CN103779772B - 采用复合泵浦耦合的激光器模块及固体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明实施例提供了一种采用复合泵浦耦合的激光器模块及固体激光器。激光器模块包括泵浦源装置、液冷腔以及泵浦耦合装置；液冷腔包括至少一对泵浦窗口、一对激光窗口以及激光增益介质薄片，一对激光窗口分别设置在激光增益介质薄片的端面的法线方向上，至少一对泵浦窗口设置在激光增益介质薄片的侧面的法线方向上；泵浦源用于向泵浦窗口照射泵浦光；泵浦耦合装置用于将泵浦光耦合到泵浦窗口；激光器模块还包括有端部耦合装置，用于将传输到泵浦窗口的泵浦光耦合进激光增益介质薄片。本发明可解决薄片激光器的侧面泵浦耦合问题，使用刚性支撑限制增益介质薄片在液流方向的移动并使用柔性约束固定增益介质薄片，可减轻支撑结构对薄片产生的热应力。

Description

采用复合泵浦耦合的激光器模块及固体激光器

技术领域

本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种采用复合泵浦耦合的激光器模块及具有这种激光器模块的固体激光器。

背景技术

圆棒激光器是固体激光器的一种经典运转模式。目前，圆棒激光器已经可以输出功率千瓦以上。如果继续提高输出功率，则泵浦光将在激光介质内产生更多的废热。如果激光器连续运转，则必须从圆棒的侧面散热。固体激光增益介质的导热率很低，这就在介质内产生了垂直于激光器光轴方向的径向的温度梯度。这将会产生折射率梯度、机械应力、退偏振、失谐以及其他一些效应，引起光束质量变差，输出功率降低，甚至介质破碎。此即固体激光器功率进一步放大需要解决的热管理难题。

垂直于激光器光轴方向的横向温度梯度引起的光学畸变是光束质量变差的根本原因。如果从平行于激光器光轴的方向散热就可以消除横向温度梯度，此即圆片激光器。由于只有一维热流方向，圆片激光器对于热透镜和应力双折射不敏感。相比于其他形式的固体激光器，圆片激光器大的通光口径减轻了衍射损失和光束修边损失。圆片激光器有透射式和反射式两种工作方式。

反射式圆片激光器又称为有源镜放大器，采用大纵横比、边缘固定、几个厘米厚的钕玻璃、闪光灯泵浦、背面液冷的工作方式。有源镜放大器由于散热能力差、边缘支撑引起的热机械变形，使其仍然不适合于高平均功率运转。

有源镜放大器的一个改进是薄片激光器。薄片激光器将厚度为200微米—400微米的薄片直接粘贴在热沉上。目前波音公司已经达到单片平均功率几千瓦的激光输出。

目前的反射式薄片激光器采用单面散热方式。在高功率泵浦条件下，晶体会发生弯曲，使其输出功率不能进一步提高。薄片激光器有两种泵浦方式。一是大面泵浦，二是侧面泵浦。大面即端面，是指薄片中面积最大的两个平面，侧面是指两个大面的边界所围成的曲面。大面泵浦双面液冷薄片激光器已有相关技术的报道。该泵浦方式结构简单，但由于薄片厚度很小，对一次泵浦吸收十分有限，需要多次泵浦或者反射式二次泵浦来增加对泵浦光的吸收，不适于高功率运转。侧面泵浦双面液冷薄片激光器对泵浦光的吸收长度等于或者大于晶体的长度，允许使用激光离子掺杂浓度低的介质。

但是，侧面泵浦双面液冷薄片激光器也存在如下几个泵浦耦合问题：(1)如何有效地将泵浦光从薄片侧面的狭小区域灌入薄片；(2)如何支撑薄片而不产生由于高功率泵浦引起的机械应力；(3)如何将二极管叠层巴条的泵浦光与泵浦窗口匹配；(4)如何消除放大的自发辐射和寄生振荡对反转粒子数的损耗。

侧面泵浦双面液冷薄片激光器，对增益介质薄片的泵浦与冷却的结构设计提出了很大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于解决在侧面泵浦双面液冷薄片激光器的设计中，薄片过薄、无法夹持以及侧面泵浦耦合的问题。

为了达到上述目的，本发明实施例提供一种采用复合泵浦耦合的激光器模块，包括：泵浦源装置、液冷腔以及泵浦耦合装置；所述液冷腔包括激光增益介质薄片、一对激光窗口以及至少一对泵浦窗口，所述一对激光窗口分别设置在所述激光增益介质薄片的端面的法线方向上，所述至少一对泵浦窗口设置在所述激光增益介质薄片的侧面的法线方向上；所述泵浦源用于向所述泵浦窗口照射泵浦光；所述泵浦耦合装置用于将所述泵浦光耦合到所述泵浦窗口；所述激光器模块还包括有端部耦合装置，用于将传输到所述泵浦窗口的泵浦光耦合进所述激光增益介质薄片。

为了达到上述目的，本发明实施例还提供一种固体激光器，包括前腔镜、后腔镜、位于所述前腔镜和后腔镜之间的至少一个激光器模块以及位于所述前腔镜和相邻所述激光器模块之间的相位补偿片；其中，所述激光器模块包括：泵浦源装置、液冷腔以及泵浦耦合装置；所述液冷腔包括激光增益介质薄片、一对激光窗口以及至少一对泵浦窗口，所述一对激光窗口分别设置在所述激光增益介质薄片的端面的法线方向上，所述至少一对泵浦窗口设置在所述激光增益介质薄片的侧面的法线方向上；所述泵浦源用于向所述泵浦窗口照射泵浦光；所述泵浦耦合装置用于将所述泵浦光耦合到所述泵浦窗口；所述激光器模块还包括有端部耦合装置，用于将传输到所述泵浦窗口的泵浦光耦合进所述激光增益介质薄片。

本发明实施例的激光器模块及固体激光器，提出复合泵浦耦合的概念，可以有效地解决薄片激光器的侧面泵浦耦合问题，并且该结构对夹持的增益介质薄片的厚度没有限制；本发明还可以限制放大的自发辐射，明显减轻寄生振荡的反馈；使用刚性支撑限制增益介质薄片在液流方向的移动并使用柔性约束固定增益介质薄片，可以减轻支撑结构对薄片产生的热应力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的采用复合泵浦耦合的叠层固体激光器模块的第1实施例的示意图；

图2为本发明实施例的采用复合泵浦耦合的激光器模块的主要部件的顶视剖面示意图；

图3为图2装置中的液冷腔的第一实施例的各个元件的顶视图与剖面图；

图4为图3所示的液冷腔第一实施例的局部4的放大示意图；

图5为图2装置中的液冷腔的第二实施例的各个元件的顶视图与剖面图；

图6为本发明的采用复合泵浦耦合的叠层固体激光器模块的第2实施例的示意图；

图7为本发明的采用复合泵浦耦合的叠层固体激光器模块的第3实施例的示意图；

图8为本发明实施例的固体激光器的主要部件的剖面示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种可以运转在高平均功率和高光束质量的激光二极管泵浦的双面液冷薄片激光器模块及固体激光器，可以在薄片的侧面有效地泵浦耦合。根据本发明的采用复合泵浦耦合的固体激光器模块，可以作为一个激光谐振器以及激光放大器的结构模块使用。

本发明解决了双面液冷增益介质薄片的侧面泵浦结构问题，提出复合泵浦耦合的概念，克服了现有技术中薄片激光器侧面泵浦困难、耦合效率低，无法实现双面液冷的难题。通过调整泵浦源装置与薄片的距离，可以有效地调整泵浦光在增益介质内分布。

下面将结合附图来描述根据本发明实施例的采用复合泵浦耦合的固体激光器模块。

本发明中“增益介质”是指一种可以被泵浦发生激光越迁的掺杂适当离子的具有基质点阵结构的光学材料。虽然本发明并不局限于特定的激光材料或者特定的泵浦源装置，优选的基质点阵材料为钇铝石榴石，钆镓石榴石，钆钪镓石榴石，氟化锂钇，钒酸钇，磷酸盐激光玻璃，硅酸盐激光玻璃，无热玻璃，蓝宝石，透明多晶陶瓷材料。这些激光介质的适当的掺杂剂包括Ti、Cu、Co、Ni、Cr、Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb。光学泵浦源装置的选择由所选择的激光增益介质的吸收特性决定。优先选择半导体激光二级管作为泵浦源装置，工作模式为连续或者准连续或者脉冲方式。“耦合白片”是指明显不吸收泵浦光的光学材料。耦合白片首选与激光增益介质相同的不掺杂的基质材料。“吸收薄片”是指掺杂有吸收一种或多种激光增益越迁但不会发生粒子数反转的离子的光学材料。这些吸收离子用于吸收放大的自发辐射光子以降低对激光增益介质寄生振荡的反馈。吸收薄片或耦合白片与增益介质薄片的选择平面之间可以通过熔化连接或者扩散连接或其他合适的方法进行粘接。

图1为本发明实施例的采用复合泵浦耦合的激光器模块的结构示意图。如图1所示，本实施例的激光器模块10包括泵浦源装置24、矩形柱面镜32和长条形柱面镜34以及液冷腔12。在本实施例中，矩形柱面镜32和长条形柱面镜34组成泵浦耦合装置。所述泵浦源装置24发出的泵浦光26通过所述泵浦耦合装置34、32照射在所述液冷腔12的泵浦窗口18上。

其中，所述液冷腔12包括一对泵浦窗口18、一对激光窗口20以及激光增益介质薄片14，所述激光增益介质薄片14由光学间隔16等间隔地分隔并平行分布，所述一对激光窗口20分别设置在所述激光增益介质薄片14的最大端面的法线方向上，所述一对泵浦窗口18设置在所述激光增益介质薄片14的侧面的法线方向上。

所述泵浦源24的激光二极管阵列的快轴方向28平行于激光窗口20的法线方向，慢轴方向垂直于激光窗口20的法线方向。所述液冷腔中还包含有冷却液通道，折射率匹配冷却液22沿着所述激光增益介质薄片的端面流动。

所述激光器模块10还包括有端部耦合装置36，其用于将传输到所述泵浦窗口18的泵浦光26耦合进所述激光增益介质薄片14。在本实施例中，端部耦合装置可以设置在所述泵浦窗口18的内侧，位于所述液冷腔12的内部，在其他实施例中，也可以设置在所述泵浦窗口18的外侧。

在本实施例中，激光增益介质薄片14呈长方体外形，端面为两个大的平行平面，侧面为其余的四个平面。

图2为本发明实施例的采用复合泵浦耦合的激光器模块的主要部件的顶视剖面示意图。如图2所示，本实施例为一个半导体激光器泵浦双面液冷薄片激光器模块10。该模块10具有复合泵浦耦合液冷腔12、泵浦源24、泵浦耦合装置44、液冷腔支架42。激光增益介质薄片14通过光学间隔16均匀地分布在复合泵浦耦合液冷腔12中。激光增益介质薄片14两侧粘接未掺杂端部泵浦耦合白片38。复合泵浦耦合液冷腔12安装在液冷腔支架42上。泵浦源装置24发射出的泵浦激光束26通过泵浦耦合装置44对称地照射在液冷腔12的泵浦窗口18上。泵浦光再通过未掺杂端部泵浦耦合白片38被耦合进激光增益介质薄片14中。泵浦激光将增益离子泵浦到激发态产生粒子数反转。激光束46从激光窗口20经过激光增益介质薄片14，消耗反转粒子数，从另一端输出放大的激光束48。在激光运转过程中产生的废热被流动的折射率匹配冷却液22从冷却液通道40带走。

以下将参照附图3-4对本发明图2所示实施例的激光器模块的主要部件进行详细描述。

如图3所示，为图2装置中的液冷腔的第一实施例的各个元件顶视图与剖面图，图4为图3所示液冷腔122的第一实施例的局部4的放大示意图。

如图3和图4所示，本实施例的激光增益介质薄片14由光学间隔16等间隔地平行分布。在激光增益介质薄片14端面的法线方向设置两面激光窗口20，侧面设置两面泵浦窗口18。刚性支撑件52通过光学粘接58将两片光学间隔16刚性连接。激光增益介质薄片14设置在刚性支撑件52之上，顶部通过柔性固定件54固定。光学间隔16与激光窗口20、泵浦窗口18之间采用光学粘接58固定。光学间隔16与薄片14之间无粘接接触60对齐。所述光学粘结由以下几组方法之一完成：熔接、扩散连接、光胶、热处理光学连接以及粘胶光学连接。激光增益介质薄片14两端的伸缩缝56的大小由线膨胀系数公式ΔL＝αL₀Δt确定，其中ΔL是薄片14的线性伸长量，α是薄片14的线膨胀系数，L₀是薄片14的常温长度，Δt是薄片升高的温度。例如对于Nd:YAG，[100]方向的热膨胀系数是8.2×10^-6℃^-1，温度升高100℃，10mm的晶片的伸长量约为0.01mm。因此在薄片口径较小时，控制薄片的加工公差即可。在激光增益介质薄片14受热膨涨时，薄片可以自由伸长，不受刚性支撑件52的限制。柔性固定件54对薄片的应力可以忽略不计。折射率匹配冷却液22从冷却液通道40经过，把泵浦光产生的废热带走。在泵浦窗口18、激光增益介质薄片14的两侧或端部设置泵浦光防反射膜层62，在激光窗口20设置振荡激光防反射膜层64。

如图4所示，在泵浦窗口18的外侧设置端部耦合装置36。矩形薄片14的四个侧面切出1°～5°的薄片边界斜面66，在薄片边界斜面66与泵浦窗口18之间，可以进一步设置有吸收薄片68。薄片边界斜面66和吸收薄片68的作用是减轻放大的自发辐射，抑制寄生振荡对反转粒子数的消耗。在薄片14的侧面、光学间隔16、泵浦窗口18、端部耦合装置36设置泵浦光防反射膜层62。在薄片14的两个端面设置泵浦光高反射膜层70。泵浦激光束26经端部耦合装置36经过泵浦窗口18，被耦合进薄片14。泵浦光防反射膜层62保证泵浦光继续在薄片内传播。在本实施例中，所述端部耦合装置包括至少一对镀泵浦光高反射膜层70的反射面的未掺杂单侧耦合白片72用于汇聚所述泵浦光。在其他实施例中，所述端部耦合装置包括至少一个曲面用于透镜作用汇聚所述泵浦光。

当所述端部耦合装置包括至少一对反射面时，所述至少一对反射面设置在所述激光增益介质薄片的端面两侧，与所述端面成小于45°的锐角；或者，所述至少一对反射面设置在所述激光增益介质薄片的侧面上，与所述端面成小于45°的锐角。

当所述端部耦合装置包括至少一个曲面时，所述至少一个曲面设置在所述泵浦窗口的内侧，位于所述液冷腔的内部；或者，所述至少一个曲面设置于所述泵浦窗口的外侧。

如图4所示，适当选择端部耦合装置36的焦距，使焦点位于薄片14端部内合适位置，使进入薄片14的泵浦光在薄片内发生全内反射，则无需在薄片14两侧设置泵浦光高反射膜层70。薄片边界斜面66可以进一步设置成布儒斯特角，则可以省略泵浦光防反射膜层62。

在本实施例中泵浦源装置24为二极管阵列叠层。二极管阵列的快轴平行于或者垂直于薄片两个大平面的法线方向。二极管阵列叠层均匀分布在以叠层薄片中心为圆点，二极管阵列叠层到圆点距离为半径的圆弧上。

通过上述实施例，可以得到：本发明实施例的采用复合泵浦耦合的固体激光器模块中的激光增益介质薄片呈长方体外型，具有两个大的平行平面。四个侧面与大平面的法线所成二面角切成1°～5°，用以减缓放大的自发辐射，在泵浦窗口与增益薄片之间，夹一片截面为梯形的振荡激光吸收介质薄片。振荡激光吸收介质薄片对振荡激光高吸收，对泵浦光高增透。并且，激光增益介质薄片14置于刚性支撑件52之上，用柔性固定件54固定。当激光增益介质薄片14在高功率泵浦条件下产生热膨胀时，柔性固定件54随着增益介质薄片的膨胀而伸长，不会对增益介质薄片产生附加应力。

如图5所示，为图2中的装置中的液冷腔的第二实施例的各个元件顶视图与剖面图。该实施例与图3的区别在于将端部耦合装置36安置在液冷腔124的内部，成为圆形端部泵浦耦合片74。圆形耦合片74是未掺杂的与增益介质基质相同的材料，或者掺杂对振荡激光吸收的离子，而对泵浦光高透过，这样可以减轻放大的自发辐射和寄生振荡效应，减小对反转粒子数的消耗。

图6为本发明的采用复合泵浦耦合的叠层固体激光器模块第2实施例的示意图。如图6所示，本实施例包括三个泵浦窗口，泵浦源24发射泵浦激光束，经过正交柱面透镜80，进入锥形空心导光管78，再经过端部耦合装置36，进入六边形晶体薄片76。所述导光管78内壁镀泵浦光高反射膜层。折射率匹配冷却液22从六边形晶体薄片76的一边流入，从不相邻的两边流出。

图7为本发明的采用复合泵浦耦合的叠层固体激光器模块第3实施例示意图。如图7所示，泵浦耦合装置包括正交柱面透镜80和锥形空心导光管78，所述锥形空心导光管78内壁镀泵浦光高反射膜70，液冷腔12利用内表面设置泵浦光高反射膜层70的具有锥形空心导光管70的耦合装置，将泵浦源装置24经由正交柱面透镜80的泵浦激光束26汇聚到液冷腔12的泵浦窗口18上。

图8为本发明实施例的固体激光器的主要部件的剖面示意图。固体激光器100包括放大器模块90和92，后腔镜81，前腔镜82，位于所述前腔镜82和后腔镜81之间的激光器模块(图8中示出两个激光器模块)，以及位于前腔镜82和相邻激光器模块92之间的相位补偿片84。94为出射激光。在本发明的固体激光器中，可以使用最小非零偶数个所述激光器模块，每对激光器模块的冷却液流动方向相反，以补偿冷却液温度差造成的激光辐射的光程差。在图8所示实施例中，在冷却液方向由于液流的温度差形成的光程差，可以设置反向流动的冷却液86和88予以补偿。进一步的，相位补偿可加入一片相位补偿片84来补偿。

根据本发明上述实施例的采用复合泵浦耦合的激光器模块及固体激光器的描述，复合泵浦耦合的概念包括分立式透镜组或者空心透镜导光管的初次耦合，薄片端部耦合或侧面耦合的二次耦合以及薄片双面镀泵浦光高反射膜层的三次耦合。

本发明实施例的激光器模块及固体激光器，提出复合泵浦耦合的概念，可以有效地解决薄片激光器的侧面泵浦耦合问题，并且该结构对夹持的增益介质薄片的厚度没有限制；本发明还可以限制放大的自发辐射，明显减轻寄生振荡的反馈；使用刚性支撑限制增益介质薄片在液流方向的移动并使用柔性约束固定增益介质薄片，可以减轻支撑结构对薄片产生的热应力。

本发明中应用了具体实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (11)

1.一种采用复合泵浦耦合的激光器模块，其特征在于，包括泵浦源装置、液冷腔以及泵浦耦合装置；

所述液冷腔包括激光增益介质薄片、一对激光窗口以及至少一对泵浦窗口，所述一对激光窗口分别设置在所述激光增益介质薄片的端面的法线方向上，所述至少一对泵浦窗口设置在所述激光增益介质薄片的侧面的法线方向上；

所述泵浦源用于向所述泵浦窗口照射泵浦光；

所述泵浦耦合装置用于将所述泵浦光耦合到所述泵浦窗口；

所述激光器模块还包括有端部耦合装置，用于将传输到所述泵浦窗口的泵浦光耦合进所述激光增益介质薄片。

2.根据权利要求1所述的采用复合泵浦耦合的激光器模块，其特征在于，在所述液冷腔中，所述激光增益介质薄片由光学间隔等间隔地隔开并平行分布，所述光学间隔之间通过刚性支撑件光学粘结，所述激光增益介质薄片设置在所述刚性支撑件上，其顶部通过柔性固定件固定，所述光学间隔与所述激光增益介质薄片之间无粘结接触对齐。

3.根据权利要求1所述的采用复合泵浦耦合的激光器模块，其特征在于，所述液冷腔中还包含有冷却液通道，冷却液沿着所述激光增益介质薄片的端面流动。

4.根据权利要求1所述的采用复合泵浦耦合的激光器模块，其特征在于，所述激光窗口的法线方向与激光辐射成布儒斯特角；

或者，

所述激光窗口的法线方向与所述激光辐射的方向平行，且所述激光窗口具有激光辐射的防反射膜层。

5.根据权利要求1所述的采用复合泵浦耦合的激光器模块，其特征在于，所述端部耦合装置包括至少一对反射面用于汇聚所述泵浦光；

或者/和，

所述端部耦合装置包括至少一个曲面用于透镜作用汇聚所述泵浦光。

6.根据权利要求5所述的采用复合泵浦耦合的激光器模块，其特征在于，所述至少一对反射面设置在所述激光增益介质薄片的端面两侧，与所述端面成小于45°的锐角；

或者，

所述至少一对反射面设置在所述激光增益介质薄片的侧面上，与所述端面成小于45°的锐角。

7.根据权利要求5所述的采用复合泵浦耦合的激光器模块，其特征在于，所述至少一个曲面设置在所述泵浦窗口的内侧，位于所述液冷腔的内部；

或者，

所述至少一个曲面设置于所述泵浦窗口的外侧。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的采用复合泵浦耦合的激光器模块，其特征在于，所述泵浦耦合装置包括正交柱面透镜和空心导光管，所述空心导光管内壁镀泵浦光高反射膜层。

9.根据权利要求1-7中任一项所述的采用复合泵浦耦合的激光器模块，其特征在于，所述泵浦源装置包括至少一个二极管阵列。

10.根据权利要求1-7中任一项所述的采用复合泵浦耦合的激光器模块，其特征在于，使用最小非零偶数个所述激光器模块，每对激光器模块的冷却液流动方向相反，用于补偿冷却液温度差造成的激光辐射的光程差。

11.一种固体激光器，其特征在于，包括前腔镜、后腔镜、位于所述前腔镜和后腔镜之间的至少一个激光器模块以及位于所述前腔镜和相邻所述激光器模块之间的相位补偿片；

其中，所述激光器模块包括：泵浦源装置、液冷腔以及泵浦耦合装置；

所述液冷腔包括激光增益介质薄片、一对激光窗口以及至少一对泵浦窗口，所述一对激光窗口分别设置在所述激光增益介质薄片的端面的法线方向上，所述至少一对泵浦窗口设置在所述激光增益介质薄片的侧面的法线方向上；

所述泵浦源用于向所述泵浦窗口照射泵浦光；

所述泵浦耦合装置用于将所述泵浦光耦合到所述泵浦窗口；

所述激光器模块还包括有端部耦合装置，用于将传输到所述泵浦窗口的泵浦光耦合进所述激光增益介质薄片。