CN116169550A - 采用叠阵半导体激光器的盘式泵浦激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种采用叠阵半导体激光器的盘式泵浦激光器，包括叠阵半导体激光器，快轴准直透镜和金字塔型导光管，出射端面出射的泵浦激光，经过准直透镜准直后，入射到由空心抛物面反射镜和偏转光学棱镜组组成的盘式激光器泵浦中，经过多次反射和偏转后，所述泵浦激光在盘式激光增益介质上形成一个平顶的泵浦光斑，从而使得所述泵浦激光能量被激光增益介质吸收。本发明结构简单，调节难度低，匀光效果好，降低了叠阵半导体激光器匀光整形的技术难度以及盘式激光器泵浦结构的成本，提高了耦合效率。
Description
技术领域
本发明属于固体激光器的泵浦光学设计技术领域，涉及叠阵半导体激光器光束整形装置，具体涉及到一种采用叠阵半导体激光器的盘式泵浦激光器。
背景技术
受益于半导体激光技术的快速发展，盘式激光器自发明以来，也得到了快速地发展，其泵浦功率和输出功率不断地突破新高度。盘式激光器通常有两种常用的泵浦方法：(1)半导体激光器光纤耦合输出，进而将光束准直后进行泵浦；(2)叠阵半导体激光器直接整形、匀光后进行准直泵浦。例如专利CN 103688426 B公开的一种用于盘式激光器的泵浦光组件中，泵浦光源就可以是光纤耦合输出的半导体激光器。这两种泵浦方法的共同的技术核心就是将光纤或者匀光板的出射端面，通过由准直透镜和空心抛物面反射镜组成的4f中继成像系统，成像于盘式激光增益介质上，以获得优质的平顶泵浦光斑。
方法(1)受益于半导体激光器光纤耦合技术的成熟，对半导体激光器的封装形式没有特殊要求，被广泛应用于低功率到超高功率盘式激光器的泵浦系统中。
方法(2)由于需要对叠阵半导体激光器的输出激光束进行快慢轴发散角准直，对光束进行重排、匀光等光束整形，相对技术难度高。前者具有更高的通用性，只需采用相同接口的光纤，即可更换不同功率或者不同波长的半导体激光器，易于维护和升级。但是，工业级高功率激光传输光纤会占用空间，并且半导体激光器需要外置在主机机箱以外，导致激光器整机系统体积额外增加。相比之下，采用叠阵半导体激光器直接匀光整形的泵浦方案，虽然降低了通用性，增加了维护和升级的难度，但是该方案可以将泵浦光源和泵浦腔整合成一个模组，体积更紧凑，更适用于工业应用激光器。
文献DO I：10.1364/AO.54.009400介绍了多种多通数的盘式激光器泵浦光学组件的结构，但主要是应用于光纤耦合泵浦的方案。专利CN 205790924 U中公开了一种角锥式多冲程泵浦碟片激光器，也是以光纤耦合泵浦为前提设计的。文献DO I:10.1117/1.OE.55.3.036104中介绍了几种采用匀光管对叠阵半导体激光器光束进行整形后泵浦盘式激光增益介质的方案，有效的提高了盘式激光器的泵浦效率。但是这些方法需要对前端叠阵半导体激光束进行复杂的光束整形。
对叠阵半导体激光采用光束整形技术，需要用到许多棱镜、柱面镜、聚焦透镜等光学元件，技术难度高，调节难度大，结构复杂，大大提高了盘式激光器泵浦结构的成本。
发明内容
为了降低盘式激光器泵浦结构的成本和技术难度，提高系统的紧凑性以及稳定性，本发明提供一种可以解决或部分解决上述问题的采用叠阵半导体激光器的盘式泵浦激光器。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种采用叠阵半导体激光器的盘式泵浦激光器，包括用于发射泵浦激光的叠阵半导体激光器，所述叠阵半导体激光器的出光面设置有用于对所述叠阵半导体激光器的发光巴条的快轴发散角进行准直的若干个快轴准直透镜；所述快轴准直透镜的出光端设置一用于对所述泵浦激光进行整形和匀光的金字塔型导光管，所述金字塔型导光管包括一入射端面以及一出射端面，所述入射端面的截面积大于所述出射端面的截面积，所述入射端面覆盖全部所述快轴准直透镜的出光端，所述出射端面的截面为矩形或正N边形结构，其中N大于等于4；
所述出射端面出射的泵浦激光，经过准直透镜准直后，入射到由空心抛物面反射镜和偏转光学棱镜组组成的盘式激光器泵浦中，经过多次反射和偏转后，所述泵浦激光在盘式激光增益介质上形成一个平顶的泵浦光斑，从而使得所述泵浦激光能量被激光增益介质吸收。
优选的，所述泵浦激光在所述金字塔型导光管内传输时，所述泵浦激光在外壁上的入射角θ大于全内反射临界角θc，即θ>θc＝arcs i n(1/n)，其中，n为所述金字塔型导光管(2)材料的折射率。
优选的，所述金字塔型导光管的外壁与其中轴线的夹角θpyr小于10°。
优选的，所述金字塔型导光管的出射端面设置一柱形的匀光管，所述匀光管的横截面为矩形或正N边形结构。
优选的，所述匀光管的入射端面和出射端面镀有对应于所述泵浦激光波长的增透膜，所述金字塔型导光管的出射端面与所述匀光管的入射端面通过光学胶水或键合的方式连接。
优选的，所述匀光管与所述金字塔型导光管的出射端面之间设置一用于将所述泵浦激光耦合入所述匀光管，以获得更高的耦合效率的聚焦透镜。
优选的，所述匀光管的出射端面经过所述准直透镜和空心抛物面反射镜组成的4f中继成像系统成像于所述激光增益介质上。
优选的，所述金字塔型导光管和匀光管均由熔融石英、BK7玻璃(BK7玻璃是一种光学玻璃，BK7是德国肖特玻璃厂的牌号)或ULE(ULE零膨胀玻璃，是康宁公司的光学产品)制成。
优选的，所述叠阵半导体激光器安装在冷却底座上。
优选的，所述泵浦激光的波长为940nm，969nm或1940nm；所述盘式激光增益介质包括一介质反射面，所述空心抛物面反射镜上设置有若干个反射曲面，所述反射曲面均为抛物面；
所述泵浦激光对准位于一所述反射曲面入射，以在一所述偏转光学棱镜组、反射曲面和介质反射面之间多次反射，并多次经过所述盘式激光增益介质以被所述盘式激光增益介质吸收并形成泵浦光斑；
所述偏转光学棱镜组由多个棱镜对组成的环形结构，每个所述棱镜对均包括两个棱镜、且两所述棱镜均具有相互成90°夹角的反射平面；全部所述棱镜对的反射平面均朝向所述空心抛物面反射镜呈环形均匀分布。
本发明的有益效果是：采用金字塔型导光管对叠阵半导体激光器发射的泵浦激光进行合束和匀光，还可结合匀光管进一步提高匀光效果。进而由成像透镜和空心抛物面反射镜组成的泵浦腔形成的4f中继成像光学系统，将金字塔型导光管的出射端面成像于盘式激光增益介质上，形成平顶的泵浦光斑。本发明结构简单，调节难度低，匀光效果好，降低了叠阵半导体激光器匀光整形的技术难度以及盘式激光器泵浦结构的成本，提高了耦合效率。
附图说明
图1是本发明第一实施例的立体结构示意图；
图2是本发明第二实施例的立体结构示意图；
图3是本发明第三实施例的立体结构示意图；
图4是叠阵半导体激光器和金字塔型导光管的组合结构示意图；
图5是激光束在金字塔型导光管中的全内反射示意图；
图6是偏转光学棱镜组的结构示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“远”、“近”、“内”、“外”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
一种采用叠阵半导体激光器的盘式泵浦激光器，包括用于发射泵浦激光的叠阵半导体激光器1，叠阵半导体激光器1的出光面设置有若干个快轴准直透镜102，快轴准直透镜102用于对叠阵半导体激光器1的发光巴条的快轴发散角进行准直。快轴准直透镜102的出光端设置一用于对泵浦激光进行整形和匀光的金字塔型导光管2，金字塔型导光管2包括一入射端面201以及一出射端面202，入射端面201的截面积大于出射端面202的截面积。入射端面201较大以覆盖全部快轴准直透镜102的出光端，出射端面202的截面较小以匹配泵浦光斑的直径，且出射端面202的截面为矩形或正N边形结构，其中N大于等于4；
出射端面202出射的泵浦激光，经过准直透镜3准直后，入射到由空心抛物面反射镜5和偏转光学棱镜组4组成的盘式激光器泵浦中，经过多次反射和偏转后，泵浦激光在盘式激光增益介质6上形成一个平顶的泵浦光斑，从而使得泵浦激光能量被激光增益介质6吸收。
泵浦激光在金字塔型导光管2内传输时，泵浦激光在外壁上的入射角θ大于全内反射临界角θc，即θ>θc＝arcs in(1/n)，其中，n为金字塔型导光管2材料的折射率。
金字塔型导光管的外壁与其中轴线的夹角θpyr小于10°，以确保泵浦激光的光线在金字塔型导光管2的外壁上反射都能满足全内反射的条件，可以通过光线追迹等方法进行模拟计算，优化θpyr的具体数值。
实施例二中，金字塔型导光管2的出射端面202设置一柱形的匀光管7，匀光管7的横截面为矩形或正N边形结构。匀光管7的入射端面701和出射端面702表面抛光并镀有对应于泵浦激光波长的增透膜，然后金字塔型导光管2的出射端面202与匀光管7的入射端面701通过光学胶水或键合的方式连接。
实施例三中，匀光管7与金字塔型导光管2的出射端面202之间设置一用于将泵浦激光耦合入匀光管7、以获得更高的耦合效率的聚焦透镜8。这使得匀光管7的直径可以进一步缩小，同时也确保了耦合效率。
匀光管7的出射端面702经过准直透镜3和空心抛物面反射镜5组成的4f中继成像系统成像于激光增益介质6上。
进一步地，金字塔型导光管2和匀光管7均由熔融石英、BK7玻璃或ULE制成。
进一步地，叠阵半导体激光器1安装在冷却底座101上，以通过冷却底座101进行恒温冷却，以确保叠阵半导体激光器1稳定地高功率输出。
泵浦激光的波长为940nm，969nm或1940nm；盘式激光增益介质6包括一介质反射面，激光增益介质6的厚度为0.15～0.35mm，其包括朝向空心抛物面反射镜5的前表面，以及背向空心抛物面反射镜5的后表面；前表面镀有对于泵浦激光增透的介质膜；其后表面镀有对于泵浦激光束具有高反射率的介质膜以形成介质反射面。空心抛物面反射镜5上设置有若干个反射曲面，反射曲面均为抛物面。
泵浦激光对准位于一反射曲面入射，以在一偏转光学棱镜组4、反射曲面和介质反射面之间多次反射，并多次经过盘式激光增益介质6以被盘式激光增益介质6吸收并形成泵浦光斑；
偏转光学棱镜组4由多个棱镜对组成的环形结构，每个棱镜对均包括两个棱镜(棱镜P1和棱镜P2)、且棱镜P1和棱镜P2均具有相互成90°夹角的反射平面；全部棱镜对的反射平面均朝向空心抛物面反射镜5呈环形均匀分布。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种采用叠阵半导体激光器的盘式泵浦激光器，其特征在于，包括用于发射泵浦激光的叠阵半导体激光器(1)，所述叠阵半导体激光器(1)的出光面设置有若干个用于对所述叠阵半导体激光器(1)的发光巴条的快轴发散角进行准直的快轴准直透镜(102)；所述快轴准直透镜(102)的出光端设置一用于对所述泵浦激光进行整形和匀光的金字塔型导光管(2)，所述金字塔型导光管(2)包括一入射端面(201)以及一出射端面(202)，所述入射端面(201)的截面积大于所述出射端面(202)的截面积，所述入射端面(201)覆盖全部所述快轴准直透镜(102)的出光端，所述出射端面(202)的截面为矩形或正N边形结构，其中N大于等于4；
所述出射端面(202)出射的泵浦激光，经过准直透镜(3)准直后，入射到由空心抛物面反射镜(5)和偏转光学棱镜组(4)组成的盘式激光器泵浦中，经过多次反射和偏转后，所述泵浦激光在盘式激光增益介质(6)上形成一个平顶的泵浦光斑，从而使得所述泵浦激光能量被激光增益介质(6)吸收。
2.根据权利要求1所述的采用叠阵半导体激光器的盘式泵浦激光器，其特征在于：所述泵浦激光在所述金字塔型导光管(2)内传输时，所述泵浦激光在外壁上的入射角θ大于全内反射临界角θc，即θ>θc＝arcsin(1/n)，其中，n为所述金字塔型导光管(2)材料的折射率。
3.根据权利要求1所述的采用叠阵半导体激光器的盘式泵浦激光器，其特征在于：所述金字塔型导光管的外壁与其中轴线的夹角θpyr小于10°。
4.根据权利要求1所述的采用叠阵半导体激光器的盘式泵浦激光器，其特征在于：所述金字塔型导光管(2)的出射端面(202)设置一柱形的匀光管(7)，所述匀光管(7)的横截面为矩形或正N边形结构。
5.根据权利要求4所述的采用叠阵半导体激光器的盘式泵浦激光器，其特征在于：所述匀光管(7)的入射端面(701)和出射端面(702)镀有对应于所述泵浦激光波长的增透膜，所述金字塔型导光管(2)的出射端面(202)与所述匀光管(7)的入射端面(701)通过光学胶水或键合的方式连接。
6.根据权利要求4所述的采用叠阵半导体激光器的盘式泵浦激光器，其特征在于：所述匀光管(7)与所述金字塔型导光管(2)的出射端面(202)之间设置一用于将所述泵浦激光耦合入所述匀光管(7)，以获得更高的耦合效率的聚焦透镜(8)。
7.根据权利要求4所述的采用叠阵半导体激光器的盘式泵浦激光器，其特征在于：所述匀光管(7)的出射端面(702)经过所述准直透镜(3)和空心抛物面反射镜(5)组成的4f中继成像系统成像于所述激光增益介质(6)上。
8.根据权利要求4所述的采用叠阵半导体激光器的盘式泵浦激光器，其特征在于：所述金字塔型导光管(2)和匀光管(7)均由熔融石英、BK7玻璃或ULE制成。
9.根据权利要求1所述的采用叠阵半导体激光器的盘式泵浦激光器，其特征在于：所述叠阵半导体激光器(1)安装在冷却底座(101)上。
10.根据权利要求1所述的采用叠阵半导体激光器的盘式泵浦激光器，其特征在于：所述泵浦激光的波长为940nm，969nm或1940nm；所述盘式激光增益介质(6)包括一介质反射面，所述空心抛物面反射镜(5)上设置有若干个反射曲面，所述反射曲面均为抛物面；
所述泵浦激光对准位于一所述反射曲面入射，以在一所述偏转光学棱镜组(4)、反射曲面和介质反射面之间多次反射，并多次经过所述盘式激光增益介质(6)以被所述盘式激光增益介质(6)吸收并形成泵浦光斑；
所述偏转光学棱镜组(4)由多个棱镜对组成的环形结构，每个所述棱镜对均包括两个棱镜、且两所述棱镜均具有相互成90°夹角的反射平面；全部所述棱镜对的反射平面均朝向所述空心抛物面反射镜(5)呈环形均匀分布。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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