CN109193319A - 一种固体激光泵浦源及泵浦结构 - Google Patents

一种固体激光泵浦源及泵浦结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种固体激光泵浦源及泵浦结构，属于固体激光泵浦领域，本发明包括依次设置的固体激光泵浦源、准直透镜、会聚透镜、晶体，所述固体激光泵浦源、准直透镜、会聚透镜均正对所述晶体一侧端面，所述固体激光泵浦包括激光发射耦合模块、光纤束阵列，所述光纤束阵列包括至少一圈的圆环光纤阵列，所述光纤束阵列泵浦时输出的泵浦光斑为点阵光斑。本发明用于固体激光器端面泵浦。

Description

一种固体激光泵浦源及泵浦结构
技术领域
本发明属于固体激光泵浦领域，具体涉及到一种端面泵浦用的泵浦结构。
背景技术
现有技术的固体激光器端面泵浦中的技术方案是：通过半导体激光器输出的波长小于1微米的激光，通过端面泵浦的方式泵浦固体激光器晶体，发出1064纳米的激光，经过倍频形成绿光输出，或经过3倍频形成紫外激光输出。固体激光器的晶体的工作物质通常是渗杂Nd、Yb等物质的YAG晶体或是YVO4晶体。
参考图1，半导体激光器激光从芯片发出，先经过整形、合束、耦合进一根光纤1，光纤1芯径一般是在50微米到800微米之间，从单根光纤1输出的光束在固体激光器的光学结构中，经过准直透镜2及会聚透镜3，投射到固体激光器的晶体4的一端端面的中间区域，在晶体4中间直径约为1毫米的圆锥体内以较小的发散角向前传输，在向前传输过程中被晶体吸收后，晶体工作物质发射1064纳米的激光。
从单根光纤输出的半导体激光，一般是中间强周边弱的高斯分布。高斯分布的泵浦光束整形并聚焦后形成的光斑尺寸与激光谐振腔振荡光斑尺寸接近，通常在1毫米左右或更小些，它在固体激光器的晶体棒中形成的不是一个均匀光束，而是中央轴线上最强，沿晶体棒的径向减弱的光强度不均匀分布的光束。该光强不均匀分布的光束导致在高功率泵浦时，工作物质吸收效率与发热密度都不均匀，光光转换效率不高，晶体中余热大，热分布不均匀且中央过热。对固体激光器的腔形设计及散热设计要求更高，做高功率固体激光器时，必然出现晶体过热损伤情况，从而使得固体激光器功率提高受到限制。
发明内容
本发明的目的在于：针对现有技术中的上述问题，提供一种固体激光泵浦源及泵浦结构，转换泵浦光的输出激光分布，从中间强周边弱的高斯分布，转换为均匀平顶分布的阵列光束输出光源，这种光源经过固体激光器中的光学元件进行光学处理后，在晶体中形成与激光谐振腔振荡光斑尺寸一致且强度均匀分布的光束，从而提高晶体对泵浦光的吸收效率，提高固体激光器的光光转换效率，废热更少，功率可以做地更高。
本发明采用的技术方案如下：
一种固体激光泵浦结构，包括依次设置的固体激光泵浦源、准直透镜、会聚透镜、晶体，所述固体激光泵浦源、准直透镜、会聚透镜均正对所述晶体一侧端面，所述固体激光泵浦包括激光发射耦合模块、光纤束阵列，所述光纤束阵列包括至少一圈的圆环光纤阵列，所述光纤束阵列泵浦时输出的泵浦光斑为点阵光斑。
一种固体激光泵浦源结构，包括激光发射耦合模块、光纤束阵列，光纤束阵列包括至少一圈的圆环光纤阵列；所述光纤束阵列泵浦时输出的泵浦光斑为点阵光斑。
优选的，激光发射耦合模块包括若干个单管激光器芯片、光纤端面透镜，光纤端面透镜的端面设置为楔形弯曲；每个单管激光器芯片发出的激光经过光纤端面透镜耦合后进入光纤束阵列中的对应的单根光纤中。
优选的，激光发射耦合模块包括若干组单管激光器芯片组、常规合束装置、聚焦透镜，单管激光器芯片组包括若干个单管激光器芯片，每组单管激光器芯片组发出的激光依次经过常规合束装置合束、聚焦透镜聚焦到光纤束阵列中对应的单根光纤中。
优选的，激光发射耦合模块包括平行激光发射阵列、微透镜阵列，激光发射阵列发出的平行光束经过微透镜阵列汇聚耦合到光纤束阵列中的对应的单根光纤中。
优选的，激光发射耦合模块包括若干组激光器芯片组、常规合束装置、微透镜阵列，激光器芯片组包括至少一个单管激光器芯片；每组激光器芯片组发出的激光经过常规合束装置整形合束后，再经过微透镜阵列汇聚耦合到光纤束阵列中的对应的单根光纤中。
优选的，常规合束装置包括快轴准直镜、慢轴准直镜、空间密排合束装置。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明中，用高光束质量的点阵光斑实现均匀分布的平顶光斑，代替单光纤输出的近似高斯分布严重不均匀的光斑，投射到固体激光器的晶体一端进行泵浦。
2、本发明转换泵浦光的输出激光分布，从中间强两边弱的高斯分布，转换为均匀的平顶分布，这种泵浦光束整形会聚后可形成尺寸与激光谐振腔振荡光斑尺寸一致且强度均匀分布的光斑。从而在晶体有效吸收区域内，泵浦光分布更加均匀、晶体吸收更加高效，有利于提高工作物料对泵浦光的吸收效率，提高固体激光器的光光转换效率，废热更少分布更均匀，从而有利于激光器在相同泵浦功率的情况下，输出更高功率的目标激光。也有利于在输出一定功率的激光的情况下，降低泵浦光功率，减小散热难度，增加固体激光器的可靠性，减小泵浦成本及热处理成本。也即是能做出更高功率的固体激光器。
3、本发明通过楔形曲面的光纤端面透镜导入各个芯片发射的激光，再通过光纤合束输出，在提高光斑均匀度有利于应用的基础上，下降了半导体激光器的制造成本。
附图说明
图1为现有技术示意图；
图2为本发明的实施例1示意图；
图3为图2的A-A视图；
图4为实施例2的示意图；
图5为图4中I部分示意图；
图6为图4中光纤束阵列的截面D-D示意图；
图7为实施例3的示意图；
图8为图7中单组单管激光器芯片组示意图；
图9为实施例4的示意图；
图中标记：1-光纤，2-准直透镜，3-会聚透镜，4-晶体，8-平行光束，9-微透镜阵列，10-单根光纤，11-光纤束阵列，12-单管激光器芯片子装配，13-快轴准直镜，14-体布拉格光栅，15-慢轴准直镜，16-反射镜，17-聚焦透镜，18-热沉。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
参考2、图3，一种固体激光泵结构，包括依次设置的固体激光泵浦源、准直透镜2、会聚透镜3、晶体4，所述固体激光泵浦源、准直透镜2、会聚透镜3均正对晶体4一侧端面，固体激光泵浦包括激光发射耦合模块、光纤束阵列11，所述光纤束阵列11包括至少一圈的圆环光纤阵列，所述光纤束阵列11泵浦时输出的泵浦光斑为点阵光斑。
在固体激光端面泵浦中，固体激光泵浦源，即光纤束阵列11发出一个光束发散角小、光斑均匀的阵列光束输出光源，这个光源经过固体激光器中的光学元件，即准直透镜2、会聚透镜3进行光学处理后，在晶体4端面形成一个与谐振腔振荡光斑尺寸一致的强度均匀的光斑，以很小的光束发散角在晶体4中央向前传输。参考图2，即转换泵浦光的输出激光分布，从中间强、两侧弱的高斯分布，转换为均匀的阵列平顶分布。
本实施例用高光束质量的点阵光斑实现均匀分布的平顶光斑，代替单光纤输出的近似高斯分布严重不均匀的光斑，投射到固体激光器的晶体一端进行泵浦。
实施例2
参考图2、图3,、图4、图5、图6，激光发射耦合模块包括若干个呈线性排列在热沉18上的若干个单管激光器芯片子装配(COS-chip on submount)19、光纤端面透镜，参考图5，光纤端面透镜的端面设置为楔形弯曲；每个单管激光器芯片子装配19发出的激光经过光纤端面透镜耦合后进入光纤束阵列11中的对应的单根光纤中。参考图6，多根这样的光纤剥除涂覆层后组成多圈圆环排列，用胶粘接固定为光纤束阵列11，与光纤束输出结构件构成一个光纤束输出端口。
本实施例通过楔形曲面的光纤端面透镜导入各个单管激光器芯片子装配发射的激光，再通过光纤合束输出，在提高光斑均匀度有利于应用的基础上，下降了半导体激光器的制造成本。
实施例3
在实施例1的基础上，参考图2、图3、图7、图8，激光发射耦合模块包括若干组单管激光器芯片组、常规合束装置、聚焦透镜17，常规合束装置包括快轴准直镜13、慢轴准直镜15、空间密排合束装置。参考图7、图8，单管激光器芯片组包括若干个单管激光器芯片子装配12，每组单管激光器芯片组发出的激光依次经过快轴准直镜13、体布拉格光栅(VBG)14、慢轴准直镜15、反射镜16、聚焦透镜17聚焦到光纤束阵列11中对应的单根光纤中。参考图6，多根这样的光纤剥除涂覆层后组成多圈圆环排列，用胶粘接固定，外层再用金属或者陶瓷结构包围，形成光纤束阵列11，与光纤束输出结构件构成一个光纤束输出端口。
实施例4
在实施例1的基础上，参考图9，激光发射耦合模块包括平行激光发射阵列、微透镜阵列9，激光发射阵列发出的平行光束8经过微透镜阵列9汇聚耦合到光纤束阵列11中的对应的单根光纤10中。多根这样的单根光纤10剥除涂覆层后组成多圈圆环排列，用胶粘接固定，外层再用金属或者陶瓷结构包围，形成光纤束阵列11，与光纤束输出结构件构成一个光纤束输出端口。
实施例5
在实施例1的基础上，激光发射耦合模块包括若干组激光器芯片组、常规合束装置、微透镜阵列9，激光器芯片组包括至少一个单管激光器芯片子装配19；每组激光器芯片组发出的激光经过快轴准直镜13、光栅14、慢轴准直镜15、反射镜16整形合束后，再经过微透镜阵列9汇聚耦合到光纤束阵列11中的对应的单根光纤中。多根这样的光纤剥除涂覆层后组成多圈圆环排列，用胶粘接固定，外层再用金属或者陶瓷结构包围，形成光纤束阵列11，与光纤束输出结构件构成一个光纤束输出端口。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种固体激光泵浦结构，包括依次设置的固体激光泵浦源、准直透镜(2)、会聚透镜(3)、晶体(4)，所述固体激光泵浦源、准直透镜(2)、会聚透镜(3)均正对所述晶体(4)一侧端面，所述固体激光泵浦包括激光发射耦合模块、光纤束阵列(11)，其特征在于：所述光纤束阵列(11)包括至少一圈的圆环光纤阵列，所述光纤束阵列(11)泵浦时输出的泵浦光斑为点阵光斑。
2.一种固体激光泵浦源结构，包括激光发射耦合模块、光纤束阵列(11)，其特征在于：所述光纤束阵列(11)包括至少一圈的圆环光纤阵列，所述光纤束阵列(11)泵浦时输出的泵浦光斑为点阵光斑。
3.根据权利要求2所述的一种固体激光泵浦源结构，其特征在于：所述激光发射耦合模块包括若干个单管激光器芯片、光纤端面透镜，所述光纤端面透镜的端面设置为楔形弯曲；每个单管激光器芯片发出的激光经过光纤端面透镜耦合后进入光纤束阵列(11)中的对应的单根光纤中。
4.根据权利要求2所述的一种固体激光泵浦源结构，其特征在于：所述激光发射耦合模块包括若干组单管激光器芯片组、常规合束装置、聚焦透镜(17)，所述单管激光器芯片组包括若干个单管激光器芯片，每组单管激光器芯片组发出的激光依次经过常规合束装置合束、聚焦透镜聚焦到光纤束阵列(11)中对应的单根光纤中。
5.根据权利要求2所述的一种固体激光泵浦源结构，其特征在于：所述激光发射耦合模块包括平行激光发射阵列、微透镜阵列(9)，所述激光发射阵列发出的平行光束经过微透镜阵列(9)汇聚耦合到光纤束阵列(11)中的对应的单根光纤中。
6.根据权利要求2所述的一种固体激光泵浦源结构，其特征在于：所述激光发射耦合模块包括若干组激光器芯片组、常规合束装置、微透镜阵列(9)，所述激光器芯片组包括至少一个单管激光器芯片；每组激光器芯片组发出的激光经过常规合束装置整形合束后，再经过微透镜阵列(9)汇聚耦合到光纤束阵列(11)中的对应的单根光纤中。
7.根据权利要求4或6所述的一种固体激光泵浦源结构，其特征在于：所述常规合束装置包括快轴准直镜(13)、慢轴准直镜(15)、空间密排合束装置。
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