CN103928832A

CN103928832A - 半导体二极管端面泵浦模块、及其制造方法和具有其的激光器

Info

Publication number: CN103928832A
Application number: CN201410176487.9A
Authority: CN
Inventors: 赵裕兴; 李立卫
Original assignee: Suzhou Delphi Laser Co Ltd
Current assignee: Suzhou Delphi Laser Co Ltd
Priority date: 2014-04-29
Filing date: 2014-04-29
Publication date: 2014-07-16

Abstract

本发明提供一种半导体二极管端面泵浦模块，包括：半导体二极管泵浦源，用于产生泵浦光；准直聚焦单元，所述准直聚焦单元用于将所述泵浦光准直并聚焦至一激光晶体内；晶体安装座，其上设置有用于安装所述激光晶体的通孔，所述通孔内壁镀有反射层，其中，自所述激光晶体内发散的泵浦光可被所述反射层反射回所述激光晶体内再次吸收。与现有技术相比，本发明通过在晶体安装座的通孔内壁上度反射层，使得经过反射的泵浦光在整个晶体内部完成多次吸收，大大增加了泵浦光与基模震荡光的重叠率，提升了泵浦光的利用效率。

Description

半导体二极管端面泵浦模块、及其制造方法和具有其的激光器

技术领域

本发明涉及激光技术与器件领域，尤其涉及一种半导体二极管端面泵浦模块、及其制造方法和具有其的激光器。

背景技术

二极管泵浦固体激光器（DPSSL）在激光打标、激光微加工、太阳能电池加工、激光显示技术、激光医学和科研等领域都有广泛的应用，具有很大的市场潜力。

二极管泵浦固体激光器主要采用的泵浦方式有端面泵浦方式和侧面泵浦方式。端面泵浦方式相较于侧面泵浦方式，泵浦光和振荡光空间重叠率高，输出激光光光转换效率高，光斑模式好，激光器很容易获得基模运转，基模转换效率可以到40%以上。端面泵浦结构通常包含光纤耦合半导体二极管，准直聚焦光学系统，激光晶体及散热安装座，激光晶体用铟箔包裹，放在散热安装座内散热。光纤耦合半导体二极管输出的泵浦光通过准直聚焦光学系统汇聚到激光晶体内部，泵浦光经过准直聚焦后，发散角很大，只有在晶体内的几个毫米长度与振荡光重合度高，经过这个长度后，利用率会越来越低，对于没有被吸收的泵浦光来说是一种浪费。

发明内容

本发明的目的在于提供一种半导体二极管端面泵浦模块，采用特殊结构的晶体安装座，提升泵浦光的利用效率。

本发明的目的还在于提供一种半导体二极管端面泵浦模块的制造方法。

本发明的目的还在于提供一种激光器。

为实现上述发明目的之一，本发明提供一种半导体二极管端面泵浦模块，包括：

半导体二极管泵浦源，用于产生泵浦光；

准直聚焦单元，所述准直聚焦单元用于将所述泵浦光准直并聚焦至一激光晶体内；

晶体安装座，其上设置有用于安装所述激光晶体的通孔，所述通孔内壁镀有反射层，其中，自所述激光晶体内发散的泵浦光可被所述反射层反射回所述激光晶体内再次吸收。

作为本发明的进一步改进，所述激光晶体与所述通孔内壁间填充有硅胶。

作为本发明的进一步改进，所述激光晶体为圆柱型小通光孔径晶体，其直径为1.2~2.0mm，长度为25~50mm。

作为本发明的进一步改进，所述激光晶体为掺钕钒酸钇晶体或掺钕钇铝石榴石晶体，晶体参杂浓度为0.5%~1%。

作为本发明的进一步改进，所述半导体二极管泵浦源采用带尾纤的半导体二极管，其尾纤纤芯直径为400μm,数值孔径为0.22。

作为本发明的进一步改进，所述半导体二极管泵浦源的功率为100W，泵浦光中心波长为888.5nm或879.5nm或885nm或914nm。

作为本发明的进一步改进，所述反射层的材质为金。

为实现上述另一发明目的，本发明提供一种激光器，包括如上所述的半导体二极管端面泵浦模块。

为实现上述又一发明目的，本发明提供一种半导体二极管端面泵浦模块的制造方法，包括以下步骤：

在所述晶体安装座上开设与所述通孔连通的狭缝；

在所述通孔内壁上镀所述反射层；

将所述激光晶体配置于所述通孔内；

通过所述狭缝将硅胶注入所述激光晶体与所述通孔之间，并烘干以固定所述激光晶体；

沿泵浦光的光路依次设置所述半导体二极管泵浦源、准直聚焦单元、以及安装在所述晶体安装座内的激光晶体。

作为本发明的进一步改进，所述泵浦光是从所述激光晶体的端面入射的。

本发明的有益效果是：本发明通过在晶体安装座的通孔内壁上度反射层，使得经过反射的泵浦光在整个晶体内部完成多次吸收，大大增加了泵浦光与基模震荡光的重叠率，提升了泵浦光的利用效率。

附图说明

图1是本发明一实施例中半导体二极管端面泵浦模块的结构示意图；

图2为本发明半导体二极管端面泵浦模块的制造方法步骤图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参图1所示，所述半导体二极管端面泵浦模块，包括半导体二极管泵浦源1，准直聚焦单元，激光晶体4，晶体安装座5，所述晶体安装座5设有与激光晶体4适配的通孔51，通孔51的内壁上镀有反射层，激光晶体4可放入该通孔51。

半导体二极管泵浦源1，用于产生泵浦光，优选地，采用带尾纤的半导体二极管，其尾纤纤芯直径为400μm,数值孔径NA为0.22，其功率为100W，泵浦光中心波长为888.5nm或879.5nm或885nm或914nm。中心波长为888.5nm的泵浦光可将粒子直接从基态激发到激光上能级，有效的减小了量子亏损，使得激光晶体可承受大于150W的泵浦功率，同时也能降低晶体热效应。

准直聚焦单元，用于将所述泵浦光准直并聚焦至激光晶体4内，包括一准直透镜2和一聚焦透镜3。其中，准直透镜2，设置于半导体二极管泵浦源1的泵浦光输出端，用于将半导体二极管泵浦源1的泵浦光准直成平行光束；聚焦透镜3，在泵浦光的光路上设置于准直透镜2与晶体安装座5之间，用于经准直透镜2作用形成的平行光聚焦射入激光晶体4内。

激光晶体4，为圆柱形的小通光孔径晶体，即其端面直径很小，为1.2-2.0mm，长度为25~50mm，晶体参杂浓度为0.5%~1%。优选掺钕钒酸钇（Nd:YVO₄）晶体或（Nd:YAG）晶体。采用这种小通光孔径晶体，泵浦光从其端面入射后，将泵浦光限制在接近基模模体积内传输，增加了泵浦光与基模基模振荡光的重叠率，可以大幅度提升基模转换效率和泵浦光利用率。

晶体安装座5，用来固定激光晶体4，其上设有通孔51，用来放置激光晶体4，所述通孔51与激光晶体4适配，即激光晶体4的直径比通孔51的直径稍小，激光晶体4从晶体安装座5的一侧通过通孔51穿入晶体安装座5，激光晶体4与通孔51的内壁有一定的空隙，为了使激光晶体4固定在通孔51中，本发明使用硅胶滴入激光晶体4与通孔51的空隙中，这里需要说明的是，晶体安装座5的上表面设有狭缝52，所述狭缝52与所述通孔51连通，且长度与通孔的长度一致，硅胶就是通过狭缝52滴入激光晶体4与通孔51的空隙中的。滴入硅胶的另一目的是帮助激光晶体4散热，硅胶经过烘干替代了现有的铟箔实现导热功能，同时保持对泵浦光有较高的透过率。

进一步地，在通孔51的内壁上镀有反射层（未图示），泵浦光入射到激光晶体4的端面后，经过了几个毫米的吸收，剩余的发散的泵浦光照射到通孔51的内壁的金属层上，该金属层作为反射面可将泵浦光再次反射到激光晶体4内部进行再次吸收，剩余的发散的泵浦光又再次照射到通孔51的内壁的金属层上，金属层再次将泵浦光反射到激光晶体4内部进行吸收，经过上述多次反射的泵浦光在整个激光晶体4的内部完成多次吸收，提高了泵浦光的利用率。该反射层的材质优选为金。

具体地，在本发明一实施例中，带尾纤的半导体二极管泵浦源1的功率为100W，发出中心波长为888.5nm的泵浦光，在光路上依次设置准直透镜2、聚焦透镜3，晶体安装座5，激光晶体4通过硅胶固定在晶体安装座5的通孔51中。在激光晶体4采用圆柱形的掺钕钒酸钇（Nd:YVO₄）晶体，其中，Nd:YVO₄晶体采用小通光孔径，其直径只有1.5mm,晶体参杂浓度为0.75%，晶体长度为30mm。中心波长为888.5nm的泵浦光经过准直透镜2变成平行光束再经过聚焦透镜3聚焦入射到Nd:YVO₄晶体的端面上，经过该Nd:YVO₄晶体几个毫米的吸收后，发散的剩余泵浦光照射到通孔51内壁的反射层上，反射层将泵浦光再次反射到Nd:YVO₄晶体内部进行再次吸收，经过多次反射的泵浦光在Nd:YVO₄晶体内部完成多次吸收，增加了泵浦光与基模震荡光的重叠率，提升了泵浦光的利用率。

进一步地，可在聚焦透镜3与晶体安装座5插入镀有对1064nm高反射膜、对888.5nm高透膜的镜片（未图示），在激光晶体4远离聚焦透镜3的一端放置镀有对1064nm部分反射部分透射膜的镜片（未图示）可构成半导体二极管端面泵浦激光器，对1064nm高反射膜、对888.5nm高透膜的镜片与对1064nm部分反射部分透射膜的镜片之间形成泵浦激光器的谐振腔，泵浦光可在其中谐振。该泵浦激光器在抽运光功率100W时，半导体二极管泵浦源发出中心波长为888.5nm的泵浦光，该光依次经过准直透镜2、聚焦透镜3、镀有对1064nm高反射膜、对888.5nm高透膜的镜片、激光晶体4、对1064nm部分反射部分透射膜的镜片后获得了中心波长为1064nm的激光，其输出功率为62W，用光束质量分析仪测得光束质量因子M²<1.3，激光器运行8小时的稳定度小于3%。从结果可以看出，本发明半导体二极管端面泵浦模块，具有基模光光转换效率高（大于60%），输出功率高，改善输出光束质量，运行稳定等优点，可以广泛用于固体激光应用领域。

参图2所示，本发明中半导体二极管端面泵浦模块，可通过以下方法制造：

S1、在所述晶体安装座上开设与所述通孔连通的狭缝，优选地，狭缝的长度与通孔的长度一致。

S2、在所述通孔内壁上镀所述反射层，该反射层的材质优选为金。激光晶体内发散的泵浦光可被该反射层反射回所述激光晶体内再次吸收。

S3、通过所述狭缝将硅胶注入所述激光晶体与所述通孔之间，并烘干以固定所述激光晶体，硅胶通过狭缝52滴入激光晶体4与通孔51的空隙中的。滴入硅胶的另一目的是帮助激光晶体4散热，硅胶经过烘干替代了现有的铟箔实现导热功能，同时保持对泵浦光有较高的透过率。

S4、沿泵浦光的光路依次设置所述半导体二极管泵浦源、准直聚焦单元、以及安装在所述晶体安装座内的激光晶体。泵浦光从半导体二极管泵浦源1射出，依次经过准直透镜2、聚焦透镜3并从激光晶体4的端面入射到激光晶体4内，泵浦光从激光晶体端面入射的好处在于泵浦光和振荡光空间重叠率高，输出激光光光转换效率高，光斑模式好，激光器很容易获得基模运转，基模转换效率高。

相应地，本发明还提供一种激光器（未图示），该激光器通过采用上述各实施方式中介绍的半导体二极管端面泵浦模块，可以取得上述各实施方式中半导体二极管端面泵浦模块具有的有益效果，并且，由于对该半导体二极管端面泵浦模块的其他结构或功能并未做出改进，故在此对该半导体二极管端面泵浦模块的其它结构也不再赘述。

应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种半导体二极管端面泵浦模块，其特征在于，包括：

半导体二极管泵浦源，用于产生泵浦光；

2.根据权利要求1所述半导体二极管端面泵浦模块，其特征在于，所述激光晶体与所述通孔内壁间填充有硅胶。

3.根据权利要求1所述半导体二极管端面泵浦模块，其特征在于，所述激光晶体为圆柱型小通光孔径晶体，其直径为1.2~2.0mm，长度为25~50mm。

4.根据权利要求1所述半导体二极管端面泵浦模块，其特征在于，所述激光晶体为掺钕钒酸钇晶体或掺钕钇铝石榴石晶体，晶体参杂浓度为0.5%~1%。

5.根据权利要求1所述半导体二极管端面泵浦模块，其特征在于，所述半导体二极管泵浦源采用带尾纤的半导体二极管，其尾纤纤芯直径为400μm，数值孔径为0.22。

6.根据权利要求1所述半导体二极管端面泵浦模块，其特征在于，所述半导体二极管泵浦源的功率为100W，泵浦光中心波长为888.5nm或879.5nm或885nm或914nm。

7.根据权利要求1所述半导体二极管端面泵浦模块，其特征在于，所述反射层的材质为金。

8.一种激光器，其特征在于，包括如上任意一项权利要求所述的半导体二极管端面泵浦模块。

9.一种如权利要求1所述的半导体二极管端面泵浦模块的制造方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

在所述晶体安装座上开设与所述通孔连通的狭缝；

在所述通孔内壁上镀所述反射层；

将所述激光晶体配置于所述通孔内；

10.根据权利要求9所述的半导体二极管端面泵浦模块的制造方法，其特征在于，所述泵浦光是从所述激光晶体的端面入射的。