CN103545700A

CN103545700A - 一体化单一平台微型激光器

Info

Publication number: CN103545700A
Application number: CN201210244533.5A
Authority: CN
Inventors: 徐卫文
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-07-16
Filing date: 2012-07-16
Publication date: 2014-01-29

Abstract

一体化单一平台微型激光器。本发明公开了一种微型激光器，该微型激光器的结构包括LD泵浦光源、热沉、输出滤波片、反射镜、PD反馈器，以及由激光增益介质和光学倍频晶体构成的激光模块；其中激光增益介质和光学倍频晶体上镀有特殊镀膜；激光增益介质和光学倍频晶体以及晶体的镀膜共同形成光学谐振腔。其特点是，上述元件均以金属管壳作为承载平台并固定在其上，且所有组件均封装在激光器保护管壳内，激光模块及热沉安装在金属管壳上，LD泵浦光源固定在热沉上，反射镜与金属管壳呈45°放置，PD反馈器置于反射镜下方，输出滤波片垂直于金属管壳放置于另一端，形成单一平台微型激光器结构。该微型激光器相比于现有技术具有成本低、体积小、结构简单、调节容易，把温度不均匀性对激光器的稳定性的影响降到最低等特点。利用该微型激光器结构可以大大提高生产效率、因此适合大批量自动化生产。

Description

一体化单一平台微型激光器

技术领域

本发明涉及光学领域，尤其设计一种微型激光器。

背景技术

LD泵浦的固体激光器由于具有较高的能量转换效率以及体积小巧、结构紧凑、寿命长和全固化等优点而具有广阔的应用前景。发出绿色激光的绿光激光器就是一种常见的固体激光器。一般的LD泵浦的绿光激光器的结构如图8所示，包括：LD泵浦光源A01、热沉A06、聚焦耦合镜A02、激光增益介质A03、光学倍频晶体A04以及输出滤波片A05。图8为现有技术中一种封装方式，即通过聚焦耦合镜A02改变光线的扩散角，将LD泵浦光源A01发出的泵浦光入射到激光增益介质产生基频光，倍频晶体将接收到的基频光变成倍频光，实现绿光输出。这种封装方式的激光器结构比较复杂，较难实现微型化，且成本较高，不适合大批量生产。常见的封装方式还有蝶形封装，现有的蝶形封装的缺点是只适用于封装半导体激光器，不适用于LD泵浦的固体激光器[1]。

发明内容

本发明的目的是克服现有LD泵浦固体激光器中难以调节、难以小型化、对温度敏感等缺陷，提供一种易调节输出较高光功率的LD泵浦的微型固体激光器。

本发明采用的技术方案是：

一种微型激光器，包括LD泵浦光源、热沉、反射镜、PD反馈器、输出滤波片、以及由激光增益介质和光学倍频晶体构成的激光模块。其特点是，上述元件均以金属管壳作为承载并固定在其上，且所有组件均封装在激光器保护管壳内，热沉安装在金属管壳的一端；LD泵浦光源固定在热沉上；所述激光模块及其上的镀膜共同形成光学谐振腔，固定在金属管壳的底部内壁上；所述LD泵浦光源发出的泵浦光照射在所述激光模块上；反射镜与金属管壳呈45°放置，PD反馈器置于反射镜下方，输出滤波片垂直于金属管壳放置于另一端，形成单一平台微型激光器结构。

上述方案中，LD泵浦光源可以为阵列型，LD泵浦光源的发光点间距大于0.1mm。在金属管壳的底部内壁上有1处刻有一定深度的凹槽，平行于激光增益介质的入射端面；此凹槽位于LD泵浦光源与激光模块之间；与该凹槽垂直地刻有多条一定深度的凹槽，这些凹槽分别与阵列型LD泵浦光源的各发光点对齐，位于由激光增益介质和光学倍频晶体构成的激光模块的下方。

上述方案中，所述绿光激光器的金属管壳上有2处刻有定位线；2处定位线分别定位所述LD泵浦光源的放置位置以及激光模块到LD泵浦光源的最佳距离。

上述方案中，所述绿光激光器的金属管壳的内壁上有1处刻有一定深度的凹槽，平行于激光增益介质的入射端面；其特征在于，此凹槽位于LD泵浦光源与激光模块之间。

本发明还提供另一种微型激光器，包括LD泵浦光源、热沉、反射镜、PD反馈装置、输出滤波片、激光增益介质和光学倍频晶体。其特点是，上述元件均以金属管壳作为承载并固定在其上，且所有组件均封装在激光器保护管壳内，热沉安装在金属管壳的一端，形成单一平台微型激光器结构；LD泵浦光源固定在热沉上；所述激光增益介质和光学倍频晶体及其上的镀膜共同形成光学谐振腔，分别固定在金属管壳的内壁上；所述LD泵浦光源发出的泵浦光照射在所述激光增益介质和光学倍频晶体上；反射镜与金属管壳呈45°放置，PD反馈器置于反射镜下方，输出滤波片垂直于金属管壳放置于另一端，形成单一平台微型激光器结构。

上述方案中，LD泵浦光源可以为阵列型，LD泵浦光源的发光点间距大于0.1mm。在金属管壳的底部内壁上有1处刻有一定深度的凹槽，平行于激光增益介质的入射端面；此凹槽位于LD泵浦光源与激光模块之间；与该凹槽垂直地刻有多条一定深度的凹槽，这些凹槽分别与阵列型LD泵浦光源的各发光点对齐，位于由激光增益介质和光学倍频晶体的下方。

上述方案中，所述微型激光器的金属管壳上有3处刻有定位线；所述定位线分别定位LD泵浦光源的放置位置、激光增益介质到LD泵浦光源的最佳距离以及光学倍频晶体到激光增益介质的最佳距离。

上述方案中，所述微型激光器的金属管壳的内壁上有2处刻有一定深度的凹槽，平行于激光增益介质的入射端面；其特征在于，所述凹槽分别位于LD泵浦光源与激光模块之间和激光增益介质与光学倍频晶体之间。

上述方案中，所述微型激光器的金属管壳的内壁上有1处刻有一定深度的凹槽，平行于激光增益介质的入射端面；其特征在于，所述凹槽位于激光增益介质下方。

上述方案中，所述微型激光器的金属管壳的内壁上有3处刻有一定深度的凹槽，平行于激光增益介质的入射端面；其特征在于，所述凹槽中，有2处分别位于LD泵浦光源与激光模块之间和激光增益介质与光学倍频晶体之间，另一处位于激光增益介质下方。

本发明的优点在于：

1、本发明将LD泵浦的微型激光器的所有组件都封装在一个金属管壳内，结构简单、体积小巧、大大降低了生产成本，适合于大批量生产。

2、与现有技术相比，本发明充分考虑了温度对微型激光器的输出功率的影响，且通过上述方案，将这种影响降至较低的水平。

附图说明

图1a是本发明的绿光激光器的第一个实施例的结构框图；

图1b是本发明的绿光激光器的第一个实施例的结构俯视框图；

图2a是本发明的绿光激光器的第二个实施例的结构框图；

图2b是本发明的绿光激光器的第二个实施例的结构俯视框图；

图3a是本发明的绿光激光器的第三个实施例的结构框图；

图3b是本发明的绿光激光器的第三个实施例的结构俯视框图；

图4a是本发明的绿光激光器的第四个实施例的结构框图；

图4b是本发明的绿光激光器的第四个实施例的结构俯视框图；

图5a是本发明的绿光激光器的第五个实施例的结构框图；

图5b是本发明的绿光激光器的第五个实施例的结构俯视框图；

图6a是本发明的绿光激光器的第六个实施例的结构框图；

图6b是本发明的绿光激光器的第六个实施例的结构俯视框图。

图7a是本发明的绿光激光器的第七个实施例的结构框图；

图7b是本发明的绿光激光器的第七个实施例的结构俯视框图。

图8是现有技术的激光器的结构框图；

具体实施方式

以下结合具体实施例及其附图对本发明进一步说明。

需要说明的是，LD泵浦光源用于发射泵浦光；所述泵浦光的波长可以有多种可能。在以下实施例中，所述LD泵浦光源发射的泵浦光的波长为808nm。

在图1a和图1b是本发明的微型激光器的第一个实施例的结构图。该实施例包括：LD泵浦光源101，固定在热沉102的一端，热沉102的另一端固定在金属管壳105上，此时LD泵浦光源101产生的热量通过热沉102，能够均匀的传递到金属管壳105上，从而达到较好的散热效果。激光增益介质103和光学倍频晶体104胶合在硅片上形成激光模块(例如mGreen模组)。激光增益介质103和光学倍频晶体104上镀有特殊镀膜；激光增益介质103和光学倍频晶体104以及晶体的镀膜共同形成光学谐振腔，固定在金属管壳105的底部内壁上；为了实现稳定的绿光功率输出，将反射镜106与金属管壳105呈45°放置，PD反馈器108置于反射镜106下方，此时有极小部分反射光入射到PD反馈器108上。金属管壳105的材料一般采用铜，热沉102的材料为ALN，激光增益介质103材料为Nd:YVO₄，光学倍频晶体104材料为PPLN(周期性极化铌酸锂)。为保证实施例内部洁净，将上述实施例置于一个半密封的保护管壳107内。图1b是本发明的绿光激光器的第一个实施例的结构俯视图。该实施例中，在金属管壳105的一处刻有定位线100和111，上述定位线100和111是分别用来定位LD泵浦光源101和mGreen模组的距离和LD泵浦光源的位置，在此距离下，绿光输出功率最佳。一般的，LD到激光增益介质103的定位线间距范围为0.3-1mm之间。

上述实施例中，激光增益介质103和光学倍频晶体104的镀膜参数可分为3种情况：1、激光增益介质103的入射端面镀膜为泵浦光高透膜、基频光高反膜、倍频光高反膜，出射端面镀膜为基频光防反膜，倍频光防反膜；光学倍频晶体104的入射端面镀膜为基频光防反膜、倍频光防反膜，出射端面镀膜为倍频光高透膜、基频光高反膜。2、激光增益介质103的入射端面镀膜为泵浦光高透膜、基频光高反膜，出射端面镀膜为基频光防反膜、倍频光高反膜；光学倍频晶体104的入射端面镀膜为基频光防反膜、倍频光防反膜，出射端面镀膜为倍频光高透膜、基频光高反膜。3、激光增益介质103的入射端面镀膜为泵浦光高透膜、基频光高反膜，出射端面镀膜为基频光防反膜；光学倍频晶体104的入射端面镀膜为倍频光高反膜，基频光防反膜，出射端面镀膜为倍频光高透膜、基频光高反膜。

在图2a和图2b是本发明的微型激光器的第二个实施例的结构图。该实施例包括：LD泵浦光源201、热沉202、激光增益介质203、光学倍频晶体204、金属管壳205、反射镜206、输出滤波片209、半密封保护管壳207、PD反馈器208和定位线200、211。不同于前述第一实施例，该实施例中，考虑到LD泵浦光源201和mGreen模组产生的热量不均匀，因此在金属管壳205的一处刻有凹槽210，内填充导热率差的介质，如空气，用以减弱两侧热量交换，从而防止mGreen模组中的晶体表面温度不均发生热形变，从而提高激光晶体的稳定性。一般的，LD与激光增益介质间的凹槽210宽度为0.3-1mm之间。激光器其余结构均与前述实施例一样。

在图3a和图3b是本发明的微型激光器的第三个实施例的结构图。该实施例包括：LD泵浦光源301、热沉302、金属管壳305、反射镜306、输出滤波片309、半密封保护管壳307、PD反馈器308和定位线300、311、312，放置方式均与第二实施例一样。不同于第二实施例，在该实施例中，将激光增益介质303和光学倍频晶体304直接置于金属管壳305上。图3b是本发明的绿光激光器的一个实施例的结构俯视图。该实施例中，在金属管壳305的3处刻有定位线311、312、300，上述是分别用来定位LD泵浦光源301的位置、LD泵浦光源301与激光增益介质303的距离以及激光增益介质303与光学倍频晶体304的距离，在此距离下，绿光输出功率最佳。一般的，LD到激光增益介质的定位线间距范围为0.3-1mm之间；当所述激光器的功率为100-150mW时，激光增益介质的定位线到倍频晶体定位线300距离为0.7-4mm；当所述激光器的功率为100-500mW时，激光增益介质的定位线到倍频晶体定位线300距离为2-6mm；当所述激光器的功率为300-1000mW时，激光增益介质的定位线到倍频晶体定位线300距离为3-10mm；当所述激光器的功率为1000-5000mW时，激光增益介质的定位线到倍频晶体定位线300距离为6-13mm。

考虑到LD泵浦光源发光时自身产生的热量、激光增益介质和光学倍频晶体构成的谐振腔产生的热量均不同，在金属管壳上存在热量分布不均匀、热效应明显，不利于绿光输出的问题。不同于第三个实施例，在第四个实施例中，如图4a和图4b所示。该实施例包括：LD泵浦光源401、热沉402、激光增益介质403、光学倍频晶体404、金属管壳405、反射镜406、输出滤波片409、半密封保护管壳407、PD反馈器408和定位线400、411、412。该实施例中，在金属管壳405的2处刻有凹槽410和413，内填充导热率差的介质，如空气，减弱两侧热量交换。一般的，LD与激光增益介质间的凹槽410宽度为0.3-1mm之间；激光增益介质与光学倍频晶体间的凹槽宽度413为0.2-8mm。激光器其余结构均与第三实施例一样。

由前述可知，由于晶体内部热量分布不均匀，发生热形变导致热效应明显，产生热透镜效应。可将上述第三个实施例的激光系统简化为内含热透镜的等效三镜腔系统，此时能达到较高功率的基模输出，且较为稳定[2]。基于上述考虑，在第五个实施例中，如图5a和图5b所示。该实施例包括：LD泵浦光源501、热沉502、激光增益介质503、光学倍频晶体504、金属管壳505、反射镜506、输出滤波片509、半密封保护管壳507、PD反馈器508和定位线500、511、512，基于第三个实施例的基础上，在金属管壳的底部内壁上有1处刻有一定深度的凹槽510，与激光增益介质503同位置，凹槽内填充导热性能差的介质，如空气，目的是为了增大激光增益介质503的热透镜效应，更利于稳定的基模输出。一般的，激光增益介质下方的凹槽510宽度为0.5-2mm之间。激光器其余结构均与第三实施例一样。

为了增加激光增益介质的热透镜效应，形成稳定的基模输出，同时也希望减弱各个激光器元件间的热量交换，增加激光晶体的稳定性。在第六个实施例中，如图6a和图6b所示。该实施例包括：LD泵浦光源601、热沉602、激光增益介质603、光学倍频晶体604、金属管壳605、反射镜606、输出滤波片609、半密封保护管壳607、PD反馈器608和定位线600、611、612。该实施例中，基于第五个实施例的基础上，在金属管壳605的2处刻有一定深度的凹槽610和613，减弱激光增益介质603和光学倍频晶体604两侧的热量交换。一般的，LD与激光增益介质间的凹槽610宽度为0.3-1mm之间；激光增益介质与光学倍频晶体间的凹槽613宽度为0.2-8mm。激光器其余结构均与第五实施例一样。

上述六个实施例均实现的是绿光点光源的输出，若要实现绿光的大功率面光源输出，还需要对上述实施例进行改进。在第七个实施例中，如图7a和图7b所示。该实施例包括：LD泵浦光源701、热沉702、激光增益介质703、光学倍频晶体704、金属管壳705、反射镜706、输出滤波片709、半密封保护管壳707和定位线700、711、712。不同于第四个实施例的是，LD泵浦光源701为阵列型，LD泵浦光源的发光点间距大于0.1mm，用以实现808nm面光源输出。在金属管壳的底部内壁上有1处刻有一定深度的纵向凹槽710，平行于激光增益介质703的入射端面；此凹槽708位于LD泵浦光源701与激光模块之间。为了实现绿光的大功率稳定输出，除了需要上述条件外，需要利用热透镜效应，因此与该凹槽710垂直地刻有多条一定深度的横向凹槽713，这些凹槽713分别与阵列型LD泵浦光源701的各发光点对齐，位于由激光增益介质703和光学倍频晶体704组成的激光模块(图7b未画出)的下方，如图7b所示。对其中一条横向凹槽713进行说明，由于横向凹槽与纵向凹槽一样，因此导热性能也较差，此区域的激光增益介质703(图7b未画出)的热效应明显，产生热透镜效应；那么当存在多条横向凹槽时，相应区域的激光增益介质703形成热透镜阵列。激光器其余结构均与第五实施例一样。

需要指出的是，以上仅以Nd:YVO₄/MgO:PPLN非线性倍频芯片为例说明了本发明的基本思想。显然，本发明可应用于基于倍频以外，例如差频、和频等非线性过程的激光芯片制作。本发明可应用于绿光激光器外，还可应用于其它波长的激光器。同时还需要指出的是，以上用于制作的激光晶体可为其他掺杂的增益介质，如掺钕钒酸钆(Nd:GdVO₄)等，而非线性倍频晶体可以为其他晶体，例如周期极化的钽酸锂(PPLT)，周期极化的磷酸钛氧钾(PPKTP)，三硼酸锂(LBO)和磷酸钛氧钾(KTP)等。

Claims

1.一体化单一平台微型激光器，包括LD泵浦光源、热沉、反射镜、PD反馈器、输出滤波片、以及由激光增益介质和光学倍频晶体构成的激光模块，其特点是，上述元件均以金属管壳作为承载并固定在其上，且所有组件均封装在激光器保护管壳内，热沉安装在金属管壳的一端；LD泵浦光源固定在热沉上；所述激光增益介质和光学倍频晶体以及晶体的镀膜共同形成光学谐振腔，固定在金属管壳的内壁上；所述LD泵浦光源发出的泵浦光照射在所述激光模块上；输出滤波片垂直于金属管壳放置于另一端，形成单一平台微型激光器结构。

2.权利要求1所述的微型激光器，其特征在于，所述绿光激光器的金属管壳上有2处刻有定位线；所述定位线分别定位所述LD的放置位置和所述激光模块到LD泵浦光源的最佳距离。

3.如权利要求1所述的微型激光器，其特征在于，在金属管壳的底部内壁上有1处刻有一定深度的凹槽，平行于激光增益介质的入射端面；此凹槽位于LD泵浦光源与激光模块之间。

4.权利要求1所述的微型激光器，其特征在于，反射镜与金属管壳呈45放置，PD反馈器置于反射镜正下方；绿光经过反射镜，有极少数绿光被反射，由PD反馈器接收。

5.权利要求1所述的微型激光器，其特征在于，LD泵浦光源为阵列型，LD泵浦光源的发光点间距大于0.1mm。在金属管壳的底部内壁上刻有多条一定深度的凹槽，这些凹槽分别与阵列型LD泵浦光源的各发光点对齐，位于由激光增益介质和光学倍频晶体构成的激光模块的下方，且与光传播方向平行。

6.权利要求1所述的微型激光器，其特征在于，在金属管壳的底部内壁上有1处刻有一定深度的凹槽，平行于激光增益介质的入射端面；此凹槽位于激光增益介质的下方。

7.一种微型激光器，包括LD泵浦光源、热沉、激光增益介质和光学倍频晶体、反射镜、PD反馈器、输出滤波片，其特点是，上述元件均以金属管壳作为承载并固定在其上，且所有组件均封装在激光器保护管壳内，热沉安装在金属管壳的一端；LD泵浦光源固定在热沉上；所述激光增益介质和光学倍频晶体及其上的镀膜共同形成光学谐振腔，分别固定在金属管壳的内壁上；所述LD泵浦光源发出的泵浦光照射在所述激光增益介质和光学倍频晶体上；输出滤波片垂直于金属管壳放置于另一端，形成单一平台微型激光器结构。

8.权利要求7所述的微型激光器，其特征在于，所述绿光激光器的金属管壳上有3处刻有定位线；所述定位线分别定位所述LD的放置位置、激光增益介质到LD泵浦光源的最佳距离以及光学倍频晶体到激光增益介质的最佳距离。

9.权利要求7所述的微型激光器，其特征在于，在金属管壳的底部内壁上有2处刻有一定深度的凹槽，平行于激光增益介质的入射端面；其特征在于，所述凹槽分别位于LD泵浦光源与激光增益介质之间和激光增益介质与光学倍频晶体之间。

10.权利要求7所述的微型激光器，其特征在于，LD泵浦光源为阵列型，LD泵浦光源的发光点间距大于0.1mm。在金属管壳的底部内壁上有多条一定深度的凹槽，这些凹槽分别与阵列型LD泵浦光源的各发光点对齐，位于由激光增益介质和光学倍频晶体的下方，且与光传播方向平行。

11.权利要求7所述的微型激光器，其特征在于，反射镜与金属管壳呈45°放置，PD反馈器置于反射镜正下方；绿光经过反射镜，有极少数绿光被反射，由PD反馈器接收。

12.权利要求7所述的微型激光器，其特征在于，在金属管壳的底部内壁上有1处刻有一定深度的凹槽，平行于激光增益介质的入射端面；其特征在于，所述凹槽位于激光增益介质的下方。

13.权利要求7所述的微型激光器，其特征在于，在金属管壳的底部内壁上有3处刻有一定深度的凹槽，平行于激光增益介质的入射端面；其特征在于，所述凹槽中，有2处分别位于LD泵浦光源与激光增益介质之间和激光增益介质与光学倍频晶体之间，另一处位于激光增益介质下方。

14.权利要求2和8所述的定位线，其特征在于，LD到激光增益介质的定位线间距范围为0.3-1mm之间。

15.权利要求8所述的定位线，其特征在于，当所述激光器的功率为100-150mW时，激光增益介质的定位线到倍频晶体定位线距离为0.7-4mm；当所述激光器的功率为100-500mW时，激光增益介质的定位线到倍频晶体定位线距离为2-6mm；当所述激光器的功率为300-1000mW时，激光增益介质的定位线到倍频晶体定位线距离为3-10mm；当所述激光器的功率为1000-5000mW时，激光增益介质的定位线到倍频晶体定位线距离为6-13mm。

16.权利要求3和9所述的凹槽中，LD与激光增益介质间的凹槽宽度为0.3-1mm之间，深度为0.1-10mm之间。

17.权利要求6和12，13所述的凹槽中，激光增益介质下方的凹槽宽度为0.5-2mm之间，深度为0.1-10mm之间。

18.权利要求9和13之间所述的凹槽中，激光增益介质与光学倍频晶体间的凹槽宽度为0.2-8mm，深度为0.1-10mm之间。