CN208093943U - 一种一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器，该激光器包括冷却底板，所述冷却底板内部设置有制冷组件；所述冷却底板为采用铝材质制作而成；依次设置于所述冷却底板上表面的二极管激光模块、泵浦光耦合传输组件、谐振腔的全反射镜、增益晶体组件以及谐振腔的输出镜。本申请提供的激光器解决了目前端泵浦固体激光器空间结构复杂、体积庞大、二极管激光和增益晶体需要分别散热等问题。本申请中将两个部分集成在一起，安装在同一冷却底板上，进行一体化模块式安装，缩短了两个模块的距离，可减小传输安装的复杂度，减小激光器整体的体积和重量，增加了可靠性。

Description

一种一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器

技术领域

本实用新型涉及激光设备技术领域，特别是涉及一种一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器。

背景技术

随着激光技术在民用和军事领域的不断深入和扩展，各种类型的激光器在加工、切割、打标、雷达、成像和光电对抗等众多产业中引起了多项技术革新，也带来了巨大的经济价值。近年来，激光器的发展趋势是输出功率越来越高、体积越来越小、激光器件越来越紧凑，可靠性要求越来越高。

目前商业成熟的二极管激光器为实现这种紧凑型的端泵浦固体激光器奠定了技术基础，它具有效率高、体积小、寿命长、使用与维护方便、可靠性高等显著优点。考虑到二极管激光的物理特性，出光过程中会产生较高的热流密度，需进行及时有效的散热，以保障二极管激光正常出光。通常，为了安装和调试的方便，二极管激光器输出的泵浦光通过光纤传输和耦合后，再端泵浦固体激光器中的增益晶体，而激光增益晶体产生的废热也需要及时带走。为此，就需要对二极管激光器和增益晶体分别进行散热，这将导致固体激光器在空间和散热回路设计上变得复杂，体积明显增加，极大的阻碍了激光器向小型化的发展趋势。而且通过光纤传输的二极管激光，由于光纤的脆弱性，在一些振动、冲击的环境中，可靠性变差，特别是一些需要固体激光器实时运动或扭转的应用场景中，传输光纤导致安装使用极为不便。

侧泵浦的固体激光器可以解决上述的两个问题，(即：1、二极管激光和增益晶体需要分别散热；2、传输光纤导致安装使用不便，体积难以实现紧凑化)，但其激光效率和光束质量的控制相对端泵浦的固体激光器而言，出现了明显的劣势。而且其结构复杂，散热设计和要求也更为苛刻。

实用新型内容

本实用新型提供了一种一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器。

本实用新型提供了如下方案：

一种一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器，包括：

冷却底板，所述冷却底板内部设置有制冷组件；所述冷却底板为采用铝材质制作而成；

依次设置于所述冷却底板上表面的二极管激光模块、泵浦光耦合传输组件、谐振腔的全反射镜、增益晶体组件以及谐振腔的输出镜；所述增益晶体组件包括晶体夹具以及通过所述晶体夹具固定的增益晶体；

所述冷却底板用于将其上部的各部件产生的热量进行传导散热。

优选的：所述制冷组件为液体制冷组件，所述液体制冷组件包括具有多环路结构的液冷回路。

优选的：所述晶体夹具内部包括采用宏通道方式设置的内部水路；所述增益晶体外部包裹有铟箔并通过活动铜块以及橡胶垫与所述晶体夹具相连。

优选的：所述增益晶体具有多段键合结构。

优选的：所述制冷组件为半导体结合风扇制冷组件，所述半导体结合风扇制冷组件包括半导体TEC模块、散热片以及风扇。

优选的：所述二极管激光模块为电光效率高、输出波长处于所述增益晶体吸收峰附近的二极管激光模块。

优选的：所述泵浦光耦合传输组件包括光束整形部件、光纤传输部件以及光斑耦合部件。

优选的：所述泵浦光耦合传输组件包括由多个透镜组合而成的透镜组。

优选的：所述全反射镜镀有1342nm高反射膜以及1064nm增透膜，所述输出镜镀有1342nm部分反射膜以及1064nm增透膜。

优选的：还包括脉冲调制器件，所述脉冲调制器件位于所述增益晶体组件与谐振腔的输出镜之间；所述脉冲调制器件为传导冷却的声光Q开关。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

通过本实用新型，可以实现一种一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器，在一种实现方式下，该激光器可以包括冷却底板，所述冷却底板内部设置有制冷组件；所述冷却底板为采用铝材质制作而成；依次设置于所述冷却底板上表面的二极管激光模块、泵浦光耦合传输组件、谐振腔的全反射镜、增益晶体组件以及谐振腔的输出镜；所述增益晶体组件包括晶体夹具以及通过所述晶体夹具固定的增益晶体；所述冷却底板用于将其上部的各部件产生的热量进行传导散热。本申请提供的一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器，是针对目前端泵浦固体激光器空间结构复杂、体积庞大、二极管激光和增益晶体需要分别散热等问题，提供了一种一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器。通常情况下，二极管激光泵浦源和固体激光器谐振腔属于相对独立的模块，进行分离式安装和冷却，而本申请中将两个部分集成在一起，安装在同一冷却底板上，进行一体化模块式安装，缩短了两个模块的距离，可减小传输安装的复杂度，减小激光器整体的体积和重量，增加了可靠性。

当然,实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本实用新型实施例提供的一种一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器的第一结构示意图；

图2是本实用新型实施例提供的一种一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器的第二结构示意图；

图3是本实用新型实施例提供的一种一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器的第三结构示意图；

图4是本实用新型实施例提供的一种一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器的第四结构示意图。

图中：冷却底板1、制冷组件2、二极管激光模块3、泵浦光耦合传输组件4、谐振腔的全反射镜5、晶体夹具601、增益晶体602、谐振腔的输出镜7、液冷回路8、脉冲调制器件9。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

参见图1、图2、图3、图4，为本实用新型实施例提供的一种一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器，如图1、图2所示，该激光器包括冷却底板1，所述冷却底板1内部设置有制冷组件2；所述冷却底板1为采用铝材质制作而成；

依次设置于所述冷却底板1上表面的二极管激光模块3、泵浦光耦合传输组件4、谐振腔的全反射镜5、增益晶体组件以及谐振腔的输出镜7；所述增益晶体组件包括晶体夹具601以及通过所述晶体夹具601固定的增益晶体602；

所述冷却底板1用于将其上部的各部件产生的热量进行传导散热。

进一步的，所述制冷组件2为液体制冷组件，所述液体制冷组件2包括具有多环路结构的液冷回路8。所述晶体夹具601内部包括采用宏通道方式设置的内部水路；所述增益晶体602外部包裹有铟箔并通过活动铜块以及橡胶垫与所述晶体夹具相连。所述增益晶体602具有多段键合结构。冷却底板内部的液冷回路采用多环路设计，以增加散热面积，提高废热的传导效率。在冷却底板设计过程中，综合考虑流阻压力、安装尺寸和重量等因素，实现流量最大，散热最优，并通过理论模拟使其表面的温度均匀性和散热能力满足二极管激光模块和增益晶体的要求。在材料方面，冷却底板选用导热系数比较大、密度小的铝板，在保证散热的同时也减轻了产品的重量。晶体夹具内部水路采用宏通道的方式，减小水阻，确保增益晶体及时散热，保证温度稳定性和均匀性。同时，晶体表面包裹一层铟箔，并采用活动铜块与橡胶垫安装方式，进行应力的释放，防止晶体的热膨胀造成损伤。增益晶体采用多段键和形式，使晶体在通光方向对泵浦光进行均匀吸收，减小晶体通光方向的温度梯度，保持增益晶体温度的均匀性，减小晶体热效应的不利影响。

进一步的，所述制冷组件为半导体结合风扇制冷组件，所述半导体结合风扇制冷组件包括半导体TEC模块、散热片以及风扇。所述二极管激光模块为电光效率高、输出波长处于所述增益晶体吸收峰附近的二极管激光模块。在选取二极管激光模块时，选用电光效率较高的，其输出波长处于增益晶体吸收峰附近，提高固体激光器的效率，减小废热的产生。同时，尽量考虑锁定波长或者对波长随工作温度变化小的产品，以减小对冷却底板散热能力和温度均匀性的苛刻要求。所述泵浦光耦合传输组件包括光束整形部件、光纤传输部件以及光斑耦合部件。所述泵浦光耦合传输组件包括由多个透镜组合而成的透镜组。所述全反射镜镀有1342nm高反射膜以及1064nm增透膜，所述输出镜镀有1342nm部分反射膜以及1064nm增透膜。还包括脉冲调制器件9，所述脉冲调制器件9位于所述增益晶体组件与谐振腔的输出镜7之间；所述脉冲调制器件9为传导冷却的声光Q开关。

在实际应用中，可以根据实际需要确定二极管激光器以及制冷组件。例如：

实施例1：二极管激光模块采用单管封装的激光器模块，通过光束整形进入传输光纤，然后再经过耦合传输系统，端面泵浦激光增益晶体，按照设计好的谐振腔参数，依次安装好增益晶体和腔镜，冷却底板对整个模块进行冷却，冷却液通过冷却底板的入水口，流经回路，最后从冷却底板出水口流出，冷却液温度设置为二极管激光器的工作温度(通常为20～25℃左右)。

在本实施方案的具体应用中，选用的二极管激光模块泵浦的波长为最常用的800nm左右，输出功率大于50W，通过光纤耦合输出，体积约为125mm长*45mm宽*32mm高，激光增益晶体采用Nd掺杂的块状晶体(作为一个典型的特例：体积为3mm×3mm×20mm的键和Nd:YVO4晶体)，晶体侧面平整包裹一层0.2mm厚的铟箔，然后再均匀的涂上一层导热硅脂，装在冷却器件的基座上。如图2所示，激光器装置耦合系统为光束整形(透镜组)、光纤传输和光斑耦合(透镜组)三个部分组成，最终的目的是将800nm左右的泵浦光光斑大小调整到与谐振腔模体积相匹配的大小，作为一个特例泵浦光斑的束腰大小为1mm。

在装调过程中，晶体中心位于泵浦激光束腰处，通过调节晶体和镜片的角度，确保泵浦光与晶体光轴相匹配，泵浦光垂直通过镜片中心。谐振腔采用最常见和最简单的平平腔(即3号镜和6号镜均为平面镜)，腔长140mm，全反镜3对1064nm高反，输出6对1064nm部分反射。激光器稳定工作时，输出功率大于20W，连续时间工作大于30min，整个系统的体积仅为60mm宽×210mm长×55mm高，重量仅为450g，充分说明了一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器的有效性。本发明也可延展到倍频或光参量振荡激光器等其他非线性光学系统，拓展了其实用功能。

实施例2：结合图1和图2，本实施例与实施例1所述的区别在于，作为泵浦源的二极管激光波长为880nm。采用880nm的二极管激光进行泵浦，有利于Nd晶体吸收的均匀性，提高量子转换效率，减小废热的产生量，从而提高Nd晶体内部的温度均匀性，增加Nd晶体可承受的泵浦功率和输出功率，扩展了一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器的适用范围。

实施例3，结合图1和图2说明本实施方式，本实施例与实施例1的区别在于，固体激光器的反射镜和输出镜针对1342nm镀有高反膜和部分反射膜(为了抑制1064nm激光的激射，两个腔镜还镀有1064nm的增透膜)，使固体激光器实现1342nm激光输出。

实施例4：结合图1和图2说明本实施方式，本实施例与实施例1所述的区别在于，固体激光器输出脉冲激光，脉冲调制器件为传导冷却的声光Q开关，典型产品的体积为35mm×46mm×25mm(高)，调节声光开关的角度使Q晶体光轴与增益晶体光轴相匹配，声光开关底部放置尺寸为35mm×46mm×0.5mm(厚)的铟箔，用来减小传导热阻。装置如图3所示，图中10为声光Q开关。

实施例4：结合图1和图2说明本实施方式，本实施例与实施例1的区别在于，泵浦光耦合传输组件取消了传输光纤，二极管芯片输出激光直接经过透镜组耦合匹配到晶体中心，可进一步缩短了激光器尺寸，提高整个固体激光器系统的可靠性。制冷方式采用半导体结合风扇制冷，图中7为激光器制冷系统，其中集成了半导体TEC模块、散热片和风扇等。装置如图4所示。

本申请的有益效果包括：

(1)在本申请中，一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器将二极管激光泵浦源和固体激光谐振腔集成于一体，作为一个整体的模块，提高了激光器工程化的可靠性，也减小了端泵浦固体激光器的复杂程度，为体积、重量等方面的小型化和轻量化设计带来方便。

(2)本申请中，二极管激光器和固体激光器集成在一起，避免了分体安装引起的传输光纤固定的不方便性，同时，集成设计方案对各自模块的相对位置有一定的安装余量，容易满足工程要求。

(3)本申请中，采用将二极管激光模块和固体激光器一体化冷却方式，减少了冷却系统复杂度，减小了固体激光器的整体体积和重量，同时设计时减少了液体入口和出口数，避免了水阻较大、渗漏风险较大的缺点。

(4)本申请中，所提供的一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器具有一定的普适性，适用于各种激光增益晶体(例如掺杂Nd、Yb、Tm、Ho、Er等的增益晶体)，也适用于各种二极管激光模块(例如808nm、880nm、793nm、975nm等)，同时也适用于各种端泵浦的固体激光器装置(例如直线腔、折叠腔、环形腔、平平腔、平凹腔等)。

本申请提供的一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器，是针对目前端泵浦固体激光器空间结构复杂、体积庞大、二极管激光和增益晶体需要分别散热等问题，提供了一种一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器。通常情况下，二极管激光泵浦源和固体激光器谐振腔属于相对独立的模块，进行分离式安装和冷却，而本申请中将两个部分集成在一起，安装在同一冷却底板上，进行一体化模块式安装，缩短了两个模块的距离，可减小传输安装的复杂度，减小激光器整体的体积和重量，增加了可靠性。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均包含在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器,其特征在于，包括：

冷却底板，所述冷却底板内部设置有制冷组件；所述冷却底板为采用铝材质制作而成；

依次设置于所述冷却底板上表面的二极管激光模块、泵浦光耦合传输组件、谐振腔的全反射镜、增益晶体组件以及谐振腔的输出镜；所述增益晶体组件包括晶体夹具以及通过所述晶体夹具固定的增益晶体；

所述冷却底板用于将其上部的各部件产生的热量进行传导散热。

2.根据权利要求1所述的一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器,其特征在于，所述制冷组件为液体制冷组件，所述液体制冷组件包括具有多环路结构的液冷回路。

3.根据权利要求2所述的一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器,其特征在于，所述晶体夹具内部包括采用宏通道方式设置的内部水路；所述增益晶体外部包裹有铟箔并通过活动铜块以及橡胶垫与所述晶体夹具相连。

4.根据权利要求3所述的一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器,其特征在于，所述增益晶体具有多段键合结构。

5.根据权利要求1所述的一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器,其特征在于，所述制冷组件为半导体结合风扇制冷组件，所述半导体结合风扇制冷组件包括半导体TEC模块、散热片以及风扇。

6.根据权利要求1所述的一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器,其特征在于，所述二极管激光模块为电光效率高、输出波长处于所述增益晶体吸收峰附近的二极管激光模块。

7.根据权利要求1所述的一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器,其特征在于，所述泵浦光耦合传输组件包括光束整形部件、光纤传输部件以及光斑耦合部件。

8.根据权利要求1所述的一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器,其特征在于，所述泵浦光耦合传输组件包括由多个透镜组合而成的透镜组。

9.根据权利要求1所述的一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器,其特征在于，所述全反射镜镀有1342nm高反射膜以及1064nm增透膜，所述输出镜镀有1342nm部分反射膜以及1064nm增透膜。

10.根据权利要求1所述的一体化集成型激光二极管端泵浦的固体激光器,其特征在于，还包括脉冲调制器件，所述脉冲调制器件位于所述增益晶体组件与谐振腔的输出镜之间；所述脉冲调制器件为传导冷却的声光Q开关。