CN112271536A - 一种板条激光器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种板条激光器，包括板条晶体组、反射镜组、泵浦装置(4)、冷却器以及谐振腔；所述冷却器上设置有所述窄带状板条晶体组，所述谐振腔包括谐振腔反射镜(5)、谐振腔输出镜(6)，所述谐振腔反射镜(5)、所述板条晶体组以及所述谐振腔输出镜(6)同轴设置；所述反射镜组包括至少一块反射镜(3)，反射镜(3)用于与所述板条晶体组配合，以使所述泵浦光和激光按照设定路线传播。本发明改进了板条结构，利用板条状晶体组与反射镜组配合，优化了晶体的热量分布和传热路径，方便准确测量晶体的最高温度，提高了激光器的输出功率和光束质量，有利于提高激光器的安全运行极限。

Description

一种板条激光器
技术领域
本发明涉及固体激光技术领域，尤其涉及一种板条激光器。
背景技术
在高功率固体激光技术研究中，泵浦作为高功率激光的能量提供源，泵浦技术的发展引起了人们的普遍重视。目前板条激光器主要的泵浦方式有：端面泵浦、侧面泵浦和上下表面大面积泵浦三种。在众多的泵浦技术中，端面泵浦技术成为发展最为迅速的泵浦技术之一，其优点在于：泵浦光的传输路径与激光的传输路径相互重叠或者平行，两者模式能够匹配，有利于高效率、高光束质量的激光输出。
然而，端面泵浦也存在着泵浦耦合装置结构复杂、泵浦光束整形难度大等缺点。此外，现有的板条激光器普遍采用两个大面紧贴冷却热沉的封装方式，热量集中且不易扩散，基于这种结构限制，板条激光器普遍存在着晶体内部温度无法直接测量的问题，这也给激光器高功率运行带来了较大的隐患。
发明内容
本发明实施例提供一种板条激光器，用以改进板条激光器结构，优化晶体的热量分布和传热路径，方便准确测量晶体的最高温度，有利于提高激光器的安全运行极限。
本发明实施例提供一种板条激光器，包括，板条晶体组、反射镜组、泵浦装置、冷却器以及谐振腔；
所述冷却器上设置有所述板条晶体组，所述谐振腔包括谐振腔反射镜、谐振腔输出镜，所述谐振腔反射镜、所述板条晶体组以及所述谐振腔输出镜同轴设置；
所述泵浦装置用于发射泵浦光，并将泵浦光传输至所述板条晶体组中；
所述反射镜组包括至少一块反射镜，至少一块所述反射镜设置在所述板条晶体组一侧，所述反射镜用于与所述板条晶体组配合，以使所述泵浦光和激光按照设定路线传输。
可选的，所述冷却器包括冷却热沉，所述板条晶体组包括多个窄带状的激光晶体；
多个所述激光晶体紧贴所述冷却热沉的冷却面间隔设置；
所述冷却热沉内部对应于所述激光晶体的位置上设置有微通道结构，所述微通道结构用于冷却所述激光晶体。
可选的，在所述冷却热沉的一个冷却面或两个相对的冷却面上设置有所述板条晶体组；
多个所述激光晶体的长宽对应的表面紧贴所述冷却热沉(1)的冷却面间隔设置。
可选的，多个所述激光晶体的宽度不同、长度和厚度相同，所述激光晶体的厚度范围为200μm～500μm，相邻两个所述激光晶体的间距范围为5mm～10mm。
可选的，位于第一个以及最后一个的所述激光晶体的端头切割有斜面。
可选的，所述激光晶体的掺杂浓度均不相同，所述激光晶体的掺杂浓度沿所述冷却热沉长度方向先增加后降低。
可选的，对应于各个所述激光晶体的微通道结构之间相互独立，且所述微通道结构的结构参数根据对应的所述激光晶体的发热量确定。
可选的，所述激光晶体与所述冷却面贴合的表面镀有泵浦光和激光的全反膜；
所述激光晶体与所述冷却面贴合表面的相对面的中间部分镀有泵浦光和激光的全反膜，两侧部分镀有泵浦光和激光的增透膜；
所述反射镜组的表面镀有泵浦光和激光的全反膜。
可选的，所述泵浦装置设置于板条晶体组第一个，和/或最后一个的激光晶体的一侧，所述泵浦装置发出的泵浦光经过第一个，和/或最后一个的激光晶体的外侧大表面入射至所述板条晶体组中。
本发明实施例通过改进板条结构，利用板条晶体组与反射镜组配合，优化了晶体的热量分布和传热路径，方便准确测量晶体的最高温度，有利于提高激光器的安全运行极限。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例板条状晶体组的一种布置方式；
图2为本发明实施例板条状晶体组的另一种布置方式；
图3为本发明实施例热沉内部结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
实施例
现有的板条激光器存在一定的不足之处，主要有以下几点：(1)端面泵浦中，泵浦光需要整形为非常窄的准直的细长条状，光束质量要求高、光束整形难度大，并且泵浦面积较小限制了最大泵浦功率的提高；(2)通常利用键合工艺将非掺杂晶体和掺杂晶体形成为一个整体，键合面对输出激光功率和光束质量存在较大的影响，这对板条的键合工艺提出了较高的要求。晶体的键合面两侧存在极大的温度梯度，经常发生在键合处断裂的情形，影响了板条的安全运行。(3)板条激光器普遍采用两个大面紧贴冷却热沉的封装方式，基于这种结构限制，板条激光器普遍存在着晶体内部温度无法直接测量的问题，这也给激光器高功率运行带来了较大的隐患。
基于此本发明实施例提供一种板条激光器，如图1、2所示，包括板条晶体组、反射镜组、泵浦装置4、冷却器以及谐振腔；
所述冷却器上设置有所述板条晶体组，所述谐振腔包括谐振腔反射镜5、谐振腔输出镜6，所述谐振腔反射镜5、所述板条晶体组以及所述谐振腔输出镜6同轴设置；
所述泵浦装置4用于发射泵浦光，并将泵浦光传输至所述板条晶体组中；
所述反射镜组包括至少一块反射镜3，至少一块所述反射镜3设置在所述板条晶体组一侧，所述反射镜3用于与所述板条晶体组配合，以使所述泵浦光和激光按照设定路线传输。
本发明实施例通过改进板条结构，利用板条晶体组与反射镜组配合，优化了晶体的热量分布和传热路径，方便准确测量晶体的最高温度，有利于提高激光器的安全运行极限。
可选的，所述冷却器包括冷却热沉1；
所述板条晶体组包括多个窄带状激光晶体2，多个所述窄带状激光晶体2紧贴所述冷却热沉1的冷却面间隔设置；
所述冷却热沉1内部对应于所述激光晶体2的位置设置有微通道结构，所述微通道结构用于冷却所述激光晶体2。
如图1、2所示，板条晶体组可以包括多个激光晶体2，多个所述激光晶体2紧贴所述冷却热沉1的冷却面间隔设置。冷却热沉1内部对应于所述激光晶体2的位置设置有微通道结构，所述微通道结构用于冷却所述激光晶体2。
在前述实施例的基础上，本实施例中反射镜组可以布置于板条晶体组的一侧，反射镜组可以由一系列表面镀有泵浦光和激光全反膜的反射镜3组成。反射镜3用于与激光晶体2配合以使所述泵浦光按照设定路线传输。具体的泵浦装置4将泵浦光耦合整形后通过激光晶体2外侧大表面上镀有增透膜的区域进入板条晶体组，反射镜3用于将激光晶体2反射的光束反射至相邻的激光晶体2中，沿Z形光路传输后从该激光晶体2另一个镀有增透膜的区域离开激光晶体2，经过反射镜3反射后，进入下一个激光晶体2，依次类推，直到完全被吸收。谐振腔反射镜5和谐振腔输出镜6构成谐振腔。板条激光晶体组形成的激光可以在谐振腔内谐振，以达到所需要的激光并从谐振腔输出镜输出。
一种具体的设置方式可以是：反射镜3设置在每两个激光晶体2之间，用于将当前激光晶体2出射的光束再次反射至相邻的激光晶体2中。
可选的，在所述冷却热沉1的一个冷却面或两个相对的冷却面上设置有所述板条晶体组，多个所述激光晶体2的长宽对应的表面紧贴所述冷却热沉1的冷却面间隔设置。
如图1所示，板条晶体组的各个激光晶体2长度方向和宽度方向的大表面紧贴在所述冷却热沉1上，另一个大表面裸露在空气中，具体的贴合方式可以通过焊接完成，也即激光晶体2的长度方向和宽度方向的一个大表面焊接到冷却热沉1的冷却面上。如图1所示，冷却热沉1的一个冷却面焊接有板条晶体组，当然也可以如图2所示在冷却热沉1的两个相对的冷却面均焊接有板条晶体组，具体的焊接方式可以根据实际情况设置。
可选的，多个所述激光晶体的宽度不同、长度和厚度相同，所述激光晶体的厚度范围为200μm～500μm，相邻两个所述激光晶体的间距范围为5mm～10mm。
具体地说，板条晶体组可以采用厚度和长度相同、宽度不同的激光晶体2组成，板条晶体组的各个激光晶体2之间相隔一定的距离，例如两个相邻侧面的间距为5mm～10mm，各个激光晶体2的厚度相同，本实施例中激光晶体的厚度范围可以是200μm～500μm。板条晶体组中各个激光晶体之间有一定的间距，各个激光晶体的冷却互不影响，紧贴于冷却热沉1的激光晶体2的表面是激光晶体2长宽对应的表面，也即激光晶体2的大表面，当然另一个对应的大表面裸露于空气中。采用本发明的间隔布置方式相当于在热沉冷却面上分散了多个互不接触的热源，这种间断式的布置方式可有效降低激光晶体的最高温度。
板条晶体组中各个激光晶体厚度较薄，其与冷却面相对的大表面裸露在空气中，该表面也是激光晶体的最高温度所在的位置，因此可通过红外热像仪直观精确地测量到激光晶体内部的最高温度，对于激光晶体的安全运行具有重大的意义。
可选的，位于第一个以及最后一个的所述激光晶体2的端头切割有斜面。
具体地说，位于第一个以及最后一个的所述激光晶体2的端头切割有斜面，也即第一个激光晶体2和最后一个激光晶体2的横截面为梯形，其余激光晶体的横截面为矩形。
可选的，所述激光晶体的掺杂浓度均不相同。
具体地说，所述激光晶体2可以是掺杂稀土元素(Nd3+、Er3+、Yb3+等)的钇铝石榴石(YAG)，且掺杂浓度不相同。
本发明板条晶体组中的激光晶体不再需要键合工艺，也不存在键合面，消除了键合面对激光光束质量的影响。
可选的，所述激光晶体的掺杂浓度沿热沉长度方向先增加后降低。
具体地说，对于需要掺杂的激光晶体的掺杂方式可以是以位于中间的激光晶体为参考，位于中间的激光晶体两侧的激光晶体掺杂浓度逐渐降低，也即中间的激光晶体的掺杂浓度最高。也即从第一个激光晶体开始到倒数第一个激光晶体的掺杂浓度先增加后降低。
本发明的板条晶体组种各个激光晶体的掺杂浓度不同，通过激光晶体的掺杂浓度和激光晶体的长度的匹配，可确保各个激光晶体的冷却激光晶体2大表面处的热流密度完全一致，从而确保各个激光晶体的温度基本一致。
本发明冷却器的冷却结构可对每个激光晶体2实现有针对性的冷却，通道形状、结构参数以及冷却流量与晶体的发热量完全匹配，各个激光晶体的冷却效果互不影响。
可选的，对应于各个所述激光晶体的微通道结构之间相互独立，且所述微通道结构的结构参数根据与其对应的所述激光晶体的发热量确定。
具体地说，如图3所示，冷却热沉1内部包括多个冷却腔，冷却腔内8容纳有微通道结构，冷却热沉1内部各个微通道结构通过冷却腔8实现相互独立，具体的微通道冷却腔8内的微通道结构的通道形状、宽度以及高度可以依据所述激光晶体2的发热量确定，由此确保长度不同的激光晶体2具有同等的冷却效果。
具体的冷却热沉1的结构还可以包括位于冷却热沉1两侧的冷却液入口7和冷却液出口9，冷却液从冷却液入口7进入冷却结构后分流至每一个独立的微通道冷却腔，之后再汇合至冷却液出口9附近，从冷却液出口9流出。
可选的，所述激光晶体2与所述冷却面贴合的表面镀有全反膜；
所述激光晶体2与所述冷却面贴合表面的相对面的中间部分镀有泵浦光和激光的全反膜，两侧部分镀有泵浦光和激光的增透膜。
具体地说，每个激光晶体2与热沉接触的大表面全部镀有泵浦光和激光的全反膜，每个激光晶体2裸露在空气中的大表面的中间位置镀有泵浦光和激光的全反膜，其余位置则镀有泵浦光和激光的增透膜。
可选的，所述泵浦装置设置于板条晶体组第一个以及最后一个的激光晶体的一侧，所述泵浦装置发出的泵浦光经过第一个以及最后一个的激光晶体的斜面入射至所述板条晶体组中。
如图2所示，泵浦装置4可以设置多个，例如两个，分别设置在第一个以及最后一个的激光晶体的一侧，泵浦装置4发出的泵浦光经过第一个以及最后一个的激光晶体的外侧大表面入射至板条晶体组中。
综上，本发明的板条激光器具有如下优点：
1、板条晶体组中的各个晶体均为掺杂了稀土元素的YAG，该结构不再需要键合工艺，也不存在键合面，消除了键合面对激光光束质量的影响。
2、板条晶体组中各个晶体的掺杂浓度不同，通过板条的掺杂浓度和板条宽度的匹配，可确保各个晶体的冷却大表面处热流密度完全一致，从而确保各个晶体的温度基本一致。
4、板条晶体组中各个晶体之间有一定的间距，各个晶体的冷却互不影响，采用这种布置方式相当于在热沉冷却面上分散了多个互不接触的热源，这种间断式的布置方式可有效降低晶体的最高温度。
5、板条晶体组中各个激光晶体厚度较薄，其与冷却面相对的激光晶体大表面裸露在空气中，激光晶体大表面也是晶体的最高温度所在的位置，因此可通过红外热像仪直观精确地测量到晶体内部的最高温度，对于晶体的安全运行具有重大的意义。
6、本实施例中的冷却结构可对每个晶体实现有针对性的冷却，通道形状、结构参数以及冷却流量与晶体的发热量完全匹配，各个晶体的冷却效果互不影响，晶体厚度方向的温度梯度对激光的影响通过Z形激光光路和泵浦光光路进行消除。
需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (9)

1.一种板条激光器，其特征在于，包括，板条晶体组、反射镜组、泵浦装置(4)、冷却器以及谐振腔；
所述冷却器上设置有所述板条晶体组，所述谐振腔包括谐振腔反射镜(5)、谐振腔输出镜(6)，所述谐振腔反射镜(5)、所述板条晶体组以及所述谐振腔输出镜(6)同轴设置；
所述泵浦装置(4)用于发射泵浦光，并将泵浦光传输至所述板条晶体组中；
所述反射镜组包括至少一块反射镜(3)，至少一块所述反射镜(3)设置在所述板条晶体组一侧，所述反射镜(3)用于与所述板条晶体组配合，以使所述泵浦光和激光按照设定路线传输。
2.如权利要求1所述的板条激光器，其特征在于，所述冷却器包括冷却热沉(1)，所述板条晶体组包括多个窄带状的激光晶体(2)；
多个所述激光晶体(2)紧贴所述冷却热沉(1)的冷却面间隔设置；
所述冷却热沉(1)内部对应于所述激光晶体(2)的位置上设置有微通道结构，所述微通道结构用于冷却所述激光晶体(2)。
3.如权利要求2所述的板条激光器，其特征在于，在所述冷却热沉(1)的一个冷却面或两个相对的冷却面上设置有所述板条晶体组；
多个所述激光晶体(2)的长宽对应的表面紧贴所述冷却热沉(1)的冷却面间隔设置。
4.如权利要求3所述的板条激光器，其特征在于，多个所述激光晶体(2)的宽度不同、长度和厚度相同，所述激光晶体(2)的厚度范围为200μm～500μm，相邻两个所述激光晶体(2)的间距范围为5mm～10mm。
5.如权利要求2所述的板条激光器，其特征在于，位于第一个以及最后一个的所述激光晶体(2)的端头切割有斜面。
6.如权利要求2所述的板条激光器，其特征在于，所述激光晶体(2)的掺杂浓度均不相同，掺杂浓度沿所述冷却热沉(1)长度方向先增加后降低。
7.如权利要求2-7任一项所述的板条激光器，其特征在于，对应于各个所述激光晶体(2)的微通道结构之间相互独立，且所述微通道结构的结构参数根据对应的所述激光晶体(2)的发热量确定。
8.如权利要求2-7任一项所述的板条激光器，其特征在于，
所述激光晶体(2)与所述冷却面贴合的表面镀有泵浦光和激光的全反膜；
所述激光晶体(2)与所述冷却面贴合表面的相对面的中间部分镀有泵浦光和激光的全反膜，两侧部分镀有泵浦光和激光的增透膜；
所述反射镜组的表面镀有泵浦光和激光的全反膜。
9.如权利要求2-7任一项所述的板条激光器，其特征在于，所述泵浦装置(4)设置于板条晶体组第一个，和/或最后一个的激光晶体(2)的一侧，所述泵浦装置(4)发出的泵浦光经过第一个，和/或最后一个的激光晶体(2)的外侧大表面入射至所述板条晶体组中。
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