CN102449862A - 具有提高的泵浦光吸收的二极管泵浦固态激光器 - Google Patents

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Abstract

对于二极管泵浦固态激光器，提出了提高各向异性晶体中泵浦光吸收的措施。所提出的措施减小泵浦光吸收对二极管电流和二极管温度的依赖性以及对泵浦二极管从吸收线失调的依赖性。这些措施包括发送泵浦辐射两次经过晶体，将激光晶体置于不表现最佳吸收的取向以及使用延迟器。

Description

具有提高的泵浦光吸收的二极管泵浦固态激光器
技术领域
本发明大体上涉及固态激光器的领域，并且更具体涉及二极管泵浦固态激光器。
背景技术
许多固态激光器是在与稀土离子中的4f-4f跃迁对应的窄发射线上实现。此外大多数这些系统也由与稀土离子中的4f-4f跃迁对应的窄且弱的吸收带表征。通过泵浦二极管发射波长与离子的吸收线的良好匹配实现对这些材料的高效二极管泵浦，这可以通过恰当选择的泵浦二极管以及二极管温度的良好调谐和稳定来实现。
二极管泵浦固态激光器（DPSSL）现在大多数是Nd:YAG或Nd:YVO4激光器，其在红外波长发射并且用于例如医学应用或者材料处理应用。这些应用要求低至中等大小批量的激光源并且允许非常高的价格水平。手动到半自动制作这些激光器因此非常普遍。然而这使得前述激光器不适合于诸如未来一代激光投影仪的应用所要求的大批量或规模制作。
如果最近发展的在可见波长范围发射的蓝光二极管泵浦固态激光器（bDPSSL）可以被用作投影应用中的光源，这可能会改变。
典型的bDPSSL是基于作为激光介质的LiYF4:Pr，其下文中称为Pr:YLF或Pr:LiLuF4。这些晶体由下述表征：各向异性晶体结构、窄吸收线以及几cm-1量级的吸收系数。
由于晶体的各向异性结构，要求晶体取向与平行于激光偏振的c轴的良好对齐以得到最佳泵浦光吸收。泵浦二极管的发射波长必须选择为落在+/-1nm的波长范围内。当前，提供发射波长介于440nm和455nm的泵浦二极管。
典型bDPSSL设置中使用的晶体相应地长度仅仅为几mm直至约1cm。更短的晶体将是优选的，因为这通常有利于泵浦束与激光模式的模式匹配。对于高功率泵浦二极管，模式匹配变得更加复杂，因为泵浦功率的增大分别伴随着束质量或者M2因子的劣化。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种二极管泵浦固态激光器，其允许光学对齐中更大的容差。
在本发明中，提出了提高各向异性晶体中的泵浦光吸收的措施，所述措施减小泵浦光吸收对二极管电流、二极管温度的依赖性以及对泵浦二极管从吸收线失调的依赖性。
这些措施包括发送泵浦辐射两次经过晶体，使用更长的晶体，将激光晶体置于不表现最佳吸收的取向中以及在激光腔体内使用诸如四分之一波片的延迟器（也称为波片）。
每个这些措施，特别是一些或全部这些措施的组合将增大二极管泵浦固态激光器的设置中的容差，并且因此减小特别是大批量制作中的制作成本。
相应地提供了一种二极管泵浦固态激光器装置，其包括
泵浦激光二极管，以及
激光晶体，
其中该激光晶体形成固态激光器的至少一部分，该固态激光器在与从泵浦激光二极管发射的激光的波长不同的波长发射激光，以及其中
该固态激光器由该泵浦激光二极管光学泵浦。该泵浦激光二极管布置成在纵向方向上将其泵浦激光注入激光晶体。
该二极管泵浦固态激光器装置还包括至少一种下述装置：
输出耦合器，其将纵向透射通过所述激光晶体的所述泵浦激光的份额往回反射，
各向异性激光晶体，其对于沿着横切固态激光器的纵向方向的第一方向和垂直于所述第一方向的第二方向偏振的泵浦光具有两个不同吸收系数，其中所述各向异性激光晶体和所述泵浦激光二极管相互取向为使得所述泵浦激光的偏振具有沿着所述第一方向和所述第二方向二者的分量，
延迟器或波片，分别将泵浦光从线偏振光转换为椭圆偏振光或者理想地转换为圆偏振光。
适当地，延迟器布置在固态激光器的腔体内或者激光腔体的光入口侧的前方，泵浦光在该光入口侧被注入。
借助合适的输出耦合器将泵浦光反射回到腔体内，这增加泵浦光吸收。另外，所吸收的泵浦光的强度分布均匀化。由于吸收增大，可以使用更短的激光晶体，由此有利地促进模式匹配。优选地，晶体长度选择为使得最初注入晶体的泵浦激光辐射的至少5%、优选地至少10%、特别优选地至少20%的份额透射通过该晶体并且被输出耦合器至少部分地往回反射。
固态激光器的纵向方向限定为固态激光器的激光束沿着其发射的方向并且因此与固态激光器的光轴吻合。
本发明优选地应用到bDPSSL。相应地，这种情况下泵浦激光二极管为发射蓝光激光二极管。本发明允许宽松的bDPSSL制作容差，由此降低制作成本，使得发明的bDPSSL可以用作诸如视频投影仪的消费产品中的光源。
适当地，可以采用在435至455纳米范围内的波长发射的泵浦激光二极管。
为了在纵向方向上将泵浦光注入固态激光器的腔体，固态激光器优选地包括将其激光腔体终止于输出耦合器的相对端部的波长选择镜。该波长选择镜对于泵浦激光是透射的并且对于固态激光器的激光是反射的。
类似地，为了避免泵浦激光透射通过输出耦合器，另外有利的是采用在激光晶体的输出侧上的波长选择镜，其中该波长选择镜对于泵浦激光是高度反射的，但是对于固态激光器的激光是至少部分透射的。特别地，输出耦合器本身可以设计成对于固态激光器的激光是半透明的但是对于泵浦激光是高度反射的波长选择镜。例如，对于固态激光的透射可以在1%至20%的范围内，并且对于泵浦激光的透射可以小于0.5%。
另外，激光晶体的优选材料为Pr:YLF、Pr:LiLuF4、Pr:LiGdF4、Pr:BaY2F8和Pr:KYF4。这些晶体是各向异性的并能够在包括绿光波长范围的各种不同颜色发射激光，并且因而非常适合提供彩色激光投影仪的一种或多种颜色分量。
通常，优选地选择与第一偏振方向平行的偏振平面的取向，在该第一偏振方向上该激光晶体对于泵浦激光具有其最大吸收。然而，根据本发明的实施例，当泵浦激光偏振不是沿着最大吸收的方向取向而是具有沿着具有较低吸收的第二方向的分量时，该系统从具有最大转换效率的取向失调。然而，如下文更详细所阐述，这种措施已经证明对于稳定固态激光器的强度是非常有利的。特别地，激光的c轴可以横切固态激光器的纵向方向而取向，其中激光晶体相对于泵浦激光二极管取向，使得泵浦激光的偏振平面和所述晶体的c轴包括一角度。例如，偏振平面平行于c轴时，Pr:YLF晶体中出现最大吸收。优选角度介于30°和60°，特别优选地介于35°和55°。由于包括不同吸收系数的光学各向异性，透射通过晶体并且往回反射到泵浦激光二极管的泵浦光改变其偏振态，使得这个光至少具有与从二极管发射的光垂直地偏振的分量。因而，激光二极管中的自混合效应减小，这是因为垂直偏振束不相互干涉。
还有可能借助附加元件改变光的偏振态。就此而言，如上所述，提出了使用延迟器或波片。优选地，采用四分之一波片以产生圆偏振光。另外，为了获得高度的圆偏振，延迟器的光轴和泵浦激光的偏振平面优选地包括介于35和55°的角度。
附图说明
图1示出根据本发明的固态激光器装置的实施例。
图2示出对于相对于Pr:YLF晶体的c轴的偏振平面的两个取向，Pr:YLF的吸收系数与波长的函数的图示。
图3示出对于不同激光二极管电流以及偏振矢量和激光晶体的c轴之间的0°和45°的角度，透射与通过激光晶体的路径长度的函数的曲线图。
图4示出对于不同泵浦激光二极管温度以及偏振矢量和激光晶体的c轴之间的0°和45°的角度，透射与通过激光晶体的路径长度的函数的曲线图。
图5示出根据本发明的固态激光器装置的另一实施例，其具有布置在固态激光器的腔体内的四分之一波片。
图6示出图5的变型，其具有置于泵浦激光二极管和固态激光器腔体之间的四分之一波片。
具体实施方式
图1示出二极管泵浦固态激光器装置1的第一实施例。二极管泵浦固态激光器装置1包括泵浦激光二极管3和具有激光晶体11的固态激光器7。根据本发明的优选实施例，采用蓝光激光二极管作为泵浦光源。固态激光器7设计成在一波长发射激光，该波长不同于从泵浦激光二极管3发射的激光的波长。例如，如果使用Pr:YLF晶体，固态激光器可以设计成在绿光波长范围内或者在红光波长范围内发射。
固态激光器7的腔体71被例如电介质镜的波长选择镜9和输出耦合器14终止。输出耦合器14对于由固态激光器7生成的激光71是半透明的。例如，输出耦合器可以设计成透射激光辐射的一定%的份额并且反射其余辐射。
如图1所示，通过经过耦合光学元件或透镜6将泵浦激光31在纵向方向上注入激光晶体11，由泵浦激光二极管3泵浦固态激光器7。为此目的，激光被耦合通过波长选择镜9。因此，镜9对于泵浦激光31是透射的，但是对于固态激光器7的激光73是高度反射的。
作为允许更短激光晶体的措施，输出耦合器14可以将纵向透射通过激光晶体的泵浦激光31的份额往回反射。因而，泵浦激光31两次透射通过激光晶体11。优选地，相对于激光晶体的对泵浦激光的吸收，激光晶体11的长度选择为使得最初进入晶体11的泵浦激光辐射的至少5%，优选地至少20%的份额透射通过晶体。
为了避免已经透射通过激光晶体11的泵浦激光31与固态激光器的耦出激光混合，输出耦合器优选地设计成电介质波长选择镜，该电介质波长选择镜对于固态激光73是部分透射或半透明的，但是对于泵浦激光31具有高反射率。另一可能性是插入另一电介质镜，该另一电介质镜反射泵浦激光31，但是对于固态激光71具有高的透射。
根据本发明提出的第二措施消除与泵浦二极管中往回反射的激光辐射关联的问题。为此目的，提出使用一种各向异性激光晶体，其对于沿着横切激光晶体11的纵向方向的第一方向和垂直于此第一方向的第二方向偏振的泵浦光具有两个不同吸收系数。这例如对于Pr:YLF和Pr:LiLuF4晶体均成立。
各向异性激光晶体和泵浦激光二极管相互取向为使得泵浦激光的偏振具有沿着第一和第二方向二者的分量。
特别地，这些晶体这样取向：它们的a和c轴横切固态激光器的纵向方向。这种情况下激光晶体11相对于泵浦激光二极管取向为使得泵浦激光的偏振平面和晶体的c轴包括一角度。通过将激光晶体取向为使得c轴不平行于泵浦激光偏振而是成优选地介于35o和55o（例如45°）的角度，则引入了相对于最大吸收的取向的未对齐。
从图2可以看出对于平行和正交于Pr:YLF的c轴的偏振的吸收系数差异。图2示出对于平行于c轴（阴影线）和垂直于c轴（连续线）的泵浦激光31的偏振，Pr:YLF的吸收系数与波长的函数。此晶体中的掺杂水平为cPr=0.2%。从曲线图可以看出，对于沿着c轴的泵浦激光31的偏振，窄吸收线的强度显著更高。440nm和450nm之间的吸收线特别适合于光学泵浦。
然而，因为对于平行于和正交于c轴的偏振而言吸收系数是不同的，这种措施改变泵浦光的偏振态，并且在经过激光晶体之后泵浦光的显著部分被偏振为正交于原始泵浦光偏振。然而，偏振为正交于原始泵浦光偏振的光并不干涉泵浦激光二极管3的腔体内的光，并且因此不影响泵浦激光二极管性能。
令人惊奇地，与往回反射泵浦光和/或仅仅使用更长晶体相组合，这种措施还帮助减小随着二极管电流或二极管温度变动的吸收变化。这种情况进一步由图3和4的曲线图说明。
图3示出泵浦激光的透射与通过激光晶体的路径长度的函数的曲线图。如图例中所示，获得了泵浦激光31的偏振平面之间0°和45°的角度以及500、250和120mA的不同激光二极管电流ILD的曲线图。透射值是指具有0.5% Pr浓度的Pr:YLF晶体。
即使对于45°取向吸收更低（透射更高），随二极管电流的变化急剧减小。当对于晶体的最佳取向，泵浦光的透射从ILD=500mA的28%改变到ILD=120mA的66%时，对于45°取向这种效应减小到45%至60%的范围。
尽管对于常规平行取向的偏振平面和c轴，对于120mA和500mA之间的驱动电流，透射差异高达ΔT=0.38，对于根据本发明的45°配置，这个差异减小至仅仅0.13。通过更长的晶体或者通过经过晶体两次，可以抵消对于45°取向的更高的透射。
图4示出对于0°和45°的角度以及泵浦激光二极管3的腔体的不同温度TLD的透射。对于每个曲线图，驱动电流保持恒定在500mA。从图4可以看出，通过将晶体旋转到45°，不同二极管温度对泵浦光的透射或吸收的影响可以从ΔT=0.05减小至ΔT=0.01，即按因数5减小。二极管电流和二极管温度均主要影响激光二极管的发射波长。在这种意义上说，如根据本发明提出的旋转晶体的措施还增大对于二极管泵浦固态激光器可用的泵浦波长的范围。
对泵浦二极管激光器3的驱动电流或腔体温度的宽松的依存性的原因看上去是在图2的谱图中可见的吸收线的波长偏移。如果泵浦激光31的偏振平面旋转，泵浦激光将最终匹配吸收波长，使得即使对于沿着c轴的偏振的晶体的吸收波长和泵浦激光31的实际波长存在略微不匹配，也发生有效吸收。
不限于特定实施例以及所使用的各向异性激光晶体的类型，因此可以有利地提供一种泵浦激光二极管3，其在对于沿着第一和第二方向（例如沿着c轴和横切c轴）的偏振的吸收波长之间的波长发射。
特别是对于将泵浦光往回反射到晶体11内的情形，提高泵浦光吸收的第三种措施是在固态激光器7的腔体71中使用四分之一波片16。将四分之一波片16的光轴相对于泵浦激光二极管3的偏振平面的取向置为成介于35和55°的角度，特别是成45°的角度，这抑制往回反射的光对泵浦激光二极管3的影响。这种情况下，泵浦激光31的偏振平面和激光晶体11的c轴也可以是平行的。该设置示于图5。对于其中激光晶体11不取向为平行于激光偏振的情形，四分之一波片的若干取向有可能减小激光二极管中往回反射的光的数量并且同时提高泵浦光吸收。
四分之一波片16也可以置于激光谐振器前方，即激光腔体71的光入口侧前方，如图6所示位于耦合光学元件和波长选择镜9之间，其中泵浦激光31在该光入口侧被注入。四分之一波片16相对于泵浦光偏振置于介于35和55°的角度，特别是置于45°的角度，该四分之一波片将线偏振泵浦激光31转换为椭圆或圆偏振光。利用这种设置，激光晶体11的取向不再影响泵浦激光31的吸收。因而，不要求精确对齐。反射回来的泵浦光随后被转换为线偏振光，但是与原始泵浦光偏振正交。
即使此处上文描述的示例性实施例提到利用Pr:YLF作为激光介质的bDPSSL，但是本发明不应限于这种情形。相反，对于红外激光器，例如对于二极管泵浦Nd:YVO4、Nd:GdVO4或Tm/Ho:YLF激光器，所提出的措施也是有用的和可应用的。

Claims (15)

1. 一种二极管泵浦固态激光器装置，包括
泵浦激光二极管（3），以及
激光晶体（11），
所述激光晶体（11）形成固态激光器（7）的至少一部分，该固态激光器在与从所述泵浦激光二极管发射的激光的波长不同的波长发射激光，以及
所述固态激光器由所述泵浦激光二极管泵浦，其中
所述泵浦激光二极管布置成在纵向方向上将其泵浦激光（31）注入所述激光晶体（11），所述二极管泵浦固态激光器装置（1）包括至少一种下述装置：
输出耦合器（14），其将纵向透射通过所述激光晶体的所述泵浦激光的份额往回反射，
各向异性激光晶体，其对于沿着横切该固态激光器的纵向方向的第一方向和垂直于所述第一方向的第二方向偏振的泵浦光具有两个不同吸收系数，其中所述各向异性激光晶体和所述泵浦激光二极管相互取向为使得所述泵浦激光的偏振具有沿着所述第一方向和所述第二方向二者的分量，
延迟器，所述延迟器将所述泵浦光从线偏振光转换为椭圆或圆偏振光。
2. 如权利要求1所述的二极管泵浦固态激光器装置，其中所述固态激光器包括波长选择镜，该波长选择镜将所述固态激光器的激光腔体终止于所述输出耦合器（14）的相对端部，其中所述泵浦激光二极管（3）的所述光通过所述波长选择镜被注入所述固态激光器装置（7），所述波长选择镜对于所述泵浦激光（31）是透射的并且对于所述固态激光器（7）的所述激光是反射的。
3. 如权利要求1所述的二极管泵浦固态激光器装置，其中所述激光晶体（11）透射最初注入所述激光晶体（11）的泵浦激光辐射（31）的至少5%的份额，所述至少5%的份额被所述输出耦合器（14）至少部分地往回反射。
4. 如权利要求1所述的二极管泵浦固态激光器装置，其中所述泵浦激光二极管（3）为发射蓝光激光二极管。
5. 如前述权利要求所述的二极管泵浦固态激光器装置，其中所述泵浦激光二极管（3）在435纳米至455纳米范围内的波长发射。
6. 如权利要求1所述的二极管泵浦固态激光器装置，其中所述激光晶体（11）为Pr:YLF晶体。
7. 如权利要求1所述的二极管泵浦固态激光器装置，其中所述激光晶体（11）为Pr:LiLuF4、Pr:LiGdF4、Pr:BaY2F8或Pr:KYF4晶体。
8. 如权利要求1所述的二极管泵浦固态激光器装置，其中所述输出耦合器（14）包括波长选择镜，该波长选择镜对于所述固态激光器（7）的激光是半透明的，但是对于所述泵浦激光（31）是高度反射的。
9. 如权利要求1所述的二极管泵浦固态激光器装置，其中所述泵浦激光（31）的所述第一偏振方向为所述激光晶体对于所述泵浦激光（31）具有其最大吸收系数的偏振方向。
10. 如权利要求1所述的二极管泵浦固态激光器装置，其中所述激光晶体（11）具有横切所述固态激光器（7）的所述纵向方向取向的c轴，并且其中所述激光晶体（11）相对于该泵浦激光二极管（3）取向为使得该泵浦激光（31）的偏振平面和所述激光晶体（11）的所述c轴包括一角度。
11. 如前述权利要求所述的二极管泵浦固态激光器装置，其中所述角度介于30°和60°，优选地介于35°和55°。
12. 如权利要求1所述的二极管泵浦固态激光器装置，其中所述延迟器布置在所述固态激光器（7）的腔体（71）内或者布置在该激光腔体（71）的光入口侧前方，该泵浦激光（31）在该光入口侧被注入。
13. 如权利要求1所述的二极管泵浦固态激光器装置，其中所述延迟器为四分之一波片（16）。
14. 如权利要求1所述的二极管泵浦固态激光器装置，其中所述延迟器的光轴和该泵浦激光（31）的偏振平面包括介于35和55°的角度。
15. 一种激光图像或视频投影装置，包括至少一个如权利要求1所述的二极管泵浦固态激光器装置（1）。
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