CN104823341A - 具有自对准泵浦光学器件和增强的增益的光学泵浦固态激光器设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光学泵浦固态激光器设备，其包括激光谐振器中的一个或若干固态激光介质（100）以及一个或若干泵浦激光二极管（200）和泵浦辐射反射镜（300）。激光谐振器由布置在固态激光介质（100）的第一侧的一个或若干第一谐振器镜和布置在固态激光介质（100）的第二侧的一个或若干第二谐振器镜（310,320,330）形成。第一和第二谐振器镜被布置成将激光辐射（500）在至少两个不同的直路径上引导通过每一个所述激光介质（100）。泵浦激光二极管（200）被布置成通过泵浦辐射（510）在所述泵浦辐射反射镜（300）处的反射来光学泵浦固态激光介质（100）。泵浦辐射反射镜（300）和第二谐振器镜（310,320,330）一体地形成在单个镜元件（600）中。利用固态激光器设备的该设计，实现了泵浦光学器件的容易对准以及激光器设备的增强的增益。所提出的固态激光器设备可以以紧凑的形式实现。

Description

具有自对准泵浦光学器件和增强的增益的光学泵浦固态激光器设备

技术领域

本发明涉及一种包括激光谐振器中的一个或若干固态激光介质和光学泵浦固态激光介质的一个或若干泵浦激光二极管的光学泵浦固态激光器设备，所述激光谐振器由布置在所述固态激光介质的第一侧的一个或若干第一谐振器镜和布置在所述固态激光介质的相对第二侧的一个或若干第二谐振器镜形成，所述第一和第二谐振器镜被布置成将所述激光谐振器的激光辐射在至少两个不同的直路径上引导通过每一个所述激光介质。用于这种光学泵浦固态激光器设备的示例是光学泵浦垂直延伸腔表面发射激光器（VECSEL）或半导体盘形激光器（SDL），其提供用于具有高亮度、窄带宽和短激光脉冲的介质激光器功率（medium laser powers）的紧凑且低成本的解决方案。这样的激光器设备可以用于要求比激光二极管可以供给的更高的亮度和/或更短的脉冲的众多应用。

背景技术

标准盘形激光器需要泵浦激光器和泵浦激光器光学器件关于激光谐振器的光学模式的精确对准。该对准在激光器设备的制造期间是困难的。此外，这样的激光器通常在低亮度泵浦辐射的功率方面受到限制，所述低亮度泵浦辐射可以聚焦在激光介质的给定有源区域中，这导致激光器设备的低增益。同样地，激光介质中的最大耗散功率密度通常受到冷却方法的限制，特别地受在其上安装激光介质的热沉的限制。

US 5,553,088 A公开了一种包括激光谐振器中的一个或若干盘形固态激光介质的固态激光器设备。至少一个实施例中的激光谐振器由从固态激光介质的第一端面形成的第一谐振器镜和布置在固态激光介质的相对第二侧的若干第二谐振器镜形成。谐振器镜被布置成将激光谐振器的激光辐射在两个不同路径上引导通过激光介质。通过布置在与固态激光介质相同的载体元件处的若干激光二极管从侧面泵浦激光介质。由于激光辐射在不同路径上传播通过激光介质，因此所提出的设备允许激光介质的增强的增益。这还允许所生成的热量的更好分布并且导致改进的冷却。该文献未提出用于在通过激光辐射穿过的激光介质的一个端面进行光学泵浦的情形中泵浦光学器件的更容易对准的任何解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有一个或若干固态激光介质的光学端泵浦固态激光器设备，其使得能够容易地对准泵浦光学器件并且可以以紧凑的方式实现。

利用根据权利要求1的光学端泵浦固态激光器设备实现该目的。设备的有利实施例是从属权利要求的主题或者可以从说明书的后续部分和优选实施例进行推断。

所提出的光学端泵浦固态激光器设备包括激光谐振器中的一个或若干优选地盘形或板形固态激光介质。激光谐振器由布置在固态激光介质的第一侧的一个或若干第一谐振器镜和布置在固态激光介质的与所述第一侧相对的第二侧的一个或若干第二谐振器镜形成。第一和第二谐振器镜被布置成将激光器设备的激光辐射在至少两个不同的直路径上引导通过每一个所述激光介质。激光器可以被设计为例如VECSEL，其中每一个激光介质由形成第一谐振器镜之一的DBR（分布式布拉格反射器）上的量子阱结构形成。然而，还可以实现其它类型的激光器，例如其中固态激光介质为激光晶体的固态激光器。一个或若干激光器泵浦激光二极管和泵浦辐射反射镜被布置成通过在所述泵浦辐射反射镜处的泵浦激光二极管的泵浦辐射的反射来光学泵浦固态激光介质。泵浦辐射反射镜连同第二谐振器镜一起位于第二侧上并且被布置和设计成将泵浦辐射直接反射到第二侧上的固态激光介质的端面。泵浦反射镜和第二谐振器镜一体地形成在固态激光介质的第二侧上的单个镜元件中。第一谐振器镜或谐振器镜可以由第一侧上的激光介质的端面形成。为此目的，晶状激光介质的端面可以被适当地涂敷以实现激光辐射在这些端面处的高反射。在VECSEL或半导体盘形激光器的情形中，第一谐振器镜由在其上布置激光介质（有源介质）的（多个）DBR形成。然而，还可能提供以分离的镜元件的形式的（多个）第一谐振器镜。

本发明的固态激光器设备使用适当设计的镜元件，其将泵浦光定向到固态激光介质中并且同时形成激光谐振器的第二谐振器镜。形成在该镜元件中的泵浦辐射镜被设计成泵浦覆盖在不同路径上通过这些激光介质的激光辐射的模式的激光介质的区域。因此，泵浦射束和激光模式总是重叠而没有复杂的对准，因为形成泵浦光学器件的镜元件的部分总是处于与形成第二谐振器镜的镜元件的部分的固定空间关系中。利用这样的自定心镜元件，泵浦光学器件的对准大幅简化。所提出的设计允许泵浦激光二极管接近激光介质的布置，从而导致固态激光器设备的非常紧凑的设计。由于激光辐射通过固态激光介质的不同路径，可以沉积更高量的泵浦能量，从而导致激光器设备相比于其中激光辐射总是在相同路径上传播通过激光介质的类似激光器而言增强的增益。不同路径还允许更好的热量分布以及因而固态激光器设备的更好冷却。冷却优选地通过具有平面表面的冷却体来实现，激光介质彼此邻近地安装到所述平面表面上。泵浦激光二极管也可以与固态激光介质邻近地和/或在其之间安装于该冷却体上。泵浦激光二极管然后朝向镜元件发射基本上垂直于固态激光介质的端面的泵浦辐射。冷却体可以是块状材料、特别是金属的热沉，并且还可以具有用于空气冷却的冷却散热片。还可能将该冷却体实现为用于例如水的冷却液的腔室，所述冷却液在激光器设备的操作期间被泵浦通过冷却体。

泵浦激光二极管可以是单个二极管或激光二极管的阵列，例如垂直腔表面发射激光器（VCSEL）阵列或微芯片VECSEL阵列。镜元件的主体优选地由光学透明材料形成，例如经涂敷的玻璃或经涂敷的塑料。用于镜的涂层可以由金属化涂层或电介质涂层形成，如本领域中已知的那样。

所提出的激光器设备可以包括彼此邻近地安装在适当的载体元件、特别是冷却体上的至少两个固态激光介质。这些激光介质中的每一个优选地被载体元件上的若干泵浦激光二极管围绕。镜元件然后可以包括用于每一个所述激光介质的一个泵浦辐射反射镜，所述泵浦辐射反射镜优选地关于对应激光介质定心。在镜元件上，这些泵浦辐射反射镜布置在第二谐振器镜之间，将来自激光介质之一的激光辐射反射到邻近的激光介质。这导致通过激光器设备的第一和第二谐振器镜之间的激光辐射的曲折路径并且导致通过激光介质的不同直路径。泵浦激光二极管和泵浦辐射反射镜被布置和设计成使得这些路径中的每一个被充分地光学泵浦以实现所要求的增益。镜元件的两个外部谐振器镜中的一个被设计成形成激光谐振器的出耦合镜。这意味着该镜允许激光辐射的小部分通过该镜到激光谐振器的外部的通路。

在另外的实施例中，所提出的固态激光器设备包括布置在适当的载体元件上的一个单个固态激光介质。同样地在该实施例中，固态激光介质优选地被所述载体元件上的若干泵浦激光二极管围绕。在该实施例中，镜元件可以包括形成第二谐振器镜的中心区以及被设计成将泵浦辐射反射到固态激光介质并形成（多个）泵浦辐射反射镜的外部区。取决于第二谐振器镜的数目，激光辐射可以在大幅多于两个的不同路径上被引导通过激光介质，从而导致通过激光器设备的第一和第二谐振器镜之间的激光辐射的曲折路径，如在之前的实施例中那样。镜元件的外部区然后被设计成在覆盖通过该激光介质的激光辐射的所有不同路径的模式的固态激光介质的面向（facing）端面处生成泵浦辐射的强度分布。同样地在该实施例中，第二谐振器镜之一被设计成形成激光谐振器的出耦合镜。

本发明的这些和其它方面将从以下描述的实施例显而易见并且将参照所述实施例进行阐述。

附图说明

在下文中通过示例的方式结合附图更详细地描述所提出的固态激光器设备。各图示出：

图1 所提出的激光器设备的第一示例的横截面侧视图；

图2 图1的激光器设备的固态激光介质上的顶视图；

图3 图1的激光器设备的镜元件上的顶视图；

图4 所提出的固态激光器设备的第二示例上的横截面侧视图；

图5 图4的激光器设备的固态激光介质上的顶视图；

图6 图4的激光器设备的镜元件上的顶视图；

图7 沿着图6中所指示的环形路径A的横截面视图。

具体实施方式

图1示出所提出的固态激光器设备的第一示例的横截面侧视图。激光器设备包括并排安装在热沉400的平面表面上的三个板形固态激光介质100。这些激光介质100中的每一个可以由VCSEL的有源区域形成并且被若干泵浦激光二极管200围绕，如可以从图2中所示的到激光介质和热沉上的顶视图所识别出的那样。该示例中的激光谐振器由布置在激光介质的两侧上的七个谐振器镜形成。第一谐振器镜由提供激光介质100的VCSEL的DBR形成。端镜320、出耦合镜330和两个折叠镜310布置在激光介质100的相对第二侧上。利用谐振器镜的所示布置，激光辐射500在曲折路径上传播通过激光器设备。每一个激光介质100在两个不同路径上传递。该布置还包括被布置和设计成将泵浦辐射510朝向激光介质100的端面定向的三个泵浦辐射反射镜300。第二谐振器镜310,320,330连同泵浦辐射反射镜300一起一体地形成在一个单个光学元件600中。由于该光学元件可以以高精度制造，因此可以在没有任何另外的对准的情况下完美地确保泵浦辐射反射镜300（即泵浦光学器件）与第二谐振器镜310,320,330之间的相对取向和布置。因而，当安装所提出的激光器设备时，非常容易实现泵浦光学器件关于激光谐振器的对准。泵浦辐射反射镜由如图1中所指示的三个抛物面形成。泵浦激光二极管200的辐射因而被反射并聚焦在有源介质（激光介质100）上并且与这些介质中的谐振器的光学模式重叠。

图3示出其中可以识别出泵浦辐射反射镜300与第二激光器镜（端镜320、折叠镜310和出耦合镜330）的邻近布置的光学元件600上的顶视图。

当然，也可以通过在图1的两个外部激光介质100之间延伸的单个矩形有源介质来替换三个激光介质100。泵浦激光二极管200然后将沿着矩形激光介质的长边定位。镜元件600将会提供在两侧上具有泵浦镜300的直接彼此邻近的折叠镜310。当然，这仅是根据本发明的布置的若干另外的可能性中的一个。

图4示出所提出的固态激光器设备的第二示例的侧视图。在该示例中，仅一个固态激光介质100布置在热沉400的平面表面上。该固态激光介质被热沉400的相同表面上的若干泵浦激光二极管围绕。用于泵浦激光二极管200的这样的布置的示例在图5中的固态激光介质100上的顶视图中示出。

该实施例中的镜元件600包括将泵浦辐射反射到固态激光介质100的端面上的外部段301。镜元件600的中心部分311形成第二谐振器镜。在该情形中，所有泵浦激光二极管200的辐射通过镜元件600的外部部分301中的（多个）泵浦辐射反射镜聚焦在比谐振器的典型模式尺寸更大的单个斑块110上（参见图5）。对于最先进的盘形激光器，比模式尺寸大得多的所泵浦的区域将导致具有减小的亮度的多模式操作。然而在该实施例中，若干折叠镜310的圆形布置在若干不同位置处将激光模式反射通过所泵浦的区域110。折叠镜310的该布置在图6中所示的镜元件600的反射侧上的顶视图中示出。

图7以沿着图6中所指示的圆形线A的横截面视图示出激光辐射的光学路径。在该横截面视图中，还指示出激光谐振器的端镜320和出耦合镜330。由于图7示出沿着圆形线的横截面，因此谐振器端镜320和出耦合镜330彼此邻近地布置在镜元件600上。对于本领域技术人员而言显然的是，所泵浦的区域的中心部分也可以通过折叠镜310的适当布置而填充有光学模式。

虽然已经在附图和前述描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述要被视为是说明性或示例性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。例如，尽管各图仅示出三个不同的激光介质，但是可以提供另一数目的这样的介质，例如两个或多于三个。通过激光介质或通过整个设备（特别地形成曲折路径）的不同路径以及对应折叠镜310的数目不限于所公开的数目。

此外，用于固态激光器的功能性激光器元件，比如校准器、非线性晶体、SESAM（半导体可饱和吸收体镜）、可饱和吸收体、偏振器、普克尔斯盒、AOM（声光调制器）……可以集成在激光器设备中。本领域技术人员在实践所要求保护的发明时，通过对附图、公开文本和随附权利要求的研究，可以理解和实现所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能用于获益。特别地，所有设备权利要求可以自由组合，如果这样有意义的话。权利要求中的参考标记不应解释为限制范围。

参考标记列表

100 激光介质

110 所泵浦的区域

200 泵浦激光二极管

300 泵浦辐射反射镜

301 镜元件的外部部分

310 谐振器折叠镜

311 镜元件的中心部分

320 谐振器端镜

330 谐振器出耦合镜

400 热沉

500 激光辐射

510 泵浦辐射

600 镜元件

Claims (10)

1.一种光学泵浦固态激光器设备，包括

- 激光谐振器中的一个或若干固态激光介质（100），

- 由布置在所述固态激光介质（100）的第一侧的一个或若干第一谐振器镜和布置在所述固态激光介质（100）的与所述第一侧相对的第二侧的一个或若干第二谐振器镜（310,320,330）形成的所述激光谐振器，

- 被布置成将所述激光谐振器的激光辐射（500）在至少两个不同直路径上引导通过每一个所述激光介质（100）的所述第一和第二谐振器镜（310,320,330），

- 一个或若干泵浦激光二极管（200）和泵浦辐射反射镜（300），

- 被布置成通过泵浦辐射（510）在所述泵浦辐射反射镜（300）处的反射来光学泵浦所述固态激光介质（100）的所述泵浦激光二极管（200），

- 被布置在所述第二侧上并且设计成将所述泵浦辐射（510）直接反射到固态激光介质（100）的所述泵浦辐射反射镜（300），

- 其中所述泵浦反射镜（300）和所述第二谐振器镜（310,320,330）一体地形成在单个镜元件（600）中。

2.根据权利要求1的设备，

其中所述固态激光介质（100）并排安装在冷却体（400）上。

3.根据权利要求1的设备，

其中所述固态激光介质（100）由分布式布拉格反射器上的量子阱结构形成。

4.根据权利要求2的设备，

其中设备包括至少两个所述固态激光介质（100），每一个被所述冷却体（400）上的若干所述泵浦激光二极管（200）围绕。

5.根据权利要求4的设备，

其中镜元件（600）包括用于每一个所述激光介质（100）的一个泵浦辐射反射镜（300），所述泵浦辐射反射镜（300）布置在所述第二谐振器镜（310,320,330）与被设计成形成出耦合镜的所述第二谐振器镜（310,320,330）中的外部一个之间。

6.根据权利要求2的设备，

其中设备包括被所述冷却体（400）上的若干所述泵浦激光二极管（200）围绕的一个单个所述固态激光介质（100）。

7.根据权利要求6的设备，

其中镜元件（600）包括形成所述第二谐振器镜（310,320,330）的中心区（311）以及被设计成将所述泵浦辐射（510）反射到固态激光介质（100）并形成所述泵浦辐射反射镜（300）的外部区（301），所述第二谐振器镜（310,320,330）之一被设计成形成出耦合镜。

8.根据权利要求7的设备，

其中所述镜元件（600）的所述外部区（301）被设计成在所述固态激光介质（100）中生成泵浦辐射（510）的强度分布，所述强度分布覆盖通过固态激光介质（100）的激光辐射（500）的所有所述不同路径。

9.根据权利要求2的设备，

其中所述泵浦激光二极管布置在所述冷却体上以围绕每一个所述固态激光介质。

10.根据权利要求2或权利要求6的设备，

其中所述泵浦激光二极管是垂直腔表面发射激光器或电学泵浦垂直延伸腔表面发射激光器。