CN117526069B - Vcsel侧面泵浦固体激光器的泵浦模组和相应的固体激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种VCSEL侧面泵浦固体激光器的泵浦模组和相应的固体激光器。该泵浦模组包括泵浦腔和晶体棒，晶体棒为固体激光器的工作棒，泵浦腔环绕设置在晶体棒的周围；泵浦腔包括热沉和泵浦芯片；其中，热沉为中空的柱体，热沉内表面设有安装面；安装面为平面，平行于热沉的轴线；垂直于热沉的轴线的截面内，多个安装面的投影成正多边形；安装面为偶数，包括多组安装面和对应安装面，安装面和对应安装面正对向设置；泵浦芯片为VCSEL芯片，设置于安装面上；位于安装面的泵浦芯片的出光方向朝向位于对应安装面的泵浦芯片。本发明提供的泵浦模组能够提供更均匀的光束，实现稳定出光。

Description

VCSEL侧面泵浦固体激光器的泵浦模组和相应的固体激光器

技术领域

本发明涉及一种VCSEL侧面泵浦固体激光器的泵浦模组，同时也涉及包括该泵浦模组的固体激光器，属于固体激光器技术领域。

背景技术

相较于灯泵浦固体激光器，采用激光二极管巴（bar）条的侧面泵浦固体激光器的结构紧凑、发光效率高、性能稳定。目前，高功率全固态激光器中的泵浦模块多采用侧面多向泵浦技术,这类模块中晶体棒和泵浦源需要分别冷却,导致散热结构复杂,小型化困难,无法应用于紧凑型高功率全固态激光器。

在申请号为200610062537.6的中国专利申请中，公开了一种用于半导体侧面泵浦模块的泵浦腔。该泵浦腔包括热沉本体、活动体和单芯节，热沉本体包括热沉块和中心孔，热沉块绕热沉本体的中心均布排列，多个活动体可活动地安装在热沉块上，单芯节安装在活动体上，热沉本体的中心孔内可放置激光晶体。

类似地，现有技术均是通过独立的反射腔组件构成泵浦腔。为了避免泵浦光对射造成的边发射半导体激光器芯片产生内部放大和损伤，往往采用奇数方向的泵浦设计，如三向、五向、七向等，同时为了提高泵浦光的利用率，设计有开缝的反射腔，用于对一次穿越激光晶体但没被吸收的泵浦光，进行二次反射和利用。因此，泵浦源叠加反射腔的结构复杂，反射效率低，并且难以缩小径向尺寸。

发明内容

本发明要解决的首要技术问题在于提供一种VCSEL侧面泵浦固体激光器的泵浦模组。

本发明要解决的另一技术问题在于提供一种包括该泵浦模组的固体激光器。

为实现上述技术目的，本发明采用以下的技术方案：

根据本发明实施例的第一方面，提供一种VCSEL侧面泵浦固体激光器的泵浦模组，包括泵浦腔和晶体棒；所述晶体棒为固体激光器的工作棒，所述泵浦腔环绕设置在所述晶体棒的周围；

所述泵浦腔包括热沉和泵浦芯片；其中，所述热沉为中空的柱体，所述热沉内表面设有安装面；所述安装面为平面，平行于所述热沉的轴线；垂直于所述热沉的轴线的截面内，多个所述安装面的投影成正多边形；所述安装面为偶数，包括多组安装面和对应安装面，所述安装面和所述对应安装面正对向设置；

所述泵浦芯片为VCSEL芯片，设置于所述安装面上；位于所述安装面的所述泵浦芯片的出光方向朝向位于所述对应安装面的所述泵浦芯片。

其中较优地，所述泵浦芯片和所述晶体棒之间的空腔通入冷却气体，冷却气体同时冷却所述泵浦芯片的出光面和所述晶体棒的表面。

其中较优地，所述热沉为一体式结构，或者为多个组件拼合构成的结构。

其中较优地，所述泵浦腔在垂直于轴线的截面上，所述泵浦芯片的数量为偶数，并且具有相同性能参数。

其中较优地，所述泵浦芯片采用顶发射结构的VCSEL芯片。

其中较优地，所述热沉还包括冷却孔，所述冷却孔沿所述热沉的轴线方向延伸，用于通过冷却气体或液体。

其中较优地，所述泵浦模组还包括冷却管：

所述冷却管的轴线与所述热沉的轴线重合，用于包围晶体棒和通过冷却气体或液体。

其中较优地，所述冷却管为光学玻璃、石英等高透光材料一体成型的结构。

根据本发明的第二方面，提供一种固体激光器，其包括如前述的泵浦模组，以及输出镜、反射镜；其中，

所述反射镜和所述输出镜位于所述泵浦腔结构的相对两侧，并且所述反射镜和所述输出镜两者之间构成谐振腔，

所述输出镜设置于所述谐振腔的出光方向，用于出光。

其中较优地，所述固体激光器还包括冷却模组；所述冷却模组与所述泵浦腔的冷却风路或冷却液的冷却流道连接，向所述泵浦腔输入冷却风或冷却液，并接收经所述泵浦腔升温后的冷却风或冷却液。

与现有技术相比较，本发明实现了内无反射腔、热沉一体化、泵浦光可对射的设计，其中，①利用VCSEL芯片、封装基板及热沉表面的高反射特性形成反射腔，无需设置独立的反射腔组件，例如现有技术中普遍使用的带缝隙反射腔组件；②一个热沉同时与多个泵浦芯片接触，作为多个泵浦芯片共用的热沉；③利用VCSEL芯片表面高反射的特性，将VCSEL芯片正对象设置，不会造成VCSEL芯片被泵浦光照射损伤。本发明的结构简单、光斑对称性好，出光稳定。

附图说明

图1（a）为本发明第一实施例中，VCSEL侧面泵浦固体激光器的泵浦模组的截面示意图；

图1（b）为去除晶体棒的图1（a）中沿A-A方向的剖视示意图；

图1（c）为带有晶体棒的图1（a）中沿A-A方向的剖视示意图；

图2为现有技术中，激光晶体棒同一截面内受到五个泵浦光源照射时，吸收泵浦功率的分布截面图；

图3为本发明实施例中的激光晶体棒同一截面内受到六个泵浦光源照射时，吸收泵浦功率的分布截面图；

图4为本发明第二实施例中，VCSEL侧面泵浦固体激光器的泵浦模组的截面结构示意图；

图5为本发明第三实施例中，一种包含该泵浦模组的固体激光器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。

本发明实施例中的技术构思是：采用垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）作为激光晶体棒的泵浦光源，同时以VCSEL芯片形成泵浦腔。因为VCSEL芯片表面的电极材料为金，封装基板材料亦为金，表面DBR具有98%甚至99%以上的反射率，因此VCSEL芯片表面对光束具有极高的反射率，既能够作为泵浦源出射光束；又能够作为反射表面，使得光束在泵浦腔内多次反射，以形成激光。而且，因为采用的是VCSEL芯片，并且以环绕晶体棒（工作棒）的方式形成封闭反射腔（无缝隙），所以作为泵浦源的光束，是从VCSEL芯片的朝向晶体棒的表面出射，穿过晶体棒射向位于正对面的VCSEL芯片，然后被多次反射。这样就不需要如现有技术那样需要在反射腔留缝隙以允许泵浦光的入射，提高了泵浦光的利用率。更进一步，正对向且对称设置的偶数个VCSEL芯片，光束能够完全对称地射向对面的VCSECL芯片，然后被多次反射，就能提高光斑的均匀性。

第一实施例

本发明第一实施例提供一种VCSEL侧面泵浦固体激光器的泵浦模组，包括泵浦腔100和晶体棒200，两者同轴设置。泵浦腔100环绕设置在晶体棒200的周围。

泵浦腔100包括热沉1和泵浦芯片2。其中，泵浦芯片2为VCSEL芯片。优选的，泵浦芯片2为顶发射的VCSEL芯片。

如图1（a）所示，为本实施例提供的泵浦腔100垂直于轴向的截面示意图。热沉1为设有内腔的空心柱体，为高导热、易加工的材料（例如碳化硅、氮化铝等）一体成型的结构。热沉1用于安装泵浦芯片2并为泵浦芯片2提供散热。优选的，热沉1为多个组件拼合构成的结构，例如为两件拼合、三件拼合、四件拼合等。本实施例以热沉1为两件组件拼合构成的结构进行举例说明。

热沉1包括第一组件11和第二组件12。第一组件11和第二组件12的结合面平行于热沉1的轴线（与晶体棒同轴），形成中空的柱体。热沉1的内表面在截面上的投影，为正多边形。热沉1的内表面包括多个安装面1a，安装面1a为平行于晶体棒200的轴线的平面。安装面1a以热沉1的轴线在截面上的投影为中心，成环形阵列排列。

如图1（b）所示，第一组件11垂直于热沉1的轴线的截面上，包括第一安装面1a1、第二安装面1a2和第三安装面1a3。第一安装面1a1连接第二安装面1a2的一边，两面夹角成一定角度。第二安装面1a2的另一边连接第三安装面1a3，两面夹角成一定角度。第二组件12的结构与第一组件11相同，所以第一组件11和第二组件12拼合构成的热沉1中，垂直于热沉1的轴线的截面上的安装面1a在截面上的投影，成正六边形。换言之，所述安装面为偶数，包括多组对应的安装面（第一组件11上的第一安装面1a1和第二组件12上的对应安装面1a1’），所述安装面及其对应安装面正对向设置。所谓正对向设置是指，两者关于包含热沉1的轴线的一个平面面对称。换言之，正对向，是指基于晶体棒200的轴线所在平面，两个对应的安装面之间具有面对称关系。

在本实施例中，由于热沉1为两件组件拼合结构，因此每个热沉1上均有2个或2个以上的安装面1a，用于安装对应数量的泵浦芯片2。各个安装面1a的形状和尺寸相同，以在拼合后各个安装面1a成为对称设置并且正对向设置的状态。

热沉1的背面，即与安装面相反的一面，其形状被设计为使得拼合后的热沉1整体为圆形或矩形，以使各个泵浦芯片能够均匀散热。需要说明的是，位于同一横截面上的多个泵浦芯片共用一个热沉。

热沉1和泵浦芯片2包围形成内腔3。内腔3环绕晶体棒200，内腔3用于形成冷却风路或冷却流道。

由于本实施例中，热沉1为两件拼合而成，因此内腔3被热沉1封闭。而且，泵浦芯片2位于热沉1的安装面1a，因此在同一截面上的多个泵浦芯片2连接为封闭芯片环。整体而言，晶体棒200被多个芯片环所环绕。同一截面上的多个泵浦芯片2（芯片环）之间没有用于光束入射至晶体棒200的缝隙。

因此，垂直于泵浦腔100轴线的横截面上，成多边形环绕排列的泵浦芯片2的数量为n，则n≥4。优选的，n为大于等于6的偶数。本实施例以n＝6进行举例说明。如图1（c）所示，泵浦芯片2设置于安装面1a上，并且泵浦芯片2的出光面在与安装面1a相反的方向，因此位于安装面的泵浦芯片2的出射光方向垂直于晶体棒200的轴线，并且指向位于对应安装面的泵浦芯片2。由于安装面为正对向设置，所以位于对应的安装面的两个泵浦芯片2也是正对向设置。正对向设置的泵浦芯片2具有相同性能参数，其出射的光束完全对称并反射，从而提高了泵浦效率。

图2显示，n为奇数5时（以下称为五向泵浦，为现有技术）的能量分布图；图3显示n为偶数时的能量分布图。对比可知，同一横截面上的泵浦芯片2为奇数个时，相互间不能够完全对射，但是在为偶数个时，相互间能够完全反射（对射），因此六向泵浦比五向泵浦具有更优的对称性，能量分布更均匀。

因为本实施例提供的泵浦芯片2的数量n＝6，所以六个安装面1a首尾连接，以热沉1的轴线为中心成六边形排列。又因为泵浦芯片2的表面反射率达到99%以上，且表面电极为金层，封装基板材料亦为金层，所以泵浦芯片2包围形成六边形的激光反射腔，具有良好的反射效果。因此，本发明实施例提出的泵浦腔100，无需设置独立的反射腔组件和通光窗口式反射腔组件，以泵浦芯片2和热沉1就能形成反射腔，避免了独立反射腔组件对泵浦光的损耗。并且，偶数个泵浦芯片由于存在芯片之间的相互反射，因此整体能量分布更均匀。

第二实施例

本实施例基于第一实施例。与第一实施例不同的是，本实施例提供的泵浦腔100还包括冷却管4，热沉1还包括冷却孔13。其中，多个冷却孔13设置于热沉1中，沿热沉1的轴线（也是晶体棒200的轴线）方向延伸。

如图4所示，冷却孔13位于安装面1a和热沉1的外表面之间，用于形成冷却风路或冷却液的冷却流道，为热沉1提供散热冷却。

冷却管4位于内腔3中，沿热沉1的轴线方向延伸。冷却管4的轴线与热沉1的轴线重合，用于包围晶体棒200，形成冷却液的冷却流道，用于为晶体棒200提供散热冷却。优选的，冷却管4为光学玻璃、石英等高透光材料一体成型的结构。

为验证本发明的技术效果，在此以第二实施例进行实验验证。以本发明的六向泵浦Nd:YAG模组为例，采用Nd:YAG晶体作为晶体棒200，Nd:YAG晶体为直径5mm、长度90mm，Nd掺杂浓度1%。采用48片808nm VCSEL芯片作为泵浦芯片2，VCSEL芯片分成8个圆周（每个圆周6个VCSEL芯片）环绕晶体棒200。测试条件为：①VCSEL芯片工作功率120W，工作时长1ms；②采用250mm平平谐振腔；③输出镜透过率T＝20%；④冷却水水温25℃。获得单脉冲能量2.2J（1ms，10Hz）的1064nm激光输出。光光效率＝2.2/(120×48×0.001)＝38.2%。该泵浦模组的光光转化效率和带反射腔的泵浦模组光光效率基本一致。

第三实施例

本实施例提供一种包括上述泵浦模组的固体激光器。如图5所示。该固体激光器包括输出镜300、泵浦模组（其包括泵浦腔100和晶体棒200）、反射镜400，还可以进一步包括控制模组500和冷却模组600。其中，

输出镜300、泵浦模组和反射镜400依次同轴设置，并且泵浦腔100包围在晶体棒200的周围。反射镜400和输出镜300位于泵浦模组的相对两侧，并且两者之间构成谐振腔。换言之，泵浦腔100包围晶体棒200，反射镜400设置于晶体棒200出光方向的相反方向，并与晶体棒200同轴设置，反射镜400的反射面垂直于晶体棒200的轴线。输出镜300设置于晶体棒200的出光方向，并与晶体棒200同轴设置。

晶体棒200的反向出光到达反射镜400，并被反射回晶体棒200，由晶体棒200的正向出光。晶体棒200的正向出光到达输出镜300，透过输出镜300出光。

冷却模组600与泵浦腔100的冷却风路或冷却液的冷却流道连接，向泵浦腔100输入冷却风或冷却液，并接收经泵浦腔100升温后的冷却风或冷却液。

控制模组500连接泵浦腔100和冷却模组600，接收出射激光的能量、泵浦腔100的温度等参数，并以这些参数为基础，控制泵浦腔100的输入电流、电压和冷却介质流量等参数，以使该泵浦模组稳定输出激光。

在对第二实施例进行的实验验证中，输出镜300的透过率T＝20%，反射镜400和输出镜300构成的谐振腔长度为250mm。冷却模组600的冷却水水温为25℃，实现单脉冲能量2.2J（1ms，10Hz）的1064nm激光输出。

综上所述，本发明实施例提供的VCSEL侧面泵浦固体激光器的泵浦模组和相应的固体激光器，通过利用VCSEL芯片、封装基板及热沉表面的高反射特性，实现无独立反射腔、热沉一体化、泵浦光可对射的泵浦模组，避免了独立反射腔组件对泵浦光的损耗，具有结构简单、光斑对称性好等特点。本发明实施例提供的固体激光器，利用反射镜和输出镜实现固体激光的输出，通过冷却模组进行降温制冷，通过控制模组控制固体激光器的输入和输出能力。

需要说明的是，上述多个实施例只是举例，各个实施例的技术方案之间可以进行组合，均在本发明的保护范围内。

术语“第一”“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

上面对本发明提供的VCSEL侧面泵浦固体激光器的泵浦模组和相应的固体激光器进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种VCSEL侧面泵浦固体激光器的泵浦模组，包括泵浦腔和晶体棒，其特征在于：

所述晶体棒为固体激光器的工作棒，所述泵浦腔环绕设置在所述晶体棒的周围；

所述泵浦腔包括热沉和泵浦芯片；其中，所述热沉为中空的柱体，所述热沉内表面设有安装面；所述安装面为平面，平行于所述热沉的轴线；垂直于所述热沉的轴线的截面内，多个所述安装面的投影成正多边形；所述安装面为偶数，包括多组安装面和对应安装面，所述安装面和所述对应安装面正对向设置；

所述泵浦芯片为VCSEL芯片，设置于所述安装面上；位于所述安装面的所述泵浦芯片的出光方向朝向位于所述对应安装面的所述泵浦芯片；所述泵浦芯片以其固有表面反射对向所述泵浦芯片的出射光至所述晶体棒，从而提高了泵浦效率。

2.如权利要求1所述的泵浦模组，其特征在于：

所述泵浦芯片和所述晶体棒之间的空腔通入冷却气体，冷却气体同时冷却所述泵浦芯片的出光面和所述晶体棒的表面。

3.如权利要求2所述的泵浦模组，其特征在于：

所述热沉为一体式结构；或者，为多个组件拼合构成的结构。

4.如权利要求3所述的泵浦模组，其特征在于：

所述泵浦腔在垂直于轴线的截面上，所述泵浦芯片的数量为偶数，并且具有相同性能参数。

5.如权利要求4所述的泵浦模组，其特征在于：

所述泵浦芯片采用顶发射结构的VCSEL芯片。

6.如权利要求5所述的泵浦模组，其特征在于：

所述热沉还包括冷却孔，所述冷却孔沿所述热沉的轴线方向延伸，用于通过冷却气体或液体。

7.如权利要求6所述的泵浦模组，其特征在于还包括冷却管：

所述冷却管的轴线与所述热沉的轴线重合，用于包围晶体棒和通过冷却气体或液体。

8.如权利要求7所述的泵浦模组，其特征在于：

所述冷却管为光学玻璃、石英等高透光材料一体成型的结构。

9.一种固体激光器，其特征在于包括权利要求1～8中任意一项所述的泵浦模组，以及输出镜、反射镜；其中，

所述反射镜和所述输出镜位于所述泵浦模组的相对两侧，并且所述反射镜和所述输出镜两者之间构成谐振腔，

所述输出镜设置于所述谐振腔的出光方向，用于出光。

10.如权利要求9所述的固体激光器，其特征在于还包括冷却模组； 所述冷却模组与所述泵浦腔的冷却风路或冷却液的冷却流道连接，向所述泵浦腔输入冷却风或冷却液，并接收经所述泵浦腔升温后的冷却风或冷却液。