CN115066813A - 新型被动调q激光器 - Google Patents

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CN115066813A
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passively
switched laser
yag
doped
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约尼·沙利波
斯坦尼斯拉夫·哈茨维奇
乌拉罕·巴卡尔
俄梅尔·卡帕奇
乌利尔·利维
阿里尔·达南
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Trieye Ltd
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Trieye Ltd
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Abstract

被动调Q激光器和包括此类激光器的短波红外(SWIR)电光系统。被动调Q激光器可包括具有受激发射截面σSE的增益介质(GM)、具有小于GM的σSE的三倍的吸收截面(σa)的饱和吸收器(SA)、以及将GM和SA定位于其内的光学谐振器，光学谐振器包括高反射率镜和输出耦合器，其中高反射率镜和输出耦合器中的至少一个包括在光学谐振器内引导光线的曲面镜，使得在SA内的激光模式的有效横截面(ASA)小于在泵的瑞利长度内的激光模式的横截面(AGM)。

Description

新型被动调Q激光器
相关申请
本申请要求2020年9月8日提交的美国临时专利申请63/075,426、2020年11月11日提交的美国临时专利申请63/112,416、以及2021年6月22日提交的美国临时专利申请63/213,419的优先权，其所有揭露内容的全文以引用方式并入本文。
技术领域
本揭露内容涉及被动调Q激光器及其操作和制造方法，特别是涉及包括陶瓷晶体材料的被动调Q激光器。
背景技术
在电磁光谱的短波红外(short-wave infrared SWIR)部分工作的激光器很难批量生产，尤其是在需要低生产成本的情况下。因此，本领域需要能够以低成本和大量生产的被动调Q SWIR激光器。
通过将常规的、传统的和拟议的方法与本申请的主题(如在本申请中参考附图的其余部分所述的)进行比较，本领域技术人员将清楚地看到这些方法的进一步限制和缺点。
为了理解本发明并了解如何在实践中实施本发明，现在将参考附图，仅通过非限制性示例来描述实施例。应当理解，为了说明的简单和清晰，图中所示的元素不一定按比例绘制。例如，为了清晰起见，一些部件的尺寸可能相对于其他部件被夸大。此外，在认为合适的情况下，可以在附图中重复附图标记，以指示对应的或类似的部件。
发明内容
在各种实施例中，公开了一种被动调Q激光器，其包括：具有一受激发射截面σSE的一增益介质(gain medium，GM)；具有小于三倍的所述GM的所述受激发射截面的一吸收截面(σa)的一饱和吸收器(saturable absorber，SA)；以及一光学谐振器，其中所述GM和所述SA定位于所述光学谐振器内，所述光学谐振器包括一高反射率镜和一输出耦合器，其中所述高反射率镜和所述输出耦合器中的至少一个包括一曲面镜，所述曲面镜在所述光学谐振器内引导光线，使得在所述SA内的一激光模式的一有效横截面(ASA)小于在所述泵的一瑞利长度内的一激光模式的一横截面(AGM)。
在一些实施例中，所述GM由掺钕的钇铝石榴石(Nd:YAG)制成，其中所述SA由掺钴的YAG(Co2+:YAG)制成)。
在一些实施例中，所述GM由掺钕的正钒酸钇(YVO4)制成，以及其中所述SA由掺三价钒的钇铝石榴石(V3+:YAG)制成。
在一些实施例中，所述GM由掺钕的正钒酸钇(YVO4)制成，以及其中所述SA由掺钴的YAG(Co2+:YAG)制成。
在一些实施例中，所述高反射率镜和所述输出耦合器刚性耦合到所述GM和所述SA，使得所述被动调Q激光器是一单片微芯片被动调Q激光器。
在一些实施例中，所述高反射率镜是一凹面镜。
在一些实施例中，所述高反射率镜和所述输出耦合器均为凹面镜。在一些实施例中，所述凹面高反射率镜和所述凹面输出耦合器的曲率使得最高能量密度在所述光学谐振器的中间60％范围内。
在一些实施例中，所述SA的一直径小于所述GM的一直径，其中所述SA被用于从所述光学谐振器释放热量的另一种材料所包围。
在一些实施例中，所述被动调Q激光器还包括至少一个端面泵浦光源和用于将所述端面泵浦光源的光聚焦到所述光学谐振器中的多个光学件。
在一些实施例中，所述GM和所述SA为多晶材料。
在一些实施例中，除了所述GM和所述SA之外，所述被动调Q激光器还包括用于防止热量积聚在所述GM的一吸收区域的未掺杂的YAG。
在一些实施例中，所述GM和所述SA实施在掺杂有钕和至少一种其他材料的一单片晶体材料上。
在一些实施例中，所述被动调Q激光器通过所述输出耦合器发射在1300nm和1500nm的波长范围内的光线。
在一些实施例中，公开了一种SWIR电光系统，其包括根据前面段落的任一个被动调Q激光器，以及还包括对所述被动调Q激光器的波长敏感的一SWIR光电探测器阵列，所述SWIR光电探测器阵列用于检测激光照射在至少一个被照射物体的多个反射。
在一些实施例中，公开了一种SWIR电光系统，其包括根据前面段落的任一个被动调Q激光器，以及还包括对所述被动调Q激光器的波长敏感的一飞行时间(time of flight，ToF)SWIR传感器、可操作以将所述ToF SWIR传感器的操作和所述被动调Q激光器进行同步的一控制器、以及一处理器，所述处理器用于处理通过所述ToF SWIR传感器对所述被动调Q激光器的激光照射的多个反射的检测，以确定与所述SWIR电光系统的一视场中的至少一个物体的一距离。
附图说明
为了理解本发明并了解如何在实践中实施本发明，现在将参考附图，仅通过非限制性示例并根据本发明主题的示例来描述实施例，其中：
图1是示出短波红外(SWIR)光学系统的一示例的示意性功能框图；
图2A、2B和2C是说明被动调Q激光器的示例的示意性功能框图；
图3是示出SWIR光学系统的一示例性实现方式的示意性功能图；
图4是示出SWIR光学系统的另一示例性实现方式的示意性功能图；
图5A是示出SWIR光学系统的一示例的示意性功能框图；
图5B是示出SWIR光学系统的一示例的示意性功能框图；
图6A是示出被动调Q激光器的零件制造方法的一示例的流程图；
图6B和图6C包括执行上述方法的几个概念时间表；
图7A-7C是示出被动调Q激光器的示例的示意性功能框图；
图8A-8C是示出包括至少一个凹面镜的被动调Q激光器的一示例的示意性功能框图；
图9A是示出具有端面泵浦被动调Q激光器的电光系统的一示例的示意性功能框图；
图9B是示出具有侧面泵浦被动调Q激光器的电光系统的一示例的示意性功能框图；
图10A和10B是示出电光系统的示例的示意性功能框图；
图11在分解图中示出了GM放大器的透视投影；
图12在分解图中示出了另一个GM放大器的透视投影；
图13示出了放大的激光照明源；
图14示出了另一个放大的激光照明源。
应了解，为了说明的简单和清晰，图中所示的元素不一定按比例绘制。例如，为了清晰起见，一些部件的尺寸可能相对于其他部件被夸大。此外，在认为合适的情况下，可以在附图中重复附图标记，以指示对应的或类似的部件。
具体实施方式
在以下详细描述中，阐述了许多具体细节，以提供对本公开的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，本发明可以在没有这些具体细节的情况下实施。在其他情况下，未详细描述众所周知的方法、程序和元件，以免掩盖本发明。
在所述的附图和说明中，相同的附图标记表示不同实施例或配置所共有的元件。
除非另有明确说明，从以下讨论中可以明显看出，在整个说明书的讨论中，使用诸如“处理”、“计算”、“运算”、“确定”、“生成”、“设置”、“配置”、“选择”、“定义”等术语，包括计算机操作和/或将数据转换为其他数据的操作和/或过程，所述数据表示为物理量，例如电子量，和/或所述数据表示物理对象。
术语“计算机”、“处理器”和“控制器”应扩展解释为涵盖具有数据处理能力的任何类型的电子设备，通过非限制性示例，包括个人计算机、服务器、计算系统、通信设备、处理器(例如数字信号处理器(DSP)、微控制器、现场可编程栅阵列(Field Programmable GateArray，FPGA)、专用集成电路(ASIC)等)、任何其他电子计算设备，或其任何组合。
根据本文教导的操作可以由为所需目的专门构造的计算机执行，或者由通过存储在计算机可读存储介质中的计算机程序为所需目的专门配置的通用计算机执行。
如本文所用，词组“举例来说”、“诸如”、“例如”及其变体描述了本公开主题的非限制性实施例。说明书中对“一个例子”、“一些例子”、“其他例子”或其变体的引用意味着结合实施例描述的特定特征、结构或特征包括在本公开主题的至少一个实施例中。因此，词组“一个例子”、“一些例子”、“其他例子”或其变体的出现不一定指同一实施例。
应当理解，为清楚起见，在单独实施例的上下文中描述的本公开主题的某些特征也可以组合在单个实施例中提供。相反地，为简洁起见，在单个实施例的上下文中描述的本公开主题的各种特征也可以单独提供或以任何合适的子组合提供。
在本公开主题的实施例中，图中所示的一个或多个阶段可以以不同的顺序执行，和/或一组或多组阶段可以同时执行，反之亦然。附图说明了根据本公开主题的实施例的系统架构的一般示意图。图中的每个模块可以由执行本文定义和解释的功能的软件、硬件和/或固件的任何组合组成。图中的模块可以集中在一个位置，也可以分散在多个位置。
本说明书中对方法的任何引用应比照适用于能够执行该方法的系统，并应比照适用于非暂时性计算机可读介质，该介质存储一旦由计算机执行就会导致该方法执行的指令。
本说明书中对系统的任何引用应比照适用于可由系统执行的方法，并比照适用于存储可由系统执行的指令的非暂时性计算机可读介质。
本说明书中对非暂时性计算机可读介质的任何引用应比照适用于能够执行存储在非暂时性计算机可读介质中的指令的系统，并比照适用于可由读取存储在非暂时性计算机可读介质中的指令的计算机执行的方法。
图1是示出根据本公开主题的示例的短波红外(short-wave infrared，SWIR)光学系统100的一示例的示意性功能框图。值得注意的是，目前尚无科学共识对于被视为SWIR光谱一部分的波长范围。然而，就本发明而言，SWIR光谱包括波长长于可见光谱的电磁辐射，并且至少包括在1300和1500nm之间的光谱范围。图1所示的SWIR光学系统100至少包括被动调Q激光器200，但也可以包括其他部件，例如相应的传感器(用于感测从外部物体反射的激光)、处理器(用于处理感测结果)、控制器(用于控制激光的活动，例如，用于将其操作与激光的操作同步)，等等下面进一步详细讨论一些这样的示例(例如，关于图5A、5B和10)。
在上述光谱范围(1.3-1.5μm)内，唯一需要大量激光器的行业是用于光数据存储的电子行业，这使得半导体激光器的成本降低到每台设备每瓦美元或更少。然而，这些激光器不适用于其他行业，如汽车行业，汽车行业需要峰值功率和光束亮度大得多的激光器，并在恶劣环境条件下使用。
被动调Q激光器200至少包括晶体GM 210、晶体SA 220和光学腔(optical cavity)230，上述晶体材料被限制在光学腔230内，以便允许在GM内传播的光进行增强以产生激光束。光学腔230也被称为“光学谐振器”和“谐振腔”，它包括高反射率镜240(也称为“高反射器”)和输出耦合器250。下文讨论了几种不同类型晶体材料的独特和新颖组合，并使用了不同的激光器制造技术，这允许在SWIR光谱范围内大量制造价格合理的激光器。出于本发明的简洁性，这里不提供本领域中关于被动调Q激光器的一般细节，但可用于多种光源。如本领域所知，激光器的SA用作激光器的Q开关(Q-switch)。术语“晶体材料”广泛包括任何单晶硅或多晶材料。
连接的晶体GM 210和晶体SA 220的尺寸可能取决于特定被动调Q激光器200的设计目的。在非限制性示例中，上述组合的长度在5到15毫米之间。在非限制性示例中，上述组合的长度在2到40毫米之间。在非限制性示例中，上述组合的直径(例如，如果是圆形圆柱体)在2到5毫米之间。在非限制性示例中，上述组合的直径(例如，如果是圆形圆柱体)在0.5到10毫米之间。
被动调Q激光器200包括与SA晶体材料(SAC)刚性连接的GM晶体材料(GMC)。刚性耦合可以以本领域已知的任何一种方式实现，例如使用粘合剂、扩散键合、复合晶体键合、一个接一个地生长(growing one on top of the other)等等。然而，如下文所述，可以使用简单且廉价的方法实现陶瓷形式的晶体材料的刚性连接。需要注意的是，GM晶体材料和SA晶体材料可以彼此直接刚性连接，但是可以选择性地通过中间物体(例如，另一晶体)彼此刚性连接。在一些实施方式中，GM和SA都可以在单件晶体材料上实施，通过用不同的掺杂剂掺杂单件晶体材料的不同部分(例如下面讨论的关于SA晶体材料和GM晶体材料的掺杂剂)，或者通过共掺杂单件晶体材料，用两种掺杂剂掺杂相同体积的晶体材料(例如，共掺杂N3+和V3+的陶瓷YAG).可选地，GM可以生长在单晶饱和吸收基底上(例如，使用液相外延(LiquidPhase Epitaxy，LPE))。需要注意的是，单独的GM晶体材料和SA晶体材料在下面的公开中进行了广泛的讨论，掺杂了两种掺杂剂的陶瓷晶体材料也可以在以下任何实施方案中使用，经过必要的修改。
图2A、2B和2C是根据本公开主题的示例示出被动调Q激光器200的示例的示意性功能框图。在图2A中，两种掺杂剂在公共晶体材料262的两部分上实施(同时作为GM和SA)，而在图2B中，两种掺杂剂在公共晶体材料264的公共体积上互换实施(在所示的例子中-公共晶体的整体)。可选地，GM和SA可实施在掺杂有钕和至少一种其他材料的单片晶体材料上。可选地(例如，如图2C中所示)，光耦合器250和高反射率镜240中的任何一个或两者可直接粘合到晶体材料的一者(例如，GM或SA，或结合两者的晶体)。
SA晶体材料和GM晶体材料中的至少一种是陶瓷晶体材料，即陶瓷形式(例如，多晶形式)的相关晶体材料(例如，掺杂钇铝石榴石、YAG、掺杂钒)。有一种，尤其是两种陶瓷形式的晶体材料，可以实现更高数量和更低成本的生产。例如，可以通过粉末烧结(即，压实并可能加热粉末以形成固体块)、低温烧结、真空烧结等方法来制造多晶材料，而不是在缓慢且有限的过程中生长单独的单晶材料。晶体材料中的一种(SA晶体材料或GM晶体材料)可在另一种晶体材料之上烧结，从而无需复杂且昂贵的工艺，例如抛光、扩散键合或表面活化键合。可选地，GM晶体材料和SA晶体材料中的至少一种为多晶。可选地，GM晶体材料和SA晶体材料均为多晶。
关于可用于制造GM晶体材料和SA晶体材料的晶体材料的组合，此类组合可包括：
a、GM晶体材料为陶瓷掺钕的钇铝石榴石(Nd:YAG)，SA晶体材料为(a)陶瓷掺三价钒的钇铝石榴石(V3+:YAG)，或(b)陶瓷掺钴的晶体材料。可选地，陶瓷掺钴的晶体材料可以是二价陶瓷掺钴的晶体材料。在这些替代方案中，从上述组中选择的Nd:YAG和SA晶体材料均为陶瓷形式。掺钴的晶体材料是掺杂有钴的晶体材料。例子包括掺钴的尖晶石(Co:Spinel，或Co2+:MgAl O)掺钴的硒化锌(Co2+:ZnSe)、掺钴的YAG(Co2+:YAG)。虽然不一定如此，但该选项中的高反射率镜和SA可以选择性地刚性连接到GM和SA，使得被动调Q激光器是单片微芯片(monolithic microchip)被动调Q激光器(例如，如图3和图5所示)。
b、GM晶体材料为陶瓷掺钕的钇铝石榴石(Nd:YAG)，SA晶体材料为选自一组掺杂陶瓷材料的非陶瓷SA晶体材料，该组掺杂陶瓷材料由：(a)掺三价钒的钇铝石榴石(V3+:YAG)和(b)掺钴的晶体材料所组成。可选地，掺钴的晶体材料可以是掺二价钴的晶体材料。在这种情况下，高反射率镜240和输出耦合器250刚性连接到GM210和SA 220，使得被动调Q激光器200是单片微芯片被动调Q激光器。
c、GM晶体材料为陶瓷掺钕的稀土元素晶体材料，SA晶体材料为选自一组掺杂晶体材料的陶瓷晶体材料，该组掺杂陶瓷材料由：(a)掺三价钒的钇铝石榴石(V3+:YAG)和(b)掺钴的晶体材料所组成。可选地，掺钴的晶体材料可以是掺二价钴的晶体材料。虽然不一定如此，但该选项中的高反射率镜240和输出耦合器250可以选择性地刚性连接到GM 210和SA220，使得被动调Q激光器200是单片微芯片被动调Q激光器。
需注意的是，在任何一种实施方案中，掺杂的晶体材料可掺杂有一种以上的掺杂剂。例如，SA晶体材料可掺杂有上述主要掺杂剂，以及至少一种其他掺杂材料(例如，以明显更低的量)。掺钕稀土元素晶体材料是一种晶体材料，其晶胞(unit cell)包括稀土元素(15种化学元素的明确定义组的一者，包括15种镧系元素，以及钪和钇)，并掺杂有钕(例如，三重电离钕(triply ionized neodymium))，其取代了部分晶胞中的稀土元素。本发明中可使用的掺钕稀土元素晶体材料的几个非限制性示例包括：
a、Nd:YAG(如上所述)、掺钕的钨酸钇钾(Nd:KYW)、掺钕的氟化钇锂(Nd:YLF)、掺钕的正钒酸钇(YVO),在所有这些材料中，稀土元素是钕，Nd；
b、掺钕的正钒酸钆(Nd:GdVO),掺钕的钆镓石榴石(Nd:KGW)、掺钕的钨酸钆钾(Nd:KGW)，在所有这些材料中，稀土元素是钆，Gd)；
c、掺钕的硼酸镧(Nd:LSB)，其中稀土元素是钪)；
d、其他掺钕的稀土元素晶体材料可被使用，其中稀土元素可以是钇、钆、钪或任何其他稀土元素。
以下讨论适用于GM晶体材料和SA晶体材料的任何可选组合。
可选地，GM晶体材料与SA晶体材料直接刚性连接。替代地，GM晶体材料和SA晶体材料可以间接连接(例如，SA晶体材料和GM晶体材料中的每一种通过一组一种或多种中间晶体材料和/或通过一种或多种对相关波长透明(transparent)的固体材料连接)。可选地，SA晶体材料和GM晶体材料中的一种或两者对相关波长是透明的(transparent)。
可选地，SA晶体材料可以是掺钴的尖晶石(Co2+:MgAl2O4)。可选地，SA晶体材料可以是掺钴的YAG(Co:YAG)。可选地，这可以使钴和钕Nd在同一YAG上共掺杂。可选地，SA晶体材料可以是掺钴的硒化锌(Co2+：ZnSe)。可选地，GM晶体材料可以是陶瓷掺钴的晶体材料。
可选地，SA的初始传输(T0)在75％到90％之间。可选地，SA的初始传输在78％到82％之间。
激光器所发射的波长取决于其结构中使用的材料，尤其是GM晶体材料和SA晶体材料的材料和掺杂剂。输出波长的一些示例包括在1300nm和1500nm的范围内的波长。一些更具体的示例包括1.32μm或约1.32μm(例如，1.32μm±3nm)、1.34μm或约1.34μm(例如，1.34μm±3nm)、1.44μm或约1.44μm(例如，1.44μm±3nm)。对这些光频率范围中的一个或多个敏感的对应成像器可以被包括在SWIR光学系统100中(例如，如图5中所示)。
图3和4是示出根据本公开主题的示例的SWIR光学系统100的示意性功能图。如这些图示所示，激光器200可包括除上述部件之外的附加部件，例如(但不限于)：
a、用作激光器的泵浦(pump)的光源，例如闪光灯274或激光二极管272。参考前面的例子，光源可以用作泵浦。
b、聚焦光学件282(例如，透镜)，用于将来自光源(例如，272)的光聚焦到激光器200的光轴上。
c、扩散器或其他光学件284，用于在激光束290离开光学腔230后操纵激光束290。
可选地，SWIR光学系统100可包括将激光扩展到更宽的视场(field of view，FOV)的光学件，以改善FOV中的眼睛安全问题。可选地，被动调Q激光器200是二极管泵浦固体激光器(diode pumped solid state laser，DPSSL)。
可选地，被动调Q激光器200包括至少一个二极管泵浦光源(diode pump lightsource)272和用于将泵浦光源272的光聚焦到光学谐振器中的光学件282。可选地，光源272位于光轴上(作为端面泵浦(end pump))。可选地，光源272可以刚性连接到高反射率镜240或SA 210，使得光源272是单片微芯片被动调Q激光器的一部分。可选地，激光器的光源可以包括一个或多个垂直腔面发射激光器(vertical-cavity surface emitting laser，VCSEL)阵列。可选地，被动调Q激光器200包括至少一个VCSEL阵列和用于将VCSEL阵列的光聚焦到光学谐振器中的光学件。光源(例如，激光泵浦)发射的波长可能取决于激光中使用的晶体材料和/或掺杂剂。可由泵浦发射的泵浦波长的一些示例包括：808nm或约808nm、869nm或约869nm、约九百多nm。
图5A是根据本公开主题的其他示例示出的SWIR光学系统100的示意性功能框图。如上所述，SWIR光学系统100可以包括附加部件，例如以下任何一个或多个部件：相应的传感器120(用于感测从外部物体反射的激光)、处理器140(用于处理感测结果)、控制器130(用于控制激光的活动，例如，用于将其操作与激光的操作同步)等等。下面将进一步详细讨论一些此类示例。可选地，SWIR光学系统100可以包括对激光波长敏感的SWIR光电探测器阵列126。通过这种方式，SWIR光学系统可以用作主动SWIR相机、SWIR飞行时间(time offlight，ToF)传感器、SWIR光探测和测距(light detection and ranging，LIDAR)传感器等。可选地，SWIR光学系统100可包括对激光波长敏感的ToF SWIR传感器。可选地，光电探测器阵列可以是对由激光器200发射的SWIR频率敏感的基于CMOS的光电探测器阵列，这是由以色列特拉维夫的趣眼有限公司(TriEye LTD.)设计和制造的基于CMOS的光电探测器阵列。
可选地，SWIR光学系统100可以包括处理器140，用于处理来自SWIR光电探测器阵列126(或SWIR光学系统100的任何其他光敏传感器)的检测数据。例如，处理器140可以处理检测信息以提供SWIR光学系统100的视场(FOV)的SWIR图像，以便检测FOV中的物体等等。可选地，SWIR光学系统100可以包括对激光波长敏感的飞行时间(ToF)SWIR传感器(例如，as传感器120)，以及控制器，其可操作以将ToF SWIR传感器的操作和被动调Q SWIR激光器进行同步，以检测与SWIR光学系统100视场中的至少一个物体910的距离。可选地，SWIR光学系统100可包括控制器130，其可操作以控制Q开关激光器200或系统的其他部件(例如，光电探测器阵列126(例如，聚焦平面阵列(focal plane array，FPA))的操作的一个或多个方面。例如，可由控制器130控制的激光器的一些参数包括定时、持续时间、强度、聚焦等。虽然不一定如此，但控制器130可以基于光电探测器阵列的检测结果(直接或基于处理器140的处理)控制激光器200的操作。可选地，控制器130可用于控制激光泵浦或其他类型的光源，以影响激光器200的激活参数。可选地，控制器130可用于动态地改变脉冲重复率。可选地，控制器130可用于控制光塑形光学件(light shaping optics)的动态修改，例如，用于改善在视场的一特定区域中的信噪比(SNR)。可选地，控制器130可用于控制照明模块以动态改变脉冲能量和/或持续时间(例如，以其他被动调Q激光器可能采用的相同方式，例如改变泵浦激光器的聚焦等)
可选地，SWIR光学系统100可包括温度控制(例如，被动温度控制、主动温度控制)，用于控制激光器或其一个或多个部件(例如泵浦二极管)的温度。例如，这种温度控制可以包括热电冷却器(thermoelectric cooler，TEC)、风扇、散热器、泵浦二极管下的电阻加热器等。
激光器的功率可能取决于其设计用途。例如，激光输出功率可在1W和5W之间。例如，激光输出功率可在5W和15W之间。例如，激光输出功率可在15W和50W之间。例如，激光输出功率可在50W和200W之间。例如，激光输出功率可高于200W。
图5B是根据本公开主题的另一实例示出的另一SWIR光学系统100的示意性功能框图。如图5B所示，系统200可包括激光放大器310，其用于放大激光器200的输出光信号。放大器310可通过专用二极管320进行泵浦，或者使用任何其他合适的光源。注意，激光放大器310可以被实现为独立的放大单元300(如图所示)、作为激光器200的一部分(例如，与激光器200刚性连接)或作为任何其他系统的一部分。需注意的是，即使未示出，激光放大器310也可以在电光系统200的其他配置(例如，使用侧面泵浦的配置)中实现。
SWIR调Q激光器200是一种脉冲激光器，且可具有不同的频率(重复率)、不同的脉冲能量和不同的脉冲持续时间，这可能取决于其设计用途。例如，激光器的重复频率可在10Hz和50Hz之间。例如，激光器的重复频率可在50Hz和150Hz之间。例如，激光器的脉冲能量可在0.1mJ和1mJ之间。例如，激光器的脉冲能量可在1mJ和2mJ之间。例如，激光器的脉冲能量可在2mJ和5mJ之间。例如，激光器的脉冲能量可高于5mJ。例如，激光器的脉冲持续时间可在10ns到100ns之间。例如，激光器的脉冲持续时间可在0.1μs和100μs之间。例如，激光器的脉冲持续时间可能在100μs和1ms之间。激光器的尺寸也可能发生变化，例如取决于其部件的尺寸。例如，激光尺寸可为X×X×X,其中每个尺寸(X、X和X)介于10mm和100mm之间，介于20mm和200mm之间等等。输出耦合镜可以是平的、曲面的或略微弯曲的。
可选地，除了GM和SA之外，SWIR光学系统100还可以包括未掺杂的YAG，以防止热量在GM的吸收区域积聚。未掺杂的YAG可以可选地形状为环绕GM和SA的圆柱体(例如，同心圆柱体)。
需注意的是，除了上述部件之外，SWIR光学系统100还可以包括其他部件。下面提供了几个非限制性的例子。可选地，SWIR光学系统100可包括另一激光器，其用于对GM和SA中的至少一个进行漂白(bleach)。可选地，SWIR光学系统可包括内部光敏探测器(例如，一个或多个光电二极管)，其可用于测量被动调Q激光器200产生脉冲的时间，其中处理器可用于基于从内部光敏探测器获得的定时信息发出触发信号到光电探测器阵列(或其他类型的相机或传感器)，其用于检测来自系统100视场内的物体的激光反射。此类的内部光敏探测器示例性说明在图5B中(在所示示例中被表示为“脉冲检测光电二极管”)。
图6A是根据本公开主题的示例示出的方法600的一示例的流程图。方法600是用于制造被动调Q激光器零件的方法，例如但不限于上文讨论的被动调Q激光器200。参考关于先前附图阐述的示例，被动调Q激光器可以是激光器200。需注意的是，关于激光器200或其部件所讨论的任何变化也可用于其零件在方法600中制造的被动调Q激光器，或其相应部件，反之亦然。
方法600从阶段610开始，将至少一第一粉末插入第一模具内，所述至少一第一粉末随后在方法600中进行处理以产生第一结晶材料。第一晶体材料用作被动调Q激光器的GM或SA。在一些实施方式中，激光器的GM先被制造(例如，通过烧结)，然后在先前制造的GM的顶部制造SA(例如，通过烧结)。在其他实施方式中，激光器的SA先被制造，然后在先前制造的SA的顶部制造GM。在其他实施方式中，SA和GM彼此独立被制造，并耦合形成一个刚体。所述耦合可作为加热、烧结或后续过程的一部分进行。
方法600的阶段620包括将与所述至少一第一粉末不同的至少一第二粉末插入第二模具内。所述至少一第二粉末随后在方法600中进行处理以产生第二晶体材料。第二晶体材料用作被动调Q激光器的GM或SA(因此SA和GM中的一个由第一晶体材料所制成，另一个的功能性由第二晶体材料所制成)。
第二模具可能与第一模具不同。或者，第二模具可以与第一模具相同。在这种情况下，所述至少一第二粉末插入，例如在所述至少一第一粉末的顶部上(或者在第一坯体(first green body)的顶部上，如果已制成)，在所述至少一第一粉末的旁边，在所述至少一第一粉末的周围等等。可在将至少一第一粉末处理成第一坯体之前、在将至少一第一粉末处理成第一坯体之后，或在将至少一第一粉末处理成第一坯体期间的某个时间，将至少一第二粉末插入至少一第一粉末(如果已实施)的同一模具中。
第一粉末和/或第二粉末可包括粉碎的YAG(或任何其他前述材料，例如尖晶石、MgAlO、ZnSe)和掺杂材料(例如，N3+、V3+、Co)。第一粉末和/或第二粉末可包括制成YAG(或任何其他前述材料，例如尖晶石、MgAlO、ZnSe)的材料和掺杂材料(例如，N3+、V3+、Co)。
阶段630在阶段610之后执行，包括压实(compact)在第一模具中的至少一第一粉末，以产生第一坯体。阶段620在阶段640之后执行，并且包括压实在第二模具中的至少一第二粉末，从而产生第二坯体。如果在阶段610和阶段620将至少一第一粉末和至少一第二粉末插入同一模具中，则可以同时进行阶段630和阶段640中粉末的压实(例如，按压至少一第二粉末，这反过来将至少一第一粉末压向模具)，但不一定如此。例如，阶段620(因此也包括阶段640)可以选择性地在阶段630的压缩之后执行。
阶段650包括加热第一坯体以产生第一晶体材料。阶段660包括加热第二坯体以产生第二晶体材料。在不同实施例中，第一晶体的加热可在阶段630和650中的每一个之前、同时、部分同时或之后执行。
可选地，在阶段650中对第一坯体进行加热，然后在阶段640(可能在阶段620)中对至少一第二粉末进行压实(也可能在插入之前)。可分别加热第一坯体和第二坯体(例如，在不同时间、不同温度、不同持续时间)。第一坯体和第二坯体可一起加热(例如，在同一烘箱中)，在加热过程中可彼此连接，也可不连接。第一坯体和第二坯体可能会受到不同的加热状态(regime)的影响，这可能会共享部分的共加热，同时在加热状态的其他部分分别加热。例如，第一坯体和第二坯体中的一个或两个可以与另一个坯体分开加热，随后两个坯体可以一起加热(例如，在耦合后，但不一定如此)。可选地，第一坯体的加热和第二坯体的加热包括在单个烘箱中同时加热第一坯体和第二坯体。需注意的是，可选地，阶段670的耦合是在单个烘箱中同时加热两个坯体的结果。需注意的是，可选地，阶段670的耦合通过在彼此实体连接后共同烧结两个坯体来完成。
方法600的阶段670包括将第二晶体材料耦合到第一晶体材料。耦合可以以本领域已知的任何耦合方式执行，其中的几个非限制性示例已在上文关于被动调Q激光器200进行了讨论。需注意的是，耦合可具有若干个子阶段，其中一些子阶段可在不同实施例中以不同方式与阶段630、640、650和660中的不同阶段交织(intertwine)。所述耦合产生了包括GM和SA的一个单一刚性晶体。
需注意的是，方法600可包括用于制造晶体(尤其是用于制造相互键合的多晶材料的陶瓷或非陶瓷多晶晶体化合物)的多个附加阶段。少数非限制性的例子包括粉末制备、粘合剂烧尽(burn-out)、致密化、退火、抛光(如果需要，如下所述)等等。
在方法600中的被动调Q激光器的GM(如上所述，可以是第一晶体材料或第二晶体材料)是掺钕的晶体材料。在方法600中的被动调Q激光器的SA(如上所述，其可以是第一晶体材料或第二晶体材料)选自一组晶体材料，该组晶体材料由：(a)掺钕的晶体材料，和(b)掺杂晶体材料组成，其中所述掺杂晶体材料选自一组掺杂晶体材料，该组掺杂晶体材料由：掺三价钒的钇铝石榴石(V3+:YAG)和掺钴的晶体材料组成。GM和SA中的至少一个是陶瓷晶体材料。可选地，GM和SA均为陶瓷晶体材料。可选地，GM和SA中的至少一个是多晶材料。可选地，GM和SA均为多晶材料。
虽然制造过程的附加阶段可能发生在方法600的不同阶段之间，但需注意的是，在烧结过程中粘结第二材料之前，在至少一些实施方式中不需要对第一材料进行抛光。
关于在方法600中制造GM晶体材料和SA晶体材料的晶体材料的组合，此类组合可包括：
a、GM晶体材料为陶瓷掺钕的钇铝石榴石(Nd:YAG)，SA晶体材料为(a)陶瓷掺三价钒的钇铝石榴石(V3+:YAG)，或(b)陶瓷掺钴的晶体材料。可选地，陶瓷掺钴的晶体材料可以是二价陶瓷掺钴的晶体材料。在这些替代方案中，从上述组中选择的Nd:YAG和SA晶体材料均为陶瓷形式。掺钴的晶体材料是掺杂有钴的晶体材料。例子包括掺钴的尖晶石(Co:Spinel，或Co2+:MgAl O)掺钴的硒化锌(Co2+:ZnSe)、掺钴的YAG(Co2+:YAG)。虽然不一定如此，但该选项中的高反射率镜和SA可以选择性地刚性连接到GM和SA，使得被动调Q激光器是单片微芯片被动调Q激光器。
b、GM晶体材料为陶瓷掺钕的钇铝石榴石(Nd:YAG)，SA晶体材料为选自一组掺杂陶瓷材料的非陶瓷SA晶体材料，该组掺杂陶瓷材料由：(a)掺三价钒的钇铝石榴石(V3+:YAG)和(b)掺钴的晶体材料所组成。在这种情况下，高反射率镜和SA刚性连接到GM和SA，使得被动调Q激光器是单片微芯片被动调Q激光器。
c、GM晶体材料为陶瓷掺钕的稀土元素晶体材料，SA晶体材料为选自一组掺杂晶体材料的陶瓷晶体材料，该组掺杂陶瓷材料由：(a)掺三价钒的钇铝石榴石(V3+:YAG)和(b)掺钴的晶体材料所组成。可选地，掺钴的晶体材料可以是掺二价钴的晶体材料。虽然不一定如此，但该选项中的高反射率镜和SA可以选择性地刚性连接到GM和SA，使得被动调Q激光器200是单片微芯片被动调Q激光器。
参考整体的方法600，需注意的是，SA晶体材料和GM晶体材料中任选一种或两种(以及任选一种或多种中间连接晶体材料，如果有的话)对相关波长(例如，SWIR辐射)是透明的。
图6B和6C包括根据本公开主题的示例的用于执行方法600的几个概念时间表。为了简化绘图，假设SA是处理至少一第一粉末的结果，GM是处理至少一第二粉末的结果。如上所述，角色可能会颠倒。
图7A-7C是根据本公开主题的示例示出的被动调Q激光器700的一示例的示意性功能框图。可选地，激光器700可以实现为上文讨论的激光器200的任何合适变体，但这不一定是如此。激光器700可以是电光系统800的一部分。可选地，电光系统800可以实现为上文讨论的电光系统100的任何适当变体，但这不一定是如此。
激光器700包括GM 710，其特征在于受激发射截面表示为(表示为σSE)。激光器700还包括SA 720，其特征在于吸收截面(表示为σa)。在GM 710和SA 720的材料的一些组合中，σa小于σSE，或明显不大于σSE(例如，σa<3·σSE)。举例来说，GM 710可由掺钕的钇铝石榴石(Nd:YAG)制成，SA 720可由掺钴的YAG(Co2+:YAG)制成。在这样的例子中，GM 710中存储的大部分泵能量用于使SA 720饱和，只留下一小部分能量用于放大。为了减少使吸收器饱和所需的能量，激光器700包括具有专用几何形状的光学谐振器，如下文更详细地讨论的。在提出的几何结构中，只需要存储能量的一小部分就可以使吸收器饱和，从而实现高效率和高输出能量。
光学谐振器(GM 710和SA 720定位于其内)包括高反射率镜730和输出耦合器740。高反射率镜730和输出耦合器740中的至少一个包括曲面镜，使得光学谐振器的镜的组合引导光学谐振器内的光线，这导致SA内的激光模式的有效横截面(表示为ASA)小于泵光束的瑞利长度(Rayleigh length)内的激光模式的横截面(表示为AGM)。需注意的是，虽然模式的直径在SA内可能会有所变化，但不会有太大的变化，因为SA 720相对较窄。因此，为了简化计算，单个有效直径可以表示SA内的模式的直径的小范围(有效直径包括在直径的小范围内，并且通常接近沿SA 720的模式的平均直径)。
激光模式在图中表示为750，泵浦体积(pumped volume)表示为760。泵浦体积的腰部表示为762。如果SA内的激光模式的横截面沿整个SA 720不是恒定的，则ASA可代表整个SA720内的激光模式的平均有效横截面。同样地，如果激光模式的横截面在整个泵的瑞利长度内不是恒定的，AGM可以表示泵的瑞利长度内的激光模式的平均横截面。激光束的瑞利长度(或瑞利范围)是与光束腰部(在传播方向上)间的距离，其中光束半径增加了2的平方根(例如，对于圆形光束，此时模式的面积增加了一倍)。需注意的是，ASA和AGM都是几何面积(例如，以cm2为单位测量)，而σa和σSE是GM 710和SA 720材料的特性，也以面积单位(例如，以cm2为单位)表示。
相对于GM 710中的单位面积能量密度，SA 720中使用凹面镜可聚焦更大的单位面积能量密度，这导致仅需存储能量的一小部分就可使吸收器饱和，从而实现高效率和高输出能量。
根据各种考虑因素，例如为GM和SA所选择的材料、所需的激光输出功率等，可以在不同程度上聚焦能量。例如，可以选择一个或多个凹面镜(高反射率镜730和输出耦和器740之外)的半径，使得σSE和AGM的比例比σa和ASA的比例小至少三倍
Figure BDA0003641882250000201
也可选择其他比例。例如，光学谐振器的几何形状可以使得：
Figure BDA0003641882250000202
Figure BDA0003641882250000203
如上所述，可选地，GM 710可由掺钕的钇铝石榴石(Nd:YAG)制成，SA 720可由掺钴的YAG(Co2+:YAG)制成。然而，GM 710或SA 720可使用其他材料。在非限制性示例中，上述关于被动调Q激光器200的GM和SA讨论的任何材料可分别用于GM 710和SA 720。GM 710和SA720可以用不同的掺杂剂在同一类型的晶体(例如，YAG、尖晶石、硒化锌)上实现，但这不一定是如此。
如上所述，可选地，被动调Q激光器700可以是微芯片激光器，例如，如上文关于被动调Q激光器200所讨论的(经过必要的修改(mutatis mutandis))。可选地，高反射率镜730和输出耦合器740与GM 710和SA 720刚性耦合，使得被动调Q激光器是单片微芯片(monolithic microchip)被动调Q激光器。需注意的是，这些部件不一定直接相互耦合。例如，未掺杂的YAG(或任何其他合适的晶体)可定位于高反射率镜730至GM 710之间、GM 710至SA 720之间和/或SA 720至输出耦合器740之间。图7C、8B和8C中提供了这种配置的示例。
高反射率镜730和/或输出耦合器740中的任一个可以是凹面镜(或其光学等效物)。这种凹面镜可以是球面凹面镜或其他类型的凹面镜)。可选地，高反射率镜730和输出耦合器740都是凹面镜(或光学等效布置)。这些实现方式根据本公开主题的示例如图8A、8B和8C所示。将高反射率镜730和输出耦合器740都具有曲面可用于不同的端面(end)。例如，将高反射率镜730和输出耦合器740都具有曲面可用于激光模式的成形。例如，高反射率镜730和输出耦合器740都具有曲面可用于保持与镜涂层(例如，与输出耦合器740)等光学表面的最高能量强度的距离，例如，以防止SA 720中产生的热量损坏输出耦合器。这种变化如图8B所示。或者，凹面高反射率镜730的曲率和凹面输出耦合器的曲率使得最高能量密度在光学谐振器的中间60％内(即，如果最远两点之间的距离-一个在高反射率镜上，一个在输出耦合器上-表示为D，则高反射率镜730和最高能量密度位置之间的距离大于0.2D。此外，在这样的例子中，输出耦合器和最高能量密度位置之间的距离大于0.2D)。
参考图7B的示例，SA 720的直径可以可选地小于GM 710的直径，从而使SA 720被另一种材料(例如，未掺杂的YAG)所包围，以从光学谐振器释放热量。需注意的是，GM 710、SA 720或两者也可被覆盖在未掺杂的YAG(或其他类型的晶体或其他材料)中，以改善激光器700的散热效果(即使SA 720的直径不小于GM 710的直径)。换句话说，可选地，除了GM和SA之外，激光器700还可包括未掺杂的YAG(或其他合适的材料，如上述材料的任何合适晶体)，以防止热量积聚在GM的吸收区域中。例如，未掺杂的YAG(或其他合适的材料)可以被塑造成环绕GM和SA的圆柱体。
需注意的是，激光器700可以是端面泵浦激光器(end pumped laser)，也可以是侧面泵浦激光器(side pumped laser)。图9A和9B分别是根据本公开主题的示例示出的具有端面泵浦被动调Q激光器700(图9A)的电光系统800和具有侧面泵浦被动调Q激光器700(图9B)的电光系统800的示例的示意性功能框图。可选地，激光器700可以包括至少一个端面泵浦光源772，以及用于将二极管泵浦光源的光聚焦到光学谐振器中的光学件782。可选地，激光器700可包括至少一个侧面泵浦光源774和合适的光学件784(例如，扩散器)。泵浦光源的示例包括(但不限于)二极管或垂直谐振器表面发射激光器(VCSEL)阵列。图9A的部件可以比照类似于图3的相应部件，而图9B的部件可以比照类似于图4的相应部件，经过必要的修改。为了简洁揭露内容，不再重复讨论。
如上所述，关于激光器200所讨论的任何变化，经必要修改后，也可适用于激光器700。例如，被动调Q激光器700可包括属于多晶材料的GM和SA。可选地，GM 710和SA 720可在掺杂有钕和至少一种其他材料的单片晶材料(a single piece of crystallinematerial)上实施。可选地，被动调Q激光器700通过输出耦合器发射在1300nm和1500nm的波长范围内的光线。可选地，调Q激光器700可通过输出耦合器发射波长范围内的光，其中心频率选自一组中心频率中，该组中心频率由：(a)1.32μm±3nm，(b)1.34μm±3nm，和(c)1.44μm±3nm组成。可选地，SA 720的初始传输(T0)在75％到90％之间。可选地，SA 7209的初始传输(T0)在78％到82％之间。
图10A和10B是根据本公开主题的示例示出的电光系统800的示例的示意性功能框图。将电光系统800当作孔(hole)，除了激光器700之外，系统900还可包括对激光器波长敏感的SWIR光电探测器阵列，其用于检测激光照射对至少一个被照射物体的反射。可选地，系统800可包括对激光波长敏感的ToF SWIR传感器、可操作以将ToF SWIR传感器的操作和被动调Q激光器进行同步的控制器，以及处理器，所述处理器可操作以处理ToF SWIR传感器对被动调Q激光器的激光照明反射的检测，以确定与SWIR电光系统视场中的至少一个物体的距离。
图10B是根据本公开主题的示例示出的短波红外(SWIR)光学系统800的示例的示意性功能框图。如图5B所示，系统800可包括激光放大器510，用于放大激光器700的输出光信号。放大器510可以通过专用二极管520进行泵浦，或者使用任何其他合适的光源。需注意的是，激光放大器510可以被实现为独立的放大单元500(如图所示)、激光器700的一部分(例如，与激光器700刚性连接)或任何其他系统的一部分。需注意的是，即使未示出，激光放大器510也可以在电光系统800的其他配置(例如，使用侧面泵浦的配置)中实现。图10A的部件可以比照类似于图5A的相应部件，而图10B的部件可以比照类似于图4B的相应部件，经过必要的修改。为了简洁揭露内容，不再重复讨论。
需注意的是，上文讨论的被动调Q激光器700的任何变化都可以通过实施上文讨论的方法600来制造，但需作必要的修改。方法600可包括为制造的被动调Q激光器提供上述被动调Q激光器700的特征所需的合适阶段。例如，方法600可适于向制造的被动调Q激光器提供上述物理特性(例如，受激发射截面(σSE)、吸收截面(σa)、SA内的激光模式的有效横截面)。
图11和12是当前公开主题的示例的GM放大器1200的分解图的透视投影。参考先前附图中所述的示例，需注意的是，GM放大器1200可用作系统100(或被动调Q激光器200，如果被集成在其中)的激光放大器310。参考先前附图所述的示例，需注意的是，GM放大器1200可用作系统800(或被动调Q激光器700，如果被集成在其中)的激光放大器510。然而，任何合适类型的激光放大器可以实现为激光放大器310和/或510。GM放大器1200可以由任何合适的种子源激光器(表示为1300)进行馈送，例如-但不限于-被动调Q激光器200和被动调Q激光器700的任何变体。
GM放大器1200至少包括平坦的(flat)掺钕的钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体1210。晶体1210的平均厚度小于5毫米(例如，约1毫米，下面提供进一步的示例)，而晶体1210的其他尺寸的至少一个更长(例如，至少长5倍)，并且可能两个垂直尺寸都比晶体1210的平均厚度至少长5倍。
平坦的Nd:YAG晶体1210包括至少：
a、顶面1212，具有第一频率(也称为“泵频”)的泵浦光通过顶面1212进入平坦的Nd:YAG晶体1210(例如，来自可选的泵浦光源1240)。
b、底面1214，与顶面1212相对。
c、第一侧面1222，具有第二频率的入射激光(例如，来自可选的种子源激光器310)通过第一侧面1222进入平坦的Nd:YAG晶体。
d、第二侧面1224，具有第二频率的出射激光通过平坦的Nd:YAG晶体的多个不同侧面进行反射后，通过第二侧面1224从平坦的Nd:YAG晶体射出。使用泵浦光放大后，输出激光的功率至少是输入激光的功率的4倍。更强的放大级别可以被实现，例如至少5倍、至少7倍、至少10倍、至少15倍、至少20倍、至少30倍等等。
除了上述表面之外，平坦的Nd:YAG晶体还可以包括额外的侧面。平坦的Nd:YAG晶体的部分或全部表面(可选地包括第一侧面和第二侧面中的一个或两个)可以是平坦的或实质上平坦的，但不一定如此，且曲面也可以被实现。光可以从第一侧面和第二侧面中的一个或两个在平坦的Nd:YAG晶体内进行反射，但不一定如此。光可以从除第一侧面和第二侧面之外的一个或多个表面在平面Nd:YAG晶体内进行反射，但不一定如此。第一侧面和第二侧面可以彼此平行，但不一定如此。需注意的是，术语“顶部”和“底部”是用于识别相对侧的任意术语，并且在本发明的不同实施方式中，这些表面可以以不同的方向定位。顶面可能平行于底面(如图所示)，但不一定如此。第一侧面可以与顶面和/或底面具有至少一条共享边，但不一定如此。此外，第二侧面可以与顶面和/或底面具有至少一个共享边，但不一定如此。需注意的是，上述可选实现方式的任何组合可被实现，即使出于简洁的原因而没有明确说明。
在作为输出激光射出之前，光在平坦的Nd:YAG晶体1210内部反射的次数会影响GM放大器1200的增益，该增益与掺杂晶体内的光通过距离呈指数相关。可选地，入射激光的光路径包括至少10次内反射1292，直到其作为输出激光发射。不同数量的内反射也可被实现，例如，介于10-15次、介于15-20次、介于20-25次、介于25-35次或更多。可选地，直到作为输出激光发射，入射激光的光路径至少比平坦Nd:YAG晶体的平均厚度长50倍。光路径和平均厚度之间的不同比例可被实现，例如，介于50-100、介于100-200或200以上。
平坦的Nd:YAG晶体可用于放大特定的频率。泵浦光可以有一个或多个泵浦光频率(或泵浦光频率范围)。例如，泵浦频率可在750纳米(nm)和850纳米之间。例如，泵浦频率可在780nm和830nm之间。例如，泵浦频率可在800nm和850nm之间。例如，泵浦频率可在800nm和820nm之间。例如，泵浦频率可能为808nm±2nm。然而，其他频率范围可被实现。泵浦光可以是激光(例如，垂直腔面发射激光器或任何其他类型的激光器)、发光二极管(LED)光或任何其他合适光源的光。
输出激光可以有一个或多个发射光频率(或发射器频率范围)。例如，发射光频率可以在1300nm和1400nm之间。例如，发射光频率可以在1310nm和1370nm之间。例如，发射光频率可以在1330nm和1350nm之间。例如，发射光频率可以是1340nm±2nm。
第二激光频率(也称为“输入激光频率”)可能与输出激光频率相同。例如，第二光频率可以在1300nm和1400nm之间。例如，第二光频率可以在1310nm和1370nm之间。例如，第二光频率可以在1330nm和1350nm之间。例如，第二光频率可以是1340nm±2nm。
顶面1212具有第一维度(例如，长度)和与第一维度正交的第二维度(例如，宽度)。第一维度至少是平坦的Nd:YAG晶体的平均厚度的5倍长。例如，如果平坦的Nd:YAG晶体的平均厚度为1mm，则第一维度可以是等于或大于5mm的任何长度(例如，5mm、10mm、介于5-15mm、介于15-25mm等等)。平均厚度可能因应用而异，例如小于0.5mm、介于0.5-1mm、介于1-1.5mm、介于1.5-2mm、介于2-5mm等等。平坦的Nd:YAG晶体的长度是其沿第一维度的最大测量值。可选地，沿第一维度的平均长度也可以至少是平坦的Nd:YAG晶体的平均厚度的数倍长。
可选地，平坦的Nd:YAG晶体1210是棱镜。可选地，平坦的Nd:YAG晶体1210是直角棱镜(right prism)。或者是，平坦的Nd:YAG晶体1210是直角矩形棱镜(right rectangularprism)。上述平坦的Nd:YAG晶体1210的任何一个或多个表面可以是小平面(facet)。在图7的示例中，平坦的Nd:YAG晶体1210的厚度实质上恒定，并且被表示为“H”。在图7的示例中，平坦的Nd:YAG晶体1210内的内反射仅从第一侧面1222和从第二侧面1224进行反射，但不一定如此，并且光在作为输出激光射出之前可以从平坦的Nd:YAG晶体1210的任何表面进行内反射。
除了平坦的Nd:YAG晶体1210之外，GM放大器1200还可以选择性地包括可选的泵浦光源1220，其发射具有至少第一频率的泵浦光。可选的泵浦光源1220可以实现为合适类型的光源，例如LED、垂直腔面发射激光器(VCSEL)、其他类型的激光器等。
需注意的是，与现有技术解决方案相比，将VCSEL用作泵浦光源(通过公开的新型几何格式的平坦的Nd:YAG晶体1210使其成为可能)可用于降低晶体放大器的成本，以及与现有技术解决方案相比，促进更容易和大批量的制造。
公开的新型几何结构中，泵浦光被提供在一个大的顶面上，这意味着光源的每面积的亮度可能相对较低。
可选地，GM放大器1200操作在低占空比(例如，低于3％、介于3％-5％、介于5％-10％)，以允许GM放大器1200进行冷却(这是由GM放大器1200的相对薄度促成的。可选地，GM放大器1200可包括冷却模块1260(无论是主动冷却模块还是被动冷却模块，可连接到散热器)，用于冷却平坦的Nd:YAG晶体1210，或GM放大器1200的任何其他部分。可选地，冷却模块1260的表面可接触平坦的Nd:YAG晶体1210的对应表面(例如，如图所示的底面1214或晶体的任何其他表面)。平坦的Nd:YAG晶体1210的相对薄度也使得晶体的掺杂密度相对较高(例如，高于1％、介于1-2％、介于2-3％)。
可选地，GM放大器1200可以是在多模(multimode)模式下被激活的侧面泵浦GM放大器，可选地具有数十种不同的照明模式。
整体上参考GM放大器1200，通过陶瓷Nd:YAG晶体和在其中的多程光(multipassof light)(扩展了有效路径)的组合，GM放大器1200可以实现更好的提取效率。
可选地，平坦的Nd:YAG晶体中的钕掺杂浓度低于4％。可选地，钕在平坦的Nd:YAG晶体内的掺杂浓度在1％到2％之间。可选地，顶面涂覆有除了第一频率、第二频率和发射光频率之外的至少一个频率的抗反射涂层。
可选地，顶面涂覆有除了第一频率、第二频率和发射光频率之外的至少两个频率的抗反射涂层。可选地，第一侧面和第二侧面中的至少一个涂覆有除了第一频率、第二频率和发射光频率之外的至少一个频率的抗反射涂层。
可选地，第一侧面和第二侧面中的至少一个涂覆有除了第一频率、第二频率和发射光频率之外的至少两个频率的抗反射涂层。可选地，第一侧面和第二侧面中的至少一个进一步涂覆有用于平坦的Nd:YAG晶体1210)的放大自发发射(amplified spontaneousemission，ASE)频率(例如，1064nm)的抗反射涂层。
可选地，在通过第二侧面进行发射之前，通过第一侧面进入平坦的Nd:YAG晶体的光沿着其光路径的至少80％进行发射。
图13和14示出了放大的激光照明源1300，其包括GM放大器1200和种子源激光器1310。可选地，种子源激光器可以是基于Nd:YAG的激光器，其发射的光通过第一侧面进入平坦的Nd:YAG晶体。可选地，上述任何激光器(例如，被动调Q激光器200和700)可用作种子源激光器1310。
可选地，平坦的Nd:YAG晶体1210可以是掺杂钕且进一步掺杂额外材料的YAG晶体(或其至少一个或多个部分)的共掺杂晶体。额外材料可以是当掺杂YAG晶体时抑制平坦的Nd:YAG晶体1210的至少一个ASE频率中的光的材料。例如，铬(Cr)，尤其是铬离子(例如，Cr4 +)可用于抑制1064nm的发射。在平坦的Nd:YAG晶体1210中进一步掺杂铬可以提高放大器的良率。其他材料(例如，Co3+)也可使用。
对于与顶面不垂直的部分或全部侧面的实施方式，需注意的是，侧面与顶面(和/或底面)之间的角度可被选择，以减少ASE的影响，以及ASE在平坦的Nd:YAG晶体1210内的放大程度。
虽然本揭露内容的某些特征已在本文中进行了说明和描述，但本领域的普通技术人员将进行许多修改、替换、更改和等效。因此，应当理解，所附权利要求旨在涵盖落入本发明真正精神范围内的所有此类修改和变更。
应当理解，上述实施例是作为示例引用的，其各种特征和这些特征的组合可以改变和修改。
虽然已经示出和描述了各种实施例，但应当理解，无意通过此类公开来限制本发明，而是旨在涵盖属于本发明范围内的所有修改和替代构造，如所附权利要求中所定义。
本揭露内容的受让人和/或以色列特拉维夫的趣眼有限公司发布的所有专利申请、白皮书和其他公开数据均通过引用全部并入本文。

Claims (16)

1.一种被动调Q激光器，包括：
一增益介质(GM)，具有一受激发射截面σSE；
一饱和吸收器(SA)，具有小于三倍的所述GM的所述受激发射截面的一吸收截面(σa)；以及
一光学谐振器，其中所述GM和所述SA定位于所述光学谐振器内，所述光学谐振器包括一高反射率镜和一输出耦合器，
其中所述高反射率镜和所述输出耦合器中的至少一个包括一曲面镜，所述曲面镜在所述光学谐振器内引导光线，使得在所述SA内的一激光模式的一有效横截面(ASA)小于在所述泵的一瑞利长度内的一激光模式的一横截面(AGM)。
2.根据权利要求1所述的被动调Q激光器，其中所述GM由掺钕的钇铝石榴石(Nd:YAG)制成，其中所述SA由掺钴的YAG(Co2+:YAG)制成)。
3.根据权利要求1所述的被动调Q激光器，其中所述GM由掺钕的正钒酸钇(YVO4)制成，以及其中所述SA由掺三价钒的钇铝石榴石(V3+:YAG)制成。
4.根据权利要求1所述的被动调Q激光器，其中所述GM由掺钕的正钒酸钇(YVO4)制成，以及其中所述SA由掺钴的YAG(Co2+:YAG)制成。
5.根据权利要求1所述的被动调Q激光器，其中所述高反射率镜和所述输出耦合器刚性耦合到所述GM和所述SA，使得所述被动调Q激光器是一单片微芯片被动调Q激光器。
6.根据权利要求1所述的被动调Q激光器，其中所述高反射率镜是一凹面镜。
7.根据权利要求1所述的被动调Q激光器，其中所述高反射率镜和所述输出耦合器均为凹面镜。
8.根据权利要求7所述的被动调Q激光器，其中所述凹面高反射率镜和所述凹面输出耦合器的曲率使得最高能量密度在所述光学谐振器的中间60％范围内。
9.根据权利要求1所述的被动调Q激光器，其中所述SA的一直径小于所述GM的一直径，以及其中所述SA被用于从所述光学谐振器释放热量的另一种材料所包围。
10.根据权利要求1所述的被动调Q激光器，还包括至少一个端面泵浦光源和用于将所述端面泵浦光源的光聚焦到所述光学谐振器中的多个光学件。
11.根据权利要求1所述的被动调Q激光器，其中所述GM和所述SA为多晶材料。
12.根据权利要求1所述的被动调Q激光器，除了所述GM和所述SA之外，还包括用于防止热量积聚在所述GM的一吸收区域的未掺杂的YAG。
13.根据权利要求1所述的被动调Q激光器，其中所述GM和所述SA实施在掺杂有钕和至少一种其他材料的一单片晶体材料上。
14.根据权利要求1所述的被动调Q激光器，其中所述被动调Q激光器通过所述输出耦合器发射在1300nm和1500nm的波长范围内的光线。
15.一种短波红外(SWIR)电光系统，包括根据权利要求1-14中任一项所述的被动调Q激光器，以及还包括对所述被动调Q激光器的波长敏感的一SWIR光电探测器阵列，所述SWIR光电探测器阵列用于检测激光照射在至少一个被照射物体的多个反射。
16.一种短波红外(SWIR)电光系统，包括根据权利要求1-14中任一项所述的被动调Q激光器，以及还包括对所述被动调Q激光器的波长敏感的一飞行时间(ToF)SWIR传感器、可操作以将所述ToF SWIR传感器的操作和所述被动调Q激光器进行同步的一控制器、以及一处理器，所述处理器用于处理通过所述ToF SWIR传感器对所述被动调Q激光器的激光照射的多个反射的检测，以确定与所述SWIR电光系统的一视场中的至少一个物体的一距离。
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