地表示从正面(图2a)所见的根据现有技术的具有正方形横截面的圆柱形棒的光泵浦结构的剖面图以及所产生的光束形状(图2b)，
图3表示根据本发明的具有圆形横截面的圆柱形棒的光泵浦结构的装配中的连续步骤。
在各个图中，相同的元件用相同的附图标记表示。
具体实施方式
结合图3描述当根据本发明的示意性光泵浦结构被装配时该结构的各个元件。
该结构包括作为热分配器的支撑件5，其上安放有装在底板211上的被称为底部叠层21的泵浦二极管的叠层。该支撑件5是由诸如铜或铝合金的导热材料制成。
激活介质是具有圆形横截面的圆柱形棒1；其端部嵌在两个环11中，环11是由铜或铝合金制成的，可以在所述端部通过传导对称地吸取耗散到棒中的热功率。将这个带有两个环的棒安装到支撑件5上，使环11与所述支撑件5接触；其例如通过凸缘6固定到支撑件5上，凸缘6具有充分的柔性以保持棒，同时可以吸收棒1及其支撑件(即环11)之间的不同热膨胀。棒被安装在二极管叠层21的上方，使得该叠层21沿着被环留出的棒的中间部分设置，离环稍远。
同样安装在底板221上的被称为侧部叠层22的泵浦二极管的第二叠层被固定在构成对该叠层22的支撑的导热块7上；该支撑块7安装在支撑件5上，以使叠层沿着前述被环留出的棒1的中间部分设置。支撑块7由铜或铝合金制成并与支撑件5部分地接触。
类似于第二叠层，固定在形成支撑的导热块7上的同样被称为侧部叠层22的泵浦二极管的第三叠层安装在支撑件5上。该块7也是由铜或铝合金制成。三个二极管叠层21、22围绕棒1按照星形或彼此成大约120°角对称设置。从图3d和图3e可以看出，这些叠层根据棒的纵轴具有相同的布置，不存在用于二极管的底部叠层21的导热块7。
支撑块7彼此之间或者与棒的环11不直接接触。通过这种方式，二极管的温度管理可以最低限度地干扰棒的温度管理。这种热和机械设计可以确保二极管的三个叠层的最佳温度均匀性。
在支撑件5的下方增加珀耳帖效应模块(Peltier-effect module)8，以调节二极管叠层的温度并排除耗散功率，组件安装在使用代替液体作为冷却剂的气体(例如空气)循环的金属换热器上，该换热器与珀耳帖效应模块的热表面相接触。也可以增加模块8和该换热器之间的交界面。
调节二极管叠层21或22和其支撑件5或7之间的热阻，以使三个二极管叠层的温度均匀，这可以使发射序列中或不同频率处的波长变化最小化，因此确保棒中存积的增益的均匀分布。
为此目的，结构有利地包括垫片9，垫片9由诸如铜或铝合金的导热材料制成，位于底部叠层21下方以调节该叠层及其支撑件5之间的热阻。还可以在该垫片9中形成孔91或多个孔，孔中可以填充有不同于垫片的导热材料，例如铟或氧化铝填充硅树脂(alumina-filled silicone)，以调节叠层及其支撑件之间的热阻。
根据本发明的泵浦结构可以实现二极管的叠层之间的低温差并且对称地吸取耗散到棒中的功率。
使用气体(例如空气)而不是液体作为冷却剂也可以降低装置的重量，以增加其可靠性(特别是与用于现有技术的装置的液体泄露的风险关联的)，并且减少后勤和维护限制。
与光学几何形状相比，其总体积很小。
最后，优化了用于装配该结构的过程。
制造了根据本发明的光泵浦结构，具有下列特性：
-棒直径约为4mm，
-Nd:Yag棒中存积的热功率约为平均2瓦特，
-发射波长等于大约1μm，
-3个由大约10条二极管构成的叠层在距离棒大约1.5mm处成120°分布，
-叠层的功率大约为3瓦特，
-二极管波长大约为808nm，
-底部叠层的底面和使用气体循环的金属换热器之间的温差＜3℃，
-侧部叠层的底座的顶面和底座的底面之间的温差＜3℃，
-底部叠层和侧部叠层之间的温差＜1℃，
-体积大约为0.071
-频率在1和20Hz之间变化时恒定的性能水平。
下表中给出了材料的示例作为表示。
  部件   材料
  二极管底板211，221   铜
  侧部叠层支撑件(块7)   铜或铝合金
  调整垫片9   铜或铝合金
  棒1   YAG
  环11   铜或铝合金
  与珀耳帖模块的交界面   铟或氧化铝填充硅树脂
  支撑件5   铜或铝合金

Claims (6)

1.一种用于激光器的光泵浦结构，包括：
具有圆形横截面的圆柱形棒(1)形式的激活介质，所述棒的端部嵌在由导热材料制成的两个环(11)中，
至少三个泵浦二极管条的叠层(21、22)，围绕棒按照星形设置，
支撑件(5)，其温度由珀耳帖效应模块(8)调节，
其特征在于，所述环(11)与所述支撑件(5)相接触，被称为底部叠层(21)的二极管叠层位于所述棒(1)和所述支撑件(5)之间，对于每个其他叠层(22)，该结构包括构成对所述叠层(22)的支撑的导热块(7)，这些块(7)安装在被冷却的支撑件(5)上且彼此之间或与所述环(11)不接触。
2.根据权利要求1所述的用于激光器的光泵浦结构，其特征在于，包括换热器，所述换热器使用气体作为冷却剂并且靠近所述支撑件(5)安装在所述珀耳帖效应模块(8)的表面上。
3.根据前述权利要求中任一项所述的用于激光器的光泵浦结构，其特征在于，所述光泵浦结构还包括由导热材料制成的垫片(9)，所述垫片(9)位于所述底部叠层(21)下方以调节该叠层及其支撑件(5)之间的热阻。
4.根据权利要求3所述的用于激光器的光泵浦结构，其特征在于，所述垫片(9)包括至少一个孔(91)。
5.根据权利要求4所述的用于激光器的光泵浦结构，其特征在于，所述孔(91)中填充有不同于所述垫片的导热材料。
6.根据前述权利要求中任一项所述的用于激光器的光泵浦结构，其特征在于，所述光泵浦结构包括保持所述环(11)的柔性凸缘(6)。
CN2009801391870A 2008-09-17 2009-07-06 光泵浦结构 Active CN102171895B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
FR0805111A FR2936109B1 (fr) 2008-09-17 2008-09-17 Structure de pompage optique.
FR0805111 2008-09-17
PCT/EP2009/058523 WO2010031606A1 (fr) 2008-09-17 2009-07-06 Structure de pompage optique

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN102171895A true CN102171895A (zh) 2011-08-31
CN102171895B CN102171895B (zh) 2012-12-19

Family

ID=40551428

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN2009801391870A Active CN102171895B (zh) 2008-09-17 2009-07-06 光泵浦结构

Country Status (8)

Country Link
US (1) US9343866B2 (zh)
EP (1) EP2327127B9 (zh)
JP (1) JP5439688B2 (zh)
CN (1) CN102171895B (zh)
FR (1) FR2936109B1 (zh)
IL (1) IL211781A0 (zh)
RU (1) RU2497248C2 (zh)
WO (1) WO2010031606A1 (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109314364A (zh) * 2016-08-23 2019-02-05 株式会社V技术 激光泵腔装置
CN112636134A (zh) * 2020-12-21 2021-04-09 北京遥测技术研究所 一种空间激光器结构

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010042453A1 (de) * 2010-10-14 2012-04-19 Robert Bosch Gmbh Laserzündeinrichtung für eine Brennkraftmaschine und Betriebsverfahren hierfür
RU2592056C1 (ru) * 2015-01-21 2016-07-20 Российская Федерация, от имени которой выступает Государственная корпорация по атомной энергии "Росатом" (Госкорпорация "Росатом") Излучатель твердотельного лазера без жидкостного охлаждения с термостабилизацией диодной накачки

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5311528A (en) * 1991-08-30 1994-05-10 Hoya Corporation Solid-state laser device capable of stably producing an output laser beam at high power
GB2276973A (en) * 1993-03-20 1994-10-12 Gec Ferranti Defence Syst A pulsed laser
JPH06283783A (ja) * 1993-03-29 1994-10-07 Nec Corp レーザロッド冷却機構及び冷却用スリーブ
US5774488A (en) * 1994-06-30 1998-06-30 Lightwave Electronics Corporation Solid-state laser with trapped pump light
DE19518177A1 (de) * 1995-05-19 1996-11-21 Fraunhofer Ges Forschung Diodenlasergepumpter Festkörperlaser
US5778020A (en) * 1996-06-04 1998-07-07 Cj Laser, Inc. ND: YAG laser pump head
JPH1187813A (ja) * 1997-09-12 1999-03-30 Toshiba Corp 固体レーザ発振器
US6330259B1 (en) * 1999-06-24 2001-12-11 Jonathan S. Dahm Monolithic radial diode-pumped laser with integral micro channel cooling
US6704341B1 (en) * 1999-11-19 2004-03-09 The Regents Of The University Of California Diode-pumped laser with improved pumping system
FR2853146B1 (fr) * 2003-03-28 2007-06-22 Thales Sa Structure de pompage optique d'un milieu amplificateur
US7082149B1 (en) * 2003-06-24 2006-07-25 Photonics Industries Int'l High power diode side pumped solid state laser
EP1974424B1 (en) * 2005-12-28 2013-02-20 Israel Aerospace Industries Ltd. Diode pumped cavity
RU2315404C1 (ru) * 2006-03-23 2008-01-20 Павел Владимирович Аракчеев Твердотельный лазер с поперечной накачкой линейками лазерных диодов
FR2913269B1 (fr) 2007-03-02 2009-04-17 Thales Sa Telemetre multicolore

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN109314364A (zh) * 2016-08-23 2019-02-05 株式会社V技术 激光泵腔装置
TWI733886B (zh) * 2016-08-23 2021-07-21 日商Ｖ科技股份有限公司 雷射泵腔室裝置及雷射振盪裝置
CN112636134A (zh) * 2020-12-21 2021-04-09 北京遥测技术研究所 一种空间激光器结构

Also Published As

Publication number Publication date
JP2012503302A (ja) 2012-02-02
US20110235662A1 (en) 2011-09-29
JP5439688B2 (ja) 2014-03-12
CN102171895B (zh) 2012-12-19
EP2327127B9 (fr) 2013-01-09
FR2936109B1 (fr) 2010-10-08
EP2327127A1 (fr) 2011-06-01
EP2327127B1 (fr) 2012-10-24
IL211781A0 (en) 2011-06-30
US9343866B2 (en) 2016-05-17
FR2936109A1 (fr) 2010-03-19
RU2011115096A (ru) 2012-10-27
WO2010031606A1 (fr) 2010-03-25
RU2497248C2 (ru) 2013-10-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10243320B2 (en) Low swap laser pump diode module and laser amplifier incorporating the same
CN102171895B (zh) 光泵浦结构
WO2002047224A3 (de) Diodenlaseranordnung mit mehreren diodenlaserzeilen
US7643230B2 (en) Optical mount for laser rod
JP7228856B2 (ja) 高パワーレーザシステムにおける熱インタフェース材料のポンピングの対処のためのシステム及び方法
US20120294002A1 (en) Vapor chamber cooling of solid-state light fixtures
CN105048287B (zh) 一种水平阵列高功率半导体激光器
CN201270374Y (zh) 一种半导体光纤耦合泵浦的红外固体激光器
WO2018200863A1 (en) Low swap laser pump diode module and laser amplifier incorporating the same
McDougall et al. Advances in diode laser bar power and reliability for multi-kW disk laser pump sources
US9420720B2 (en) Liquid cooling apparatus
Saravani et al. Effect of heat spreader thickness and material on temperature distribution and stresses in thin disk laser crystals
US20160055971A1 (en) Forced convection liquid cooling of fluid-filled high density pulsed power capacitor with native fluid
KR102195634B1 (ko) 복합 히트싱크 및 이를 이용한 발열체의 냉각방법
US20200266599A1 (en) Dynamic, thermally-adaptive cuboid crystal mount for end-pumped conductively cooled solid state laser applications
Crawford et al. Advancements of ultra-high peak power laser diode arrays
RU2579188C1 (ru) Квантрон твердотельного лазера с термостабилизацией диодной накачки
KR101367021B1 (ko) 전력 모듈용 방열 시스템
RU2597941C2 (ru) Оптическая усилительная головка с диодной накачкой (варианты)
US11888287B2 (en) Split liquid cooled heat exchanger with thermoelectric cooling controlled temperature
Thiagarajan et al. Megawatt-class peak power laser diode pump sources
US20230411921A1 (en) Coefficient of thermal expansion matched mounting technique for high power laser
US20240079839A1 (en) Temperature control for coiled gain fiber in fiber amplifier
Matin et al. Numerical modeling and simulation of laser diode diamond microcoolers
Abdul-Razzak Simulation of Thermal Effects in Totally and Partially Pumped Solid-State Laser Rod with Side-Pumping Structure

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant