CN1885643A - 一种半导体激光泵浦的棱镜扩束的固体板条激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光泵浦的棱镜扩束的固体板条激光器，其特征在于：激光晶体的泵浦采用了具有转向角的光导体，使得泵浦光进入激光晶体时从晶体的大面入射，入射光多次通过激光晶体，被晶体充分吸收，同时在晶体的大面上实现均匀泵浦，而半导体激光的入射方向灵活布置。激光晶体可以是长方体结构，也可以是具有布儒斯特角的板条结构。激光晶体的冷却则通过由导热系数高的材料制造成的且厚度合理的光导体和微通道散热器予以实现。此种泵浦方式与能解决模式匹配的棱镜扩束谐振腔结合，可实现高效率、大功率、高光束质量的激光输出。

Description

一种半导体激光泵浦的棱镜扩束的固体板条激光器

技术领域

本发明涉及半导体激光泵浦的固体激光器技术领域，特别是涉及激光晶体的一种泵浦和激光器的一种谐振腔技术。

背景技术

随着半导体二极管激光器的输出功率不断提高，半导体激光泵浦的固体激光器的输出功率不断增加。然而在获得大功率激光输出的同时，获得高效率、高质量光束输出是激光领域的难题，也是人们追求的目标，因为高质量、大功率固体激光器在工业材料加工、遥感、激光粒子加速器、激光武器等诸多领域有广泛应用。为在固体激光器中获得高质量、大功率激光输出，需解决热透镜效应、应力双折射、自聚焦效应，板条结构固体激光技术为此提供了有效途径。

板条结构固体激光器中的晶体两端通常加工成具有布儒斯特角结构。由于这种结构，激光谐振腔中振荡的激光在激光晶体的走向为锯齿形。板条激光晶体的冷却结构常常经合理设计使晶体在工作时温度成近似一维对称分布，因而激光晶体的折射率也近似成一维对称分布，激光光束经锯齿光路通过晶体，其波面各点的相位变化几乎相同，从而可以减缓甚至消除因热引起的激光在光腔传输所发生的波前畸变。板条结构固体激光器中的晶体有时没有布儒斯特角，与棒状晶体类似，此时晶体端面与激光传输方向垂直，且镀减反膜。

在半导体激光泵浦板条结构固体激光器中，有端面、侧边、面三种泵浦方式。端面泵浦中，泵浦光聚焦后从激光晶体的端面纵向进入，其入射方向与激光谐振腔的光轴相同。它的优势在于可实现激光振荡模式与泵浦光有效匹配，但此种泵浦方式只适用较低激光功率的场合。侧边泵浦时，泵浦光从晶体的厚度方向入射，宽度尺寸大于厚度，宽度所在的面即大面，用于冷却。这种结构的优势是激光晶体的散热效果好，缺点是泵浦不均匀，因为激光晶体的两侧边泵浦光强度高，而激光晶体的中心泵浦光强度弱。面泵浦是泵浦光从激光晶体的大面入射，从而可大大改善激光晶体的泵浦均匀性，但晶体的冷却结构难以设计和复杂。

发明内容

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明所要解决的技术问题是能实现激光晶体的大面积均匀泵浦的，并能实现激光晶体的有效散热的，提供一种能解决激光振荡模式与泵浦光的匹配问题的，可实现高效率、大功率、高光束质量的激光输出的板条结构固体激光器。

为了解决上述技术问题，本发明所提供的一种半导体激光泵浦的棱镜扩束的固体板条激光器包括：

由半导体激光器、光导体组构成的泵浦结构；

一固体板条激光晶体；

一激光冷却单元；

一谐振腔，由至少一组棱镜、输出耦合镜和高反射镜组成；

其特点是：1、所述的构成泵浦的光导体组由与半导体激光器的数量对应的主要起传输泵浦光作用的第一光导体和分别对称位于固体板条激光晶体两侧作传输泵浦光及兼有散热作用的第二光导体组成，所述的第二光导体的一侧边或两侧边置有转向角，以使由半导体激光器发出的光束经光导体组后的泵浦光进入固体板条激光晶体时是从固体板条激光晶体的大面入射，实现均匀的面泵浦；2、所述的激光冷却单元为微通道水冷却器或半导体制冷器，激光冷却单元与兼有散热作用的第二光导体外侧面紧贴在一起，用于冷却固体板条激光晶体；3、所述的由至少一组棱镜、输出耦合镜和高反射镜组成的谐振腔，未放大位于输出耦合镜侧的光腰经棱镜扩束后的尺寸与固体板条激光晶体的宽度相一致，有效解决基模光斑与泵浦光之间的匹配；

泵浦光进入固体板条激光晶体时是从固体板条激光晶体的大面入射，未被吸收的光传至对称布置于固体板条激光晶体另一侧的第二光导体，发生全内反射，以致泵浦光来回穿梭于固体板条激光晶体，多次泵浦固体板条激光晶体，被固体板条激光晶体充分吸收。

所述的第二光导体转向角的侧边上镀有膜层，与第一光导体紧密相接外侧边部分镀泵浦光减反膜，靠近固体板条激光晶体的部分镀泵浦光高内反射膜。

所述的半导体激光器为单个Bar或激光二极管阵列，对称布置于固体板条激光晶体的四周。

所述的第一光导体用普通K9光学玻璃材料制成。

所述第二光导体由蓝宝石或YAG晶体或者钻石制作。

所述固体板条激光晶体为具有布儒斯特角的梯形或平行六面体结构。

所述固体板条激光晶体或者为长方体结构。

利用本发明提供的泵浦板条结构固体激光器，由于激光晶体的泵浦采用具有转向角的光导体，使得泵浦光进入激光晶体时从晶体的大面入射，实现了大面积均匀的泵浦；激光晶体的冷却则通过由导热系数高的材料制造成的且厚度合理的光导体和微通道散热器予以实现，结构紧凑；这样既可解决板条固体激光器中均匀泵浦问题，又可有效解决晶体的冷却问题；这种面泵浦和冷却结构与膨胀扩束谐振腔结合，能解决激光振荡模式与泵浦光的匹配问题，因而可实现高效率、大功率、高光束质量的激光输出。

附图说明

图1A本发明的泵浦结构主视图；

图1B为图1A所示泵浦结构的部分俯视图；

图2B为第一光导体结构的主视图；

图2A为图2B结构的右视图；

图3A为第二光导体的主视图；

图3B是第二光导体图3A仰视图；

图4A为部分泵浦光在第一光导体、第二光导体和固体板条激光晶体内的传输路线主视图；

图4B为部分泵浦光经冷却光导体侧边转向后多次泵浦激光晶体的光路俯视图；

图5本发明中的泵浦结构与棱镜扩束谐振腔相结合的激光器原理结构示意图；

图6棱镜扩束原理图；

图7为固体板条激光晶体、第二光导体和激光冷却单元的连接剖面图。

具体实施方式

以下结合附图说明对本发明的实施例作进一步详细描述，但本实施例并不用于限制本发明，凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。

本发明实施例所提供的一种半导体激光泵浦的棱镜扩束的固体板条激光器，包括：

一泵浦结构，由半导体激光器1、光导体组和固体板条激光晶体4构成；

其中，如图1A、图1B所示，半导体激光器可以是单个Bar，也可以是激光二极管阵列，根据激光功率要求，可取不同数量，一般对称布置于固体板条激光晶体的四周；在本实施例中，泵浦的半导体激光器为美国Nlight公司型号为c1-808-100激光bar，发射波长为808nm，功率为100瓦，共四只。

典型的光导体组由第一光导体2、第二光导体3组成。在本发明实施例图1A、图1B中，第一光导体2共有四块，对应四只半导体激光器1。第二光导体3各有两块，分别位于固体板条激光晶体4两侧，呈对称布置。

第一光导体2的结构如图2A、图2B所示，第一光导体2主要起传输泵浦光的作用，可用普通光学玻璃材料制成；在本实施例中，第一光导体2由K9玻璃制造而成，其厚度均为1mm；第一光导体2靠近泵浦半导体激光器1的端部有一柱面，从半导体激光器1输出的激光入射到此柱面被压缩，压缩的泵浦光经第二光导体3入射到固体板条激光晶体4；

第二光导体3的结构如图3A、图3B所示，在其一侧边或两侧边有转向角，是在一侧还是在两侧有转向角，取决于泵浦激光器的数量；第二光导体可由蓝宝石或YAG或者是钻石制成，在本实施例中，第二光导体3由未掺杂YAG晶体制成，其厚度与第一光导体2相同为1mm；

固体板条激光晶体4被夹于两块第二光导体3之间，见图1A、图1B、图7，固体板条激光晶体的大面与光导体3的内侧大面的一部分结合。固体板条激光晶体4是可以具有布儒斯特角的梯形、平行六面体结构，也可以是没有布儒斯特角的长方体结构。在本实施例中，如图1A、图1B所示，固体板条激光晶体4采用掺杂浓度为1％的Nd∶YAG长方体晶体结构，晶体的折射率为1.82，长为19.2mm，宽为5mm，厚为1.2mm。由于第二光导体3和固体板条激光晶体4材料相同，可用热扩散的工艺将第二光导体3与固体板条激光晶体4键合在一起，以消除二者之间的气泡和热应力。

参见图3A所示，在第二光导体3的具有转向角的左、右两侧边面上分别镀上不同的膜层：与传输光导体2紧密相接的外侧边(图3A双点划线H以上)部分镀泵浦光减反膜，而靠近固体板条激光晶体4的外侧边(图3A双点划线H以下)部分镀泵浦光高内反射膜，此部分转向角的侧面结构主要是为了将泵浦光导向固体板条激光晶体，未被吸收的光传至位于激光晶体另一侧的光导体，碰到光导体的外表面，发生全内反射，来回穿梭于固体板条激光晶体4，多次泵浦固体板条激光晶体，见图4A、4B，直至被固体板条激光晶体充分吸收为止；在图4A中，光导体即为图3A中的第二光导体2，此时光导体与晶体4的结合面向纸外，而图3A中光导体的光导体与晶体4的结合面向纸内，双点划线H以上部分镀泵浦光减反膜，双点划线H以下部分镀泵浦光高内反射膜；泵浦光经过第一光导体2，穿过第二光导体3的减反膜导入第二光导体3，再经过第二光导体3的高内反射膜反射，最终导入固体板条激光晶体4内。图4B为部分泵浦光经第二光导体3侧边转向后多次泵浦固体板条激光晶体4的光路示意图(俯视图)，在图4B中箭头N为泵浦光传输方向。第二光导体3的前后两大面一般可不镀膜，泵浦光经第一光导体2进入，如入射至这两大面，则发生全内反射，传向镀高内反射膜、具有转向角的侧边，最终导入固体板条激光晶体4。

固体板条激光晶体冷却单元，固体板条激光晶体的冷却是固体激光器的一个重要环节。如图7所示，本激光器的冷却是通过第二光导体3和在其外侧大面的冷却单元5进行的。第二光导体3除起传输泵浦光的作用外，还兼有散热功能。固体板条激光晶体的热量通过第二光导体3扩散到冷却单元5。因此，第二光导体3除具有良好的光学性能外(如各向均匀、吸收系数低、无气泡、瑕疵等)，它的导热性能好，导热系数高。与第一光导体2的材料可不同，第一光导体2用价格低廉、光学性能好的光学玻璃材料制造。第二光导体3则用晶体如蓝宝石、YAG或钻石制作，其导热系数比一般玻璃材料高。此外，第二光导体3的材料还取决于固体板条激光晶体4的物理特性和结构。第二光导体3的材料与固体板条激光晶体的基质材料可以相同，也可以不同。例如固体板条激光晶体用Nd∶YAG、Yb∶YAG材料加工而成，则第二光导体3用未掺杂的YAG材料加工而成。此时第二光导体3和固体板条激光晶体可通过热扩散工艺键合在一起。如果不同，则第二光导体3用导热系数高的材料制成。固体板条激光晶体吸收的泵浦光未转化为激光输出的那部分能量转变为热，向两侧面扩散。这部分热通过第二光导体3扩散到冷却单元5。冷却单元5可以是以水为冷却介质的微通道冷却器，也可以是半导体制冷器。这样激光晶体的温度在沿厚度方向近似为一维分布。在本实施例中，激光晶体采用紫铜材料制造成的微通道水冷却器冷却，固定在第二光导体3外侧，共两只。

一谐振腔，谐振腔结构如图5所示，参见美国专利No.5515394。谐振腔由一组或多组棱镜6、输出耦合镜7和高反射腔镜8组成。棱镜扩束原理如图6所示，每一棱镜的扩束系数为

$M=\frac{w_b}{w_a}{\cos i}_2/{\cos i}_1$

多组棱镜的扩束系数为

$M=M_1\×M_2\×...\×M_n=\underset{i}{\overset{n}{\mathrm{\Π}}}{M}_i$

其中w_a、w_b为扩束前后光束横截面尺寸，i₁、i₂为光束入射角和折射角，M₁、M₂…M_n分别为棱镜1、2…n的扩束系数。从扩束系数的计算表达式可知，i₂愈小，i₁愈大，扩束系数越大，因此，棱镜材料的折射率要高。在激光晶体尺寸选取时，特别是在选取晶体宽度时，输出耦合镜7一侧的光腰经棱镜扩束后的尺寸应与激光晶体的宽度一致，这样可以有效解决基模光斑与泵浦光之间的匹配问题，一方面获得高质量激光输出，另一方面提高光-光转换效率。在本实施例中，激光谐振腔采用平-平腔结构，光腰位于输出耦合镜7上，棱镜组的扩束系数总计为10，则获得功率为120W、光斑尺寸约为0.5mm×1mm的近衍射极限激光输出。

Claims (7)

1、一种半导体激光泵浦的棱镜扩束的固体板条激光器包括：

由半导体激光器、光导体组构成的泵浦结构；

一固体板条激光晶体；

一激光冷却单元；

一谐振腔，由至少一组棱镜、输出耦合镜和高反射镜组成；

其特征在于：

1)所述的构成泵浦的光导体组由与激光器的数量对应的主要起传输泵浦光作用的第一光导体和分别对称位于固体板条激光晶体两侧作传输泵浦光及兼有散热作用的第二光导体组成，所述的第二光导体的一侧边或两侧边置有转向角，以使由激光器发出的光束经光导体组后的泵浦光进入固体板条激光晶体时是从固体板条激光晶体的大面入射，实现均匀的面泵浦；

2)所述的激光冷却单元为微通道水冷却器或半导体制冷器，激光冷却单元与兼有散热作用的第二光导体外侧面紧贴在一起，用于冷却固体板条激光晶体；

3)所述的由至少一组棱镜、输出耦合镜和高反射镜组成的谐振腔，未放大位于输出耦合镜侧的光腰经棱镜扩束后的尺寸与固体板条激光晶体的宽度相一致，有效解决基模光斑与泵浦光之间的匹配；

泵浦光进入固体板条激光晶体时是从固体板条激光晶体的大面入射，未被吸收的光传至对称布置于固体板条激光晶体另一侧的第二光导体，发生全内反射，以致泵浦光来回穿梭于固体板条激光晶体，多次泵浦固体板条激光晶体，被固体板条激光晶体充分吸收。

2、根据权利要求1所述的一种半导体激光泵浦的棱镜扩束的固体板条激光器，其特征在于，所述的第二光导体转向角的侧边上镀有膜层，与第一光导体紧密相接外侧边部分镀泵浦光减反膜，靠近固体板条激光晶体的部分镀泵浦光高内反射膜。

3、根据权利要求1所述的一种半导体激光泵浦的棱镜扩束的固体板条激光器，其特征在于，所述半导体激光器为单个Bar或激光二极管阵列，对称布置于固体板条激光晶体的四周。

4、根据权利要求1所述的一种半导体激光泵浦的棱镜扩束的固体板条激光器，其特征在于，所述的第一光导体用普通K9光学玻璃材料制成。

5、根据权利要求1所述的一种半导体激光泵浦的棱镜扩束的固体板条激光器，其特征在于，所述第二光导体由蓝宝石或YAG晶体制作、也可以是人工制作的钻石。

6、根据权利要求1所述的一种半导体激光泵浦的棱镜扩束的固体板条激光器，其特征在于，所述固体板条激光晶体为具有布儒斯特角的梯形或平行六面体结构。

7、根据权利要求1所述的一种半导体激光泵浦的棱镜扩束的固体板条激光器，其特征在于，所述固体板条激光晶体或者为长方体结构。

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