CN1681171A - 大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔 - Google Patents

Abstract

一种大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔，包括线列阵激光二极管条巴、导光耦合元件、漫反射腔体、冷却水套管及固体激光介质，泵浦光不是直接辐照在固体激光介质上，泵浦光经过压缩后偏心照射在漫反射腔体内壁上，经漫反射腔体内壁漫反射后，均匀辐照在固体激光介质上。该大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔提出了泵浦光偏心注入新方法，使首次入射的泵浦光不直接辐射到固体激光介质上，而是被压缩到一定角度，照射到漫反射腔体壁上，再经过漫反射后被固体激光介质均匀吸收，避免了泵浦光直接辐射固体激光介质造成的光辐射破坏和吸收不均匀的热应力破坏，泵浦效率高，实现了优质高功率固体激光输出。

Description

大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔

所属技术领域

本发明涉及一种大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔，特别是一种泵浦光偏心注入的大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔。

背景技术

90年代侧面泵浦有了很大的发展，在美国专利公告第US5572541号中揭示，为了改善泵浦均匀性和提高泵浦光输入的功率，Coherent公司采用多个线列阵二极管串接，多方向侧面泵浦的方法。泵浦光通过光学透镜耦合直接辐照固体激光介质，未被吸收的泵浦光经金属聚光腔反射后再次入射到固体激光介质上。Cutting Edge optronics公司在这种侧面泵浦基础上，用介质膜代替金属反射，发展了三路、五路侧面泵浦腔体。这种泵浦腔具有效率高、泵浦均匀、体积小等优点，是目前国际上畅销的泵浦模块产品。这类产品的问题是：

1.泵浦光直接辐照激光介质，固体激光介质对首次入射高功率泵浦光的强吸收和大的热应力梯度将导致固体激光介质损坏，从而使输入泵浦的总功率受限。

2.一次未被吸收的泵浦光在介质膜或金属镜面反射后，将共轭反馈到半导体激光二极管发光面，加速二极管老化，缩短激光二极管的使用寿命。

3.多路列阵激光二极管巴构成环形立体侧面泵浦固体激光介质，结构复杂、成本高、制造和维修服务难度大。

在美国专利公告第US5841099号中揭示，为了提高固体激光的亮度和改善光束质量，Lightwave Electronics公司采用低浓度细直径固体激光棒和大共心反射腔结构得到单模固体激光输出，经3次谐波到紫外波段，用于印刷电路板制造。这种方法的泵浦效率较低，泵浦功率不高。在美国专利公告第US5774488号中揭示，为了提高泵浦光注入泵浦腔的耦合效率，该公司设计了泵浦腔开狭缝导光法取代光学透镜耦合法，实现了单路和四路对称侧面泵浦固体激光器。但是这种方法存在狭缝壁吸收损耗较大和在反射腔体上制造光学平面狭缝壁难度较大的问题。为此，在美国专利公告第US5867324号中揭示，该公司发展了用窄玻璃条插入狭缝导光代替空气隙狭缝，但是仍然存在泵浦光直接辐照固体激光介质而导致固体激光介质损坏的问题。

在美国专利公告第US5978407号中揭示，为了增强泵浦光的汇聚能力和减少狭缝侧壁的吸收损耗，Jim J.Chang等人设计了劈形狭缝，并使用了特种材料CPC和金合成涂料镀在狭缝内壁上，但是这种方法不利于高功率光泵浦。

2000年以来，陶瓷腔漫反射、狭缝光导和集成化技术结合，使侧面泵浦技术进一步完善。在《IEEE》(J.QE-23，1997)中第40～44页揭示，为了使固体激光介质得到均匀的泵浦光吸收，Mitsubishi Electric公司把金属反射腔改为陶瓷漫反射腔，并在陶瓷漫反射腔体上开狭缝导光，得到优质高功率固体激光输出。在《Optics Letter》(Vol.26，No.9，2001)中第602～604页揭示，为了改善泵浦腔内的光强分布，该公司还把条状线列阵二极管巴改为环形列阵巴，并使每个环的巴在Nd:YAG棒径向错开一定角度排列，获得均匀泵浦效果。

在美国专利公告第US6594299号中揭示，为了增强漫反射效果，使泵浦光分布更均匀，Yoshihito Hirano等人采用了水套管内、外壁双重漫反射法，但这种方法的光转换效率较低。在美国专利公告第US6282217号揭示，为了增加固体激光介质对泵浦光的首次漫反射吸收率，Tomohiro Takase采用泵浦光整形导入水冷管内部靠近固体激光介质，近距离漫反射辐照固体激光介质。这种方式虽然泵浦效率较高，但工艺复杂，且很难对泵浦腔进行维修服务。在美国专利公告第6330259号中揭示，Jonathan S.Dahm提出用微通道水冷却法同时冷却二极管列阵巴和固体激光介质，使泵浦腔集成固化。整个泵浦腔很小巧紧凑，但制造工艺很复杂，成本和人工费用都很高。

中国的半导体侧面泵浦固体激光技术尚处于基础研究和产品研发阶段，与国际先进水平差距较大。在《中国激光》(周复正等人著，1994年第A21卷第11期)中第865～868页及《中国激光》(周复正等人著，1994年第A21卷第5期)中第354～359页揭示，周复正等人于90年代初在国内首先实现了大功率半导体激光二极管列阵侧面泵浦固体激光输出。

近年来侧面泵浦技术进展较快，在《激光与红外》(王建军等人著，2000年第A30卷第5期)中第286～288页及《中国激光》(周寿桓等人著，2001年第A28卷第4期)中第301～303页揭示，华北光电技术研究所采用三路光学耦合和五路紧靠水套侧面泵浦Nd:YAG棒，玻璃水套外壁镀808nm反射膜。在《量子光学学报》(刘媛等人著，2002年第8卷第2期)中第89～92页揭示，中科院半导体研究所采用半导体激光二极管列阵通过光纤棒透镜耦合，三路侧面泵浦Nd:YAG棒，未被吸收的泵浦光通过铜腔体反射到Nd:YAG再吸收。在中国专利公告第CN2598215Y号中揭示，华中科技大学发展了半导体激光二极管列阵三路侧面泵浦Nd:YAG棒，并采用玻璃水套外层镀银反射层法。上述这些泵浦方法与Cutting Edge optronics公司的技术类似，相当于90年代中期的国际水平。在中国专利公开第CN1417906A号中揭示，中科院半导体所设计了集成化环形大功率二极管列阵侧面泵浦腔，激光二极管列阵环形紧靠Nd:YAG棒，无需光学耦合系统，具有模块固化的优点。设计新颖，但制造工艺特殊，与通用商业二极管列阵不能替代换用，且与美国专利公告第US5627850号专利所述的方法类似。

以上专利和文章的侧面泵浦腔技术，无论是通过光学聚焦，或开口狭缝还是玻璃板条导光，无论是用金属腔镜面反射还是用陶瓷腔体漫反射，都是把泵浦光正对固体激光介质轴心辐照。固体激光介质的光辐照破坏阈值和热应力梯度限制了泵浦功率的注入，从而使固体激光输出功率受限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种可以避免泵浦光直接辐射固体激光介质造成的光辐射破坏，同时用漫反射方法实现固体激光介质均匀吸收泵浦光，避免了热应力破坏，因此可以实现大功率输入，实现了优质高功率固体激光的输出。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：该一种大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔，包括线列阵激光二极管条巴、导光耦合元件、漫反射腔体、冷却水套管及固体激光介质，泵浦光不是直接辐照在固体激光介质上，泵浦光经过压缩后偏心照射在漫反射腔体内壁上，经漫反射腔体内壁漫反射后，均匀辐照在固体激光介质上。

本发明相对于现有技术所具有的优点是：本发明大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔提出了泵浦光偏心注入新方法，采用了偏心导光方法和漫反射腔体，使首次入射的泵浦光不直接辐射到固体激光介质上，而是被压缩到一定角度，照射到漫反射腔体壁上，再经过漫反射后被固体激光介质均匀吸收，避免了泵浦光直接辐射固体激光介质造成的光辐射破坏和吸收不均匀的热应力破坏，泵浦效率高，原理上注入泵浦功率可达千瓦量级，实现优质高功率固体激光输出。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔的剖视图。

图2是本发明大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔的泵浦光压缩前后归一化空间角分布计算结果。

图3是本发明大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔的泵浦光在压缩后辐照在漫反射腔体A区腔壁和A区作为面光源的第一次漫反射的轨迹示意图。

图4是本发明大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔的泵浦光在固体激光介质上泵浦光强分布程序计算结果。

图5是本发明大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔进行单条大功率半导体激光二极管列阵3×CW50W单侧面泵浦φ2mm×63mm Nd:YAG棒激光实验时，Nd:YAG棒上的808nm泵浦光强度分布测量结果。

图6是本发明大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔进行单条大功率半导体激光二极管列阵3×CW50W单侧面泵浦φ2mm×63mm Nd:YAG棒激光实验时，固体激光输出功率的实验结果。

图7是本发明大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔进行单条大功率半导体激光二极管列阵3×CW50W单侧面泵浦φ3mm×63mm Nd:YAG棒激光实验时，Nd:YAG棒上的808nm泵浦光强度分布测量结果。

图8是本发明大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔进行单条大功率半导体激光二极管列阵3×CW50W单侧面泵浦φ3mm×63mm Nd:YAG棒激光实验时，固体激光输出功率的实验结果。

具体实施方式

本发明大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔根据需要达到的功率的不同，可设计为激光二极管线列阵激光巴单路、双路和多路侧面泵浦固体激光器的泵浦腔。在本实施例中仅对激光二极管线列阵激光巴单路的泵浦腔进行说明，双路和多路侧面泵浦固体激光器的泵浦腔与单路侧面泵浦固体激光器的泵浦腔的设计原理相同。

如图1及图3所示，本发明大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔，包括线列阵激光二极管条巴1、导光耦合元件2、漫反射腔体3、冷却水套管4及固体激光介质6组成，其中泵浦光经全反射压缩后辐照在漫反射腔体3内壁的一定面积A区，而不是直接辐照到固体激光介质6上。

在本实施例中，大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔的导光耦合元件2为窄平行平面玻璃条，在窄平行平面玻璃条内全反射导入泵浦光，玻璃条两端面为凸-斜面结构，也适用于平-斜、平-平或梯形、锥形结构。导光耦合元件2也可以为石英或其它低损耗光学材料。通过计算导光耦合元件2与线列阵激光二极管条巴1发光源的距离ΔL和偏心轴开孔距离d，比较凸-斜、凸-平、平-斜、平-斜和平-平玻璃条的导光效果，设计出导光耦合元件2的长度L、厚度、曲率R和斜角，以达到对输入的泵浦光的进行压缩的作用。

在本实施例中，大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔的漫反射腔体3为氧化铝陶瓷材质，也可以用多种掺杂的烧结烧瓷，或采用聚四氟乙烯、氧化镁粉或硫酸钡粉等做漫反射腔体3。漫反射腔体3开偏心槽，使泵浦光不直接辐照到固体激光介质6，而是首先入射到漫反射腔体3的内壁上，经漫反射后再被固体激光介质6均匀吸收。在本实施例中，冷却水套管4为玻璃水套管。

线列阵激光二极管条巴1为单个、两个或三个以上的线状条形巴，泵浦方式为连续或脉冲光，采用微通道去离子冷却；或不用微通道，用普通蒸馏水冷却。在本实施例中，固体激光介质6为Nd:YAG，也可用Nd:YVO₄、Nd:YLF、Yb:YAG、Nd:glass、Er:YAG或其它固体激光材料。

压缩前后泵浦光归一化空间角分布如图2所示，红色代表压缩前二极管激光的角分布，蓝色代表压缩后二极管激光的角分布。图3表示压缩后的泵浦光辐照在漫反射腔体3的A区腔壁和A区作为面光源的第一次漫反射轨迹示意。通过计算多次漫反射累积在固体激光介质6上吸收的泵浦光强空间分布，泵浦光按cosθ强度分布在±90°内散射，固体激光棒截面分为1600个单元。程序计算结果如图4所示，其中横坐标轴和纵坐标轴相结合表示固体激光棒截面所分的1600个单元，第三个坐标轴表示固体激光棒截面的1600个单元上经过多次漫反射累积后的泵浦光的相对强度。从图4可以看出，泵浦光强在固体激光介质6上分布均匀，优于泵浦光直接辐射固体激光介质6时用金属镜面反射腔或陶瓷漫反射腔的结果。

1.泵浦效率计算

a.泵浦光传输效率

泵浦光传输损耗包括镀增透膜的导光窄玻璃条吸收和反射损耗δ₁≈1.0％，冷却水套管4和水吸收损耗δ₂≈1.5％，陶瓷腔壁吸收损耗δ₃≈1.4％，陶瓷腔侧壁开狭缝漏光损耗δ₄≈6.8％，故泵浦光传输效率为：

${\mathrm{\η}}_T=1-\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\δ}}_i=0.89$

b.Nd:YAG吸收效率

漫反射泵浦光首次通过Nd:YAG吸收效率η₁≈0.56，未被吸收的泵浦光再次通过Nd:YAG吸收效率η₂≈0.19，多次吸收的总效率 ${\mathrm{\η}}_a=\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\η}}_i=0.97$

c.光子转换效率η_入＝0.76

d.量子效率η_θ＝0.95

e.固体激光谐振腔耦合效率η_c＝0.82

f.多条激光二极管巴光谱不一致性导致波长离散效率η_LD＝0.90

g.驱动电流和水流速导致激光二极管光谱漂移效率η_I＝0.85

h.以上效率乘积的总和为光-光斜效率：η_S＝0.39

i.泵浦阈值功率由固体激光腔损耗、固体激光棒直径与陶瓷腔直径比、激光二极管在小电流驱动下中心光谱的漂移等参数决定，P_th＝20～45W

j.光-光效率：η_o＝23％～32％

对不同功率半导体激光二极管列阵巴泵浦几种尺寸Nd:YAG棒，在短谐振腔结构时的泵浦输入功率、固体激光输出功率和光-光效率的计算结果如下：

型号      LD泵浦输入功率  Nd:YAG棒     光-光效率  固体激光输出功率

HLDP-1    3×CW50W        φ2×70mm    23％       CW34W

HLDP-2    3×CW50W        φ3×70mm    28％       CW42W

HLDP-3    5×CW50W        φ2×90mm    25％       CW62W

HLDP-4    5×CW50W        φ3×90mm    29％       CW72W

HLDP-5    5×CW50W        φ4×90mm    30％       CW75W

HLDP-6    2×5×CW50W     φ4×90mm    31％       CW150W

HLDP-7    2×5×CW50W     φ5×90mm    32％       CW160W

HLDP-8    3×5×CW50W     φ5×90mm    32％       CW240W

2.泵浦腔体的实验

对于本发明大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔，进行了单条大功率半导体激光二极管列阵3×CW50W单侧面泵浦φ2mm×63mm Nd:YAG棒激光实验，采用微通道冷却连续150W二极管巴条。Nd:YAG棒上的808nm泵浦光强度分布如图5所示。固体激光器输出如图6所示，其中横轴表示电流C，单位为安(A)，纵轴表示功率P，单位为瓦(W)。泵浦功率为连续150W时，Nd:YAG激光输出功率为39.6W，光效率为26.4％，与计算值相符，泵浦光吸收均匀，固体激光输出模式少。

进行了单条大功率半导体激光二极管列阵3×CW50W单侧面泵浦φ3mm×63mm Nd:YAG棒激光实验，用普通蒸馏水冷却二极管巴条和固体激光棒，无需微通道结构冷却。808nm泵浦光在Nd:YAG棒截面上的强度分布如图7所示，光强分布均匀。Nd:YAG激光输出如图8所示，其中横轴表示电流C，单位为安(A)，纵轴表示功率P，单位为瓦(W)。当泵浦光功率150W时，Nd:YAG激光输出达43W，光效率达28％。

本发明大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔提出了泵浦光偏心注入新方法，采用了偏心导光方法和漫反射腔体3，使首次入射的泵浦光不直接辐射到固体激光介质6上，而是被压缩到一定角度，照射到漫反射腔体3内壁一部分面积上，再经过漫反射后被固体激光介质6均匀吸收，避免了泵浦光直接辐射固体激光介质6造成的光辐射破坏，泵浦效率高，原理上注入泵浦功率可达千瓦量级，实现优质高功率固体激光输出。

本发明大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔的二极管列阵可以与通用商业二极管列阵替代换用，生产成本较低。

本发明大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔结构简单、紧凑，成本低，可以批量制造，便于维修服务。

本发明大功率半导体激光二极管列阵侧面泵铺固体激光器的泵浦腔特别适合超大功率泵浦功率注入而达到固体激光介质均匀照明，其优质高功率固体激光输出可直接应用于工业激光加工系统，如激光切割、激光焊接和激光钻孔。也是产生高功率谐波激光的理想基波光源，其产生的优质谐波激光可应用于激光精细加工。

Claims (7)

1.一种大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔，包括线列阵激光二极管条巴、导光耦合元件、漫反射腔体、冷却水套管及固体激光介质，其特征在于：泵浦光不是直接辐照在固体激光介质上，泵浦光经过压缩后偏心照射在漫反射腔体内壁上，经漫反射腔体内壁漫反射后，均匀辐照在固体激光介质上。

2.根据权利要求1所述的大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔，其特征在于：该大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔的漫反射腔体开偏心槽。

3.根据权利要求1所述的大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔，其特征在于：该大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔的导光耦合元件的材质为玻璃或石英，导光耦合元件的两端面为凸-斜面结构，或者为平-斜、平-平、梯形及锥形结构。

4.根据权利要求1所述的大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔，其特征在于：该大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔的漫反射腔体采用氧化铝陶瓷材质，或者采用多种掺杂的烧结烧瓷、聚四氟乙烯、氧化镁粉及硫酸钡粉。

5.根据权利要求1所述的大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔，其特征在于：该大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔的线列阵激光二极管条巴为单个、两个或三个以上的线状条形巴，泵浦方式为连续或脉冲光，采用微通道去离子冷却，或不用微通道，用普通蒸馏水冷却。

6.根据权利要求1所述的大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔，其特征在于：该大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔的固体激光介质为Nd:YAG，或者为Nd:YVO₄、Nd:YLF、Yb:YAG、Nd:glass及Er:YAG固体激光材料。

7.根据权利要求2或3或4或5或6所述的大功率半导体激光侧面泵浦固体激光器的泵浦腔，其特征在于：冷却水套管为玻璃水套管。

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