CN103928826A - 一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块 - Google Patents

Abstract

一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块，包括板条激光介质、透明热沉、透明冷却装置、半导体泵浦源；本发明通过在固体板条状激光介质的大面上键合或光胶热导率高、透光性好的透明热沉，及使用透明冷却装置来实现板条激光器的大面同时作为冷却面和泵浦面，以改变现有大面泵浦板条模块只能将上下两个表面分别作为泵浦面和制冷面，单一表面进行制冷容易在沿泵浦光方向纵向上产生热梯度，影响输出光束的光束质量的不足。并以在激光介质大面上键合或光胶的形式代替金属热沉的焊接形式，以消除焊接对激光介质造成的应力，从而实现高功率、高光束质量的激光输出。

Description

一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块

技术领域

本发明涉及一种固体激光器，尤其涉及一种能获得高功率、高光束质量激光输出的一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块。

背景技术

由半导体激光泵浦的全固态激光器，是固体激光技术发展中的巨大革新。它集半导体激光器效率高寿命长、固体激光器光束质量好的优势于一身，得到广泛的应用。目前，固体激光器主要包括棒状激光器、盘片器与板条激光器。其中，棒状激光器由于径向温度梯度大，热透镜效应严重，在获得高功率激光输出的同时难以实现高光束质量；盘片激光器由于盘片厚度薄，轴向增益低，难于实现高效率激光输出；板条激光器轴向增益高，效率高，可以实现高功率、高光束质量激光输出。

目前固体板条激光器泵浦方式主要有：端面泵浦、侧面泵浦、上下表面靠近端面处带状局部泵浦和上下表面大面积泵浦四种。其中，对端面泵浦、侧面泵浦和上下表面靠近端面处带状局部泵浦而言，泵浦光需要整形为狭窄的细长条状，对光束质量要求高、光束整形难度大，并且泵浦面积较小限制了最大的泵浦功率；现有的上下表面大面积泵浦方案可有效解决上述泵浦方案中存在的不足，但只能将上下两个表面分别作为泵浦面和制冷面，单一表面进行制冷容易在沿泵浦光方向的纵向上产生热梯度，影响输出光束的光束质量。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有固体板条激光器上下表面大面积泵浦方案中，上下两个表面分别作为泵浦面和制冷面，单一表面进行制冷容易在纵向上产生热梯度，影响输出光束的光束质量的不足，采用在板条激光介质大面键合或光胶热导率高、透光性好的透明热沉的方式，代替现有的金属热沉焊接的方式，可以消除焊接对激光介质造成的应力，同时使用透明冷却装置，可以实现两表面分别制冷，减小纵向上产生的热梯度，从而实现高功率、高光束质量的激光输出。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块，其特征在于，所述高效冷却的大面泵浦板条激光模块包括：板条激光介质1、透明热沉2、透明冷却装置3和半导体泵浦源4；所述板条激光介质1为具有上下两个大表面的板条状结构，所述板条状结构按纵截面外形分为为矩形板条状结构、以布鲁斯特角切割的平行四边形板条状结构或以布鲁斯特角切割的等腰梯形板条状结构；所述透明热沉2键合或光胶在所述板条激光介质1至少一个大面上；所述透明热沉2选用的透明材料为具有高热导率，并对泵浦源发射的泵浦光透过率高的透明材料；所述透明冷却装置3与所述透明热沉2形成为所述板条激光介质1提供冷却的具有冷却介质循环通道的密封腔；所述半导体泵浦源4所产生的泵浦光对准所述板条激光介质1两大面中的一个或者两个；用于提供更高的泵浦能量时，所述半导体泵浦源4所产生的泵浦光对准所述板条激光介质1的两个大面；用于获得更简单的模块结构时，所述半导体泵浦源4所产生的泵浦光对准所述板条激光介质1的一个大面；所述高效冷却的大面泵浦板条激光模块用作激光谐振腔内的激光振荡器时，需在所述板条激光介质1与透明热沉2之间镀有对泵光高透的增透膜；所述高效冷却的大面泵浦板条激光模块用作激光放大器时，需在所述板条激光介质1与透明热沉2之间镀有对种子光高反且对泵浦光高透的介质膜。

优选地，所述板条激光介质1的材质由掺杂Nd离子的晶体、掺杂Nd离子的玻璃、掺杂Nd离子的陶瓷、掺杂Yb离子的晶体、掺杂Yb离子的玻璃或掺杂Yb离子的陶瓷中的任何一种材料单独制成。

优选地，所述的透明热沉2的材料为碳化硅或透明氧化铝陶瓷。

优选地，所述的透明热沉2的形状为长方体，所述长方体的长和宽与所述板条激光介质1的大面的长和宽相同。

优选地，所述透明热沉2的长方体外形中间设置有微通道。

优选地，所述的透明冷却装置3的材料为石英。

优选地，所述的透明冷却装置3的形状为中间带有长方形槽的长方体，长宽与所述透明热沉2相同，所述透明冷却装置3与所述透明热沉2以O圈密封的方式构成具有冷却介质循环通道的密封腔。

优选地，所述透明冷却装置3内部的冷却介质循环通道中流动的冷却介质为液体冷却介质或气体冷却介质。

优选地，位于所述板条激光介质1与透明热沉2之间的镀膜为SiO2膜。

（三）有益效果

本发明的高效冷却的大面泵浦板条激光模块与现有板条激光器的上下表面大面积泵浦方案相比，采用热导率高、透光性好的透明热沉及使用透明冷却装置的方式，实现上下两个表面同时冷却，从而减小纵向产生的热梯度；同时，透明热沉采用键合或光胶的形式与板条激光介质相连接，可以消除金属热沉焊接对激光介质造成的应力，从而实现高功率、高光束质量的激光输出；透明冷却装置采用石英制成，对泵浦源发射的泵浦光具高透过率，使得透明冷却装置对泵浦源发射的泵浦光损耗较小。应用本发明所述高效冷却的大面泵浦板条激光模块，泵浦光透过透明冷却装置和透明热沉入射到板条激光介质，能实现同一大面的冷却和泵浦。

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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本发明一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块的实施例中的实施例1所描述的激光器装置的结构示意图；

图2是根据本发明一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块的实施例中的实施例2所描述的激光器装置的结构示意图；

图3是根据本发明一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块的实施例中的实施例3所描述的激光器装置的结构示意图；

图4是根据本发明一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块的实施例中的实施例4所描述的激光器装置的结构示意图；

图5是根据本发明一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块的实施例中的实施例5所描述的激光器装置的结构示意图；

图6是根据本发明一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块的实施例中的实施例6所描述的激光器装置的结构示意图。

图中：1、板条激光介质；2－01、第一透明热沉；2－02、第二透明热沉；3－01、第一透明冷却装置；3－02、第二透明冷却装置；4－01、第一半导体泵浦源；4－02、第二半导体泵浦源；5－01、第一泵浦光束；5－02、第二泵浦光束。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例仅用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。

本发明提供的一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块，其包括：板条激光介质1、与所述板条激光介质1键合或光胶在一起的透明热沉2、透明冷却装置3和半导体泵浦源4。

板条激光介质1为具有上下两个大表面的板条状结构，所述板条状结构按纵截面外形分为为矩形板条状结构、以布鲁斯特角切割的平行四边形板条状结构或以布鲁斯特角切割的等腰梯形板条状结构；透明热沉2键合或光胶在板条激光介质1至少一个大面上；透明热沉2选用的透明材料为具有高热导率，并对泵浦源发射的泵浦光透过率高的透明材料；透明冷却装置3与透明热沉2形成为板条激光介质1提供冷却的具有冷却介质循环通道的密封腔；所述半导体泵浦源4所产生的泵浦光对准所述板条激光介质1两大面中的一个或者两个；用于提供更高的泵浦能量时，所述半导体泵浦源4所产生的泵浦光对准所述板条激光介质1的两个大面；用于获得更简单的模块结构时，所述半导体泵浦源4所产生的泵浦光对准所述板条激光介质1的一个大面；高效冷却的大面泵浦板条激光模块用作激光谐振腔内的激光振荡器时，需在板条激光介质1与透明热沉2之间镀有对泵光高透的增透膜；高效冷却的大面泵浦板条激光模块通过注入激光，用作激光放大器时，需在板条激光介质1与透明热沉2之间镀有对种子光高反且对泵浦光高透的介质膜。

本发明中的透明热沉2由热导率高、透光性好的材料制成，被加工成微通道结构以增加冷却面积并形成湍流，进而达到更好的冷却效果。透明热沉2采用键合或光胶的形式与板条激光介质1连接，消除金属热沉焊接带来的应力。透明冷却装置3所用材料对泵浦源发射的泵浦光具高透过率，半导体泵浦源4产生的泵浦光束5通过该透明冷却装置及透明热沉进入板条激光介质，进而实现大面积均匀泵浦；同时由于上下两个表面同时冷却，减小纵向产生的热梯度，从而实现高功率、高光束质量的激光输出。

板条激光介质1的材质由掺杂Nd离子的晶体、掺杂Nd离子的玻璃、掺杂Nd离子的陶瓷、掺杂Yb离子的晶体、掺杂Yb离子的玻璃或掺杂Yb离子的陶瓷中的任何一种材料单独制成。

掺杂Nd离子的晶体为掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)、掺钕钒酸钇（Nd:YVO4）、掺钕钆镓石榴石（Nd:GGG）、掺钕氟化钇锂（Nd:YLF）、掺钕铝酸钇（Nd:YAP）或掺钕氟磷酸锶（Nd:S-FAP）；

掺杂Yb离子的晶体为掺镱钇铝石榴石（Yb:YAG）、掺镱钒酸钇（Yb:YVO4）、掺镱钆镓石榴石（Yb:GGG）、掺镱氟化钇锂（Yb:YLF）、掺镱铝酸钇（Yb:YAP）或掺镱氟磷酸锶（Yb:S-FAP）。

透明热沉2所用的透明材料为碳化硅、透明氧化铝陶瓷，具有高热导率，并对泵浦源发射的泵浦光具有低损耗系数。

透明热沉2的形状为中间带有微通道的长方体，其长宽与板条板条激光介质的大面长宽匹配。

透明冷却装置3其材料为石英，对泵浦源发射的泵浦光具高透过率，使得对泵浦源发射的泵浦光损耗较小。

透明冷却装置3其形状为中间带有长方形槽的长方体，长宽与透明热沉匹配，二者以O圈密封的方式构成具有冷却介质循环通道的密封腔。

透明冷却装置3的冷却通道内的冷却介质为液体冷却介质或气体冷却介质。

半导体泵浦源4置于板条激光介质1一侧大面外侧、或对称地置于板条激光介质1两侧大面外侧；半导体泵浦源4为半导体激光器或半导体激光器阵列。

高效冷却的大面泵浦板条激光模块，可置于激光谐振腔内作为激光振荡器，也可以注入激光，用作激光放大器。

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步描述。

实施例1：

图1所示：一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块，包括：板条激光介质1、第一透明热沉2－01、第二透明热沉2－02、第一透明冷却装置3－01、第二透明冷却装置3－02、第一半导体泵浦源4－01、第二半导体泵浦源4－02、第一泵浦光束5－01和第二泵浦光束5－02。

板条激光介质1选用Nd:YAG晶体，Nd离子掺杂浓度为0.6%，其尺寸为80mm×30mm×3mm的平行六面体板条，板条的两个上下大平面平行，两个左右端面也平行并与大平面成布鲁斯特角；

半导体泵浦源4包含2个泵浦面阵，每个面阵由60个半导体激光（LD）列阵组成，按20行3列排列，每个LD输出功率20W，波长808nm；半导体泵源3发射的泵浦激光4由光束整形系统整形为80×30mm口径的光束从板条激光介质1的上下两大面对称进入板条激光介质1进行泵浦，用于提供更高的泵浦能量；

板条激光介质1上下两大平面分别键合或光胶热导率高、透光性好的透明热沉2；透明热沉2被加工成微通道结构以增加冷却面积并形成湍流，从而进一步提高冷却效率，透明冷却装置3内部有水冷通道，由循环水进行冷却，由此对板条激光介质1进行冷却；板条激光介质1左右两端面分别镀有1064nm增透膜，可产生高功率、高光束质量的1064nm激光输出。特别的，当板条激光介质上下表面镀有1064nm高反、808nm增透的SiO₂膜时，该激光模块可作为1064nm激光放大器。

实施例2：

图2所示：一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块，包括：板条激光介质1、第一透明热沉2－01、第二透明热沉2－02、第一透明冷却装置3－01、第二透明冷却装置3－02、半导体泵浦源4和泵浦光束5。

由图可知，本实施例基于实施例1中高效冷却的大面泵浦板条激光模块作出了技术改进。与实施例1相比，本实施例在结构上的改进之处在于泵浦方式由双侧大面泵浦改为单侧大面泵浦，用于获得更简单的结构。半导体泵浦源4包含1个泵浦面阵，该面阵由60个半导体激光（LD）列阵组成，按20行3列排列，每个LD输出功率20W，波长808nm。单侧泵浦相对于双侧对称泵浦，结构较简单，更易于操作。

实施例3：

图3所示：一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块，包括：板条激光介质1、第一透明热沉2－01、第二透明热沉2－02、第一透明冷却装置3－01、第二透明冷却装置3－02、第一半导体泵浦源4－01、第二半导体泵浦源4－02、第一泵浦光束5－01和第二泵浦光束5－02。

由图可知，本实施例基于实施例1中高效冷却的大面泵浦板条激光模块作出了技术改进。与实施例1的结构不同之处在于板条激光介质1的纵截面由以布鲁斯特角切割的平行四边形板条结构改为以布鲁斯特角切割的等腰梯形板条结构，用于获得不同方向的激光输出。等腰梯形上下两边尺寸分别为80mm和100mm，板条厚度为3mm，板条宽度为30mm，板条的两个上下大平面平行，两个左右端面与大平面成布鲁斯特角。

实施例4：

图4所示：一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块，包括：板条激光介质1、第一透明热沉2－01、第二透明热沉2－02、第一透明冷却装置3－01、第二透明冷却装置3－02、半导体泵浦源4和泵浦光束5。

由图可知，本实施例基于实施例3中高效冷却的大面泵浦板条激光模块作出了技术改进。与实施例3的结构不同之处在于泵浦方式由双侧大面泵浦改为单侧大面泵浦，用于获得更简单的结构。半导体泵浦源4包含1个泵浦面阵，该面阵由60个半导体激光（LD）列阵组成，按20行3列排列，每个LD输出功率20W，波长808nm。单侧泵浦相比于双侧对称泵浦，结构较简单，更易于操作。

实施例5：

图5所示：一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块，包括：板条激光介质1、第一透明热沉2－01、第二透明热沉2－02、第一透明冷却装置3－01、第二透明冷却装置3－02、第一半导体泵浦源4－01、第二半导体泵浦源4－02、第一泵浦光束5－01和第二泵浦光束5－02。

由图可知，本实施例基于实施例1中高效冷却的大面泵浦板条激光模块作出了技术改进。与实施例1的结构不同之处在于板条激光介质1由以布鲁斯特角切割的平行四边形板条结构改为矩形板条结构，使泵浦光在激光介质中分布更加均匀。所述矩形板条的尺寸为80mm×30mm×3mm。

实施例6：

图6所示：一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块，包括：板条激光介质1、第一透明热沉2－01、第二透明热沉2－02、第一透明冷却装置3－01、第二透明冷却装置3－02、半导体泵浦源4和泵浦光束5。

由图可知，本实施例基于实施例5中高效冷却的大面泵浦板条激光模块作出了技术改进。与实施例5的结构不同之处在于泵浦方式由双侧大面泵浦改为单侧大面泵浦，用于获得更简单的结构。半导体泵浦源4包含1个泵浦面阵，该面阵由60个半导体激光（LD）列阵组成，按20行3列排列，每个LD输出功率20W，波长808nm。单侧泵浦相比于双侧对称泵浦，结构较简单，更易于操作。

以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (9)

1.一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块，其特征在于，所述高效冷却的大面泵浦板条激光模块包括：板条激光介质（1）、透明热沉（2）、透明冷却装置（3）和半导体泵浦源（4）；所述板条激光介质（1）为具有上下两个大表面的板条状结构，所述板条状结构按纵截面外形分为为矩形板条状结构、以布鲁斯特角切割的平行四边形板条状结构或以布鲁斯特角切割的等腰梯形板条状结构；所述透明热沉（2）键合或光胶在所述板条激光介质（1）至少一个大面上；所述透明热沉（2）选用的透明材料为具有高热导率，并对泵浦源发射的泵浦光透过率高的透明材料；所述透明冷却装置（3）与所述透明热沉（2）形成为所述板条激光介质（1）提供冷却的具有冷却介质循环通道的密封腔；所述半导体泵浦源（4）所产生的泵浦光对准所述板条激光介质（1）两大面中的一个或者两个；用于提供更高的泵浦能量时，所述半导体泵浦源（4）所产生的泵浦光对准所述板条激光介质（1）的两个大面；用于获得更简单的模块结构时，所述半导体泵浦源（4）所产生的泵浦光对准所述板条激光介质（1）的一个大面；所述高效冷却的大面泵浦板条激光模块用作激光谐振腔内的激光振荡器时，需在所述板条激光介质（1）与透明热沉（2）之间镀有对泵光高透的增透膜；所述高效冷却的大面泵浦板条激光模块用作激光放大器时，需在所述板条激光介质（1）与透明热沉（2）之间镀有对种子光高反且对泵浦光高透的介质膜。

2.根据权利要求1所述的一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块，其特征在于，所述板条激光介质（1）的材质由掺杂Nd离子的晶体、掺杂Nd离子的玻璃、掺杂Nd离子的陶瓷、掺杂Yb离子的晶体、掺杂Yb离子的玻璃或掺杂Yb离子的陶瓷中的任何一种材料单独制成。

3.根据权利要求2所述的一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块，其特征在于，所述的透明热沉（2）的材料为碳化硅或透明氧化铝陶瓷。

4.根据权利要求3所述的一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块，其特征在于，所述的透明热沉（2）的形状为长方体，所述长方体的长和宽与所述板条激光介质（1）的大面的长和宽相同。

5.根据权利要求4所述的一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块，其特征在于，所述透明热沉（2）的长方体外形中间设置有微通道。

6.根据权利要求5所述的一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块，其特征在于，所述的透明冷却装置（3）的材料为石英。

7.根据权利要求6所述的一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块，其特征在于，所述的透明冷却装置（3）的形状为中间带有长方形槽的长方体，长宽与所述透明热沉（2）相同，所述透明冷却装置（3）与所述透明热沉（2）以O圈密封的方式构成具有冷却介质循环通道的密封腔。

8.根据权利要求7所述的一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块，其特征在于，所述透明冷却装置（3）内部的冷却介质循环通道中流动的冷却介质为液体冷却介质或气体冷却介质。

9.根据权利要求8所述的一种高效冷却的大面泵浦板条激光模块，其特征在于，位于所述板条激光介质（1）与透明热沉（2）之间的镀膜为SiO₂膜。