CN106575847A - 具有不对称冷却的不对称pwg - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种平面型波导器(PWG)，所述波导器具有用于耦合到光泵的第一端和与第一端相对的第二端，并且包括：第一覆层；在一侧上具有第一覆层的均匀掺杂的芯层，其中所述芯层为在第一端处具有较小厚度而在第二端处具有较大厚度的锥形；和比第一覆层更薄的第二覆层，第二覆层被涂敷在与芯层的所述一侧相对的芯层的另一侧上。第一覆层还可以沿PWG的长度以与芯层的锥角基本相反的锥角形成在第一端处具有较大厚度而在第二端处具有较小厚度的锥形，从而形成沿所述长度具有基本一致的整体厚度的PWG。

Description

具有不对称冷却的不对称PWG
技术领域
本发明整体涉及平面型波导器(PWG)；更具体地，涉及一种具有不对称冷却的不对称PWG。
背景技术
光波导器引导光谱中的电磁波。在光学通信系统中，光波导器可以用作传输介质。波导器还可以用作光学放大器，例如掺铒光纤放大器。平面型波导器(PWG)是一种特殊类型的波导器，该波导器仅在一个横向轴线中引导光波。PWG具有平面的3层夹心几何结构，该结构包含两侧均被较低折射率的覆层包围的较高折射率的中间(芯)层。PWG通常具有高纵横比(例如，100:1或者更大)，即，在一个横向轴线中窄而在另一个轴线中宽，并且还具有在特定结构(例如，PWG放大器)中便于安装和除热的大的平坦表面区域。由于中间层的折射率高于围绕的覆层，因此光线可以通过全内反射被限制在中间层中。PWG的导向模式通过将光线射入芯层的一端中而被激发。
PWG通常用在激光器中，例如激光二极管。它们还被用在许多光学部件中，例如马赫-曾德尔干涉仪和波分复用器。激光二极管的腔体通常被构造为矩形的光波导器。
PWG放大器为使用波导器将光信号(例如，激光束)限制在一维传播模式中从而在长放大路径中保持高强度的光学放大器。放大通常通过从PWG的掺杂芯层中的掺杂物离子的光子的受激发射获得。典型地，所述芯层具有恒定的掺杂水平。泵浦激光器激发离子进入更高的能量水平，在该能量水平所述离子可以以信号波长通过光子的受激发射转换回到较低能量水平。被激发的离子还可以自发衰减(自发发射)或者甚至通过涉及与介质内的声子的交互的非辐射过程衰减。后两种类型的衰减机制与受激发射对比降低了光放大的效率。高功率激光增益介质(放大器)的主要障碍是沿着装置的最高温度，这可能导致装置的破坏或故障。抽运光输入到PWG中时，温度曲线达到它的峰值。高温度梯度还将在PWG内导致波前畸变。功率调整最终通过与每单位长度的峰值热负荷成比例的热效应限制。
掺杂浓度对PWG放大器的性能有直接影响。相对高的掺杂浓度允许使用传播方向上短的PWG产生期望的信号放大，但是这导致相对较高的PWG的加热，从而使PWG在温度应力下退化或断裂。高掺杂浓度还会在横向上产生更大的增益，从而引起放大的自发射和寄生激光，这会抑制激光放大器中的粒子数反转，从而降低期望的信号放大。相对低的掺杂浓度需要更长的PWG来提供期望的信号放大，而这更加难以制造和处理。
波前是具有相同相位的点的轨迹，即，二维的直线或曲线、或者在三维空间中传播的波的面。高功率PWG放大器中的波前畸变是由PWG的无导向横向轴线中的热梯度造成的。最小化这些横向梯度有助于实现高输出功率下的高束质量操作。传统的高功率PWG激光器通过应用到PWG两侧的冷却方法使用对称结构。
平面型波导器历来被制造为具有一致的芯层厚度和一致的覆层厚度。这导致靠近泵浦功率耦合到端面泵浦PWG的端部更高的加热。由于功率调整从根本上被热效应限制，因此具有不一致加热的装置不能达到具有更一致加热的装置的功率调整的潜力。尝试改善热均匀性的现有技术使用掺杂梯度或在增益介质中分段掺杂来改善热均匀性，但是制造具有掺杂梯度的激光器增益介质的方法的成熟度低且实现复杂。
发明内容
在一些实施例中，本发明为被优化为通过简单制造过程可扩展到高功率水平的PWG或者激光增益介质(放大器)几何结构。本发明在不需要难以制造的(传统方案的)掺杂级梯度的情况下在增益介质中获得高度均匀的泵浦分布。激光器增益介质的芯层沿其长度具有锥形结构。
在一些实施例中，本发明为具有均匀掺杂的锥形芯层和单个未掺杂的覆层的平面型波导器(PWG)。在一些实施例中，本发明可以包括可以仅为芯层上的涂层的薄很多的未掺杂的第二覆层。
在一些实施例中，本发明为具有用于耦合到光泵的第一端和与第一端相对的第二端的PWG，并且包括：第一覆层；均匀掺杂的芯层，所述芯层在一侧上具有第一覆层，其中芯层为在第一端处具有较小厚度而在第二端处具有较大厚度的锥形；以及第二覆层，所述第二覆层比第一覆层更薄，该第二覆层被涂敷在与芯层的所述一侧相对的芯层的另一侧上。
在一些实施例中，第一覆层也可以沿着PWG的长度以与芯层的锥角基本相反的锥角逐渐变化，其中在第一端处具有较大的厚度而在第二端处具有较小的厚度，从而沿着长度形成具有基本一致的整体厚度的PWG。在一些实施例中，第一覆层和第二覆层中的每一个都可以具有沿PWG的长度恒定的厚度，以形成沿长度具有以与芯层的锥角基本相同的总锥角变化的整体厚度PWG。
在一些实施例中，本发明为具有用于耦合到光泵的第一端和与第一端相对的第二端的PWG，并且包括：未掺杂的第一覆层；和均匀掺杂的芯层，所述芯层在一侧上具有第一覆层，其中芯层为在第一端处具有较小厚度而在第二端处具有较大厚度的锥形，并且其中本发明的均匀掺杂的锥形芯层与一个或多个热排斥冷却器紧密接触。
在一些实施例中，本发明是一种制造具有用于耦合到泵光源的第一端以及与第一端相对的第二端的不对称平面型波导器(PWG)的方法。该方法包括：由激光器主晶体介质(例如，精制的钇铝石榴石(YAG)粉末)生成芯层坯件、覆层坯件和端盖坯件；研磨并抛光坯件，其中芯层坯件被研磨成在第一端处具有较小厚度而在第二端处具有较大厚度的锥形；将锥形芯层坯件粘结到覆层坯件和端盖坯件，以获得PWG结构；精加工并光学抛光该PWG结构；以及使用光学涂层涂敷芯层坯件的与粘结合的覆层坯件相对的一侧，从而形成不对称PWG。
附图说明
本发明的上述和其它特征、方面和优点将结合下面的说明、所附的权利要求以及附图得到更好的理解：
图1示出了典型的PWG几何结构；
图2示出了传统的三层PWG；
图3示出了根据本发明一些实施例的示例性不对称PWG；以及
图4示出了根据本发明一些实施例的用于制造不对称PWG的示例性过程。
具体实施方式
在一些实施例中，本发明为具有均匀地掺杂的锥形芯层构造的PWG。芯层在它的厚度和宽度上被均匀地掺杂，从而形成PWG的更加改进且成本较低的制造。在一些实施例中，PWG具有一致的整体厚度，其中芯层中的逐渐缩减被一侧的(厚)覆层的反向逐渐缩减补偿。在一些实施例中，PWG具有非锥形的(厚)覆层。在一些实施例中，芯层一侧的覆层比芯层相对侧的覆层更薄，从而导致物理结构、光学泵浦构造以及荧光吸收中的不对称，所述不对称会造成加热不对称。在一些实施例中，本发明具有掺杂的锥形芯层和仅单个未掺杂的覆层。
在一些实施例中，沿PWG的长度的泵浦吸收率由于芯层的逐渐缩减而变化，导致靠近泵浦输入的较低吸收率而沿着长度增加吸收率。提高吸收率会平衡降低的泵浦功率，以实现相对一致的单位长度的总吸收功率。
在一些实施例中，本发明为PWG，所述PWG被构造为激光增益介质的代用品，但是具有在其抽运光吸收和散热特性中模拟实际激光PWG元件的非激光芯层。这种代用品可以用作设计并测试高功率激光系统(例如，激光武器)的诊断工具，不需要将部件置于高激光功率下，从而避免了退化或损坏。
本发明采用在PWG的两侧进行不同优化的冷却机制。通过这种方式，本发明最小化慢轴热梯度。另外，通过降低不对称PWG的薄的覆层侧的荧光吸收，本发明对无导向轴线波前误差产生显著改进。在一些实施例中，本发明的掺杂的锥形芯层与热排斥冷却器紧密接触。
本发明的PWG可以用于光学放大器、马赫-曾德尔干涉仪、波分复用器或者高功率激光器，例如激光焊接系统或激光武器系统。
在一些实施例中，本发明最小化慢轴热梯度。在一个实施例中，通过在信号波长下使用反射涂层来降低不对称PWG的较薄覆层侧的荧光吸收，从而降低沉积在与该薄覆层紧密接触的PWG的芯层中的显热。通过最小化该热负荷，本发明对无导向轴线(或者称为PWG的慢轴)波前误差产生显著改进。在一些实施例中，厚覆层侧的外表面被制造为部分反射和部分吸收，这有助于在整个芯层区域分布显热负荷，进一步有助于沿无导向轴线的更好的温度均匀性和更低的波前误差。
通过锥形芯层区域获得相对均匀的泵浦——为获得泵浦吸收均匀性，本发明的PWG在芯层中不需要任何可变的掺杂，因而使它更易于制造。此外，本发明的薄的PWG芯层相对于整个芯层/覆层的厚度沿着导向件的长度具有接近恒定的抽运束数值孔径(NA)。
图1示出了典型的PWG几何结构。如图所示，输入信号束被引导进入PWG的一端(图中的左侧)处的芯层中，并且以导向模式传播通过芯层到达相对端。从激光二极管阵列发出的抽运光被引导进入一个或两个覆层，并且通过覆层的外表面中的涂层被限制在PWG结构中。该PWG通常具有大的表面积与体积比，这可以实现有效散热和低应力。
图2示出了传统的三层PWG。如图所示，激光主晶体介质，例如，钇铝石榴石(YAG)芯层被相同厚度的两个YAG覆层夹在中间。该结构包括两个大面积粘结部202a和202b，以将芯层连接到顶部和底部覆层，总共6个粘结部204a-204f以粘结芯层、覆层以及端盖。这些粘结部可以通过扩散粘结、玻璃粘结或者本领域内的其它方法获得。该YAG芯层可以是单晶体结构、陶瓷复合材料或者多晶体或陶瓷芯部。通常，具有不同的掺杂水平的多个芯部获得平衡的热负荷，但这仍然不适用于很多应用。该传统PWG的制造由于多个粘结部的复杂性而具有很长的前置时间(lead time)。
如图1和2所示，PWG通常使用高纵横比激活区域来最小化从激活区域的中心到冷却面的传导路径，从而最小化横过负责热透镜的板坯的温差。热量被限制为主要在垂直于板坯的薄轴线的一个方向上流动。因为横跨板坯的慢轴的温度接近均匀，所以该方向上的热透镜被最小化。由于弹光效应，温度梯度在固态介质中也产生应力，这会进一步加剧热透镜，并且在应力矢量方向上产生热应力引发的双折射。由于这个原因，激光束偏振通常趋向被定向为平行于或垂直于板坯的快轴。PWG的相反的宽表面使用本领域已知的方法被主动冷却，例如，冷板模块可以与该表面直接接触或者通过中间热光学接口(TOI)材料接触，或者通过介入的半静态气体或液体层接触。直接液体冷却可以使用多喷嘴冲击或微通道流动以提高冷却效率和均匀性。也可以使用多种冷却方法的组合。
图3示出了根据本发明一些实施例的示例性不对称PWG。如图所示，芯层302具有均匀的掺杂且在泵浦输入端308处具有较小的厚度，并且以与芯层的角度基本相反的锥角朝向导向件的另一端逐渐变化到更大厚度。在这些实施例中，如果有两个覆层，则覆层中的一个，例如上覆层304，基本上比另一个(在本实施例中为，下)覆层306厚。下覆层306(如果存在的话)比上覆层304薄很多，并且可以仅仅是沉积在芯层上的涂层。换句话说，该不对称PWG包括第一覆层(这里指顶层)和第二覆层(这里指底层)，其中第一覆层具有比第二覆层更大的厚度。在一些实施例中，更厚的(上)覆层304的锥形与芯层302的锥形相反。也就是说，更厚的(上)覆层304与芯层302的逐渐变化相反但锥角相同，该更厚的(上)覆层304在泵浦输入端308处具有较小的厚度，并且以与芯层的锥角基本相同的总的锥角朝着导向件的另一端逐渐变化到较大的厚度，以提供PWG装置的基本一致的整体厚度。
该芯层是锥形的以允许有效的热平衡。在一些实施例中，因为底部覆层非常薄，例如仅为涂层，所以芯层与(底部)热冷却器邻近(紧密)接触。也就是说，(由于量子数亏损和吸收)从芯层发出的大部分显热被从覆层侧提取，另一个厚的覆层侧的除热专门用于提高横跨PWG的宽度(无导向维度)的整体温度均匀性。在一些实施例中，使用反射外涂层最小化薄侧的吸收，并且在厚侧增加少量的吸收。这使得荧光和ASE在被全部吸收前反弹有限的次数，从而通过使横跨无导向维度的热变化平滑来提高均匀性。如果薄的底部覆层足够薄，则所述底部覆层不会表现出任何显著的热阻，并且因此将与冷却器“紧密”接触。在一些实施例中，热冷却器312a-312d被安装为例如粘结到PWG的上宽面和下宽面。模拟结果显示，这些实施例的PWG性能提高2个因数。
在一个实施例中，底部上的薄很多的覆层可以仅仅是芯层底部上的涂层。因此，仅有一个大区域(即，芯层到厚的覆层)需要被粘结。也就是说，不对称PWG包括第一覆层(这里指顶层)、第二覆层(这里指底层)和均匀掺杂的锥形芯层。第一覆层具有比第二覆层更大的厚度。本实施例中的不对称PWG可以需要总共仅3个粘结部来粘结芯层、较厚的覆层以及端盖310。缺少第二覆层或者仅有第二覆层的涂层省去了很多粘结过程，因此进一步简化了制造过程并缩短前置时间。
在本发明中，抽运光被限制在覆层的外表面之间，从而在每次通过时相交并被部分地吸收。相对薄很多的芯层区域为锥形，使得芯层中的增加的吸收抵消抽运光强度的损失。这沿着激光增益介质的长度获得更均匀的泵浦，从而产生更一致的温度曲线和较低的应力，从而产生更好的输出束波前质量和更少的消偏振。此外，激光束被限制以低阶模式传播。
在一些实施例中，本发明为包括示例性实施例的不对称PWG的激光器。高信号强度能够实现高效率和高增益，并且高纵横比能够实现从例如可负担的COTS激光二极管阵列的简单、有效的泵浦耦合。短长度和大芯层面积能够在高输出功率下实现窄带操作而没有有害的非线性效应，例如受激布里渊散射。设计简单能够实现具有小尺寸和轻重量的紧凑封装。其它的光学部件，例如马赫-曾德尔干涉仪、波分复用器以及激光二极管可以使用本发明的不对称PWG。
图4示出了根据本发明的一些实施例的用于制造陶瓷不对称PWG的示例性过程。如图所示，在方框402中，激光主晶体介质401，例如YAG粉末401，被精炼并提纯，获得精确的化学计量。本领域技术人员应当理解，可以替代获得已经精炼并提纯的激光主晶体介质(例如，YAG粉末)。在方框404中，例如通过烧结该激光主晶体介质并使用热等静压(HIP)过程将其压紧成特定的起始形状由YAG生成坯件(未粘结的PWG部件)。因此，获得将变成PWG 403的芯层、覆层和端盖部件的坯件。在一些实施例中，芯层坯件包括多个坯件段，该多个坯件段将被粘结合在一起以形成单段芯层坯件。在一些实施例中，芯层坯件包括没有任何粘结形成芯层坯件的单个坯件段，从而导致更简单的工艺。
所述坯件随后被研磨并抛光成接近最终的形状，并且粘结在一起以形成单片的PWG结构，如方框406中所示。在一些实施例中，芯层坯件被研磨成在第一端处具有较小厚度而在第二端处具有较大厚度的锥形，然后锥形芯层坯件被粘结到覆层坯件和端盖坯件以获得PWG结构。在一些实施例中，芯层坯件被抛光并粘结到覆层坯件(并且可选地，粘结到端盖坯件)，以形成更稳定的粘结结构。该粘结结构中的芯层坯件随后被研磨成在第一端处具有较小厚度而在第二端处具有较大厚度的锥形以获得PWG结构。
在一些实施例中，扩散粘结被用于粘结芯层、覆层和端盖。粘结的PWG结构405随后被研磨成最终形状、精加工并再次进行光学抛光(方框408)，以获得本发明的不对称PWG。
在方框410中，可以施加一个或多个光学涂层。在一些实施例中，可以将渐逝波涂层施加到芯层(如果暴露在一个表面上)或(多个)覆层区域或者两者均施加。e-波涂层将存在于TIR表面的低折射率侧的渐逝波限制在光学介质内，使得波导器的数值孔径和相移特性可以被控制。e-波涂层在需要时还确保了用于放大的自发辐射的低反射率，并且在芯层和冷却元件之间提供屏障(尤其是在使用直接的液体冷却的情况中)以及不会受到污染和磨损。
因此，制造不对称PWG的方法包括：由精炼的钇铝石榴石(YAG)粉末生成芯层坯件、覆层坯件和端盖坯件，抛光这些坯件；将锥形的芯层坯件粘结到覆层坯件和端盖坯件；将粘结的芯层坯件研磨成在第一端处具有较小厚度而在第二端处具有较大厚度的锥形，以获得PWG结构；精加工并光学抛光该PWG结构；以及使用光学涂层涂敷芯层坯件的与粘结的覆层坯件相对的一侧，以形成不对称PWG。如上所述，芯层坯件可以首先被粘结到覆层坯件(并且可选地，粘结到端盖坯件)，然后被研磨成锥形。
在一些实施例中，在不对称锥形导向件上的芯层的一侧被涂敷有均匀材料层，所述均匀材料层用作渐逝波(e-波)涂层。该涂层通常为几微米厚。在这些实施例中，仅使用芯层的另一侧上的(厚)覆层，使得整体PWG结构中使用更少的粘结部件和更小数量的粘结部，从而简化PWG制造过程。本发明的锥形芯层PWG在芯层中不需要任何可变的掺杂或者具有不同掺杂浓度的多个芯层段来获得泵浦吸收一致性，因此使得该PWG更易于制造。
本领域技术人员应当理解的是可以在本背离本发明的广泛的发明步骤的情况下对本发明上文中所述的和其它实施例进行多种修改。因此，应当理解的是本发明不限于所公开的特定的实施例和布置，而是旨在覆盖所附权利要求限定的本发明的保护范围内的任何变化、改变或变型。

Claims (20)

1.一种平面型波导器(PWG)，所述平面型波导器具有用于耦合到光泵的第一端和与所述第一端相对的第二端，所述平面型波导器包括：
第一覆层；
均匀掺杂的芯层，所述芯层在一侧上具有所述第一覆层，其中所述芯层为在所述第一端处具有较小厚度而在所述第二端处具有较大厚度的锥形；和
第二覆层，所述第二覆层比所述第一覆层更薄，并被涂敷在与所述芯层的所述一侧相对的所述芯层的另一侧上。
2.根据权利要求1所述的PWG，其中，所述第一覆层沿着所述PWG的所述长度以与所述芯层的锥角基本相反的锥角形成在所述第一端处具有较大厚度而在所述第二端处具有较小厚度的锥形，以沿着所述长度形成具有基本一致的整体厚度的所述PWG。
3.根据权利要求1所述的PWG，其中，所述第一覆层和所述第二覆层中的每一个都沿着所述PWG的所述长度具有恒定的厚度，以形成具有沿着所述长度以与所述芯层的锥角基本相同的总锥角变化的整体厚度的所述PWG。
4.根据权利要求1所述的PWG，其中，所述第二覆层被涂敷有用作渐逝波(e-波)涂层的均匀材料层。
5.一种包括权利要求1所述的PWG的光学放大器。
6.一种包括权利要求1所述的PWG的马赫-曾德尔干涉仪。
7.一种包括权利要求1所述的PWG的波分复用器。
8.一种包括权利要求1所述的PWG的高功率激光器系统。
9.一种包括权利要求1所述的PWG的激光二极管。
10.一种平面型波导器(PWG)，所述平面型波导器具有用于耦合到泵光源的第一端和与所述第一端相对的第二端，所述平面型波导器包括：
未掺杂的第一覆层；和
均匀掺杂的芯层，所述芯层在一侧上具有所述第一覆层，其中所述芯层为在所述第一端处具有较小厚度而在所述第二端处具有较大厚度的锥形，并且其中本发明的所述均匀掺杂的锥形芯层与一个或多个热排斥冷却器紧密接触。
11.根据权利要求10所述的PWG，还包括：
第二覆层，所述第二覆层比所述第一覆层更薄，并被涂敷在与所述芯层的所述一侧相对的所述芯层的另一侧上。
12.根据权利要求11所述的PWG，其中，所述第一覆层沿着所述PWG的所述长度以与所述芯层基本相反的锥角形成锥形，并且在所述第一端处具有较大厚度而在所述第二端处具有较小厚度，从而形成沿着所述长度具有基本一致的整体厚度的所述PWG。
13.根据权利要求12所述的PWG，其中，所述第一覆层和所述第二覆层中的每一个都沿着所述PWG的所述长度具有恒定的厚度，以形成具有沿着所述长度以与所述芯层基本相同的总锥角变化的整体厚度的所述PWG。
14.一种制造不对称的平面型波导器(PWG)的方法，所述波导器具有用于耦合到泵浦光源的第一端和与所述第一端相对的第二端，所述方法包括以下步骤：
由激光主晶体介质生成芯层坯件、覆层坯件和端盖坯件；
研磨并抛光所述坯件，其中所述芯层坯件被研磨成在所述第一端处具有较小厚度而在所述第二端处具有较大厚度的锥形；
将所述锥形芯层坯件粘结到所述覆层坯件和所述端盖坯件，以获得PWG结构；
精加工并光学抛光所述PWG结构；和
使用光学涂层涂敷所述芯层坯件的与所述粘结的覆层坯件相对的一侧，以形成所述不对称PWG。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述光学涂层为渐逝波涂层。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，所述光学涂层为渐逝波涂层。
17.一种制造不对称的平面型波导器(PWG)的方法，所述波导器具有用于耦合到泵浦光源的第一端和与所述第一端相对的第二端，所述方法包括以下步骤：
由激光主晶体介质生成芯层坯件、覆层坯件和端盖坯件；
抛光所述坯件；
将所述锥形芯层坯件粘结到所述覆层坯件和所述端盖坯件；
将所述粘结的芯层坯件研磨成在所述第一端处具有较小厚度而在所述第二端处具有较大厚度的锥形，以获得PWG结构；
精加工并光学抛光所述PWG结构；和
使用光学涂层涂敷所述芯层坯件的与所述粘结的覆层坯件相对的一侧，以形成所述不对称PWG。
18.根据权利要求17所述的方法，其中，所述光学涂层为渐逝波涂层。
19.根据权利要求17所述的方法，其中，所述光学涂层为渐逝波涂层。
20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述激光主晶体介质为精炼的钇铝石榴石(YAG)粉末。
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