CN1652417A - 多重反复泵浦技术在全固体激光器和光纤激光器等领域中的应用 - Google Patents

Abstract

为了有效地解决全固体激光器大功率基模运转问题，本发明采用了二个关键措施。第一，开发了新型多重反复泵浦技术和相应的工程设计，并把它们具体地应用于碟型激光器，矩片型激光器和棒型激光器中去。该技术特征是多重反复泵浦或沿锯齿形光路泵浦。第二，把锯齿光路矩形激光片和一维扩束腔结合在一起。这一措施解决了模匹配泵浦问题和提供了实现大功率腔内频率转换的途径。此外，借助于弱化空间烧孔效应本发明还可以产生大功率红色和蓝色可见光激光输出。在本发明中采用的多重反复几何构型和全反射光导结构也可用于泵浦棒状激光器，泵浦光纤激光器和光纤放大器，或用于光放大器和光学光谱探测器。

Description

多重反复泵浦技术在全固体激光器和光纤激光器等领域中的应用

【技术领域】本发明的对象是激光和光探测。具体地说，是通过优化泵浦技术和激光器设计来实现大功率低阶模运转、大功率弱激光谱线运转，同时实现有效的腔内频率转换。更具体地说，是把独特的多重反复泵浦技术及相应的几何构型应用于全固体激光器，光纤激光器放大器，光放大器和光探测器等领域。

【背景技术】

为了实现全固体激光器(DPSS激光器)大功率基模运转，必须解决二个关键问题。第一个是热效应问题。第二个是高强度泵浦问题。当采用受激发射截面低的激光介质，或准三能级激光介质如Yb:YAG，Tm:YVO4，Tm，Ho:YAG，钕玻璃等激光介质，或在获取弱谱线大功率运转的情况下，以及采用可调谐激光介质和侧冀泵浦时，这二个问题格外突出。

进而，效率高效果好，泵浦构型是产生中到大功率，全固体激光器的核心技术。但是经过了多年发展，可选择的构型仍十分有限。同时，在现有的技术中无法直接产生中到大功率的连续紫外激光，或实现弱激光谱线大功率运转。后者可有效地提供中到大功率红色和蓝色的连续波可见光激光输出。

简明地说，本发明将提供有效的途径来解决这些关键技术。着重开发新型多重反复泵浦技术和相应的工程设计，并把它们具体地用于碟型激光器、矩片型激光器和园棒型激光器中去。高强度多重泵浦可在激光介质中产生均匀的泵浦分布、减少热畸变和产生高的激光增益。此技术的特征是多重反复泵浦或沿锯齿形光路泵浦。在泵浦头或激光介质中限制泵浦光主要是借助于全反射。这样显著地减少了在泵浦过程中因多次光反射造成的反射损耗。在运用该泵浦技术时，可方便地提高泵浦功率、泵浦强度和提高输出功率。利用该技术提供的泵浦强度和泵浦效率可以和纵向端泵浦相比拟。

在矩片型激光器的具体应用中，为了解决冷却问题，实现多重反复泵浦和保护矩齿型激光光路，相应的新型工程设计与传统设计完全不同。无论在直接水冷却还是在传导冷却的条件下，它都可以提供无应力，无橡皮圈固定与密封，也可以实现对矩形激光片的端至端泵浦和冷却。该设计新颖、经济，小而紧凑。

作为本专刊发明的另一个重要而关键的步骤，是把锯齿光路矩形激光片和一维扩束腔结合在一起。这步骤将开放地解决热畸变问题，实现高功率基模运转和从矩形激光片中最大地抽取激光功率和能量。这一结合也将有效在实现高性能腔内谐波转换，实现从红外到紫外的连续波激光输出。

与此同时，当把矩形片非线性晶体和/或Q开关置入一维扩束腔的扩束区域，就可实现特高功率或特大能量激光运转以及相应的频率转换，从红外、可见到UV。中到大功率的UV DPSS激光器会成为准分子激光器的竞争对手。尤其是在合适的FHG晶体出现的时候。

进而，当实现了高强度泵浦和高功率基模运转以后，若能进一步控制空间烧孔效应，人们就有机会实现激光弱谱线大功率运转。由此能产生中到大功率连续波运转的红光或蓝光等用于激光大屏幕显示的可见激光了。

用半导体激光做泵浦源的DPSS激光器的主要优点是极大地减少了在激光介质中产生的废热和减少了热载荷，减少了由此伴随而来的热畸变和热损坏。尽管如此，热对于大功率DPSS激光器来说仍然是一个严重问题。在大功率泵浦时，由于泵浦功率耗散或热，激光介质本身将在光学性质上和机械性质上发生畸变和失真。热畸变将严重地妨碍实现TEM₀₀模运转。即使用侧向泵浦，在无法实现均匀泵浦的情形下，能量畸变仍然导致热畸变问题。

在现有的技术中，为了得到大功率基模运转，一般是用互补的安排泵浦二个全同的激光棒来补偿双折射和双聚焦。然而，用此法仅在一特定的泵浦功率范围内才能提供稳定的激光运转，而且难于批量投产。另外，由德国人发展起来的碟型激光器可以在一定程度上实现大功率基模运转。但它的泵浦装置复杂并在具体实施中给激光腔的安排带来诸多不便。

一个设计理想的锯齿光路矩片型激光器是可以很好地减少和解决令人讨厌的热一光效应。可惜的是，与此相应的设计要求和工程问题非常苛刻，一直没能有好的解决途径与办法。这样，经过了二十多年的努力，矩片型激光器始终没有真正地进入市场。存在的实际工程问题至今没有让它的优越性正常发挥出来。概括来说，首先是一个效率低的问题。在实际应用上，它那奇特的矩形光束截面需要转换成常用的圆形光束截面。矩形激光片的边缘由于畸变问题也影响使用。再此，因热应力造成的剩余的畸变加上端部和泵浦面的形变使光束质量相当不理想。还有的问题是造价高。复杂的安装结构和密封构型，严格的泵浦和冷却要求，都影响了制造价格。

在现有的侧面泵浦技术，对于一般的激光介质，由于短的泵浦吸收路径，因此对半导体激光波长要求很严，泵浦效率有限。轴向不对称的泵浦增益截面往往直接映像到光束截面上，从而负面地影响了输出光束质量。

与此同时，在激光介质中非均匀泵浦分布导致了热负荷不均匀由此引起了热光畸变。通过激光介质后产生畸变波前的光在谐振腔中会引起衍射损耗。激光效率直接取决于腔内光学损耗和增益的比率。激光增益一般地说来是正比于泵浦功率。与激光增益相比，当泵浦功率增加后，因热畸变引起的衍射损耗会增加的更厉害。从而限制了输出功率的进一步提高。

采用多重反复泵浦的办法通常可以在激光介质中产生均匀的泵浦分布。但是在实际操作上，保证多次反射过程中反射损耗不要太大是一个致命的关键。在多重反复泵浦过程中，泵浦光将会被多次反射并反复地通过或穿行于激光介质直至被充分吸收。考虑到泵浦光的入射角在泵浦过程中常常变化很大并分布在一个大的范围内。同时要经历十多次到几十次的多次反射。传统的多层介质膜高反膜对入射角的变化十分敏感。镀金镀银的金属全反镜的反射率在大入射角时反射率又很不理想。

【发明内容】

本发明主要目的是实现DPSS激光大功率TEM₀₀基模运转和为此解决热畸变等方面的问题。与此相应，本发明发展了如下一些关键技术措施。本发明发展的第一个关键技术措施是多重反复泵浦技术和相应的工程设计。并着重地把它们应用到矩片型和碟型激光器中去。本发明开发的多重反复泵浦构型具有产生高强度均匀分布和减少热畸变的重要功能。实现TEM₀₀基模运转是在连续波运转条件下获取有效腔内频率转换的首要条件。

本发明第二个关键技术措施是把锯齿光路矩形激光片和一维棱镜扩束腔结合在一起。有了这一结合，就可采用具有大的比率的矩形激光片(矩形片的宽度和厚度之比)。并有效地解决大功率DPSS激光器中热畸变问题，实现基模运转和充分地从矩形激光片中抽取激光能量。这一结合也为实现高性能的腔内谐波转换，实现从红光到紫外(UV)连续波运转创造了必要的条件。更进一步来考察，当把条形非线性晶体和/或Q开关置入一维扩束腔内的扩束区时，人们就可以此获取特高功率和特高能量的二次谐波或高次谐波的转换。与此同时，利用这一构型还可以产生DPSS白色激光或多波长激光输出。

在本发明中，面对的课题之一是为锯齿光路矩片型激光器提供新型、可具体实施的工程设计，解决多重反复泵浦头的问题和冷却问题。该设计实现了矩形激光片无应力、无橡皮圈安装、固定和密封。实现了对矩形激光片的端至端泵浦及冷却。该设计新颖、经济、小而紧凑。该设计提供了高强度反复泵浦和高增益无畸变矩形激光片。它的泵浦强度和效率可以达到纵向端泵浦的水平。

本发明的另一个重要课题是，在实现了高强度多重反复泵浦和高功率基模运转的基础上，进一步实现激光弱谱线大功率运转。如1313nm和914nm等弱谱线。从而产生具有中到大功率连续波红光和蓝光等可见激光输出。

本发明相应课题之一是为碟型激光器提供最简单最好的泵浦构型——多重反复泵浦光导碟型泵浦头。如具有阶跃折射率的阶跃光导碟型泵浦头。此泵浦头可泵浦微激光介质蕊片，产生超薄增益层。吸收完全和集中泵浦能量在一个很小的区域内。超薄增益层可以被有效地应用于控制和消除激光运转中的空间烧孔效应。

为了取得高效均匀泵浦，本发明面对的重要课题是发展新型光学结构和多次往返几何构型，它们将更好、更简单和具有大的泵浦入射数值孔径或容纳角。有了大的泵浦容纳角，就可以直接使用二极管列阵进行泵浦而不需要通过光学耦合或准直透镜了。在本发明中新发展的构型包括(1)光导构型：(2)非园型反射腔，如非园型角反射器泵浦头用于泵浦激光棒；(3)渐近折射率和阶跃折射率结构。如空心阶跃反射腔泵浦头用于泵浦激光棒。

本发明面对的另一个课题是，为了显著地减少多次反射引起的光反射损耗，利用全反射原理构造多重反复泵浦光导泵浦头。为了保护全反射不至于破坏，在本发明中还发展了使用金属箔或金属镜面镀层来保护全反射光學反射面。为了能使进入光导泵浦头的泵浦光满足全反射，本发明另一个面对的课题是发展新的耦合手段，如输入耦合器，耦合准直了的或没有经过准直的泵浦光进入光导泵浦头。

本发明的重要课题之一，是提供价廉高效的泵浦手段，包括非光纤耦合的办法，来解决DPSS激光器的泵浦问题和光纤激光器的泵浦问题。特别是在高功率泵浦时。在发展光导泵浦头基础上，本发明成功地把多重反复泵浦技术应用到棒型、矩片型和碟型激光器中去。并进一步应用到光纤激光器和放大器中去。特别是用二极管列阵直接泵浦的大功率光纤激光器和放大器。在本发明中，利用光导碟型泵浦头的物理构型，还进一步给出了新型多重反复光学放大器设计和强度增强激光探测器设计。后在可用于光导和光谱探测，包括粒子探测。

【附图说明】

在本发明的附图中，关系紧密的图之间用相同的阿拉伯数字表示并以不同的英文字母以示区别。对于图中需要安排激光腔的情况，激光腔的光轴与图中XYZ坐标中的Z轴重合。此外，所有的附图是为了说明而用的示意图。

[图1A，1B和1C]用于泵浦微激光蕊片的光导碟型泵浦头。图中激光蕊片由泵浦包体所包围并直接安装在散热器上。由三束光纤耦合的泵浦光从三个方向进行泵浦。这是本发明中重要的泵浦基本构型之一。

[图1D]从几何光学上说明光导碟型泵浦头的工作原理。图中泵浦光被反复地反射和通过位于圆的心激光蕊片。

[图1E]渐近折射率光导碟型泵浦头。其中激光蕊片由具有渐近折射率的泵浦包体所包围。

[图1F]阶跃折射率光导碟型泵浦头。其中激光蕊片由具有阶跃折射率的泵浦包体所包围。

[图1G]用于置放光导碟型泵浦头的散热器。

[图2A和2B]圆柱反射器泵浦头的立体和截面示意图。激光棒由泵浦包体所包围。由三个二级管列阵从三个方向泵浦。

[图2C]渐近圆柱反射腔泵浦头的剖面图。激光棒由具有渐近折射率分布的泵浦包体所包围。

[图2D]阶跃圆柱反射腔泵浦头的剖面图。激光棒由具有阶跃折射率分布的泵浦包体所包围。

[图2E]空心阶跃圆柱反射腔泵浦头的剖面图。图中激光棒先由冷却液包围。外面再由一层泵浦包体包围。具有不同折射率的冷却液和泵浦包体形成了阶跃结构。最外面的是圆柱型全反射镜面。图中泵浦光从三个方面入射。这是本发明的重要关键泵浦构型之一。

[图3A]这是一个具有非圆型截面反射腔的剖面图。图中所示的非圆型截面是一个二端各为半圆形的矩形。从四个方向泵浦。这一剖面图既可以表示由光纤泵浦的光导碟型泵浦头类似于图1A-C，又可以表示一个用于泵浦普通激光棒的、用四个二极管列阵泵浦的泵浦头类似于图2A-E。

[图3B]是一个空心的或实心的非圆截面反射腔泵浦头。由四个二极管列阵泵浦泵浦激光棒。

[图4A-B]实心的非圆截面反射腔泵浦头。由四个二极管列阵泵浦泵浦矩形激光片。其中反射腔是由实心的泵浦包体表面镀HR做成。

[图4C-D]空心的非圆截面反射腔泵浦头。由四个二维列阵泵浦泵浦矩形激光片。两个水冷通道把矩形激光片夹在中间。其中反射腔是由空心的外壳做成。

[图5A-B]多重反复泵浦平面型光导泵浦头。由二极管列阵泵浦矩形激光片。正确安置和使用输入耦合可以保证进入泵浦头的光束满足全反射条件并保证最低逸出损耗。这是本发明中重要的泵浦基本构型之一。

[图5C]圆柱光导泵浦头用于泵浦激光棒。其中激光棒由具有渐近或阶跃折射率分布的泵浦包体所包围。

[图5D]圆柱光导泵浦头用于泵浦激光棒。其中激光棒被偏心安置在泵浦包体——光导体中。

[图5E]平面型光导泵浦头泵浦激光棒。

[图6A-B]多重反复泵浦平面型光导泵浦头。由四个二极管列阵泵浦矩形激光片。从二极管列阵中出射的泵浦光先经过准直，然后再通过棱镜输入耦合器进入平板型光导体，即全反射光导体。泵浦光的入射角分布在一个小范围内以便满足全反射条件。

[图7A-C]耦合泵浦光束至平面型光导泵浦头的例子。泵浦光束来自一个或一个以上的二极管列阵。其中i_B是布氏角。

[图8A和8B]平面型光导泵浦头。其中沿X方向矩形激光片的尺寸小于平板型光导体的尺寸。

[图8C]矩形激光片被激光棒取代的平面型光导泵浦头。

[图9A-C]多重反复泵浦平面光导泵浦头的另一种构型。其中光导体是锥状薄片，前大后小。以便产生线状增益区。这是本发明中重要的泵浦基本构型之一。

[图10A-D]用于锯齿光路矩形激光片的多重反复泵浦平面型直接水冷光导泵浦头。

[图11A-B和12A-B]多重反复泵浦空间泸波器型泵浦头。在图12A-B中，采用一个角反射器取代了图11A-B中的矩形片，用于泵浦激光棒。

[图13A]用于锯齿光路矩形激光片的多重反复泵浦接触导热型光导泵浦头。在图13B-C中，矩形激光片和光导体之间是二个由MgF₂材料制成的保护窗片，用于保护全反射。

[图14A-D和15A-D]进一步优化的锯齿光路矩形激光片光导泵浦头。它们是本发明中关键的、典型的具体工程装置之一。

[图14A-B和14C-D]给出了二个相似的光导泵浦头。图中泵浦光入射面是矩形激光片的一个主面，也是矩形激光片和光导体的对接界面。此外，图中泵浦光行走方向垂直于泵浦面。

[图15A-B]矩形片光导泵浦头。矩形片被二个散热器夹在当中。泵浦入射面是矩形片的侧面。也是和光导体的对接界面。泵浦光的行走方向垂直于对接界面。

[图15C-G]由图15A-B变型而来的矩形片光导泵浦头。矩形片被二个散热器夹在当中。泵浦面是矩形片的侧面，也是矩形片和光导体的对接界面。泵浦光行走方面垂直于泵浦面。此外采用了一个独特的泵浦输入耦合，由图15F-G给出。[图15H]给出了双重输入耦合器构型。

在以下的图中，从图15K-M到图15R-S，给出了一组类似的泵浦装置。特点都是矩形激光片夹在二个散热器中间。矩形片的主面都是泵浦面。[图15I-J和15K-M]矩形激光片光导泵浦头。矩形片夹在二个散热器中间。泵浦面是矩形片的主面。也是矩形片和光导体的对接界面。与前不同的是泵浦光行走方向平行于泵浦面而不垂直于泵浦面。[图15N-O，15P-Q和15R-S]进一步优化的矩形激光片泵浦头。其中矩形片镀保护膜保护锯齿形激光光路。矩形片先被夹在二片薄片状光导体中间，然后再对称地夹在二个散热器中间。

[图15T和15U]具有锯齿形激光光路的平头矩形激光片。

[图16A-P和17A-G]二个类似的多重反复泵浦平面型直接水冷光导泵浦头的工程设计示意图，适于高功率运转。它们是本发明中关键的、典型的具体工程装置之一。图16A是泵浦头组合。图16B-D是矩形激光片固定模块。图16E-F是下底座。图16G-H和16N-O是上底座和由Samarium玻璃制成的全反镜。图16I-K是固定架。图16L-M是冷却法兰盘。图16P是泵浦头组合的透视图。图17A是泵浦头组合。图17B-C是矩形激光片固定模块。图17D-E是下底座。图17F-G是上底座。

[图18A-B]Dube I型光导泵浦头。[图18C]Dube II型光导泵浦头。

[图18D]Dube阶跃双壁反射腔泵浦头。

[图19A-C]用于泵浦光纤激光器或光纤放大器的泵浦头。其中图19B或19D和图19C是光纤模块。此泵浦头与图5A-B给出的一模一样，除了用光纤模块取代了矩形激光片。这是本发明中泵浦光纤的具体实例之一。

[图20A-B]这是一个从光导碟型泵浦头变型而来的多重反复光学放大器。图20A给出了光导碟型放大器中输入信号被多次反复放大的几何光学路径。图20B给出了透视图。

[图21]多重反复强度增强激光探测器或激光光谱探测器。包括粒子探测。

[图22A、22B和22C]采用超薄型微激光蕊片的光导碟型泵浦头。除了把蕊片嵌入泵浦包体并通过光学对接的办法对接在一起，几乎与图1A-F所示相同，它们是本发明中关键的和典型的具体工程装置之一。

[图23A和23B]采用超薄型条形激光片的光导泵浦头。原理和图9A-B及图22A-C一样。条形激光片是嵌入光导体的散热器之间或和光导体和散热器吻合在一起。它也是本发明中关键的和典型的具体工程装置之一。

[图24A]多重反复泵浦光纤光导泵浦头。图中把掺杂光纤，即掺稀土离子光纤一圈一圈地在同一平面上缠绕，从而制成环状光纤组合模块。这是本发明中用于泵浦光纤激光器或放大器的关键的和典型的具体工程装置。

[图24B-D]光纤光导泵浦头。图中掺杂光纤被直接缠绕到碟形光导体外壁上。

[图25A-B]用于超高功率腔内谐波产生或超大能量脉冲运转的矩形片激光器。图25C是倍频晶体。图25D是用于产生高次谐波的三块串联非线性晶体。

                            【具体实施方式】

                      第一节光导碟型泵浦头图1A-G

为了在固体激光介质尾端产生超薄增益层和在小的激光蕊片中产生增益区，本发明开发和发展了各种新颖的、具有多重反复泵浦功能的泵浦技术。相应的具体实施方式将在本节和第九节中详细给出。

如在本专利的双亲专利中所指出的，当在固体激光介质尾端产生薄的激光增益层，并紧靠着一个驻波腔的尾镜时，与腔模对应的各个驻波在空间上在此薄增益层内相互重叠分布，从而相互竞争，弱化了空间烧孔效应。最简单产生薄增益层的方法是采用端泵浦，包括离轴端泵浦。端泵浦方案不仅受限于激光介质需要很大的吸收系数，而且传输损耗大，高功率运转时热问题严重。碟型激光器或碟片型激光器是一种先进的激光技术。其中激光介质的厚度仅为零点几个毫米。然而，现有的泵浦技术复杂而昂贵。商业前途很成问题。在本发明中，为了克服这些现有技术方案的困难和问题，在图1A-F中给出了新颖的边刃泵浦技术。并在此基础上在第九节中进一步发展了泵浦超薄激光蕊片的技术。

图1A-D给出了TIR光导碟型泵浦头。图中泵浦光纤束从三个侧面方面泵浦TIR光导碟型反射腔或TIR光导碟片组合模件。并由此产生薄增益区。这是本发明中重要的泵浦基本构型之一。由于采用了新颖的多重反复泵浦构型，就不再需要使用大吸收系数的激光介质，常规的激光介质就行。如Nd:YAG，Yb:YAG和Nd:YLF。在本文中，TIR是光学全反射的英文缩写。

图1A，1B和1C分别是前剖面图、透视图和侧剖面图。图1D从几何光学上说明光导碟型泵浦头的工作原理。为了简明起见，散热器⑦仅在图1A中画出。

泵浦头的结构是这样的：激光蕊片①被泵浦包体③围绕在中心。泵浦包体③为一碟型光学圆片。它具有二个相互平行且与Z轴方向垂直的主面及与Z轴方面平行的外壁。外壁上镀有全反膜④用以反射泵浦光。泵浦光的入射口或入射的通道⑤可以不镀膜或镀增透模。用于传送泵浦光的光纤束⑥头头对接直接耦合至入射口⑤。

基于全反射和具有几何圆形的光学反射腔向心反射的特性，泵浦光一旦进入入射口⑤，就将被限制在碟型圆盘的二个光学主平面之间。然后泵浦光经过多次反复反射并多次反复通过激光蕊片直至被完全吸收。换而言之，由激光蕊片①和泵浦壳层③组成的碟型泵浦头是一个多重反复泵浦光导圆盘，或称为“黑体圆盘”。

为了便于泵浦和激光运转，泵浦包体③对于泵浦光和激光都应该是透明的。泵浦包体③的折射率应该与激光蕊片①差不多。相互之间的对结应该是光学对结。可以通过透明的光学粘结剂或环氧胶。也可以通过其它的光学途径，如frit或fusing。或美国专利5,441,803給出的光学扩散吻结法(diffusion-bonding)。

图1D给出了多次反射和多次反复通过圆心的几何光学光路图。如图所示，泵浦光一旦进入入射口⑤，就被限制在光导碟盘里。然后依次沿着图中的a点，b点，c点，d点……反复多次地被外壁全反膜④反射。泵浦光因此反复多次地通过激光蕊片①并充分地被吸收。

关于冷却问题，光导碟型泵浦头被直接地安装到散热器⑦上。接触面之间可置入铟箔，在碟盘的冷却面一边可镀高反膜用作激光腔的腔镜。或采用另一附加全反镜。这将在图9A-B中详细讨论。作为另一可选择的方案，散热器⑦的表面也可做成全反镜。如做成镀金的全反镜。散热器的发热可由冷却液或TE制冷器等方法带走。作为进一步考虑的可选方案，为了安装方便和省去镀膜④，光导碟盘可以直接置入一散热器的法兰盘中去。该法兰盘的内壁和底壁可为全反镜。如镀金全反镜。这样就可取代全反膜④和起到腔镜的作用。散热器通过碟盘背面实现一维导热和散热。它的示意图由图1G给出。

这里先介绍一种在本发明中重要的保护全反射的办法。例如，当一个附加的全反镜被采用时，在泵浦包体③和散热器⑦的接触层层间可置入一金属铂⑧。如铝箔、铟箔或银箔。为了以进热接触和机械放定性及可壁性，在散热器⑦和金属铂⑧之间再抹一层热软膏，如硅垫软膏。在本发明中值得指出的是，一个光学元件的光学界面和其它物体相接触时，在光学全反射的使用条件下，用上述金属箔的办法可以有效地避免固相-气相之间或固相-液相之间出现光学上所谓的“令人气妥的全反射”。基于在1997年5月Optics&PhotonicsNews上发表的文章“什么是表面等理子体？”，本发明认为相应地有二种办法可以保护全反射介面。一个办法是采用厚度大于20-nm的金属镀膜。另一个办法是采用金属箔。注意由于表面的不平整性，在被保护的光学表面和金属箔之间的气隙通常大于1.5μm。

在本发明中，将广泛采用各种办法来保护光学全反射。可被考虑使用的其它一些办法还有(1)在碟盘和散热器⑦接触界面之间置入低折射率的导热薄膜。(2)光学表面用保护摸。如SiO₂镀膜或TeflonAF100保护摸。(3)与碟盘接触的散热器⑦的面做成镀金或镀银的高反镜面。这些办法除了用于目前光导碟型泵浦头，还将用于其它泵浦矩型激光片的光导泵浦头中去。并将在以下被很快介绍。

作为具体实例，在图1A-D中，三个光纤束从三个方向泵浦光导碟盘。其中固体激光蕊片①和泵浦包体③都具有圆型剖面。请注意，剖面的几何形状实际上不一定是圆的这将在以后讨论。光纤束的多少和如何安排由具体情形而定。当进一步考察时，激光蕊片被偏心放置反而会提供大的接收锥角。

上面介绍了常规的光导碟型泵浦头的工作原理，下面将介绍具有更强泵浦能力和大的泵浦接收锥角的碟型泵浦头。首先介绍的是具有渐近折射率的光导碟盘。类似渐近光学中的GRIN光纤和透镜，采用的泵浦包体⑨具有渐近的折射率或可变的光学折射率n(r)、r是到碟盘中心的径向距离。n(r)由中心起逐渐变小。这一特点将使入射的泵浦光周期性地重心聚焦至中心区域并通过激光蕊片。如图1E所示。为此，应合理地设计dn(r)/dr。

现在要介绍具有阶跃折射率的光导碟盘。它的泵浦包体由二层具有不同折射率的光学材料做成。如阶跃光纤的结构一样。内层的折射率与激光蕊片①相同或相近。例如用不掺杂的YAG晶体制作。外层可用具有低折射率的光学玻璃，或光学塑料，或光学树脂制做。在这样的结构中，内层和外层折射率的差异导致透镜效应。从而使进入的泵浦光反复多次地被收敛至中心区域直至通过激光蕊片。通过合理的参量选取，就可获得大的接收锥角。作为设计时的一个基本出发点和定性考虑，沿着径向的外层厚度可选取等于因透镜效应所引起的焦距长度。当然，设计参数也可直接从实验中获取。

请注意，阶跃光导碟型泵浦头有一个极为重要的特性。泵浦光一旦进入碟盘，就将偏离原光路。然后每经一次来回反射后都向中心进一步拢靠近。这样就再也不会循原路返回并从入射口⑤逸出了。从而显著地减少了因存在入射口⑤而引起的逸出损耗。因此阶跃光导碟型泵浦头是本发明中重要关键的泵浦构型之一。在上述二个泵浦构型中，光导碟盘采用了渐近折射率或阶跃折射率，因此获得了大的泵浦接收锥角。这样，人们就可以方便地采用具有大N.A.的普通光纤束，或普通的光学耦合手段了，人们甚至可以把半导体激光器直接头对头地耦合至入射口⑤。如此一来就大为简化了泵浦传输问题并提高了泵浦效率。图IE和图1F分别结出了渐近光导碟型泵浦头和阶跃光导碟型泵浦头的剖面图。作为光导碟型泵浦头的进一步发展，本发明将在以後讨论用于泵浦超薄激光蕊片的设计。

                             第二节圆柱型泵浦头

作为一个推广，光导碟型泵浦头的构型图2A-E也可以用于泵浦普通的激光棒，如图2A-E所示。事实上，只要把光导碟盘一个个重叠起来，就变成了用于泵浦激光棒的圆柱型反射腔泵浦头了。相应地，在图2A-B中，把图1A-C中的每根光纤束用半导体列阵加上准直微柱镜取代。半导体列阵经由准直微柱镜直接头对头地耦合至条状入射口⑤。条状入射口⑤的宽度选取在500μm左右。微柱镜或光纤柱镜用作一维准直。慢轴方向没有被准直的发散角在5°-10°左右。在目前情形中考虑到激光棒②周围冷却液的影响，图2A和图2B分别是侧视图和透视图。

和第一节中讨论的一样，当采用渐近折射率泵浦包体时可以获得大的泵浦接收角。图2C給出了它的剖面图。泵浦光一旦进入泵浦头，将会周期性地经过中心区域泵浦激光棒。图2D给出了阶跃柱型泵浦头。它的泵浦包体有二层。内层的折射率为n，外层的为n′，且n′＜n。这样，由于内外二层折射率的差具引起的透镜效应将会使泵浦光不断地向中心靠拢。与第一节中讨论的一样，作为设计时的定性考虑或出发点，外层包体的厚度可等于透镜效应的焦距长度。上面这两个改进把多重反复泵浦圆柱型反射腔变成了多重反复泵浦渐近或阶跃圆柱型反射腔。从而使工作性能有了很大的改善。半导价列阵不再需要准直镜就能直接头对头地耦合至入射口⑤了。

对于阶跃柱型泵浦头，包体的外层可以是空气或液体如图2E所示，液体可以是水或其它透明液体。用水代替空气可以加透镜效应的焦矩长度。圆柱反射腔⑩可以由一空心圆柱做成。圆柱面的外层或内层有全反膜。条状入射口⑤处可不镀膜或镀以透膜。一个帶有透明水冷套的普通激光棒置放在内层泵浦包体③的中心，此设计是本发明中重要关键的泵浦构型之一。

下面談一下冷却问题。在图2D和图2E中，空心的内层套管即是一个水管套。它可以由光学玻璃，或光学塑料或树脂制成。内层套管和激光棒之间是冷却液通道。请注意，这一结构在图2D和图2E中给出但在本发明的其它图中省略了。这样的冷却结构还应包括两头两个法兰盘端盖板装置用以进出冷却液。为了使泵浦头正常工作和有利于泵浦和冷却，圆柱反射器⑩的半径，内层套管的厚度和折射率，水流通道的割面形状大小等工作参数应该合理地设计和选取。因冷却液和激光棒引起的光路崎变应给予注意和补偿。应该指出的是，许多工作参数都可以直接从相应的实验中取得和加以修正。上面给出的冷却方法在本发明中称为直接冷却方法。本发明中第二种冷却方法称为简接冷却方法。这时废热是经由泵浦包体传输至冷却剂的，泵浦包体具有好的导热性并在沿热流方向它的厚度是有限的。本发明中第三种冷却方法称为接触式导热冷却方法。如图1A中所示。此法中激光介質与散热器直接接触，或经一薄光导体直接接触，这将在第七节中介绍。

第三节用于泵浦矩形激光片和激光棒的非圆剖面反射腔泵浦头图3A-B至图4A-D

根据本发明给出的基本原理，用图1A-F和图2A-F中发展的泵浦手段可以在激光蕊片中产生一线状增益区，或在矩形激光片中产生一片状增空区。然而，用一具有非圆剖面的多重反复光学反射腔将会更适合于泵浦矩形激光片。从实际效果来看，具有非圆剖面的光学反射腔是对多次往返几何光学构型的重要改进和发展。与普通圆形反射腔相比，它将具有明显的优越性。为了说明起见，这里将首先引入用具有非圆剖面的光学反射腔来泵浦激光棒或圆形激光蕊片而不是矩形激光片。作为一个例子，图5A给出了一个两头圆的矩形反射腔的剖面图。此图既可以表示类似于由图1A-D给出的光导碟型泵浦头的剖面，又可以表示类似于由图2A-B给出的圆柱型泵浦头用于泵浦激光棒。这是本发明中的一个基本泵浦构型。这样一个非圆剖面反射腔能构提供多重反复侧面泵浦。多重反复反射腔通常也被称为积分泵浦腔或积分光学反射腔。非圆剖面反射腔的主要优点是可以提供非常大的，几乎为180°的接收锥角，不论激光介质周围是否有还是没有特殊的泵浦包体。这样的结果是，在采用类似于图2A-B所示的常规方法泵浦激光棒时，半导体列阵可以直接头对头地耦合至输入口而不再需要准直镜了。而在用类似于图1A-D所示的光导碟型泵浦头进行泵浦时，可采用普通的大N.A.光纤，或直接采用半导体激光器来对头耦合在入射口。

当图3A作为泵浦激光棒的泵浦头的情况下，泵浦头有四个入射口。且用二极管列阵直接泵浦。泵浦入射口的宽度在0.5mm左右，图3B是相应的透视图，非圆剖面反射器可以是空心的，也可以是实心的。实心的由光导体(即原泵浦包体)的外表面镀全反膜做成。当入射至光导体二个端面的泵浦光入射角大于临界角时，由于全反射这两个端面就不用镀膜了。这个原理将被用于本发明相关的各个实例中去并不再重复。至于冷却问题，在图2A-E中提到的直接冷却方法在目前情形中将是一个重要的考虑。

显然，采用非圆剖面光学反射腔最适于泵浦矩形激光片。类似于图3A-B中的泵浦安排，图4A-D给出了二个例子。其中泵浦光在泵浦腔中往返一次，通过激光介质的几率是100％。图4A-B分别是一个实心非圆剖面反射腔泵浦头的侧面图和透视图。用于泵浦矩形激光片。实心由光导体③(即原泵浦包体)制成。图4C-D是一个空心非圆剖面反射腔泵浦头。用于泵浦矩形激光片。这里水冷组件具有二个水冷通道供冷却液循环。它可以采用透明光学材制做。

在正式制做这样的泵浦头之前，请注意如下二个事实。第一，泵浦光入射在光学反射腔表面上的入射角有一个大的分布范围。而反射腔要多次反复地反射未被吸收的泵浦光。第二，具有高反射率的多层介质高反膜的反射率与入射角有很大关体系。根据这些考虑，本发明将考虑采用如下措施构建光学反射腔：

(1)采用金、银、铜等金属蒸发镀膜。

(2)采用漫反射光学材料。如玻璃陶磁，mica陶磁，粉磨压缩材料和Spectralon。

(3)泵浦包层或光导体不镀膜，采用全反射的办法把泵浦光限制在反射腔内。

(4)采用双壁反射腔结构，如图18D所示，在此结构中，具有大入射角的泵浦光将被全反射。具有小入射角的泵浦光将被一附加的镀有高反的反射腔反射。

第四节用于泵浦矩形激光片和激光棒的光导泵浦头图5A-E至图4A-C

根据本发明所提出的概念和原理，为了获得最佳的反射率和泵浦效果，可以把一个泵浦头做成具有光学全反射的构型，如在本发明图5至图10，图13至图17，图19和图22至图24，以及图18A-C中所给出的，与此相应的泵浦头称为光导泵浦头。事实上，它们是上述光导碟型泵浦头和非圆剖面反射腔泵浦头两者结合的产物。对于光导泵浦头，它的主要或全部光学表面是不镀膜的。必要时，它的某些端面或侧壁可以镀全反膜。请注意，当临界角＜45°时，相互垂直的光学面可以同时满足全反射条件。此外，原先的泵浦包体，从现在起改称为光导体

对于光导泵浦头，通常采用一光导输入耦合器

来输入泵浦光。这里它是一个棱镜耦合器或是其变型。耦合器

引导泵浦光以大于临界角ic的入射角进入泵浦头。这样，泵浦光一旦进入后，就会沿着锯齿形光路经由全反射被限制在泵浦头中。舉例来说，泵浦光的临界角在没有掺杂的YAG品体中是33.5°左右。

图5A-B分别给出了平面光导泵浦头的侧视图和透视图。处在XZ平面的矩形激光片②被二块平面光导体 夹在中间。光导输入耦合器 在这里是一个薄的棱镜。它的制作材料最好和光导体

一样。图中给出的在XY平面内入射角在45°左右。尽管来自于半导体列阵的泵浦光的发散角是高度不对称的，这里耦合器

的取向安排仍可使泵浦光满足全反射的条件。同时也不需要额外准直，半导体列阵可以直接头对头地耦合至耦合器 光导体 的两个端侧壁必要时可以镀HR。比如当临界角ic＞45°时或入射的泵浦光具有大的入射角时。图5A-B所示的泵浦头是本发明中基本泵浦构型之一。

关于冷却问题，图中四个片状散热器⑦安放在光导体上下两面。为了保护全反射，在散热器⑨与光导体

之间可置入一金属箔或具有低折射率的导热薄膜。图4C-D中所示的冷却办法也可被采用。采用时冷却液的折射率要选择适当，以便使泵浦光能容易穿过。此外，冷却通道的进出口连接处，密封圈也应采用金属箔隔离。

图5C是图5A-B的一个变型，用于泵浦激光棒的圆柱光导泵浦头。图中具有渐近折射率或价跃折射率的泵浦包体或光导体⑨围绕在激光棒②的周围，此泵浦头采用直接冷却时，冷却液的折射率要选择适当以避免泵浦光全反射。采用简接冷却时，激光棒②的光导体⑨之间要填入导热光学填充剂。这些方法也适用于本发明中其它相应实例。

图5D所示是一个用于泵浦普通激光棒的圆柱光导泵浦头。图中激光棒②被偏心地置放在圆柱形泵浦包体，即现为光导体 中。在圆柱形光导体内传播的泵浦光会分布在偏离中心的环状区域。偏心安置可以克服这个困难。此泵浦构型与光纤激光中采用的十分相似。详细请见Snitzer等人的美国专列4,815,079。

图5E是用于泵浦激光棒的矩形光导泵浦头，它的光导体 的剖面是一个矩形。事实上，它的剖面形状可以是各种各样的。详细请见M.Muendel的美国专利5,533,163。他的发明也用于光纤激光器的。他所采用的原理在物理上有点等价于漫反射腔的原理，即泵浦光趨于空间均匀分布。

图6A-B分别给出了平面光导泵浦头的侧视图和透视图。该泵浦头类似于图5A-B。由四个半导体列阵泵浦。它与图5A-B所示有二个区别。第一，半导体列阵取向转了90°。第二，光导输入耦合器 是一个直角棱镜。由于在XY平面内半导体列阵的快轴有大的光束发散角，因此需要一维准直镜准直。这样通过控制泵浦光的发散角和入射角，就可以满足全反射条件了。

图7A-C给出了耦合泵浦光至平面光导泵浦头的几个例子。包括泵浦光来自二个或二个以上半导体列阵的例子。其中i_B是布氏角。在图7A中，光导体

可以用MgF₂材料制作以便适用于锯齿光路矩形激光片。

图8A和图8B给出了几个平面光导泵浦头的部分示意图，图中沿X轴方向的泵浦区域或矩形激光片的尺寸小于光导体

在图8A中，为了让矩形激光片②的上下二端不被泵浦图此二端有HR镀膜

在图8B中，沿X轴方向的矩形激光片的尺寸小于光导体

形成了二个小间隙。为此附加了两个小的泵浦光全反镜 此外，Samarium玻璃可以用来做它的基片，以便吸收激光和国际横向激光寄生振荡，在大多数情形中，当光导体

的折射率足够大和泵浦光入射角在45°左右，这时光导体 的各个光学表面均能满足全反射条件，这样就不再需要附加全反镜

了。在图8C中用激光棒取代了矩形激光片。此外，在图6A-B到图8A-B中，为了方便起见冷却部分省略了。

作为本发明的进一步发展，图9A-C给出了一个重要的平面光导泵浦头的一个新构型，为了能在XY平面内产生一个有限的线状激光以益区，图中采用一个薄的具有锥形的平面光导体泵浦光的输入手段与图7B所示相同，但增加了一个透镜光导帽 用于改善沿慢轴方向泵浦光的发散角。光导体

和此处的条形激光片②可以通过光学对接，如光学扩散吻合。也可以彼此之间有一个小的空气简隙。为了避免泵浦光通过界面时产生全反射，可以考虑采取下述几种办法。第一是在空气间隙中充填光学介质或填料。第二是采用大入射角泵浦光，第三是在光导体

的出射界面上镀AR膜或超薄金属膜来避免全反射。条形激光片②的另一端壁、或另一块光导体

的端壁必要时可以镀HR膜用以反射泵浦光。这一原理也可适用于本发明中其它有关或类似的举例。如在图14和图15中的举例。此外，为了避免大的逸出损耗，由图15H给出的双重输入耦合器或多重输入耦合器可以考虑被采用。

有二个不同的激光构型适用于图9A-C所给出的线状激光增益区。在第一种构型中，激光方向是沿着线状增益区。实际上，此安排已在本发明的双亲专利，即美国专利5,515,394的权利要求18中给出。但没有用本发明的泵浦方法。在第二种激光构型中，激射方向重直于线状以益区和XY平面。这样，根据本发明第一节中提及的原理，采用一维扩束腔就可实现大功率单纵模运转。这一情形实际上也已在本发明的双亲专利，即美国专利5,515,394权利要求1中阐明。同时应该指出的是，与激光方向垂直的线状增益区可以用来控制空间绕孔效应和以此实现弱激光谱线运转。

在前视图图9A中，以铜作基底的镀金全反镜 被用做激光腔镜。该镜也可以直接做在散热器②的表面上、条形激光片②和光导体

与全反镜

接触的那一面应被抛光至光学平面。作为其它可考虑的使用方案，全反镜

的基底也可用薄的导热好的蓝宝石，或不掺杂的YAG，或MgF₂等材料做成。根据实际需要，镜面可以做在镜子

的任意一面。为了保护全反射和泵浦光的锯齿形光路，全反镜上的全反模的最外面一层可用具有低折射率的光学材料，如SiO₂和MgF₂。全反镜 和散热器⑦两者之间还可置入金属箔⑧和导热软膏，以增进热接触和机械放定性及可塑性。顶视图图9B主要展示了薄片状锥形平面光导体 为了方便图中省略了半导体例阵，散热器⑦和全反镜

这里值得指出的是，入射的泵浦光与光导体斜边之间的夹角每经反射一次都增加一个锥角大小的角度。因此入射角将会越变越小，造成光导体 的未端两侧壁不再能满足全反射条件。为此，这部分需要镀金全反膜④，如图所示，或外加全反镜 图9A-C的泵浦安排类似于Lens-Duct。如Beach等人在美国专利5,307,430和他们的文章Opt.Lett.18(1993)1326中给出的。又如Feugnet等在文章Opt.Lett.20(1995)157中给出的。然而，所有这些人的方案都没有试图实现锯齿形光路泵浦和多重反复泵浦。

在本发明中，要提情注意以下几点。

1.本发明提供的泵浦方案简单易行。具有高的泵浦效率和可小可大的泵浦功率。可适用于各种激光工作物质。

2.当使用阶跃折射率构型的泵浦头时，将显著地减少逸出损耗。

3.采用光导体和锯齿光路泵浦可以消除用半导体列阵直接泵浦造成的泵浦不均匀性和热点效应。在入射口和矩形激光片之间有一定距离时就能实现均匀泵浦。

4.通过各种手段，如光整形，准直，聚焦和会聚，以及采用光纤耦合的办法和采用半导体二维列阵，可以增加泵浦功率和泵浦强度，减少逸出损耗。

5.需要时，在泵浦光进入泵浦头前可加一块1/2波片调节泵浦光的偏振方向。

6.需要时，采用必要的措施防止寄生振荡和ASE问题，如正确选取矩形激光片的设计参数，采用Samarium玻璃材料，镀AR和打毛边。

7.泵浦光源可以是半导体激光器和其它泵浦光源，包括具有多个泵浦波长的多个泵浦光源。激光材料可以是各种各样掺杂的，包括一个种类以上的掺杂离子及激活离子，和两种或两种以上不同的激光材料的组合。后者可被用于激光波长上转换或激光多波长输出。

8.如美国专利5,307,365中所指出的，掺杂离子浓度是根据最佳激光运转条件决定的，如果由此给出的浓度是较低的话，则对泵浦光的吸收就也是低的。每次通过1mm左右厚度的矩形激光片时仅吸收20％左右。在这样的情况下，通常的一些因素对泵浦光的吸收将会变得很不敏感。如泵浦光偏振方向，泵浦波长，半导体列阵的温度变化等等。

9.上述的多重反复泵浦方法可以产生矩形片状增益区。为了从中吸取尽量多的能量，需要采用与此匹配的具有非圆剖面横模的激光腔。如一维扩束激光腔和在具有矩片型放电的CO₂激光器中采用的激光腔。一个例子是相于公司K500型CO₂激光器。相应的美国专利是5,353,297。

10.多重反复泵浦有四大优点。第一，它可以在激光介质中产生均匀的泵浦分布。第二，它可以提高泵浦效率和泵浦强度。比如具有4次往返的多重反复泵浦可以增加三倍泵浦强度。第三，半导体列阵的温度控制要求放宽。第四，对激光介质掺杂浓度要求大为放宽。

            第五节具有锯齿形光路的矩形激光片图10A-D

上面从原理上和实践上给出了解决多重反复泵浦矩形激光片的途径。在本节中，将着手解决具有锯齿形激光光路的矩形激光片的问题。对于这样一个矩形激光片，是用全反射把通过的激光限制在矩形激光片内。有关详细的介绍可参阅美国专得5,351,251和5,557,628。以及Koechner的著作“固体激光工程”一书。在以下几节里，本发明将给出在矩形激光片中保护锯齿形激光光路的方法。图10A-D所示的是直接水冷平面光导泵浦头的示意图。由四个半导体列阵泵浦。用于泵浦锯齿光路矩形激光片。图10A给出了它的前视图。这一安排类似于图5A-B所示。但此处是直接水冷。图中水冷组件具有二个水冷通道供冷却液循环。冷却液直接与矩形激光片接触。矩形激光片②的二端是布氏角，由图10B-C所示。图10D是部分水冷组件的示意图。在图10A-D的安排中，泵浦光在光导体 内和激光在矩形片②内要同时满足全反射条件。举例来说：由不掺杂的YAG做的光导体

被空气包围时，则它的临界角θc＝33.24°。当它被水包围时，相应的临界角θc＝47°。此时应设计一个合理的泵浦光入射角进入泵浦头和光导体

这个入射角可以使泵浦光在光导体 中满足全反射的条件，同时也让它容易地通过冷却通道。否则的话，界面上需要有折射率过渡镀膜防止全反射。另一方面来看，当泵浦光入射角在45°左右，只要水冷组件有足够大的折射率，则它的所有外部光学表面都可满足全反射条件。这样不需镀金反膜，就可以不让泵浦光逸出到外部来。

对于采用间接水冷的方法情况时，如在前面图5A-B和后面图13A-C中所展示的。首先，光导体 必需用导热好的光学材料制成，如蓝宝石，不掺杂的YAG和MgF₂。其次，为了保护激光在矩形激光片中的全反射，除了用低折射率的MgF₂，还可以在矩形激光片表面镀低折射率保护膜。如光学环氧树脂，SiO₂，Teflon AF 1600和光学胶水J91。

        第六节空气滤波器构型的多重反复泵浦头图11A-B至图12A-B

根据本发明的基本原理地，图11A-B和图12A-B给出了另一种多重反复泵浦头的几何构型。它的安排类似于一个光学空间滤波器或其衍生物。在图11A中，由透镜对 和帶有光阑孔的镜面光阑 组成了一维或二维空间滤波器。从半导体二维列阵出射的泵浦光先经过微透镜组进行一维或二维准直。再通过空间滤波器和矩形激光片②。然后经由全反镜

反射返回。全反镜 有一小倾角，因此沿原路返回的泵浦光将微微偏离原光路，并因此被镜面光阑

擋住和重新被反射返回。这样泵浦光在镜面光阑 和全反镜

之间来回往返，至少有四次通过矩形激光片②。

当空间滤波器是一维的情况下，透镜对 是一对柱面镜。光阑孔则是一条缝。此外，在泵浦光被一维准直的情形下，对于半导体列阵的慢轴方向，透镜对

也可以具有适当的准直修正功能。进而，透镜对 也能被做成具有光束扩束或缩小的功能。这样就能满足不同尺寸的矩形激光片。作为可供考虑的选择，图11A中的A点和B点可对换。在图11B中，矩形激光片②的一面直接靠在散热器⑦上。散热器⑦有一个镜化表面用来取代图11A中的全反镜 具体的冷却问题，将在图14和图15中详细讨论。

图12A给出的泵浦安排是图11A-B的变型，图中用二维角反射镜

取代了图11A-B中的全反射镜 用激光棒取代了矩形激光片②。此外，一维半导体列阵取代了二维的。单个柱透镜

取代了透镜对

用角反射镜泵浦激光棒在本发明的双亲专利美国专利5,548,608中已经详细介绍，此处不再赘叙。对于目前多重反复泵浦的情形，考虑到激光棒本身和周围冷却水

的影响，泵浦光将偏离正常光路。为了能保留住这些偏离正常光路的泵浦光和进行多重反复泵浦，借助图3A-B和图4A-B所提供的非圆剖面反射腔的工作原理，这里可以把图12A给出的角反射器改造成一个非圆剖面反射腔，由图12B所示。在这样一个反射腔中所有的内表面都是全反镜面。非圆剖面的一端是镜面光阑

另一端是角反射镜 泵浦光则主要是在这两者之间来回往返并反复多次地泵浦激光棒②。显而易见，这样一个构型是角反射镜和非圆剖面腔相结合的产物。且具有如下几个重要优点。第一，泵浦光每一次来回往返过程中泵浦激光棒的几率接近于100％。第二，由于多次往返泵浦，激光棒的定位要求放宽。第三，柱面准直镜 必要时可考虑省略。第四，用光导体薄片可直接插入入射口输入泵浦光，这样还可以从多个半导体列阵引导泵浦光进行泵浦。图12B所示的泵浦头称为非圆剖面角反射镜泵浦头。这是本发明中的一个关键的泵浦构型。在实际应用中，用一个2mm的激光棒可以容易地获得超过50％以上的泵浦效率。

        第七节平面光导泵浦头的工程设计图13A-C至图17A-G

根据本发明中所给出的泵浦头原理，现在将在图13A-C至图17A-H中给出几个与此相应的工程设计实样。这些实例，主要是用于可行性证明。同時着重解决紧凑的多重反复泵浦头问题和锯齿光路矩形激光片的冷却问题。

图13A-C给出了与图5A-B相关的泵浦头的工程设计。图中矩形激光片②被两个导热的光导体 夹在中间。四个散热器⑦对称地贴在光导体

上下两侧。中间置入了金属箔和导热软膏。与第五节中讨论的一样，为了保护激光在矩形激光片内的全反射锯齿形光路，矩形片②表面要用低折射率材料镀膜。或在光导体 和矩形片②之间采用低折射率材料。在图13B-C中，在矩形片两边用MgF₂材料做成的窗片进行保护。

本发明在下面图14A-D和图15A-U中进一步发展了采用接触导热冷却的锯齿光路矩形片激光器的工程设计。在图14A-B中，矩形片②的一个主面直接靠在散热器⑦上。两者之间置入了金属箔和导热软膏。另一个主面和光导体 光学对接。需要用光学粘接剂时，它应具有低折射率并耐高温。矩形片②也可用保护膜或MgF₂窗片保护全反射锯齿形激光光路。或采用低折射率的光导体。此外，当矩形片②的冷却面对泵浦光而言不满足全反射条件时，可考虑采用下述办法来反射泵浦光，同時保护冷却面的全反射。第一，散热器⑦的表面是金属化镜的。第二，插入的金属箔表面对泵浦光具有高反射率。第三，矩形片②的冷却面镀有对泵浦光而言的全反膜。并且它的第一层材料是由低折射率材料制成的，如SiO₂和MgF₂。作为可被考虑的其它选择，矩形片②与光导体 之间可留有一小间隙，如在图9A-B中提到过的那样。这时为了让泵浦光通过界面时不受全反射影响，可镀AR膜或超薄金属膜。也可采用过渡折射率的光学填充材料。这一安排在本发明中称为光学间接对接。前面的称为光学直接对接。图14C-D所示的与图14A-B雷同，此处不再赘叙。注意必要时要设法解决寄生振荡问题。

在以上介绍的光导泵浦头中，泵浦面都是矩形激光片的主面。在下面介绍的图15A-B中，矩形片②夹在二个散热器中间，两者中间可再置入金属箔和导热软膏。这时，泵浦面是矩形片②的侧面，当泵浦光从一个薄的光导体 进入矩形片②后，沿着全反射锯齿形光路传播。这一泵浦安排大为简化了矩形激光片的冷却问题和全反射锯齿光路保护问题。薄光导体

与矩形片②之间的对接可以是光学直接对接。也可以是光学间接对接。为了方便直观图15B只图出了两个散热器⑦和矩形片②，图15A中把散热器省略了。此外，从半导体列阵给出的泵浦光也可用其它光学手段整形后直接从矩形片的二个侧面进入而不用光导体。这一办法实际上已在双亲专利美国专得5,515,394权利要求16中给出。

图15C-E是由图15A-B变型而来的矩形片光导泵浦头，它采用的独特的泵浦输入耦合器由图15F-G给出。输入耦合器

与光导体 相互成45°如图15C所示。它们之间的光学对接可采用光学扩散吻接，光学粘接剂和光胶等办法解决。耦合器

的二面侧壁可镀金，以减少返回泵浦光的逸出损耗，它的尾端有一个成Φ＝22.5°的小斜面，如图15G所示，这样，当泵浦光进入耦合器

以后，部分会通过与光导体 的对接面进入光导体。部分会经由尾端的小斜面反射并以45°的入射角进入光导体

作为另一种选择方案，耦合器

的尾端可以是普通的直角。这时应采用双重输入耦合器构型。由图15H给出。这表明，当泵浦光进入光导体 之前，需要经过二个输入耦合器。在这种情况下，进入光导体 的泵浦光，将会在二个垂直的平面内都具有锯齿形光路，这一耦合办法在本发明中被称为双重或多重输入耦合器。

在图15I-J，图15K-M，图15N-O，图15P-Q和图15R-S中将给出进一步优化了的矩形激光片光导泵浦头。它们突出的优点和特点是，矩形片的主面既是冷却面又是泵浦面，即泵浦光入射面。在这以前介绍的矩形片光导泵浦头中，所有的情形都是泵浦光行走方向与泵浦光入射面垂直。但从以下的例子中，泵浦光行走方向与泵浦面或矩形片的主面是平行的。泵浦光将通过锯齿形光路绕进矩形片中去。同时要指出的是，由图14A-D至图15A-D所展示的泵浦方案几乎都可以实现对矩形激光片顶端至顶端的泵浦。如此可消出两端的畸变。当采用准三能级激光工作物质时，可消除自吸收效应。

图15I-J中，矩形片②的一个主面与光导体

光学对接。当光导体

的折射率不够小时，矩形片要镀保护膜。矩形片的另一个主面靠在散热器⑦上。两者之间可置入金属箔和导热软膏。双重输入耦合器的采用可以保证泵浦光的入射角在进入矩形片②时小于45°，从而避免被有镀模的矩形片全反射。图15J中矩形片②和光导体

被二个散热器⑦夹在中间。在图15I-J中半导体列阵11被省略了。在图15I中散热器⑦被省略了。

图15K-M所示几乎与图I-J相同。这里光导体 是用导热好析射率低的光学材料制成。如MgF₂。它的临界角是46.88°左右。若泵浦光入射角选择在52°。在X-Z平面内，泵浦光的发散角是≤±4°。这时，光导体

的所有主要光学表面都可满足全反射条件。那些不满足全反条件的窄侧壁或端面可镀以金膜④。这里特别指出的是，在光导体 靠近矩形片②的尾端端面有一个倾角并表面镀金，用以反射泵浦光使其沿锯齿形光路传播和得以进入矩形片②。矩形片被对称地夹在二块光导体

中间，然后再被对称地夹在二个散热器中间。为了反射泵浦光和实现有效泵浦，散热器⑦有一个镜面化的表面。图15K和图15M中省略了散热器⑦。图15L中省略了半导体列阵。

在图15I-J和图15K-M的基础上，下面进一步发展了平面光导泵浦头。具体地在图15N-O，图15P-Q和图15R-S中给出。它们的共同特点是，镀了全保护膜的矩形激光片被对称地夹在二片光导体中间，然后再被夹在二个散热器中间。在图15N-O中，光导体

和双重输入耦合器最好是用不掺杂的YAG材料制成。图15N中把半导体列阵和二个散热器⑦省略了。在图15P-Q中，采用了二维半导体列阵。注意这里的输入耦合器

和光导体

都是带有锥度的。只要设计参数选择合理，在矩形激光片②内，可以做到泵浦光不论在XY平面和XZ平面都可以按锯齿形光路传播。在图15R-S中，半导体列阵和输入耦合器

都被省略了。这里的光导体

为上下两层左右对称分布。光导体 拼接成中間空心的矩形。这样的安排可使泵浦光从矩形片②的二头进入，从而以增加了泵浦长度和均匀性。

图15T所示的是两端不具有布氏角的锯齿光路矩形激光片。它的一头镀全反膜，以上给出的各种泵浦方案都也可适用它。此外，泵浦光也可以从它的前部以各种角度直接入射。进入后大部分泵浦光沿锯齿光路传播。图15U所示与图15T雷用，不再赘叙。以上给出的光导泵浦头有以下几个突出特点。第一，利用光导体和输入耦合等手段，在光导体和激光介质中产生锯齿形泵浦光路。第二，泵浦光一旦进入泵浦头，主要通过全反射和锯齿形光路被限制在光导体和矩形激光片内并由此泵浦激光介质。

图16A-P和17A-G给出了二个相仿的直接水冷平面光导泵浦头的工程设计示意图，它们的是本发明中关键的，典型的具体装置之一。图16A是泵浦头组合的剖面图。图中有矩形激光片②。光绝缘体 矩形激光片固定模块，下底座 上底座

密封圈 一对上下冷却法兰盘 一对冷却液进出口 和冷却液通道

光绝缘体 可由吸收激光的材料制成，如Samarium玻璃。必要时用以控制寄生振荡或ASE，它的尾部可镀对泵浦光的全反HR。水冷系统和通道的设计要有利于矩形片②的冷却，减少攸逝波的影响。图16A中光导体

对称地安置在矩形片两侧。每一侧的光导体都由长短两部分组成。图中用虚线表示长的部分。它可以用廉价的光学材料别做。图16B-D是固定矩形片的模块，两个固定架 和光导体

之间用防水粘接剂胶合在一起。矩形片②的尾端插在固定架

的槽中，并用防水粘接剂封填。如Silicone RTV。并保证固化以后有一定的柔韧性。短的部分光导体 最好用不掺杂的同种激光材料制成。矩形片②的两头必要时可镀保护膜保护全反射。作为其它选择方案，矩形激光片两端也可用带有密封圈的结构固定。图16E-F是下底座

图16G-H是上底座 图16N-O是用吸收激光材料做基底的全反镜

和它的底座。密封圈槽

图16I-R是固定架

图16L-M是冷却通道法兰盘

图16P是泵浦头的透视图。密封圈

用透明材料制成。也可在它的内圈加一个屏蔽圈。此外，为了保护全反射，密封圈应用低折射率的材料。或在接触面置入金属箔或保护膜。

图17A是泵浦头组合的剖面图。图中有矩形片②。下底座 上底座 密封圈

冷却通道法兰盘 进出口 冷却液通道

图17B-C是固定矩形片的模块，其中矩形片②和光导体 经四块小的固定块 用防水粘接剂胶合。这一结构可以实现矩形激光片的端部泵浦。图17D-E是下底座 两个冷却液通道 上下两个密封圈槽

中心区全反膜 图17F是上底座

在以上图11B，13A-C，14A-D，15A-U，16A-P和17A-G中给出的泵浦头，可以提供无应力，无密封圆矩形激光片的安装和密封。可以实现对锯齿光路矩形激光片顶端至顶端的泵浦和冷却。在与一锥扩束腔结合在一起使用时，就可有效地解决热畸变问题，实现基横模运转和从矩形片中提取能量。同时为解决腔内频率转换提供了条件。

                    第八节Dube泵浦腔的改进图18A-C

在美国专利5,619,522中，Dube发展了他的新颖的多重反复泵浦构型。他的泵浦腔主要是由一对半圆柱，或一对半弧拱形，或一对半多面体构成的，每对两个半径可以是相同或相近的，相互之间位置和取向安排是共线但不共轴。也就是两个反射器的轴线是相互平行的但在左右方向上彼此之间有一错位。这一泵浦几何光路的构型可以使从侧旁进入的泵浦光反复地被泵浦腔反射。在每经一次反射后，泵浦光都会向中心靠拢。当泵浦光经过中心区后：每经一次反射又会沿螺旋形的原光路返回逸出。然而，Dube的泵浦腔存在着一个致命的缺陷。就是没有解决好泵浦腔的反射率的问题。因为对一个多重反复泵浦腔，往往经过十几次至几十次的反射才有一次泵浦激光介质的机会。这一问题对于采用Dube泵浦腔泵浦常用的小直径激光棒时就更为突出。为了让Dube泵浦腔付诸实用，根据本发明光导泵浦头的原理，本节中将给出改进了的Dube泵浦腔。图18A-B给出了被为Dube I型光导泵浦头。图中激光棒②周围环绕着一对半圆柱形导体。即半径是R1的上半圆柱光导体

和半径是R2的下半圆柱光导体 R1和R2的大小略有差异。它们共线但不同轴，上半圆柱

的中心是

下半圆柱

的中心是 两个中心在左右方向上彼此之间有一个微小的错位，与以前讨论的原理一样，这里也使用了光导输入耦合器 下半圆柱 的最边上有一条敞开的窄边。耦合器

则安置在这条窄边上。它引导泵浦光以适当的角度进入泵浦腔。如果光导体 和

的折射率足够大而入射角在45°左右，则泵浦腔的所有光学表面，包括一头一尾两个端面，都可同时满足全反射条件。

剖面图18C给出了被称为II型Dube光导泵浦头。激光棒②周围环绕着冷却通道 和一对半多面体。这是一对半正方形，即上半部光导体

和下半部光导体

它们之间共线但不同轴，且尺寸大小存在一微小的差异。为了能满足全反射条件，泵浦光进入之前最好经过适当准直。

剖面图18D给出了被称为Dube阶跃双壁反射腔泵浦头。图中激光棒②周围围绕着光导体和液体

再外面一层是一对半圆内套管

和 它们可以用普通光导玻璃制成。它们之间共线但不同轴。相应的两个半径R3和R4的尺寸有微小差异。泵浦头的最外层是一对半圆套管 和 它们的内层对泵浦光镀HR

外套管 和

的内表面的几何形状与内套管 和

完全吻合。它们之间存在一小的空气间隙。当泵浦光从内套管 和

的内部射向它们与空气间隙之间的光学界面，那些入射角大于临界角的泵浦光被全反射，那些入射角小于临界角的泵浦光在穿过气隙后被外套管

和 的内层全反射膜 反射后返回泵浦腔。内套管

和

的折射率最好与液体

的相同或相近。以便与光导体③构成阶跃折射率结构。其它需要注意的设计参数还包括光导体③的半径，液体 的厚度。这些参数设计与图2D和图2E中的情形不尽相同。但有一点是相同的，就是这一构型可以防止泵浦光偏离中心后从原路返回，并最后从入射口逸出。这节里最后要提出的是图18A-C所给出的泵浦构型也可改造成光导碟型泵浦头，在激光蕊片中产生一薄的增益区，或者改造成一个光学放大器如在下面图20A-B中给出的。

           第九节光导泵浦头用于纤外泵浦光纤激光器图19A-D

作为本发明的进一步推广，可以把多重反复光导泵浦头的原理和方法应用到光纤激光器和光纤放大器中去，实现大功率纤外泵浦，具体的做法是：让泵浦光反复多次地通过掺杂光纤。或让掺杂光纤反复多次地通过泵浦区域。为此，可以把掺杂光纤缠绕起来成一定形状，称为光纤模块，然后拿它取代图4，5，6，13，14和图15中的矩形激光片。图19A的例子就是把图5A-B中的矩形片用光纤模块

取而代之。图19B中给出了用掺杂光纤 缠绕起来的光纤模块。其中内支撑架

和外支撑架

是由光学透明的，折射率与光纤包层相同或相近的材料制成，注意光纤转弯半径应足够大。图19C是光纤模块的透视图。此外，作为另一种选择，可以用几个泵浦头泵浦一个光纤模块。相应的示意图由图19D给出。图中每个虚线代表一个泵浦区。同时，图15A-B，15C-E和15E-M也可用来泵浦光纤模块

这时光导体 与光纤模块

之间可直接对接，也可是间接对接。如在图14A-B中所说明的。

Claims (10)

1.一种构造多重反复泵浦泵浦头的方法，该泵浦头可以用于全固体激光器，光纤激光器和光纤放大器，它的特征在于，实现多重反复泵浦和高强度均匀泵浦用以产生和放大相干光，该方法包括如下步骤：

A.选取一个泵浦光源件来提供一个合适的泵浦光，它可以是一个半导体列阵件，或是一个复合光源件，所述泵浦光可具有单一波长或多个波长；

B.从下述所列中选取一个激光介质件；

(1)激光蕊片，激光棒和矩形激光片，

(2)掺杂光纤；

C.设置一个耦合方式耦合所述泵浦光进入一个泵浦入射口件，以便输入所述泵浦光至所述泵浦头中去，所述入射口件至少包括一个入射口；

D.为了构建所述泵浦头，采用一多重反复泵浦构型，把所述泵浦光限制和保留在所述泵浦头中，它的特征在于，所述泵浦光，一旦进入所述泵浦头以后，至少它的主要部分将被多次反复反射和反复地通过或穿行于所述激光介质件直至充分地被吸收，所述多重反复泵浦构型必须从下述所列中选取：

(1)第一泵浦构型，该构型采用一个光导体件构造所述泵浦成为一个光导泵浦头，其特征在于：

a)在整个泵浦过程中，该泵浦头主要通过全反射把所述泵浦光限制和保留在所述光导泵浦头内，

b)所述泵浦光，一旦进入该泵浦头后，至少它的主要部分将沿着锯齿形光路反复反射和传播，并反复地通过或穿行于所述激光介质件直到被光分地吸收，

c)在所述泵浦光一个往返来回的泵浦过程中，没有被吸收的所述泵浦光的逸出损耗几率应小于40％，或者所述泵浦光在整个泵浦过程中的逸出损耗应小于40％，该构型的特征功能是(i)显著地减少所述泵浦光在反复反射过程中的损耗，特别是在所述光导体件中传播时的损耗，(ii)实现高效均匀泵浦，

(2)第二泵浦构型，该构型采用一个渐近或阶跃折射率光学结构，

(3)第三泵浦构型，该构型采用一个非圆剖面反射腔，所述非圆剖面具有一个外凸的封闭边界，其中(i)所述激光介质件必需是一个激光棒，该激光棒有一个光轴，一个特定平面和该光轴垂直，所述非圆剖面在该平面内并把所述激光棒围在其中，(ii)所述激光棒被一冷却液通道所围绕，(iii)在所述非圆剖面内，最大的距离至少不能小于四倍所述激光棒的直径，

(4)第四泵浦构型，该构型采用一个双壁反射腔件，

(5)第五泵浦构型，该构型采用一个空间滤波器及其衍生结构，

(6)第六泵浦构型，该构型采用一个反射腔，其中：

a)所述激光介质件必需是一个矩形激光片，其特征是，具有矩形的剖面，具有二个主面，二个侧面和二个尾端，尾端可为布氏角或直角，

b)该矩形片必需通过二个所述主面制冷，

c)所述半导体列阵件必需至少是一个和一个以上半导体一维或二维列阵，

d)通过非光纤光学耦合手段耦合至一个所述入射口的所述泵浦光是来自于一个和一个以上半导体列阵，

e)所述泵浦光进入所述反射腔后，反复地通过所述矩形片的二个主面，

(7)第七泵浦构型，该构型采用一个非圆剖面反射腔，其中：

a)所述激光介质件必需是一个矩形激光片，其特征是，具有矩形的剖面形状，具有二个主面，二个侧面和二个尾端，尾端可为布氏角或直角，

b)把所述矩形片安装到一个心座中去，使所述矩形片经由所述主面，被夹在二个冷却液通道中间，所述矩形片在所述心座中的固定和密封采用硅胶RTV一类材料而不用密封圈，

c)在所述冷却液通道中液体流动的方向与所述矩形片的二个侧面是垂直的，

d)所述泵浦光进入所述非圆剖面反射腔后反复地通过所述矩形片的两个主面，

(8)第八泵浦构型，该构型采用一个光导体件，其中：

a)所述激光介质件必需是一个矩形激光片，其特征是，具有矩形的剖面形状，具有二个主面，二个侧面和二个尾端，尾端可为布氏角或直角，

b)所述光导体件由至少二块光导体片构成，它们都有正反两个宽平面，

c)所述矩形片先经由所述主面被所述二块光导体片夹在中间，然后再经由所述光导体片被夹在二个散热器中间，

d)所述矩形的二个主面各自与所述光导体片的宽平面光学对接，所述泵浦光沿着锯齿形光路由该光学对接面绕进入所述矩形片，

e)所述矩形片是经由所述光导体片和所述散热器进行热交换，所述光导体片应具有良好的导热性并经由宽平面与散热器热对接在一起，

f)为了保护激光光路在所述矩形片件中的全反射，可以从以下所列中选取一种办法；(i)所述两个主面有保护膜，(ii)所述光导体片有较低的折射率，

g)必要时所述光导体片靠近所述矩形激光片的那一头的端部不是垂直面而是斜面并镀以全反金膜，这样可以改变入射在它上面的所述泵浦光的传播方向，以便实现锯齿光路传播和有效泵浦，

h)必要时所述散热器与所述光导体片之间的对接面可以有一个镜面化表面，用以反射所述泵浦光和实现多重反复泵浦，

i)必要时，部分所述光导体件和所述宽平面可以有一个锥形形状，以便实现有效泵浦，

j)当所述光导体片的侧边不满足全反射条件时，可以镀全反金膜来反射所述泵浦光，

(9)第九泵浦构型，该构型采用一光导体件，其中：

a)所述激光介质件必需是一个矩形激光片，其特征是，具有矩形的剖面形状，具有二个主面，二个侧面和二个尾端，尾端可为布氏角或直角，

b)所述矩形片的主面与所述光导体件光学对接，另一个所述主面，与一个散热器对接，

c)所述泵浦光一旦进入所述光导体件以后，至少它的主要部分将沿着锯齿形光路反复反射和传播，并反复地通过或穿行于所述矩形激光片直至被它分吸收，

b)所述泵浦光从所述主面进入所述矩形片，

e)为了从热对接面反射所述泵浦光和保护激光光路器全反射，选择一种办法，其中包括：(i)在该热对接面中间置入一个具有高反射率的金属箔，(ii)所述散热器的对接面被镜面化，(iii)所述矩形片件的热对接面镀有全反膜，该高反膜的第一层由具有低折射率的材料构成，

f)对于所述矩形片件的光对接面，为了保护该面激光光路的全反射，选择一种办法，其中包括(i)用一保护膜或光学粘接剂，(ii)用一个MgF₂材料制做的窗口，(iii)与所述光导体件之间留一小气隙，

g)必要时所述光导体件的一个光学表面全部镀金以便反射泵浦光，

h)必要时，部分光导体件可以有一个锥形的形状，

(10)第十泵浦构型，该构型采用一个反射腔，其中：

a)所述激光介质件是一个掺杂的光纤件；

b)所述半导体列阵件至少包括一个一维或二维的半导体列阵，

c)所述泵浦光是来自于一个或一个以上所述半导体列阵，并通过光学耦合手段耦合至一个所述入射口，

d)所述泵浦光进入所述反射腔后反复地通过所述光纤件进行泵浦；

E.安装和冷却所述激光介质件。

2.在权利要求1中，为了采用所述第一构型构造一个矩形激光片光导泵浦头，进一步包括如下步骤：

A.所述激光介质件是一个矩形激光片，其特征是，具有矩形的剖面，具有二个主面，二个侧面和二个尾端，尾端可为布氏角或直角；

B.根据有效运行的要求，事先安排好所述矩形片，所述光导体件和所述入射口件之间的位置和取向，从而优化泵浦和减少逸出损耗；

C.优化所述泵浦头的光学特性，物理物性和功能参数，包括剖面形状、尺寸、几何形状、折射率和掺杂浓度，从面优化泵浦、激光运转和冷却；

D.为了保护所述矩形激光片的二个主面的全反射和保护光导体的全反射，选择一种方法，其中包括：

(1)采用金属箔，包括铝箔、铟箔和银箔，

(2)采用厚的金属镀膜，

(3)采用金属化镜面，

(4)采用具有低折射率材料的保护膜，包括光学胶水J91，硅胶，光学用环气，SiO₂和TeflonAF1600，

(5)采用具有低折射率材料制成的光学保护窗，如MgF₂；

E.所述矩形片光导泵浦头可从以下所列中选取：

(1)第一矩形片光导泵浦头，其中

a)所述泵浦光由所述主面进入所述矩形片并反复地通过二个主面，

b)所述矩形片经由所述二个主面被两个冷却液通道夹在中间，所述冷却液通道是在所述矩形片和所述主导体件之间形成的，

(2)第二矩形片光导泵浦头，其中

a)所述泵浦至少经由一个所述主面进入和多次通过所述矩形片直至被充分地吸收，

b)所述矩形片经由它的二个主面被所述光导体件夹在中间，且所述光导体件具有良好的导热性，

(3)第三矩形片光导泵浦头，所述矩形片采用接触式导热冷却，其中

a)所述泵浦光从所述主面进入所述矩形片，

b)所述矩形的主面与所述光导体件光学对接，另一个所述主面与一个散热器对接，

c)为了从热对接面反射所述泵浦光和保护激光光路器全反射，选择一种办法，其中包括：(i)在该热对接面之间置入一个具有高反射率的金属箔膜，(ii)所述散热器的对接面被镜面化，(iii)所述矩形片件的热对接面镀有全反膜，且具有低折射率的材料作为该全反膜的第一层，

d)对于所述矩形片的光对接面，为了保护该面激光光路的全反射，选择一种办法，其中包括(i)用一保护膜或光学粘接剂，(ii)用一个MgF₂材料制做的窗口，(iii)与所述光导体件之间留一小气隙，

(4)第四矩片形光导泵浦头，所述矩形片采用接触式导热冷却，其中

a)所述光导体件由一块或二块光导体片组成，所述诸光导体片都有正反两个宽平面，

b)至少一个所述主面与所述宽平面光学对接，所述泵浦光沿着锯齿形光路由给对接面进入所述矩形片，

c)所述光导体片具有良好的导热性，

d)为了保护激光光路在所述矩形片中的全反射，可以从以下所列中选取一种办法，其中包括(i)所述两个主面有保护膜，(ii)所述光导体片有较低的折射率，

e)至少一个所述主面经由所述光导体片后被对接至一个散热器进行接触式导热冷却，

(5)第五矩形片光导泵浦头，所述矩形采用接触式导热冷却，其中

a)所述光导体件由至少二块光导体片组成，所述诸光导体片都有正反两个宽平面，

b)所述矩形片先经由所述主面被所述二块光导体片夹在中间，然后再经由所述光导体片被夹在二个散热器中间，

c)所述矩形的二个主面各自与所述光导体片的宽平面光学对接，所述泵浦光沿着锯齿形光路由该光学对接面绕进入所述矩形片，

d)所述矩形是经由所光导体和所述散热器进行热交换，所述光导体片应具有良好的导热性并经由宽平面与散热器对接在一起，

e)为了保护激光光路在所述矩形片中的全反射，可以从以下所列中选取一种办法，其中包括(i)所述两主面有保护膜，(ii)所述光导片有较低的折射率，

f)必要时所述散热器与所述光导体片之间的对接面可以有一个镜面化表面，用以反射所述泵浦光和实现多重反复泵浦，

g)必要时所述光导体片靠近所述矩形激光片的那一头的端部不是垂直面而是斜面并镀以全反金膜，这样可以改变入射在它上面所述泵浦光的传播方向，以便实现锯齿光路传播和有效泵浦，

h)必要时，部分所述光导体件和所述宽平面可以有一个锥形形状，以便实现有效泵浦，

i)必要时，当所述光导体片的侧边不满足全反射条件时，可以镀以全反金膜来反射所述泵浦光，

(6)第六矩形片光导泵浦头，所述矩形片采用接触式导热冷却，并采用所谓的边刃泵浦技术，其中

a)所述泵浦光经由所述矩形片的侧面进入后主要沿着锯齿形光路传播，

b)所述矩形片的侧面经由光学填充剂或一气隙与所述光导体件光学对接，

c)所述矩形片经由二个所述主面进行接触式导热冷却，

(7)第七矩形片光导泵浦头，所述矩形片采用接触式导热冷却，其中

a)所述矩形片的厚度通常小于1mm，典型地小于0.5mm，

b)所述矩形片是采用嵌入的办法光学对接到所述光导体件上去，

c)所述矩形片具有一线条状增益区，

d)所述光导体件对泵浦波长和激光波长都是透明的，它的所折射率与所述矩片差不多，

e)所述的光学嵌入的办法包括(i)耐高温的光学粘接剂，(ii)光学扩散吻接，

f)所述泵浦头的激光方向与所述线条状增益区垂直，

g)所述矩形片嵌入所述光导体件后经由一块全反镜或一全反镜面与一散热器邻接，该全反镜的基底薄而具有良好的导热性，可由铜、蓝宝石、不掺杂YAG或MgF₂等材料制成，所述全反镜被用作激光腔镜，它的另一面经由一金属箔和热软膏与所述散热器邻接，

(8)第八矩形片光导泵浦头，所述矩形片采用接触式导热冷却，其中

a)所述矩形片具有一个线条状增益区，

b)所述光导体件对所述泵浦光是透明的，

c)所述泵浦头的激光方向与所述线状增益区重合，

d)所述光导体件经由光学填充剂或一气隙与所述矩形片光学对接，

e)所述矩形片通过所述两个主面并经由金属箔和热软膏导热冷却。

3.在权利要求2中，为了采用所述第七矩形片光导泵浦头来实现弱激光谱线有效运转，进一步包括如下步骤：

A.选定一弱激光谱线为激光工作波长；

B.构选一个一锥拨束激光腔，它具有一个线条状横模剖面并与所述线条状增益区吻合，其中

(1)所述激光腔至少有二个腔镜，

(2)所述第七矩形片光导泵浦头被置入所述激光腔中，并在所述激光工作波长上运转，

(3)所述线条状增益区与激光方向垂直；

C.为所述线状增益区提供高强度泵浦；

D.在所述激光工作波长处使腔Q值达最大；

E.在非所述激光工作波长处使腔Q值达最小；

F.把所述线条状增益区放置在一个最佳位置上，最好是在1/2L，1/4L，3/4L，1/6L和5/6L处，或所述激光腔的尾端，这里(i)L是所述一维扩束激光腔的光学长度，(ii)所述全反镜用作所述激光腔折叠镜或尾端腔镜，(iii)所述增益区在所述最佳位置处时，具有空间反相关特性的一对纵模占主导作用出现的几率为最大，并将控制和获取整个所述增益区的增益，从而显著地弱化了空间烧孔效应；

G.在保证所述泵浦光能被光分有效吸收的情况下尽量减少掺杂浓度；

H.必要时可在所述激光腔内置入非线性晶体用以实现腔内频率转换。

4.在权利要求1中，为了采用所述第一构型构造所述光导泵浦头成为一个碟型泵浦头，进一步包括如下步骤：

A.所述激光介质件是一个激光蕊片；

B.把所述光导件做成一个光导碟盘，其中

(1)所述光导碟盘有二个平行的主平面，它们与一个设定轴向垂直，有一个窄侧壁，它与所述设定轴向平行，

(2)所述二个主平面具有相同的几何形状，它们的尺寸要明显地大于它们之间的距离，即所述光导碟盘的厚度；

C.采用一个光学对接手段把所述激光蕊片嵌入所述光导碟盘或把两者对接在一起，其中

(1)所述光导碟盘对于所述泵浦光和激光都是透明的，它的折射率与所述激光蕊片差不多，

(2)所述的光学对接手段包括：(i)光学粘接剂，(ii)光学扩散吻接，(iii)光学玻璃烧接；

D.当所述泵浦光不能满足全反射条件被所述窄侧壁反射时，可采用下述所列办法来反射所述泵浦光：

(1)办法一，在所述窄侧壁所需要的部分镀全反膜，同是时留一个窄带不镀膜或镀以透膜作为所述入射口，

(2)办法二，把所述光导碟置入一个作为散热器一部分的法兰盘中，该法兰内壁镀金且至少有一个开口作为所述入射口；

E.输入所述泵浦光至的述光导碟盘，其中(i)所述泵浦光平行于所述两个主平面且通过全反射被很制在它们之间传播，同时经由所述窄侧壁反复反射和反复地通过所述激光蕊片直至被充分吸收，(ii)所述耦合方式包括光纤耦合；

F.为所述光导碟盘和所述两个主平面选取一个几何形状，其中包括：

(1)圆形，此时所述光导碟盘可以从下述所列中选取：

a)普通光导碟盘，相应的泵浦头被称为光导碟型泵浦头，其中在所述光导碟盘中，所述激光蕊片位置最好是偏心的；

b)渐近折射率光导碟盘，相应的泵浦头被称为浙近折射率光导碟型泵浦头，其中所述光导碟盘的折射率在径向方向上是逐浙改变的，因此所述泵浦光一旦进入后，将会被不断地折射和周期地经过所述光导碟盘的中心区域泵浦所述激光蕊片，从而提供了一个大的泵浦接收锥角；

c)阶跃折射率光导碟盘，相应的泵浦头被称为阶跃折射率光导碟型泵浦头，其中所述光导碟盘由具有不同折射率的内外两层构成，因此所述泵浦光一旦进入后，将会不断地折射并不断地向中心区靠拢和泵浦所述激光蕊片，从而提供了一个大的泵浦接收锥角，

(2)非圆形，相应的泵浦头被称为非圆剖面光导碟型泵浦头，

(3)非圆形，相应的泵浦头被称为Dube光导碟型泵浦头，其中(i)所述光导碟盘由一对角反射镜组成，它们之间共线但不同轴，且尺寸大小存在一微小差异，(ii)所述泵浦光进入前需要适当准直，(iii)所述泵浦光进入后被所述窄侧壁全反射；

G.所述光导碟盘包围着的述激光蕊片通过接触式导热冷却，其中(i)所述光导碟盘经由一块全反镜或一全反镜面后与一散热器邻接，(ii)所述全反镜的基底薄而具有良好的导热性，可由铜、蓝宝石、不掺杂YAG或MgF₂等材料制成，(iii)所述全反镜或全反镜面被用作一块激光腔镜。

5.在权利要求1中，为了采用所述第一构型构造所述光导泵浦头成为一个激光棒泵浦头，进一步包括如下步骤：

A.所述激光介质件是一个激光棒；

B.构建所述光导体件把所述激光棒围在里面，必要进所述激光棒周围有冷却液通道；

C.构建两个端部法兰盘用作安装和冷却所述激光棒以及反射所述泵浦光；

D.所述光导体件可以从下述所列中选取：

(1)普通光导体，

(2)渐近折射光导体，相应的泵浦头被称为渐近折射率光导泵浦头，其中所述光导体的折射率在径向是逐渐改变的，因此所述泵浦光一旦进入后，将会被不断地折射和周期地经过所述泵浦头的中心区域泵浦所述激光棒，从而提供了一个大的泵浦接收锥角，

(3)阶跃折射率光导体，相应的泵浦头被称为阶跃折射率光导泵浦头，其中所述光导体由具有不同折射率的内外两层构成，因此所述泵浦光一旦进入后，将会被不断地折射并不断地向中心区靠扰和泵浦所述激光棒，从而提供了一个大的泵浦接收锥角；

E.优化所述泵浦头的光学特性，物理特性和功能参数，包括剖面形状、尺寸、几何形状、位置和取向、折射率和掺杂浓度，从而优化泵浦、激光运转和冷却。

6.在权利要求1中，为了采用所述第一构型构造所述光导泵浦头成为一个光纤激光器泵浦头用于泵浦光纤激光器和光纤放大器，进一步包括如下步骤；

A.所述激光介质件是一个光纤件，它是由掺杂的光纤制成的；

B.所述光纤件可以从以下所列中选取：

(1)第一光纤件，其中

a)所述光纤被一圈一圈地缠绕，最好再一层又一层地排在一起，

b)采用光学透明填充剂用以保护光路和全反射，

c)所述第一光纤件可以具有薄平板的形状，或薄碟盘的形状，或环形薄片形状，它具有二个主平面和至少一个侧面，

d)根据有效泵浦要求，所述第一光纤件与所述光导体件光学对接，

e)所述泵浦光进入泵浦头和所述光导体件后，多次反复地通过所述第一光纤件并充分地被所述掺杂光纤吸收，

(2)第二光纤件，其中

a)所述掺杂光纤被缠绕在所述光导体件的外表面上并必要时充以光学填充剂用以保护光路和全反射，

b)所述光导体件的形状是根据有效泵浦的要求决定的，

c)所述泵浦光进入所述泵浦头和所述光导体后，将多次反复地通过所述掺杂光纤并充分地被它吸收。

7.在权利要求1中，为了采用所述第二构型构造一个激光棒泵浦头，进一步包括如下步骤：

A.所述激光介质件是一个激光棒；

B.构建一个外表有全反膜圆柱形光导体件，并把所述激光棒围在中心，且二者之间有冷却液通道，如此在整个泵浦过程中把所述泵浦光限制在所述泵浦头中；

C.构建两个端部法兰盘组件用作安装和冷却所述激光棒和从端部侧面反射所述泵浦光；

D.从下述所列中选取一种所述光导体件：

(1)渐近折射率光导体，它的折射率在径向是逐渐改变的，相应的泵浦头被称为渐近折射率反射腔泵浦头，

(2)阶跃折射率光导体，它由具有不同折射率的内外两层构成，相应的泵浦头被称为阶跃折射率反射腔泵浦头；

E.优化所述泵浦头的光学特性，物理特性和功能参数，包括剖面形状、尺寸、几何形状、位置和取向、折射率和掺杂浓度，从而优化泵浦、激光运转和冷却。

8.在权利要求1中，为了采用第二构型构造一个激光棒泵浦头，进一步包括如下步骤：

A.所述激光介质是一个激光棒；

B.构建一个圆柱形光导体件并把所述激光棒围在中心，且两者之间有冷却通道：

C.构建一个空心腔和二个端法兰盘，它们内部充有一种对所述泵浦光透明的液体，所述空心腔对所述泵浦光具有高反射率，从而在整个泵浦过程中，把所述泵浦光限制在所述泵浦头中；

D.把所述圆柱形光导体件和所述激光棒置入所述空心腔中心，并与所述液体形成阶跃折射率结构，相应的泵浦头被称为空心阶跃反射腔泵浦头：

E.优化所述泵浦头的光学特性，物理特性和功能参数，包括剖面形状、尺寸、几何形状、位置和取向、折射率和掺杂浓度，从而优化泵浦、激光运转和冷却。

9.在权利要求1中，为了采用所述第五构型建造所述泵浦头，进一步包括如下步骤：

A.构建一个空间滤波器件，从下述所列中选取一种：

(1)正常空间滤波器件，它由一对透镜和一个带有一个光阑孔的镜面光阑组成，其中

a)所述空间滤波器件至少是一维空间滤波器，

b)所述透镜对可以具有光束扩束或缩小的功能，

c)所述光阑孔是被用作所述入射口；

d)在进入所述空间滤波器件前所述泵浦光至少是一维准直平行光；

(2)准空间滤波器件，它由一柱面镜和一个带有一个光阑孔的镜面光阑组成，其中所述光阑孔是一线状开口和被用作所述入射口，

B.把所述泵浦光射向所述空间滤波器件；

C.为了泵浦所述激光介质件，从下述所列中选取一种泵浦安排：

(1)第一种安排，在此安排中增加一块全反镜用以反射来自于所述空间滤波器件的所述泵浦光，其放置时带有一小倾角，其中

a)所述激光介质件是一个矩形激光片，它被置放在所述镜面光阑和所述全反镜中间，

b)所述泵浦光在所述镜面光阑和所述全反镜中间来回往返，

c)由所述全反镜反射返回的所述泵浦光与原光路有一微小偏离，从而被所述镜面光阑挡住和重新被反射返回，

d)所述泵浦光来回往返通过所述矩形激光片四次，

e)所述全反镜可以从下述所列中选取：(i)一个独立的全反镜，(ii)所述矩形激光片镜面化的主面，

(2)第二种安排，在此安排中增加一个角反射镜用以反射来自于所述空间滤波器件的所述泵浦光，并利用它，所述镜面光阑和一个反射镜件构造一个实心非圆剖面反射腔，从而不让所述泵浦光逃逸和保证多重反复泵浦，  其中

a)所述激光介质件是一个激光棒，并适当地安置在所述角反射镜内，

b)所述透镜对是一对柱面镜，

c)所述光阑孔是一线状开口，

d)所述角反射镜反射所述泵浦光从前后上下四个方向至所述激光棒，

e)所述角反射镜反射返回的所述泵浦光与原光路有一微小偏离，从而被所述镜面光阑挡住和被反射返回，

f)所述泵浦光在所述镜面光阑和所述角反镜之间来回往返，并反复多次地泵浦所述激光棒，相应的泵浦头被称为非圆剖面角反射镜泵浦头。

10.在权利要求1中，所述激光介质件是一个矩形激光片或是一个激光棒，为了实现弱激光谱线有效运转和通过腔内倍频产生超过2W的红激光和和蓝激光输出，进一步包括如下步骤：

A.选定一弱激光谱线为激光工作波长；

B.构建一线性激光腔，其中

(1)所述激光腔至少包括二块腔镜，

(2)所述泵浦头被置入所述激光腔并在所述激光工作波长上运转；

C.采用高强度泵浦在所述激光介质件中产生一个增益区；

D.在所述激光工作波长处使激光腔Q值达最大；

E.在其它激光波长处使激光腔Q值达极小；

F.把所述增益区旋置在一个最佳位置上，最好是在1/2L，1/4L，3/4L，1/6L和5/6L处，其中(i)L是所述激光腔的光学长度，(ii)所述增益区在所述最佳位置处时，具有空间反相关特性的一对纵模占主导作用出现的几率为最大，并将控制和获取整个所述增益区的增益，从而显著地弱化了空间烧孔效应；

G.使所述光学长度L足够长，以便使物理上的异位相区的长度能够与所述增益区长度很好配合，在所述异位相区，所述一对具有空间反相关特性纵模相对应的驻波的分布是反相的；

H.使所述增益区长度小于3cm和尽量与所述异位相区的长度匹配，以便限制非工作波长获取增益和起振运转；

I.在保证所述泵浦光能被充分有效吸收的情况下尽量减少所述矩形片件的掺杂浓度；

J.必要时可采用增益幌动技术使所述激光腔的腔长连续地变化，导至原驻波分布不断移动而处于行波状态，从而弱化和消除空间烧孔效应；

K.必要时为了实现腔内频率转换在所述腔内置入一个非线性晶体件。

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