CN102246366B - 具有匀光功能的激光泵浦装置和激光泵浦方法 - Google Patents

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Abstract

在用于强化激光束的激光工作物质的激光泵浦装置中，它包括至少一个具有用于产生部分泵浦光束(TPS1″，TPS2″)的多个发射极的激光泵浦源(1″)，通过耦合光学系统将该部分泵浦光束(TPS1″，TPS2″)导入匀光器(3″)并在那里在一个轴方向上通过多次反射充分混匀。在上述过程中，匀光器(3″)和激光工作物质如此设计和布置，由匀光器(3″)发出的泵浦光束在混匀轴(DA)方向上保持发散性的情况下被直接引导至激光工作物质之上或之中，其中该部分泵浦光束(TPS1″，TPS2″)在垂直于混匀轴(DA)的投影轴(PA)方向上被直接投影、尤其是聚焦到激光工作物质之中或之上。

Description

具有匀光功能的激光泵浦装置和激光泵浦方法
本发明涉及根据权利要求1的前序部分的、用于强化激光束的激光工作物质的激光泵浦装置，配有该激光泵浦装置的激光器系统和根据权利要求15的前序部分的、用于强化激光束的激光工作物质的激光泵浦方法。
二极管泵浦固体激光器是用在许多应用场合的标准激光器系统。实际上采用二极管泵浦固体激光器通过不同技术实现功率定标。其中基本问题一般在于，当在激光工作物质中的体积泵浦功率密度递增时，热致效应如热透镜、去极化或应力断裂导致光参数恶化，甚至是激光工作物质的毁损。此外，当功率定标所需的大功率泵浦源只有不足的时，该激光器振荡模式将会出现更大的误差。
通过增大几乎为圆形的泵浦横截面来实现定标固然在一定程度上是可行的，但是，这会急剧地导致激光振荡模式调适方面的困难。
因此，现有技术公开了不同的其它解决手段，借此力求实现一种可以避免或尽量减轻这些负面效果的功率定标。
一种好很多的定标方法提出例如圆盘式激光器理念，例如如EP0632551所述，它利用完整的多次将其导回到激光工作物质的泵浦。在此情况下，利用一种直接解决手段可以减轻热效应，做法是，激光工作物质很薄地构成，并且散热在朝向激光工作物质的薄延伸方向以一维方式进行。
由此得到的优点在于，一方面，因靠近散热体而导致很小的温度升高，另一方面，在该激光器振荡模式下的横向梯度保持很小，这是因为在此方向出现的热传导可以忽略不计。
该理念的改进在EP1629576中有所描述。其中，通过使用一种显著呈椭圆形聚焦至薄片圆盘的泵浦装置，获得由两维热流带来的附加热力学优点，这体现为峰值温度的降低。
通过在光纤耦合激光二极管领域内的进展，可以实现这种光源耀度的连续提高，这可被用来实现激光工作物质长度范围内的定标。尤其与具有相对较高强化横截面的激光工作物质，如Nd:钒酸盐相结合，可以用最简单结构获得很好的效果。近一、二十年内在结晶生长技术方面已获得的进展在此同样产生积极效果。这种理念的后续发展最终会导致光纤激光器，与圆盘激光器相似，其可以实现很高的输出功率。
最后，还存在一种在所谓的椭圆形或高椭圆形泵浦中进行功率定标的其它可能性。其中，笔直地(例如在竖向上)保持一强焦点，用于保证所需的小信号增益。而泵浦体积通过在其它方向的发散而扩大。在此情况下，可以保证以面积来测量的功率密度没有超出相对热效应而言的关键值。一种相应解决方案例如由EP1318578公开。为此，通过直线扩宽来实现定标。对该方案而言最合适的激光工作物质形状为棒状，确切的说是“扁条”状，就像也在EP1181754中描述的那样。对此特别重要的是沿该直线有很均匀的泵浦分布，这是因为如果有不均匀情况，则在激光器振荡模式中将会出现急剧的误差。这可如此解决，例如，来自一个激光器棒组的光借助多个透镜首先经一具有内部全反射功能的匀光器被传输到呈平面波导形式的两侧面，该两侧面的出射面随后又通过多个透镜投影到激光工作物质之中或之上。这样的混合或混匀减轻了衰减的的或功率变化的泵浦光源的影响，从而随之出现均匀的或被均匀化的泵浦光束，它可以作为泵浦光斑被投影到激光工作物质上。
该解决方案因此固然允许不同的成组激光器二极管的发射光的混匀，但由于在匀光器的耦合输入和耦合输出中采用透镜系统，所以其结构复杂，调校困难。此外，后置光学件对激光器系统的占地面积也提出相应要求。
因而，这类具有根据现有技术的匀光器棒的激光器系统因其结构和所采用的部件而太复杂、调校费事和/或太大。
其它解决手段例如在以下文献中有描述：Beach，Raymond J.的“Theory andoptimization of lens ducts”，《应用光学件》，第35卷，第12期，1996年4月20日，第2005-2015页；或者Honea，Eric C.等人的“Analysis of an intracavitydoubleddiode-pumped Q-switched Nd:YAG laser producing more than 100 W of power at0.352μm”，《光学快报》，第23卷，第15期，1998年8月1，第1203-1205页，这些解决手段固然放弃了接设在匀光器之后的透镜系统，但因为其所述应用所需要的在两个轴方向上的混匀而不适用于产生高椭圆形泵浦光斑形状。
本发明的一个任务在于提供一种结构紧凑或简化的激光泵浦装置，用于产生椭圆形泵浦形状，以及提供采用该激光泵浦装置的激光器系统、尤其是二极管泵浦固态激光器系统。
另一个任务在于提供这样的激光器系统，它有更好的耐用性和降低的调校成本。
该任务通过权利要求1和15或者从属权利要求所要要求保护的对象或者进一步改进的解决方案来完成。
本发明涉及一种泵浦装置或者说一种用于激光工作物质的泵浦方法，其中，许多或大量的泵浦光源的部分光束集中、混合并作为泵浦光束被送往用以强化激光束的激光工作物质之上或其中，以产生椭圆形泵浦形状。要获得的椭圆形泵浦光斑的横截面在此情况下由长宽比表述，在这里，所要获得的泵浦光斑长宽比可以例如大于3∶1、尤其大于15∶1或更高。
根据本发明的、用于获得均匀化的激光工作物质泵浦的解决方案本质上是一个占地优化的系统，它由最少数量的标准透镜外带一个匀光器构成。通过与现有技术相比更少数量的透镜，可以减少占地面积和降低调校成本。
具体说，放弃匀光器输出到激光工作物质中的光学成像。取而代之地，两者紧邻布置，例如以100-300μm间距定位，从而泵浦光在原来的泵浦光斑未成像情况下以规定的横截面且保持发散性地基本在激光工作物质内继续传输，其中不考虑在平坦表面上的折射。因此，保持发散性意味着，在不考虑在入射或穿越光学组件时即在经过入射窗或出射窗的通道时的相互影响的情况下，与此相关地没有出现利用为此设计的透镜件的光束整形。就此而言，鉴于发散度的变化来说，维持发散性相当于没有进行光束整形。泵浦光就其发散性而言没有光束整形地就被输送到激光工作物质中。
激光工作物质因此在功能上是匀光器的延续，其中，匀光器具有光束整形作用并在其输出端提供有具有所期望的横截面或光束剖面的光束。因此与成像部件的布置形式相比，利用一个后置透镜的光束整形功能已经通过匀光器及其与耦合光学系统的配合作用产生。
呈平面光波导形式的匀光器此时可具有抛光的或涂覆的甚至可以说是镜面化的侧面，用于通过内部全反射实现传输。此时如此选择匀光器尺寸，在混匀方向在激光工作物质内泵浦光宽度是必需的，其可以实现充分彻底的混匀，就是说，低于用于与均匀过程的标准剖面之偏差的误差阈值。因为在大多数激光器系统中采用按线性顺序的呈激光器棒或激光器行列形式的多个激光器二极管，所以由此布置形式决定的且空间上发生位移的部分光束的混匀在一个轴方向上进行。由此，消除不同发生地点的影响，或者将该影响抑制到预定的阈值下。
获得期望的混匀效果的一个前提条件是部分光束对此最佳地耦合输入匀光元件中，这通过选择在混匀方向上合适的圆柱形耦合输入透镜来实现。此时，匀光器的发散性和长度有着依赖关系，就是说，高发散性允许短的匀光器，而低发散性要求长的匀光器。在高发散性时出现的大的输入和输出角度和随之而来的反射损失可通过在匀光器和激光工作物质上的合适的层间系统被尽量减小。
在常用的激光器二极管中，已经可以在发射极侧的快轴方向上实现准直化。光束又通过设置在泵浦源后的圆柱形透镜被聚焦。借此，可以顺利地得到所力求的聚焦例如dy＝100-880μm。
通过该布置结构，在匀光器的末端且在激光工作物质之前，就是说在这两者的连接处，会形成一均匀的辐射场，但辐射场在均匀化方向有高发散性。放弃设在匀光器后的例如呈其它透镜形式的光束整形机构，如可通过透射优化涂层来支持，其中在出现大角度时，也须保证高度透射性。
有可能的是，要通过激光工作物质加强的激光光束的引导可以从相反一侧进行，如此设计，连接物质-棒以最大程度允许泵浦光透过，但它对激光光束是反射的，例如通过光谱选择性涂膜。此外，这也应对于发散全角度区如高达60°是透射的，同时对于大的入射角度区也允许高度透射。
这两个部件的布置形式造成光束从匀光器继续引导到激光工作物质中，其中这两个部件相互连接，即处于相互接触中，或者以小间距来定位。该间距由要在激光工作物质内获得的泵浦效果即泵浦光线宽度来决定。与在匀光器内的混匀光束的性能即尤其是其在此产生的光束横截面和其光束发散性相关，随后可以选择该间距。与在匀光器和激光工作物质之间采用光学件不同，光束被直接继续传输，从而在组成部件之间没有布置其它的用以改变光束特性的元件。这尤其涉及保持位于匀光器输出端的光束发散性。就此而言，从匀光器到激光工作物质进行光路直接继续传输，而不影响光束特性。这在通过两个部件的固定的和优化透射率的连接而实现直接接触的情况下是清楚的，这例如可通过胶粘或扩散焊实现。匀光器和激光工作物质因此构成空间相连的平面波导，其在一些实施方式中有可能通过一狭窄但保持发散性的自由辐射区而被中断。
在该直接的光束继续传输中，这一点是必不可少的，即在激光工作物质内实现发散性补偿，这例如通过工作物质中高度抛光的或涂覆的侧边平面来实现。
垂直于混匀轴，发射极的部分泵浦光束或是没有影响发散性地直接传输，或是借助聚焦经匀光器传输，即其仅在一个轴方向上混匀，而在另一轴方向上没有混匀，而是直接投影到激光工作物质上。在混匀轴方向上的高发散性和在投影轴方向上的低发散性或者说可能有的聚焦的组合造成泵浦光的高椭圆形光束横截面。
以下将结合附图示意所示的实施例来单纯举例描述或解释根据本发明的泵浦装置或者说根据本发明的泵浦方法，其中：
图1A-1C是根据本发明的泵浦装置的第一实施例的示意图；
图2A-2E是根据本发明的泵浦装置的第二实施例的示意图，其包括在成像轴上聚焦机构的变型方式；
图3是根据本发明的泵浦装置的第三实施例的示意图；
图4是根据本发明的泵浦装置的第四实施例的示意图；
图5是根据本发明的泵浦装置的第五实施例的示意图；
图6是根据本发明的泵浦装置的第六实施例的示意图；
图7A-7B是根据本发明的泵浦装置的第七实施例的示意图；
图8是根据本发明的泵浦装置的第八实施例的示意图；
图9A-9D示出用于根据本发明的泵浦装置的光路的第一例子；
图10A-10D示出用于根据本发明的泵浦装置的光路的第二例子；
图11A-11B是根据本发明的泵浦装置的第八实施例的示意图。
图1A-1B示出根据本发明的泵浦装置的第一实施例的示意图，其中，图1A示出在不同发散性情况下的所发射的泵浦光束的主视图，图1B和图1C分别示出其侧视图。
用以强化激光束的激光工作物质的泵浦装置具有至少一个激光泵浦源1，其具有用于产生部分泵浦光束的多个元件。在此情况下，大多采用激光器二极管，它们重叠或并排布置并且其激光束用于泵浦激光工作物质4。
由激光泵浦源1发出的部分光束在一个设于激光泵浦源1后面的匀光器3中在混匀轴DA方向上混匀。匀光器在此实施例中以匀光器棒形式具有矩形横截面，其几何尺寸如棒长不仅取决于激光泵浦源1如若干发射极的数量和间距，也取决于激光工作物质4如其材料。通常，匀光器3具有较窄的侧面，其单纯举例地在该棒内和在混匀轴DA方向上通过在此表面上的多次反射而实现混匀，而在较宽的侧面上可以发生聚焦。但根据本发明，为此也可以使用不同于正方体形或棒状的其它几何形状，其中也能通过较宽侧面实现混匀。为了保证在混匀中实现无损失的反射，匀光器3可以具有抛光的或涂覆的侧面。混匀或混合此时以由若干发射极的不同位置决定的射入匀光器3的不同入射角度为基础，在这里，具有发散性的部分泵浦光束光路受到多次反射的限制，因而被混匀。
除了混匀外，在垂直于混匀轴DA的投影轴PA方向上还进行将由激光泵浦源1的发射极产生的部分泵浦光束直接投影到激光工作物质4上，即在此轴方向上没有进行对应于混匀轴DA的混匀，更确切地说是没有其它部件影响到光束发散性或光束收敛性。投影在图1A中用虚线表示。为此，激光泵浦源1的发射光在投影轴PA方向上以初始的或者说仅受到发射极上的微透镜影响的发散性经匀光器3在保持光束发散性的情况下被直接引导至激光工作物质。对此，部分泵浦光束通过耦合光学系统2被输入匀光器3，耦合光学系统2在所示的实施方式中仅示例性地具有两个圆柱形耦合输入透镜2A、2B，通过上述透镜，除了实现在激光工作物质4之上或之中的投影外，还可使部分光束汇集并且耦合输入到匀光器3以及影响该混匀。
图1C示出与图1B相似的实施例，在这里，通过在激光泵浦源1的发射极上选择一个其它的、例如在此情况下是具有相对较长焦距的微型透镜，而获得在成像轴PA方向上的较小发散性，由此明显为椭圆形地构成在激光工作物质中的泵浦光斑。
匀光器3和激光工作物质4又如此构造和布置，从匀光器3输出的且由混匀的部分泵浦光束组成的泵浦光束也在混匀轴DA方向上被直接传输到激光工作物质4之上或之中。通过这种无需中间设置用以改变光束的部件地直接并且邻近的耦合输入方式，在光学上实现了由匀光器3和激光工作物质4组成的连贯部件，此时在匀光器3和激光工作物质4的连接处，针对混匀轴DA和成像轴PA保持发散性。在相应形成激光工作物质4的情况下，这种具有所述激光工作物质的布置结构类似于一种连续的平面波导。
这里，随后可以在激光工作物质4中进行用于补偿发散性的反射，或者泵浦光束在这里无需进一步反射的情况下保持发散性地继续传输。在激光工作物质4中有反射的情况下，激光工作物质为了发散性补偿可以具有抛光的或涂覆的侧面。
为此在第一实施例中如此设置两个部件，匀光器3接触激光工作物质4，其中根据本发明，除不固定的对接外，也可采用借助胶水或扩散焊的固定连接。另外，相应的机械稳定连接有助于该结构的耐用性且允许放弃在中间设置光学件时所需的调校成本。另外，始终保持泵浦光斑均匀性，这在中间设置光学件情况下要求非常高质量的并且昂贵的光学件构造，以获得尽管有高发散性但仍然高质量的成像。光学件的成像缺陷更确切地说是光学像差此外能损害泵浦光斑均匀性。此时，泵浦光斑均匀性直接影响到高光束功率时所获得的光束质量，这对许多应用场合都是一个重要参数。
根据激光工作物质4的不同，在匀光器3输出端出现的光束剖面形状现在已经能在形状和尺寸方面基本和在激光工作物质4内的泵浦光束剖面形状相一致，或者但是通过光束发散性首先在那里获得所需要的横截面。
图2示出包括在投影轴方向上聚焦的变型方式的根据本发明的泵浦装置的第二实施例的示意图。与图1A-1C相比，采用了原则上相同的结构和相同的匀光器3，其中在图2A-2B和图2C-2D中分别示出不同的聚焦变型方式。在图2A-2B的变型方式中，耦合光学系统2′这时具有两个平凸形的耦合输入透镜2A′和2B′，其中耦合光学系统2′也设计用来在成像轴方向上聚焦。因此在此结构中，在与之垂直的投影轴方向上进行聚焦的同时，也进行在混匀轴方向上的混匀。在图2C-2D的变型方式中，耦合光学系统2″具有与图1A-1C的实施例中的相似的两个圆柱形耦合输入透镜2A″、2B″，以及还具有一个在投影轴方向上产生作用的圆柱形透镜2C″。
根据本发明，在投影轴方向上不影响发散性的条件以及聚焦条件都可以与以下示出的实施例组合，从而在大多数情况下仅在一个轴方向上示出。本领域的技术人员可以推导出用于光学投影系统的根据本发明的其它例子，其在混匀轴方向上产生输入到匀光器的适当的成像，同时在成像轴方向上产生在激光工作物质中的适当的泵浦光斑半径，因而获得了期望的泵浦光斑椭圆形和泵浦强度。
耦合光学系统2、2′或者2″′也可以根据本发明被完全或者部分地整合到匀光器中，例如其做法是，使入射窗具有隆起形状或者分割匀光器。为此图2E和图11A-11B示意示出其特定例子，但是根据本发明，集成超出单纯在匀光器中混匀的其它光学功能的原理也可以被应用在其它实施例中。不过，这可能决定了组成部件方面的成本提高，而分开的耦合光学系统允许使用具有平坦表面的匀光器。
在图2E的变型方式中采用图1A-1B所示第一实施例的、具有两个圆柱形耦合输入透镜2A、2B的耦合光学系统2，但从这里开始，匀光器现被分为第一匀光器部件3A和第二匀光器部件3B，其中它们通过一支架部件3C相互连接或能相互固定。第二匀光器部件3B如此构成，它除了混匀作用之外还提供聚焦作用，但是，其中第一和第二匀光器部件3A、3B构成一个连贯的匀光器。
图3示出根据本发明的泵浦装置的第三实施例的示意图，其具有基本与图1A-1C或者图2A-2E相同的结构。例如在以下的图4-6中，这里只示出俯视图即混匀轴，从而根据本发明，对于投影轴而言，可以实现根据图1A-1C的无聚焦的直接投影，或者根据图2A-2E的有聚焦的投影。在此实施方式中，匀光器3和激光工作物质4不直接接触，而是以微小的相互间距定位。匀光器3和激光工作物质4的相应间距此时可以被选为小于所发出的泵浦光束的横截面的最小直径或者小于匀光器3的最小边长，尤其是它可以在100至880μm之间，例如为300μm或500μm。
图4示出根据本发明的泵浦装置的第四实施例，在这里，匀光器3和激光工作物质4相互连接。但是，在两个部件之间的接触点设有透射加强层5，该透射加强层在此例子中是在制造中被涂覆到匀光器3上的。但这样的透射加强层5不是在任何情况下都需要的，例如当用于匀光器3和激光工作物质4的两种材料的折射率不相上下时，可放弃该透射加强层。
如果激光工作物质4用作反射镜例如用于在共振器中的光束曲折或用作端面反射镜，则待强化的激光束可从与匀光器3相对的一侧被输入激光工作物质4。在此情况下，透射加强层5′可整面涂覆在激光工作物质4朝向匀光器3的表面上，其中透射加强层设计成针对作为有效信号要强化的激光束是反射性的，而针对泵浦光束是透射性的。这例如可通过针对泵浦光束和有效信号光束的不同波长的光谱选择性的反射或透射作用实现，从而当在激光工作物质4中反射待强化的激光束时实现最佳的泵浦光束耦合输入。这种情况在图5中作为第五实施例被示出。
最后，图6示出根据本发明的泵浦装置的第六实施例，其中，被整面涂覆在激光工作物质4上的透射加强的和光谱选择反射的层5′的特征与匀光器3的间距相关联。
图7A-7B示意示出根据本发明的泵浦装置的第七实施例，还示出投影轴和混匀轴。在此，该结构原则上和根据图2A-2B的具有在投影轴方向上聚焦的第二实施例相一致。但是在此实施例中，激光工作物质4′和匀光器3如此相互匹配，即，激光工作物质4′延续匀光器3地至少在混匀轴方向上起波导的作用。在此，与所示的实施例不同的是，也可以在投影轴方向上进行匀光器横截面和激光工作物质4′的横截面的调整匹配。
图8示出根据本发明的泵浦装置的第八实施例，在此仅示出混匀轴。此时，耦合光学系统2″的结构等同于图2C-2D所示的结构，但在此实施例中设有在匀光器3″′中的涂层6，其允许泵浦光束透过且反射有效信号7的光束。有效信号7为此在侧面被耦合输入匀光器3″′并在此实施例中呈梯形的激光工作物质4″中强化后作为强化输出光束7′被发射出。该强化结构例如可被用于外界二次强化激光束，或者但也可被用于共振器内部强化。
图9A-9D和图10A-10D所示的例子是借助射线跟踪完成的，在这里，为了纵览起见而有意识地省掉了根据本发明同样可实现的、在未均匀化表面内的聚焦。在两个例子中，作为耦合输入透镜2A、2B，采用生产商Thorlabs的LJ1095L1-B型和LJ1874L1-B型透镜，其中第一透镜LJ1095L1-B以间距d1＝28mm与激光泵浦源1′间隔设置，第二透镜LJ1874L1-B以间距d2＝4.5mm与第一透镜间隔设置。第二透镜LJ1874L1-B与匀光器3′的间距为d3＝0.3mm。
在图9A-9D中，用于5mm宽的激光器二极管组的位于中央和一边上的发射极的两个部分泵浦光束TPS1′和TPS2′被视为激光泵浦源1′。在慢轴方向上的发散半角为3°-4°，匀光器3′以长为70mm且宽为3mm的石英玻璃棒形式形成在混匀轴方向上。结合用于根据本发明的泵浦装置的光路的第一例子说明根据本发明的泵浦方法。通过激光泵浦源1′的两个不同的且相互间隔的发射极，产生用于泵浦激光工作物质4的部分泵浦光束TPS1′、TPS2′，其通过后置的由作为耦合输入透镜2A、2B两个圆柱形透镜构成的耦合光学系统被传输入匀光器3′，在此，至少一个圆柱形耦合输入透镜以其长轴定向在混匀轴方向。在那里，在至少一个轴方向上通过多次反射实现部分泵浦光束TPS1′、TPS2′的混匀，从而由混匀的部分泵浦光束TPS1′、TPS2′产生用于激光工作物质4的泵浦光束。在此图中，单纯从概览考虑，只示出两个部分泵浦光束TPS1′、TPS2′。但根据本发明，来自大量发射极的发射光被混匀。在产生用于激光工作物质的泵浦光束时，部分泵浦光束TPS1′和TPS2′在混匀后被直接引导至激光工作物质4之上或之中。通过在混匀的部分泵浦光束TPS1′和TPS2′的两个轴方向上的不同发散性，可以例如产生泵浦光束的椭圆形光束剖面形状。这是如此引起的，即，匀光器3′具有可以产生出射泵浦光束的椭圆形光束剖面形状的设定尺寸，尤其通过有目的地产生或者保持在两个轴方向上的不同的光束发散性，在这里，根据应用目的的不同或者所用的激光工作物质4的不同，可以在椭圆形光束剖面形状的宽度方向上实现充分混匀或仅部分混匀。
如图9B所示，泵浦光束在匀光器3′的输出端时具有在此轴方向上的高发散性。在其它轴方向上的发散性能够不受匀光器3′影响地保持不变，从而形成椭圆形的泵浦光斑。不过根据本发明，也可以实现聚焦，从而也能使泵浦光斑或者更确切的说是泵浦光束的光束横截面匹配于所期望的横截面或者光束剖面形状，该泵浦光斑或者泵浦光束的光束横截面或多或少为椭圆形。
图9C具体地示出在匀光器3′末端的在混匀轴方向上的发散性。图9D放大示出带有两个耦合输入透镜2A、2B的耦合光学系统。
图10A-10D示出用于根据本发明的泵浦装置的光路的第二例子。作为产生两个部分泵浦光束TPS1′和TPS2″的激光泵浦源1″，采用10mm宽的激光器二极管组，其中看到来自位于中央和一个边上的发射极的发射光。慢轴方向上的发散半角为3-4°，匀光器3″以长160mm且宽7mm的石英玻璃棒形式形成在混匀方向轴上。
也在如图10B所示的第一实施例中，在此情况下，在匀光器3″输出处的泵浦光束也具有在混匀轴DA方向上的高发散性，而在投影轴PA方向上具有低发散性，从而形成椭圆形泵浦光斑。图10C具体示出在匀光器3″末端的混匀轴方向上的发散性。图10D放大说明带有两个耦合输入透镜2A、2B的耦合光学系统。
图11A-11B示意示出根据本发明的泵浦装置的第八实施例，其中，采用了在混匀轴方向上带有开口角度的匀光器3″″。在这里，开口角度匹配于该发散性，此外，入射窗具有隆起的形状，从而获得透镜作用。因而在此实施例中，耦合光学系统的部分功能转移到匀光器3″″中。在投影轴方向上，通过一个圆柱形透镜2″完成聚焦，从而直接产生要在此轴方向上获得的泵浦斑点形状。
当然，所示的泵浦装置或者说被泵浦的激光器系统仅是可按照本发明实现的多个实施方式的实施例，并且本领域的技术人员能例如在利用其它透镜参数或透镜布置、匀光器类型或者泵浦介质例如薄片圆盘激光器的情况下推导出泵浦和激光器结构的替代实施方式。

Claims (26)

1.一种在匀光器与强化激光束的激光工作物质(4,4′,4″)的连接处产生椭圆形泵浦形状的激光泵浦装置，所述椭圆形泵浦形状的泵浦光斑长宽比大于3:1，所述激光泵浦装置至少包括：
-激光泵浦源(1,1′,1″)，具有多个用于产生部分泵浦光束(TPS1,TPS2,TPS1′,TPS1″,TPS2′,TPS2″)的多个发射极，用于泵浦所述激光工作物质(4,4′,4″)，
-光学匀光器(3,3′,3″,3″′,3″″)，用于在混匀轴(DA)方向上通过多次反射混匀所述部分泵浦光束(TPS1,TPS2,TPS1′,TPS1″,TPS2′,TPS2″)，使得在椭圆形光束剖面形状的宽度方向上实现充分混匀或部分混匀，
-在所述激光泵浦源(1,1′,1″)和匀光器(3,3′,3″,3″′,3″″)之间的耦合光学系统(2,2′,2″)，
其特征在于，
-所述耦合光学系统(2,2′,2″)是如此设计和布置的，所述部分泵浦光束(TPS1,TPS2,TPS1′,TPS1″,TPS2′,TPS2″)在垂直于混匀轴(DA)的投影轴(PA)方向上在没有进行混匀的情况下投影到所述激光工作物质(4,4′,4″)之上或之中，
-所述匀光器(3,3′,3″,3″′,3″″)和所述激光工作物质(4,4′,4″)是如此设计和布置的，由所述匀光器(3,3′,3″,3″′,3″″)发出的泵浦光束在相对混匀轴(DA)保持发散性的情况下被直接引导至激光工作物质(4,4′,4″)之上或之中。
2.根据权利要求1所述的激光泵浦装置，其特征在于，所述部分泵浦光束(TPS1,TPS2,TPS1′,TPS1″,TPS2′,TPS2″)在垂直于混匀轴(DA)的投影轴(PA)方向上在没有进行混匀的情况下聚焦到所述激光工作物质(4,4′,4″)之上或之中。
3.根据权利要求1所述的激光泵浦装置，其特征在于，所述发射极是激光二极管。
4.一种在匀光器与强化激光束的激光工作物质(4,4′,4″)的连接处产生椭圆形泵浦形状的激光泵浦装置，所述椭圆形泵浦形状的泵浦光斑长宽比大于3:1，所述激光泵浦装置至少包括：
-激光泵浦源(1,1′,1″)，具有用于产生部分泵浦光束(TPS1,TPS2,TPS1′,TPS1″,TPS2′,TPS2″)的多个发射极，用于泵浦所述激光工作物质(4,4′,4″)，
-光学匀光器(3,3′,3″,3″′,3″″)，用于在混匀轴(DA)方向上通过多次反射混匀所述部分泵浦光束(TPS1,TPS2,TPS1′,TPS1″,TPS2′,TPS2″)，使得在椭圆形光束剖面形状的宽度方向上实现充分混匀或部分混匀，
-在所述激光泵浦源(1,1′,1″)和匀光器(3,3′,3″,3″′,3″″)之间的耦合光学系统(2,2′,2″)，
其特征在于，
-所述发射极、耦合光学系统(2,2′,2″)和匀光器(3,3′,3″,3″′,3″″)是如此设计和布置的，它们协同配合地在所述匀光器(3,3′,3″,3″′,3″″)的输出端产生具有椭圆形泵浦形状的泵浦光束，其中所述部分泵浦光束(TPS1,TPS2,TPS1’,TPSl″,TPS2′,TPS2″)在所述耦合光学系统与所述激光工作物质之间在垂直于混匀轴(DA)的投影轴(PA)方向上在相对投影轴(PA)保持发散性的情况下投影到该所述激光工作物质(4,4′,4″)之上或之中，
-由所述匀光器(3,3′,3″,3″′,3″″)发出的泵浦光束在相对混匀轴(DA)保持发散性的情况下被直接引导至激光工作物质(4,4′,4″)之上或之中。
5.根据权利要求4所述的激光泵浦装置，其特征在于，所述耦合光学系统被进一步设计为在所述投影轴上进行聚焦。
6.根据权利要求4所述的激光泵浦装置，其特征在于，所述发射极是激光二极管。
7.根据权利要求1或4所述的激光泵浦装置，其特征在于，
所述匀光器(3,3′,3″,3″′,3″″)具有产生出射泵浦光束的椭圆形光束剖面的设定尺寸。
8.根据权利要求7所述的激光泵浦装置，其特征在于，
所述匀光器(3,3′,3″,3″′,3″″)具有通过在所述混匀轴(DA)和投影轴(PA)方向上的不同光束发散性产生出射泵浦光束的椭圆形光束剖面的设定尺寸。
9.根据权利要求7所述的激光泵浦装置，其特征在于，
所述光束剖面在形状和尺寸上和在所述激光工作物质(4,4′,4″)中的泵浦光束剖面相符合。
10.根据权利要求7所述的激光泵浦装置，其特征在于，
在所述椭圆形光束剖面的宽度上完成充分混匀。
11.根据权利要求1或4所述的激光泵浦装置，其特征在于，
所述匀光器(3,3′,3″,3″′,3″″)和所述激光工作物质(4,4′,4″)之间的间距小于
-出射泵浦光束的横截面的最小直径，或者
-所述匀光器(3,3′,3″,3″′,3″″)的最小边长。
12.根据权利要求11所述的激光泵浦装置，其特征在于，
所述间距在100至880μm之间。
13.根据权利要求1或4所述的激光泵浦装置，其特征在于，
所述匀光器(3,3′,3″,3″′,3″″)接触所述激光工作物质(4,4′,4″)。
14.根据权利要求13所述的激光泵浦装置，其特征在于，
所述匀光器(3,3′,3″,3″′,3″″)与所述激光工作物质(4,4′,4″)相连接。
15.根据权利要求1或4所述的激光泵浦装置，其特征在于，
在所述匀光器(3,3′,3″,3″′,3″″)和所述激光工作物质(4,4′,4″)之间设有透射加强层(5,5′)。
16.根据权利要求15所述的激光泵浦装置，其特征在于，
所述透射加强层(5,5′)用于反射待强化的激光束。
17.根据权利要求16所述的激光泵浦装置，其特征在于，
所述透射加强层(5,5′)用于通过光谱选择性反射所述待强化的激光束。
18.根据权利要求1或4所述的激光泵浦装置，其特征在于，
所述匀光器(3,3′,3″,3″′,3″″)为了在至少混匀轴(DA)方向上产生所述部分泵浦光束(TPS1,TPS2,TPS1′,TPS1’′,TPS2′,TPS2″)的混匀具有抛光的或涂覆的侧面。
19.根据权利要求1或4所述的激光泵浦装置，其特征在于，
所述耦合光学系统(2,2′,2″)具有至少一个圆柱形的耦合透镜(2A,2B)，其长轴的取向垂直于所述混匀轴(DA)。
20.根据权利要求19所述的激光泵浦装置，其特征在于，
所述至少一个圆柱形的耦合透镜(2A，2B)如此构造和布置，在所述混匀轴(DA)方向上的部分泵浦光束(TPS1,TPS2,TPS1′,TPS1″,TPS2′,TPS2″)的光束发散性至少被保持或增大。
21.根据权利要求20所述的激光泵浦装置，其特征在于，
所述至少一个圆柱形的耦合透镜(2A，2B)如此构造和布置，在所述混匀轴(DA)方向上的部分泵浦光束(TPS1,TPS2,TPS1′,TPS1″,TPS2′,TPS2″)的光束发散性被最大化。
22.一种激光器系统，具有在共振器中的用于强化激光束的激光工作物质(4,4′,4″)和根据权利要求1至21之一所述的激光泵浦装置。
23.根据权利要求22所述的激光器系统，其特征在于，
所述激光工作物质(4,4′,4″)为了补偿发散性而具有抛光的或涂覆的侧面。
24.一种在匀光器与强化激光束的激光工作物质的连接处产生椭圆形泵浦形状的激光泵浦方法，所述椭圆形泵浦形状的泵浦光斑长宽比大于3:1，所述激光泵浦方法包括：
-发射多个用以泵浦所述激光工作物质(4,4′,4″)的部分泵浦光束(TPS1,TPS2,TPS1′,TPS1″,TPS2′,TPS2″)，
-在匀光器(3,3′,3″,3″′,3″″)内在混匀轴(DA)方向上通过多次反射来混匀所述部分泵浦光束(TPS1,TPS2,TPS1’,TPS1″,TPS2′,TPS2″)，使得在椭圆形光束剖面形状的宽度方向上实现充分混匀或部分混匀，
-由所述混匀的部分泵浦光束(TPS1′,TPS1″,TPS2′,TPS2″)产生用于所述激光工作物质(4,4′,4″)的泵浦光束，
其特征在于，
在产生所述泵浦光束时，所述部分泵浦光束(TPS1,TPS2,TPS1′,TPS1″,TPS2′,TPS2″)
-在垂直于所述混匀轴(DA)的投影轴(PA)方向上在没有进行混匀的情况下投影到所述激光工作物质(4,4′,4″)之上或之中并且
-在混匀后在耦合光学系统与所述激光工作物质之间在所述混匀轴(DA)方向上保持发散性的情况下被直接引导至所述激光工作物质(4,4′,4″)之上或之中。
25.根据权利要求24所述的激光泵浦方法，其特征在于，
在产生所述泵浦光束时，所述部分泵浦光束(TPS1,TPS2,TPS1′,TPS1″,TPS2′,TPS2″)在垂直于所述混匀轴(DA)的投影轴(PA)方向上在没有进行混匀的情况下聚焦到所述激光工作物质(4,4′,4″)之上或之中。
26.根据权利要求24所述的激光泵浦方法，其特征在于，
在产生所述泵浦光束时，通过所述混匀的部分泵浦光束(TPS1,TPS2,TPS1′,TPS1″,TPS2′,TPS2″)在所述混匀轴(DA)和投影轴(PA)方向上的不同发散性产生所述泵浦光束的椭圆形光束剖面。
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