CN109830879A - 一种基于双折射晶体的激光模块及激光器 - Google Patents

Abstract

一种基于双折射晶体的激光模块及激光器，激光模块包括：板条状双折射激光晶体，上下底面为全内反射面，将从一端射入其内的光束在两个底面间沿zigzag光路传播，且射入其内的光束在全内反射面上的入射角为θ_C，θ_C介于光束射入板条状双折射激光晶体寻常光的全内反射角θ_A和光束射入板条双折射激光晶体非常光的全内反射角θ_B之间；受激自发辐射诱导吸收膜系位于两个底面上；冷却模块位于受激自发辐射诱导吸收膜系表面。激光模块使以角度θ_C在双折射晶体内zigzag传播的寻常光和非寻常光中一种光能够起振，另一种光被受激自发辐射诱导吸收膜系诱导吸收，吸收板条状双折射激光晶体的自发辐射，抑制了自激发振荡，提高激光模块的储能。

Description

一种基于双折射晶体的激光模块及激光器

技术领域

本发明涉及固体激光技术领域，尤其是涉及一种基于双折射晶体的激光模块及激光器。

背景技术

固体激光用途极为广泛，特别是高平均功率、高光束质量和高效率固体激光。激光介质的热效应一直是制约提高激光器功率和光束质量的重要因素：热效应会造成不可逆损坏，而且随着功率增加光束质量非线性下降。冷却技术运用不当会引起热透镜效应、应力双折射、热退偏等现象。应力双折射、热透镜等效应使圆棒状的工作介质难以在高平均功率工作的同时又保持良好的光束质量。薄片、板条等盘片状的激光增益介质散热特性良好，可以高平均功率工作,同时又保持较好的光束质量和偏振特性。

但是，采用薄片、板条等盘片状增益介质方案仍然不能完全解决激光的退偏问题；同时对于板条状激光增益介质，其中受激自发辐射现象严重影响激光储能，甚至引起寄生振荡,同时温度、应力、形变分布不均引起光束质量退化。

发明内容

(一)发明目的

本发明的目的是提供一种基于双折射晶体的激光模块及激光器，能够解决现有技术中，使用薄片、板条等盘片状的激光增益介质还存在的激光退偏问题，并且能够减小板条状激光增益介质的受激自发辐射现象的问题。

(二)技术方案

为解决上述问题，本发明的第一方面提供了一种基于双折射晶体的激光模块，包括：板条状双折射激光晶体，相对的两个底面为全内反射面，将从一端面射入其内的光束在所述两个底面间沿zigzag光路(“之”字光路)传播，且射入其内的光束在全内反射面上的入射角为θ_C，θ_C介于θ_A和θ_B之间，其中，θ_A为所述光束射入所述板条状双折射激光晶体寻常光的全内反射角、θ_B为所述光束射入所述板条双折射激光晶体非常光的全内反射角；受激自发辐射诱导吸收膜系，位于所述两个底面上，用于对板条状双折射激光晶体内不满足全内反射条件寻常光或非寻常光诱导吸收；冷却模块，设置于所述受激自发辐射诱导吸收膜系的表面上，用于为所述板条状双折射激光晶体散热。

进一步地，板条状双折射激光晶体为掺杂激光离子的晶体或键合晶体。

进一步地，所述冷却模块为焊接热沉。

进一步地，所述焊接热沉设置有用于热流控制的切割槽，所述切割槽位于所述焊接热沉与所述板条状双折射激光晶体垂直的面上。

进一步地，焊接热沉通过焊料与板条状双折射激光晶体连接，与焊料接触的焊接热沉的表面上镀有一层金。

进一步地，受激自发辐射诱导吸收膜系包括层叠设置的：介质膜层、诱导吸收层和金属层；介质膜层，与板条状双折射激光晶体的两个底面接触，用于将不满足全内反射条件的寻常光或非寻常光透射至诱导吸收层；第一金属层，用于将透射至其表面的不满足全内反射条件的寻常光或非寻常光反射回诱导吸收层；诱导吸收层，将不满足全内反射条件的寻常光或非寻常光诱导吸收。

进一步地，所述诱导吸收层包括层叠设置的第二金属层和介质层。

进一步地，第二金属层由消光系数大的金属构成，用于将不满足全内反射条件的寻常光或非寻常光吸收；介质层，将经过第二金属层的不满足全内反射条件的寻常光或非寻常光诱导透射至第一金属层。

进一步地，诱导吸收层至少设置有2组。

根据本发明的另一方面，还提供了一种激光器，包括上述第一方面提供的基于双折射晶体的激光模块，为激光器内的光束进行增益放大。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下有益的技术效果：

(1)本发明采用板条状的双折射激光晶体，控制射入板条状双折射的激光晶体的入射角度，一方面，使得该光束在射入板条状的双折射激光晶体内沿着“之”字光路传播；另一方面，使得射入其内的光束在全内反射面上的入射角θ_C，在光束射入板条状双折射激光晶体的寻常光的全内反射角θ_A和光束射入板条双折射激光晶体的非常光的全内反射角θ_B之间，能够使得板条状双折射激光晶体内，产生的寻常光和非寻常光中只有一种光能够起振，另一种光被受激自发辐射诱导吸收膜系诱导吸收，能够吸收板条状双折射激光晶体的自发辐射，抑制了自激发振荡，提高了激光模块的储能。

(2)冷却模块设置于受激自发辐射诱导吸收膜系的表面上，能够保证均匀的温度、应力和形变分布。

(3)本发明实施例提供的激光模块，保证了激光模块振荡或输出完全线偏振。

附图说明

图1是本发明第一实施方式的基于双折射晶体的激光模块结构示意图；

图2是发明第二实施方式提供的一种双折射晶体的结构示意图；

图3是本发明第一实施方式的受激自发辐射诱导吸收膜系结构示意图；

图4是根据本发明第三实施方式的焊接热沉的结构示意图。

附图标记：

1：板条状双折射激光晶体；2：受激自发辐射诱导吸收膜系；21：介质膜层；22：诱导吸收层；23：第一金属层；221：第二金属层3；222：介质层；3：冷却模块；31：切割槽。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式并参照附图，对本发明进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。

在附图中示出了根据本发明实施例的层结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

图1是本发明第一实施方式提供的基于双折射晶体的激光模块结构示意图。

如图1所示，该基于双折射晶体的激光模块，包括：板条状双折射激光晶体1、受激自发辐射诱导吸收膜系2和冷却装置3。

该模块由上至下形成了五层结构，依次是：冷却装置3、受激自发辐射诱导吸收膜系2、板条状双折射激光晶体1、受激自发辐射诱导吸收膜系2和冷却装置3。

在图1所示的例子中，板条状双折射激光晶体1的前面和后面被构造成梯形，上底面和下地面被构成矩形，左端面和右端面被构造成梯形。

需要说明的是，在本发明中，激光模块中的双折射激光晶体，只要是板条状即可，其前面和后面还可以是平行四边形。

其中，板条状双折射激光晶体1，相对的两个底面为全内反射面，将从一端面射入其内的光束在两个底面间沿zigzag光路(“之”字光路)传播，且射入其内的光束在全内反射面上的入射角为θ_C，θ_C介于θ_A和θ_B之间，其中，θ_A为光束射入板条状双折射激光晶体1的寻常光的全内反射角、θ_B为光束射入板条双折射激光晶体1的非常光的全内反射角。

需要说明的是，光束射入板条状双折射激光晶体1内时，形成寻常光和非寻常光，本发明控制入射角θ_C的大小,使其在寻常光和非常光的全内反射角的范围内，能够使得寻常光和非常光只有一种偏振态的光满足全内反射条件，满足全内反射条件的光能够从板条状双折射激光晶体1内射出。而另一种光则被受激自发辐射诱导吸收膜系2诱导吸收，进而吸收了板条状双折激光晶体1的受激自发辐射，抑制了自激振荡，提高了激光模块储能能力。

可选的，基于板条状的双折射晶体可以选用掺杂激光离子的晶体或键合晶体。

图2是发明第二实施方式提供的一种双折射晶体的结构示意图。

如图2所示，该双折射晶体为键合晶体，其中部为掺杂激光离子的晶体，两端为未掺杂的双折射晶体。其中掺杂激光离子的晶体可以是Nd:YVO₄等双折射掺杂晶体，未掺杂的双折射晶体为YVO₄等双折射晶体。

在本发明的第一实施方式中，受激自发辐射诱导吸收膜系2固定于板条状双折激光晶体1的上底面和下底面，用于对板条状双折射激光晶体1内的寻常光或非寻常光诱导吸收。

图3是本发明第一实施方式的受激自发辐射诱导吸收膜系结构示意图。

如图3所示，该受激自发辐射诱导吸收膜系2包括依次层叠设置的：介质膜层21、诱导吸收层22和第一金属层23。

介质膜层21，由SiO₂或Al₂O₃等介质构成，该介质膜层21与板条状双折射激光晶体1的两个底面接触，用于将不满足全内反射条件的寻常光或非寻常光透射至诱导吸收层22。该介质膜层21的厚度为预设值，该预设值的选取需要满足以下条件：全内反射的光线射入介质膜层21的倏逝波能量不损失。

第一金属层23由金构成，用于将透射至其表面的不满足全内反射条件的寻常光或非寻常光反射回诱导吸收层22，该第一金属层能够使得受激自发辐射诱导吸收膜系2与焊料之间相互浸热阻极低,以使得该基于双折射晶体的激光模块具有良好的温度、应力和形变分布，保证高光束质量输出。

诱导吸收层22，将不满足全内反射条件的寻常光或非寻常光诱导吸收。

在一个优选的实施例中，诱导吸收层22包括层叠设置的第二金属层221和介质层222。

可选的，在图1所示的例子中，第二金属层221与介质膜层21接触。当然，还可以设置介质层222与介质膜层21接触。

需要说明的是，当诱导吸收层22为多组时，优选设置第一组诱导吸收层22的第二金属层221与介质膜层21接触。

具体地，第二金属层221由消光系数大的金属构成，用于将不满足全内反射条件的寻常光或非寻常光吸收。可选的，消光系数大的金属为Fe、Ni或Ti等金属。

介质层222，将经过第二金属层221的不满足全内反射条件的寻常光或非寻常光透射。可选的，介质层222由SiO₂或Al₂O₃等介质构成，该介质层222能够诱导不满足全内反射的光增透。

优选的，诱导吸收层22至少设置有2组，以使得不满足全内反射的光完全被吸收。

当诱导吸收层22为2组以上时，不满足全内反射条件的寻常光或非常光射入介质膜层21，介质膜层21将该光束透射至第一组诱导吸收层22的第二金属层221，该第二金属层222将该光束部分吸收，没有被吸收的光束，通过第一组诱导吸收层22的介质层222透射至第二组诱导吸收层22的第二金属层221,被该第二金属层221部分吸收，然后经过第二组诱导吸收层22的介质层222透射至第一金属层23，第一金属层23将这部分光束在依次反射至第一组诱导吸收层22和第二组诱导吸收层22，使得不满足全内反射条件的光被完全吸收。

在本发明第一实施方式中，冷却模块3焊接于受激自发辐射诱导吸收膜系2的表面上，用于为板条状双折射激光晶体1散热。

在一个优选的实施例中，冷却模块3为焊接热沉。

图4是根据本发明第三实施方式的焊接热沉的结构示意图。

如图4所示，该焊接热沉设置有用于热流控制的切割槽31，切割槽31位于焊接热沉与板条状双折射激光晶体垂直的面上。该焊接热沉可以根据热流密度设计，确定切割槽31的位置和尺寸，通过在焊接热沉21上设置切割槽，能保证热端上的温差极小，使得散热效果更佳。

优选的，焊接热沉通过焊料与与板条状双折射激光晶体1连接，与焊料接触的焊接热沉的表面镀有一层金，以使得焊接热沉和焊料之间相互浸润热阻极低。

本发明的第四实施方式还提供了一种激光器，包括上述第一实施方式提供的基于双折射晶体的激光模块，该激光模块将激光器内的光束进行增益放大。

(1)本发明采用板条状的双折射激光晶体，控制射入板条状双折射的激光晶体的入射角度，一方面，使得该光束在射入板条状的双折射激光晶体内沿着“之”字光路传播；另一方面，使得射入其内的光束在全内反射面上的入射角θ_C，在光束射入板条状双折射激光晶体的寻常光的全内反射角θ_A和光束射入板条双折射激光晶体的非常光的全内反射角θ_B之间，能够使得板条状双折射激光晶体内，产生的寻常光和非寻常光中只有一种光能够起振，另一种光被受激自发辐射诱导吸收膜系诱导吸收，能够吸收板条状双折射激光晶体的自发辐射，抑制了自激发振荡，提高了激光模块的储能。

(2)冷却模块设置于受激自发辐射诱导吸收膜系的表面上，能够保证均匀的温度、应力和形变分布。

(3)本发明上述是实施例提供的激光模块，保证了激光模块振荡或输出完全线偏振。

应当理解的是，本发明的上述具体实施方式仅仅用于示例性说明或解释本发明的原理，而不构成对本发明的限制。因此，在不偏离本发明的精神和范围的情况下所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。此外，本发明所附权利要求旨在涵盖落入所附权利要求范围和边界、或者这种范围和边界的等同形式内的全部变化和修改例。

Claims (10)

1.一种基于双折射晶体的激光模块，其特征在于，包括：

板条状双折射激光晶体(1)，相对的两个底面为全内反射面，将从一端面射入其内的光束在所述两个底面间沿zigzag光路(“之”字光路)传播，且射入其内的光束在全内反射面上的入射角为θ_C，θ_C介于θ_A和θ_B之间其中，θ_A为所述光束射入所述板条状双折射激光晶体(1)的寻常光的全内反射角、θ_B为所述光束射入所述板条双折射激光晶体(1)的非常光的全内反射角；

受激自发辐射诱导吸收膜系(2)，位于所述两个底面上，用于对板条状双折射激光晶体(1)内不满足全内反射条件的寻常光或非寻常光诱导吸收；

冷却模块(3)，设置于所述受激自发辐射诱导吸收膜系(2)的表面上，用于为所述板条状双折射激光晶体(1)散热。

2.根据权利要求1所述的一种基于双折射晶体的激光模块，其特征在于，所述板条状双折射激光晶体(1)为掺杂激光离子的晶体或键合晶体。

3.根据权利要求1所述的一种基于双折射晶体的激光模块，其特征在于，所述冷却模块(3)为焊接热沉。

4.根据权利要求3所述的一种基于双折射晶体的激光模块，其特征在于，所述焊接热沉设置有用于热流控制的切割槽(31)，所述切割槽(31)位于所述焊接热沉与所述板条状双折射激光晶体垂直的面上。

5.根据权利要求3或4所述的一种基于双折射晶体的激光模块，其特征在于，所述焊接热沉与所述板条状双折射激光晶体(1)通过焊料连接；

所述焊接热沉与所述焊料接触的表面上镀有一层金。

6.根据权利要求1所述的一种基于双折射晶体的激光模块，其特征在于，所述受激自发辐射诱导吸收膜系(2)包括依次层叠设置的：介质膜层(21)、诱导吸收层(22)和第一金属层(23)；

所述介质膜层(21)，与所述板条状双折射激光晶体(1)的两个底面接触，用于将不满足全内反射条件的寻常光或非寻常光透射至所述诱导吸收层(22)；

所述第一金属层(23)，用于将透射至其表面的不满足全内反射条件的寻常光或非寻常光反射回所述诱导吸收层(22)；

所述诱导吸收层(22)，将所述不满足全内反射条件的寻常光或非寻常光诱导吸收。

7.根据权利要求6所述的一种基于双折射晶体的激光模块，其特征在于，所述诱导吸收层(22)包括层叠设置的第二金属层(221)和介质层(222)。

8.根据权利要求7所述的一种基于双折射晶体的激光模块，其特征在于，所述第二金属层(221)由消光系数大的金属构成，用于将不满足全内反射条件的寻常光或非寻常光吸收；

所述介质层(222)，将经过所述第二金属层(221)的不满足全内反射条件的寻常光或非寻常光诱导透射。

9.根据权利要求6-8任一项所述的一种基于双折射晶体的激光模块，其特征在于，所述诱导吸收层(22)至少设置有2组。

10.一种激光器，包括如权利要求1-9任一项所述的基于双折射晶体的激光模块。