CN109888606A - 一种基于漫反射腔泵浦的板条激光模块 - Google Patents
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Abstract
一种基于漫反射腔泵浦的板条激光模块，包括：第一半导体泵浦源(11)、第一泵浦光聚焦透镜(12)、第一漫反射腔(13)、板条状固体激光材料(2)；其中，第一泵浦光聚焦透镜(12)与第一泵浦源(11)间隔设置，将第一半导体泵浦源(11)发射的泵浦光聚焦；第一漫反射腔(13)由第一腔壁(131)与板条状固体激光材料(2)围成；第一腔壁设置有第一通孔(131A)，第一通孔(131A)位于第一泵浦光聚焦透镜(12)的焦点处。激光模块通过漫反射腔将未被板条状固体激光材料吸收的泵浦光反射回板条状固体激光材料，进行多程吸收，相比于现有的常温下准三能级固体激光模块，可以减小掺杂离子的浓度，减小自吸收，提高效率。
Description
技术领域
本发明涉及固体激光领域，尤其是涉及一种基于漫反射腔泵浦的板条激光模块。
背景技术
随着半导体激光二极管的发展，半导体泵浦的全固态激光器由于具有结构紧凑、效率高、光束质量好等优点具有广泛的应用前景，是目前激光领域研究的重点。
近年来，随着高性能InGaAs半导体激光器的发展和成本的降低，掀起了研究掺Yb3+激光晶体的热潮。Yb:YAG晶体量子效率高，具有宽的吸收谱和发射谱，荧光寿命长，优良的光学、热力学和机械性能等特点而成为发展高效、高功率固体激光器的的最具应用潜力的固体激光材料之一。
以往传统方法为了实现常温下准三能级Yb:YAG激光的输出，只能采用端面泵浦的方式来达到较高的泵浦功率密度，泵浦光经过单/双程吸收，因此必须提高离子掺杂浓度。虽然在理论上晶体的离子掺杂浓度越高，晶体中的激活离子越多，越有利于高功率的激光输出。但是当Yb3+离子增加到一定浓度时就会发生浓度猝灭，并且自吸收的程度随着掺杂离子浓度的增加会更加严重，使激光振荡阈值增加，效率降低，影响激光输出。并且这种端面泵浦方式需要将泵浦光整形成窄条形光斑并耦合到晶体中，整形和耦合难度大。
发明内容
(一)发明目的
本发明的目的是提供一种基于漫反射腔泵浦的板条激光模块，通过漫反射腔将泵浦光射入从板条状固体激光材料上，被其吸收，未被吸收的泵浦光从板条状固体激光材料反射回的光通过漫反射腔再次反射回板条状固体激光材料直至泵浦光被完全吸收，上述基于漫反射腔泵浦的板条激光模块能够解决现有技术中常温下准三能级晶体离子掺杂高，自吸收现象严重，效率较低的问题。
(二)技术方案
为解决上述问题，本发明的提供了一种基于漫反射腔泵浦的板条激光模块包括：第一半导体泵浦源、第一泵浦光聚焦透镜、第一漫反射腔、板条状固体激光材料；其中，第一泵浦光聚焦透镜，与第一半导体泵浦源间隔设置，用于将第一半导体泵浦源发射的泵浦光聚焦；第一漫反射腔，由第一腔壁与板条状固体激光材料围成；第一腔壁设置有第一通孔，第一通孔设置在第一泵浦光聚焦透镜的焦点处，用于将第一半导体泵浦源发射的泵浦光聚焦后射入板条状固体激光材料表面。
进一步地，第一漫反射腔靠近板条状固体激光材料的表面镀有一层金。
进一步地，第一腔壁由金属或陶瓷材料制成。
进一步地，板条状固体激光材料靠近第一腔壁的一面镀有对所述泵浦光透射率高的膜层，所述板条状固体激光材料远离第一腔壁的一面镀有对所述泵浦光反射率高的膜层。
进一步地，还包括第一冷却模块，设置所述板条状固体激光材料靠近所述第一腔壁的面上，为所述板条状固体激光材料冷却；所述第一冷却模块包括冷却水和冷却水容器。
进一步地，还包括第二冷却模块，设置在所述板条状固体激光材料远离所述第一腔壁的面上，为所述板条状固体激光材料冷却。
进一步地，第二冷却模块为焊接热沉。
进一步地，板条状固体激光材料为键合结构；和/或，板条状固体激光材料由Yb:YAG晶体、Yb:YAG陶瓷、Tm:YAG晶体中的一种制成。
进一步地，第一腔壁通过焊接或机械装夹的方式与所述板条状固体激光材料连接。
进一步地，还包括第二半导体泵浦源、第二泵浦光聚焦透镜、第二漫反射腔；所述第二漫反射腔，由第二腔壁与板条状固体激光材料围成，且所述第二漫反射腔和第一漫反射腔分别位于板条状固体激光材料相对的两面；所述第二腔壁设置有第二通孔，所述第二通孔设置在所述第二泵浦光聚焦透镜的焦点处，用于将所述第二半导体泵浦源发射的泵浦光聚焦后射入所述板条状固体激光材料表面。
进一步地，第二冷却模块包括冷却水和冷却水容器。
进一步地，第一半导体泵浦源发射的泵浦光波长和所述第二半导体泵浦源发射的泵浦光波长相同；所述板条状固体激光材料靠近所述第一漫反射腔的面镀有对于第一半导体泵浦源发射的泵浦光高透射率的膜；所述板条状固体激光材料靠近所述第二漫反射腔的表面均镀有对于第二半导体泵浦源发射的泵浦光高透射率的膜。
(三)有益效果
一方面，本发明实施例提供的激光模块，设置有漫反射腔，通过漫反射腔将未被板条状固体激光材料吸收的泵浦光反射回板条状固体激光材料，可进行多程吸收，相比于现有的常温下准三能级固体激光模块，可以减小掺杂离子的浓度，减小自吸收，提高效率，采用本发明实施例提供的激光模块，可实现高功率、高效率的激光输出。另一方面，本发明实施例提供的激光模块与现有的常温下准三能级固体激光模块相比，具有泵浦整形难度低，装置较为简单，便于使用。
附图说明
图1是本发明第一方式提供的基于漫反射腔泵浦的板条激光模块的结构示意图；
图2是根据本发明第一实施方式中板条激光模块内泵浦光的光路示意图；
图3是根据本发明第二实施方式的基于漫反射腔泵浦的板条激光模块的结构示意图。
附图标记：
11:第一半导体泵浦源；12：第一泵浦光聚焦透镜；13：第一漫反射腔；131：第一腔壁；131A：第一通孔；14：第一冷却模块；15：第二冷却模块；16：焊接层；2：板条状固体激光材料；31：第二半导体泵浦源；32：第二泵浦光聚焦透镜；33：第二漫反射腔；331：第二腔壁。
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。
图1是本发明第一方式提供的基于漫反射腔泵浦的板条激光模块的结构示意图。
如图1所示，该基于漫反射腔泵浦的板条激光模块，包括：第一半导体泵浦源11、第一泵浦光聚焦透镜12、第一漫反射腔13、板条状固体激光材料2。
第一泵浦光聚焦透镜12，与第一半导体泵浦源11间隔设置，用于将第一半导体泵浦源11发射的泵浦光聚焦。
可选的，该第一半导体泵浦源11为半导体激光器阵列，该半导体激光器阵列还一一对应的匹配有微透镜阵列，微透镜将半导体激光器发射的光进行准直。
第一漫反射腔13，由第一腔壁131与板条状固体激光材料2围成，第一腔壁设置有第一通孔131A，第一通孔131A设置在第一泵浦光聚焦透镜12的焦点处，用于将第一半导体泵浦源11发射的泵浦光聚焦后射入板条状固体激光材料2表面。
在一个优选的实施例中，第一腔壁131被构造成半球、椭球等弧形结构，也就是其剖面为弧形结构，便于泵浦光的漫反射。当然第二腔壁331也可以选用其他形状，只要是能够满足泵浦光实现漫反射即可。
可选的，第一腔壁131由金属或陶瓷材料制成。例如，该第一腔壁131由7075铝合金构成。或者，第一腔壁131为氮化硅陶瓷或碳化硅陶瓷。
在一个优选的实施例中，第一漫反射腔13靠近板条状固体激光材料2的表面镀有一层金，来提供漫反射表面。
具体地，板条状固体激光材料2靠近所述第一腔壁131的一面镀有对泵浦光高透射率的膜层，板条状固体激光材料2远离第一腔壁131的一面镀有对泵浦光高反射率的膜层，以使得泵浦光能够更好的被板条状固体激光材料吸收，可选的，高透射率为透射率在90％以上，高反射率为反射率在90％以上。例如，当板条状固体激光材料选用Yb:YAG晶体时，选用泵浦光的波长为940nm，板条状固体激光材料2靠近第一腔壁131的一面镀有对940nm透射率为99.8％的膜，板条状固体激光材料2远离第一腔壁131的一面镀有对于940nm反射率为99.9％的膜。
具体地，板条状固体激光材料2为键合结构。在本实施例中，板条状固体激光材料主要针对常温下的准三能级增益介质。可选的，该板条状固体激光材料选用常温下运转自吸收现象严重的物质。例如，Yb:YAG晶体、Yb:YAG陶瓷、Tm:YAG晶体中的一种。
上述激光模块还包括：第一冷却模块14，设置板条状固体激光材料2靠近第一腔壁131的面上，为板条状固体激光材料2冷却。
优选的，第一冷却模块14包括冷却水和冷却水容器。
结合上述实施例，上述激光模块优选的，还包括第二冷却模块15，设置在板条状固体激光材料2远离第一腔壁131的面上，为板条状固体激光材料2冷却。该第二冷却模块15为冷却热沉，该冷却热沉通过焊料层16与板条状固体激光材料2连接。
可选的，第一腔壁131A通过焊接或机械装夹的方式与板条状固体激光材料2连接。
图2是根据本发明第一实施方式中板条激光模块内泵浦光的光路示意图。
如图2所示，第一半导体泵浦源11出射的某一束泵浦光通过泵浦光聚焦透镜12汇聚并入射至第一漫反射腔13内，对板条状固体激光材料2上底面进行泵浦。该泵浦光通过板条状固体激光材料2的上底面进入板条状固体激光材料2内时，先经过折射并经过指数吸收(参见①)，未被吸收的所述泵浦光到达板条状固体激光材料2的下底面后反射回所述板条状固体激光材料2(参见②)，再次经过指数吸收，剩余未被吸收的泵浦光折射并出射回第一漫反射腔12，通过第一漫反射腔13的第一腔壁131反射回板条状固体激光材料2，(参见③)。如此循环往复(例如④)，泵浦光经过3-5程直至被完全吸收。板条状固体激光材料2的上底面通过冷却水冷却，下底面焊接有冷却热沉对固体激光材料进行冷却。
一方面，本发明实施例提供的激光模块，设置有漫反射腔，通过漫反射腔将未被板条状固体激光材料吸收的泵浦光反射回板条状固体激光材料，可进行多程吸收，相比于现有的常温下准三能级固体激光模块，可以减小掺杂离子的浓度，减小自吸收，提高效率，采用本发明实施例提供的激光模块，可实现高功率、高效率的激光输出。另一方面，本发明实施例提供的激光模块与现有的常温下准三能级固体激光模块相比，具有泵浦整形难度低，装置较为简单，便于使用。
图3是根据本发明第二实施方式的基于漫反射腔泵浦的板条激光模块的结构示意图。在第二实施方式中，仅论述与第一实施方式的不同之处，对于相同之处，不在论述。
如图3所示，第二实施方式提供的激光模块，相比于第一实施方式去除了焊料层16，并增设有第二半导体泵浦源31、第二泵浦光聚焦透镜32、第二漫反射腔33。
第二半导体泵浦源31和第一半导体泵浦源11分别设置在板条状固体激光材料2相对的两面，该第二半导体泵浦源31为板条状固体激光材料2提供泵浦。
可选的，第二半导体泵浦源31为半导体激光器阵列，该半导体激光器阵列还一一对应的匹配有微透镜阵列，微透镜将半导体激光器发射的光进行准直。
第二泵浦光聚焦透镜32，与第二半导体泵浦源31间隔设置，且位于板条状固体激光材料2的同侧，用于将第二半导体泵浦源11发射的泵浦光聚焦。
第二漫反射腔33，由第二腔壁331与板条状固体激光材料2围成；且第二漫反射腔33和第一漫反射腔13分别位于板条状固体激光材料2相对的两面。第二腔壁331设置有第二通孔331A，第二通孔331A设置在第二泵浦光聚焦透镜32的焦点处，用于将第二半导体泵浦源31发射的泵浦光聚焦后射入板条状固体激光材料2表面。
第二腔壁331被构造成半球、椭球等弧形结构，也就是其剖面为弧形结构，便于泵浦光的漫反射。当然第二腔壁331也可以选用其他形状，只要是能够满足泵浦光实现漫反射即可。
可选的，第二漫反射腔33靠近板条状固体激光材料2的表面镀有一层金。第二腔壁331由金属或陶瓷材料制成。例如，该第二腔壁331由6061铝合金构成。或者，第二腔壁331为氮化硅陶瓷或碳化硅陶瓷。
需要说明的是，第一漫反射腔13与第二漫反射腔33可采用相同的材料制成相同结构。当然，还可以将第一漫反射腔13和第二漫反射腔33设置为不同材料不同结构。
可选的，在第二实施方式中，第二冷却模块15包括冷却水和冷却水容器。也就是采用冷却水的方式为板条状固体激光材料2的下底面散热。
在第二实施方式中的一个优选的实施例，板条状固体激光材料2靠近第一漫反射腔的13的一面镀有对于第一半导体泵浦源11发射的泵浦光高透射率的膜。板条状固体激光材料2靠近第二漫反射腔33的一面均镀有对于第二半导体泵浦源32发射的泵浦光高透射率的膜。这样第一半导体泵浦源11和第二半导体泵浦源31发射的泵浦光均通过一个板条状固体激光材料2在第一漫反射腔13和第二漫反射腔33之间进行多程吸收。可选的，高透射率的膜为透射率90％以上。
优选的，第一半导体泵浦源和第二半导体泵浦源发射的泵浦光的波长相同，以使得第一半导体泵浦源发射的泵浦光通过第一漫反射腔13和第二漫反射腔33实现板条状固体激光材料2的多程吸收。
一方面，本发明实施例提供的激光模块，设置有漫反射腔，通过漫反射腔将未被板条状固体激光材料吸收的泵浦光反射回板条状固体激光材料，可进行多程吸收，相比于现有的常温下准三能级固体激光模块，可以减小掺杂离子的浓度，减小自吸收，提高效率，采用本发明实施例提供的激光模块，可实现高功率、高效率的激光输出。另一方面，本发明实施例提供的激光模块与现有的常温下准三能级固体激光模块相比，具有泵浦整形难度低，装置较为简单，便于使用。
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 (12)
1.一种基于漫反射腔泵浦的板条激光模块，其特征在于，包括：第一半导体泵浦源(11)、第一泵浦光聚焦透镜(12)和第一漫反射腔(13)、板条状固体激光材料(2)；其中，
所述第一泵浦光聚焦透镜(12)，与所述第一泵浦源(11)间隔设置，用于将所述第一泵浦源(11)发射的泵浦光聚焦；
所述第一漫反射腔(13)，由第一腔壁(131)与所述板条状固体激光材料(2)围成；所述第一腔壁设置有第一通孔(131A)，所述第一通孔(131A)设置在所述第一泵浦光聚焦透镜(12)的焦点处，用于将所述第一泵浦源(11)发射的泵浦光聚焦后射入所述板条状固体激光材料(2)表面。
2.根据权利要求1所述的基于漫反射腔泵浦的板条激光模块，其特征在于，所述第一漫反射腔(13)靠近所述板条状固体激光材料(2)的表面镀有一层金。
3.根据权利要求1所述的基于漫反射腔泵浦的板条激光模块，其特征在于，所述第一腔壁(131)由金属或陶瓷材料制成。
4.根据权利要求1所述的基于漫反射腔泵浦的板条激光模块，其特征在于，所述板条状固体激光材料(2)靠近所述第一腔壁(131)的一面镀有对所述泵浦光高透射率的膜层，所述板条状固体激光材料(2)远离所述第一腔壁(131)的一面镀有对所述泵浦光高反射率的膜层。
5.根据权利要求1所述的基于漫反射腔泵浦的板条激光模块，其特征在于，还包括第一冷却模块(14)，设置所述板条状固体激光材料(2)靠近所述第一腔壁(131)的面上，为所述板条状固体激光材料(2)冷却；所述第一冷却模块(14)包括冷却水和冷却水容器。
6.根据权利要求1所述的基于漫反射腔泵浦的板条激光模块，其特征在于，还包括第二冷却模块(15)，设置在所述板条状固体激光材料(2)远离所述第一腔壁(131)的面上，为所述板条状固体激光材料(2)冷却。
7.根据权利要求6所述的基于漫反射腔泵浦的板条激光模块，其特征在于，所述第二冷却模块(15)为冷却热沉。
8.根据权利要求1所述的基于漫反射腔泵浦的板条激光模块，其特征在于，所述板条状固体激光材料(2)为键合结构；和/或，所述板条状固体激光材料(2)由Yb:YAG晶体、Yb:YAG陶瓷、Tm:YAG晶体中的一种制成。
9.根据权利要求1所述的基于漫反射腔泵浦的板条激光模块，其特征在于，所述第一腔壁(131A)通过焊接或机械装夹的方式与所述板条状固体激光材料(2)连接。
10.根据权利要求1-3、5-6、8-9任一项所述的基于漫反射腔泵浦的板条激光模块，其特征在于，还包括第二半导体泵浦源(31)、第二泵浦光聚焦透镜(32)、第二漫反射腔(33)；
所述第二漫反射腔(33)，由第二腔壁(331)与所述板条状固体激光材料(2)围成，且所述第二漫反射腔(33)和所述第一漫反射腔(13)分别位于所述板条状固体激光材料(2)相对的两面；所述第二腔壁(331)设置有第二通孔(331A)，所述第二通孔(331A)设置在所述第二泵浦光聚焦透镜(32)的焦点处，用于将所述第二泵浦源(31)发射的泵浦光聚焦后射入所述板条状固体激光材料(2)表面。
11.根据权利要求10所述的基于漫反射腔泵浦的板条激光模块，其特征在于，所述第二冷却模块(15)包括冷却水和冷却水容器。
12.根据权利要求10所述的基于漫反射腔泵浦的板条激光模块，其特征在于，所述第一半导体泵浦源(11)发射的泵浦光波长和所述第二半导体泵浦源(31)发射的泵浦光波长相同；
所述板条状固体激光材料(2)靠近所述第一漫反射腔的(13)面镀有对于第一半导体泵浦源(11)发射的泵浦光高透射率的膜；所述板条状固体激光材料(2)靠近所述第二漫反射腔(33)的表面均镀有对于第二半导体泵浦源(32)发射的泵浦光高透射率的膜。
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