CN218300545U - 一种微型固体激光放大器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种微型固体激光放大器，其包括一管壳，以及设置在管壳内的散热装置、固体种子激光器和固体放大器；散热装置包括半导体制冷器和热沉，半导体制冷器固定在管壳的底面上，热沉固定在半导体制冷器的顶面上，固体种子激光器和固体放大器固定在热沉的顶面；固体放大器包括第二激光芯片、第二整形镜组、第二双色镜和放大晶体；第二激光芯片发射的第二泵浦光经过第二整形镜组进行整形和聚焦后入射至第二双色镜；固体种子激光器发射的种子光在第二双色镜与第二泵浦光合束后一起导向放大晶体；第二泵浦光泵浦放大晶体，种子光的功率被放大晶体放大后射出放大激光。本实用新型使微型化的激光器也能获得高光束质量、高功率的激光输出。

Description

一种微型固体激光放大器

技术领域

本实用新型涉及激光放大器的技术领域，特别是涉及一种微型固体激光放大器。

背景技术

高重复频率、高峰值功率、高脉冲能量、窄脉冲宽度的激光在激光加工、光电对抗、激光测距、激光通信等领域具有广泛的应用。仅依靠激光器的单一谐振腔往往只能获得高光束质量、低功率的激光输出，不能满足某些应用场景对高功率激光的需求，因此需要在子激光器的基础上引入功率放大的结构。

激光放大技术有主振荡功率放大器(Master Oscillator Power Amplifier,MOPA)，再生放大器(Regenerative Amplifier)、种子或注入锁定功率振荡器(Seeded orInjection-locked Power Oscillator)和公共谐振器内增益模块串联(SeriesConnection of Several Gain Modules within aCommon Resonator)等。其中，基于MOPA结构的激光放大器，其种子激光器和放大器是两个相对独立的部分，放大器本身不成腔，低功率的种子光单次或多次通过放大器中的增益介质，以行波放大的方式实现功率提升，其结构更加简单灵活和小巧紧凑，不需要通过种子光在放大器内进行多次往返就能获得增益。

然而，现有技术中的激光放大器通常使用光纤激光器或者侧泵模块作为泵浦源来对种子激光器输出的低功率种子光进行放大，其一般具有较为大型的空间结构，存在着体积和重量大、制造成本高、封装难度大等问题，很难获得具有高光束质量、高功率的激光输出的微型激光放大器，无法满足吊舱、无人机等应用场景的需求。

实用新型内容

基于此，本实用新型的目的在于，提供一种具有高光束质量、高功率的激光输出的微型固体激光放大器。

本实用新型是通过如下的技术方案实现的：

一种微型固体激光放大器，包括一管壳，以及设置在所述管壳内的散热装置、固体种子激光器和固体放大器；

所述散热装置包括半导体制冷器和热沉，所述半导体制冷器固定在所述管壳的底面上，所述热沉固定在所述半导体制冷器的顶面上，所述固体种子激光器和所述固体放大器固定在所述热沉的顶面；

所述固体放大器包括沿光路设置的第二激光芯片、第二整形镜组、第二双色镜和放大晶体；所述第二激光芯片发射的第二泵浦光经过所述第二整形镜组进行整形和聚焦后入射至所述第二双色镜；所述固体种子激光器发射的种子光在所述第二双色镜与所述第二泵浦光合束后一起导向所述放大晶体；所述第二泵浦光泵浦所述放大晶体，所述种子光的功率被所述放大晶体放大后射出放大激光。

本实用新型所述的微型固体激光放大器将半导体芯片直泵的结构和半导体封装技术相结合，在微小管壳内实现了固体MOPA结构，不仅缩小激光放大器的体积和质量，降低制造成本和封装难度，也能保证较高的放大提取效率，从而使微型激光放大器也能获得高光束质量、高功率的激光输出，在小型化激光器应用中具有重要价值。

进一步地，所述固体种子激光器包括沿光路设置的第一激光芯片、第一整形镜组、激光晶体和第一双色镜；所述第一激光芯片发射第一泵浦光，且所述第一泵浦光的功率小于所述第二泵浦光的功率；所述第一泵浦光在所述第一整形镜组进行整形和聚焦后进入所述激光晶体；所述激光晶体被所述第一泵浦光泵浦后产生基频激光作为所述种子光；通过所述激光晶体的剩余第一泵浦光被所述第一双色镜滤除，所述种子光被所述第一双色镜导向至所述固体放大器的第二双色镜。

进一步地，所述固体放大器还包括一滤光片；所述放大晶体射出的放大激光和通过所述放大晶体的剩余第二泵浦光被所述滤光片分离。

进一步地，所述固体放大器还包括一激光收集器；所述激光收集器吸收被所述滤光片分离的第二泵浦光。

进一步地，所述管壳上还设有一可透光的窗口片，被所述滤光片分离的放大激光经过所述窗口片射出。

进一步地，所述第一激光芯片和所述第二激光芯片由多个半导体芯片叠阵或堆栈而成，所述半导体芯片为单管芯片、Bar条芯片、COS芯片、TO芯片或C-MOUNT芯片。

进一步地，所述激光晶体和所述放大晶体由增益介质组成，或者由增益介质和可饱和吸收体键合而成；所述激光晶体的入射端面和出射端面镀膜形成激光谐振腔。

进一步地，包括多个固体放大器，每个固体放大器逐级放大所述种子光的功率。

进一步地，所述热沉为金属热沉或非金属热沉。

进一步地，所述管壳为金属管壳。

与现有技术相比，本实用新型提供的微型固体激光放大器，其利用半导体芯片直接泵浦的方式，并与半导体封装技术相结合，使基于固体MOPA结构的激光放大器能够封装于微小的管壳中，并获得高光束质量、高功率的激光输出；在管壳和固体MOPA结构之间设计良好的散热结构，有效降低器件工作时产生的效应，从而维持器件的长期稳定运转；整个器件结构小巧紧凑，容易实现，具有极好的可靠性、较高的经济性和较低的封装难度，在小型化激光器应用中具有重要价值。

为了更好地理解和实施，下面结合附图详细说明本实用新型。

附图说明

图1为本实用新型一实施例提供的一种微型固体激光放大器的部分剖面图；

图2为本实用新型一实施例提供的一种微型固体激光放大器的光路结构示意图；

图3为本实用新型一实施例提供的一种微型固体激光放大器的光路结构示意图；

图4为本实用新型一实施例提供的一种微型固体激光放大器的光路结构示意图。

附图标记：微型固体激光放大器100，管壳110，窗口片111，散热装置120，半导体制冷器121，热沉122，固体种子激光器130，第一激光芯片131，第一整形镜组132，激光晶体133，第一双色镜134，固体放大器140，第二激光芯片141，第二整形镜组142，第二双色镜143，放大晶体144，滤光片145，激光收集器146；微型固体激光放大器200，固体种子激光器230，第一级固体放大器240，第一级激光芯片241，第一级整形镜组242，第一级双色镜243，第一级放大晶体244，第二级固体放大器250，第二级激光芯片251，第二级整形镜组252，第二级双色镜253，第二级放大晶体254，聚焦透镜260，二分之一波片270；微型固体激光放大器300，固体种子激光器330，固体放大器340，第二激光芯片341，第二整形镜组342，第二双色镜343，放大晶体344，滤光片345。

具体实施方式

现有技术中的激光放大器一般具有较为大型的空间结构，其原因在于这些激光放大器使用光纤激光器或者侧泵模块作为泵浦源来对种子激光器输出的低功率种子光进行放大，无法做到在保证高光束质量、高功率的激光输出的前提下，实现激光放大器的集成化和微型化。基于此，本实用新型提出一种微型固体激光放大器，其将半导体芯片直泵的结构和半导体封装技术相结合，在毫米级别的管壳内实现了基于固体MOPA结构的激光放大器，既能使器件结构更加小巧紧凑，又保证了较高的放大提取效率，从而使微型化的激光器也能实现高光束质量、高功率的激光输出。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面通过具体的实施例作进行说明。

实施例1

请同时参阅图1和2，其中，图1为本实施例提供的一种微型固体激光放大器的部分剖面图，图2为本实施例提供的一种微型固体激光放大器的光路结构示意图。该微型固体激光放大器100包括一管壳110，以及设置在管壳110内的散热装置120、固体种子激光器130和固体放大器140。

散热装置120其包括半导体制冷器(Thermo Electric Cooling,TEC)121和热沉122；其中，半导体制冷器121通过焊接固定在管壳110的底面上，热沉122通过焊接固定在半导体制冷器121的顶面上；焊接时采用硬焊料，避免在冷热循环冲击下焊料发生蠕变攀爬和失效。半导体制冷器是一种利用半导体的热电效应制取冷量的器件，不需要任何制冷剂，可连续工作，具有无噪声、无震动、体积小、重量轻、寿命长、易于安装和操作等优点，非常适用于耗冷量小、占地空间小的场合；进一步地，可以选用由多对半导体热电偶组合而成的半导体制冷器，其制冷量和温差大幅度提升，散热效果更好。所述热沉122采用热导率高的材料，如钨铜、钼铜、紫铜、无氧铜、金、铝和铝镁合金等金属热沉，金刚石、氮化铝或氧化铍等非金属热沉。

固体种子激光器130和固体放大器140通过点胶工艺固定在热沉122的顶面，不需要额外搭建镜架来固定光学器件，有利于缩小器件的体积和质量；二者工作时产生的热量可以依次传导至热沉122和半导体制冷器121中，从而维持长期稳定运转。

具体地，固体种子激光器130包括沿光路设置的第一激光芯片131、第一整形镜组132、激光晶体133和第一双色镜(Dichroic Mirrors)134；第一激光芯片131发射的第一泵浦光在第一整形镜组132进行整形和聚焦后进入激光晶体133，激光晶体133被第一泵浦光泵浦后产生低功率、高光束质量的基频激光作为种子光；通过激光晶体133的剩余第一泵浦光被第一双色镜134滤除，种子光被第一双色镜134导向至固体放大器140。

第一激光芯片131是固体种子激光器130的泵浦源，其发射的第一泵浦光为连续激光或脉冲激光。其中，第一激光芯片131由半导体芯片组成，所述半导体芯片可以为单管芯片，由单管芯片并排形成的巴(bar)条芯片以及由巴条芯片堆栈而成的堆栈芯片；进一步地，单管芯片、巴条芯片和堆栈芯片可以采用COS(Chip on Submount)、TO(TransistorOutline)、C-MOUNT等封装形式制成芯片级封装器件。为了提高泵浦效率和种子光功率，第一激光芯片131优选为巴条芯片和堆栈芯片。第一激光芯片131设有多个穿过管壳110并与外接的驱动电源进行电连接的引脚，通过对驱动电源输出的电流信号进行调制，可以使第一激光芯片131输出特定偏振特性、重复频率、脉冲宽度和峰值功率的第一泵浦光。

第一整形镜组132对第一激光芯片131发射的第一泵浦光进行整形和聚焦，从而使第一泵浦光耦合进激光晶体133中。其中，第一整形镜组132为准直聚焦透镜组或快慢轴准直透镜组，通过调控透镜组的焦距，可以对第一泵浦光进行缩束，并在激光晶体133内部获得近似圆形的聚焦光斑；经过第一整形镜组132后的第一泵浦光与激光晶体133处激光发射的TEM00模交叠，并与激光谐振腔内的模尺寸匹配。

激光晶体133为固体种子激光器130的激光工作物质，其入射端面和出射端面镀膜以形成激光谐振腔；其中，激光晶体133的入射端面镀有对第一泵浦光增透、对种子光高反的膜，为出射端面镀有对第一泵浦光增透、对种子光部分反射的膜，从而形成激光谐振腔；激光晶体133的激光晶体133可以仅由增益介质组成，如Nd:YAG晶体、Nd:YVO₄晶体、Tm：YAG晶体、Yb:YAG晶体和Ho:YAG晶体等，也可以由增益介质和可饱和吸收体键合而成，如Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG、Yb:YAG/Cr⁴⁺:YAG、Nd:YAG/Cr⁴⁺:YAG、Nd:YAG/V:YAG、Er:Glass/尖晶石等键合晶体(增益介质/可饱和吸收体)；在一些具体的应用场景中，激光晶体133在两端的膜与增益介质或键合晶体之间还设有不掺杂的晶体，以提高激光晶体133的导热性，帮助激光晶体133快速冷却，降低热透镜效应的影响。

第一泵浦光泵浦激光晶体133后发射低功率、高光束质量的基频激光作为种子光，同时有部分第一泵浦光通过激光晶体133后射出，因此需要通过第一双色镜134将种子光和第一泵浦光分离，并将种子光导向至固体放大器140。在本实施例中，第一双色镜134对种子光高反而对第一泵浦光高透，其将种子光反射到固体放大器140，并使第一泵浦光直接透过以滤除第一泵浦光；在其他实施例中，第一双色镜134也可以对种子光高透而对第一泵浦光高反，其使种子光直接透射到固体放大器140中，并通过反射滤除第一泵浦光。

具体地，固体放大器140包括沿光路设置的第二激光芯片141、第二整形镜组142、第二双色镜143、放大晶体144、滤光片145和激光收集器(laser dump)146。第二激光芯片141发射的第二泵浦光经过第二整形镜组142进行整形和聚焦后入射至所述第二双色镜143；倍第一双色镜134导过来的种子光在第二双色镜143与第二泵浦光合束后一起导向放大晶体144；第二泵浦光泵浦放大晶体144，种子光的功率被放大晶体144放大后射出放大激光；放大晶体144射出的放大激光和通过放大晶体144的剩余第二泵浦光被滤光片145分离；激光收集器146吸收被滤光片145分离的第二泵浦光。

第二激光芯片141是固体放大器140的泵浦源，其发射的第二泵浦光也可以为连续激光或脉冲激光，并且第二泵浦光的功率大于第一泵浦光的功率。同样地，第二激光芯片141由至少一个半导体芯片组成，并设有多个穿过管壳110且与外接的驱动电源进行电连接的引脚；通过对驱动电源输出的电流信号进行调制，可以使第二激光芯片141输出特定偏振特性、重复频率、脉冲宽度和峰值功率的第二泵浦光。

第二整形镜组142对第二激光芯片141发射的第二泵浦光进行整形和聚焦，从而使第二泵浦光耦合进放大晶体143中；同样地，第二整形镜组142为准直聚焦透镜组或快慢轴准直透镜组，通过调控透镜组的焦距，可以对第二泵浦光进行缩束，并在放大晶体143内部获得近似圆形的聚焦光斑。

第二双色镜143使种子光和第二泵浦光合束并一起导向放大晶体144；在本实施例中，第二双色镜143对种子光高反而对第二泵浦光高透，其使种子光反射到放大晶体144，并使第二泵浦光直接透射到放大晶体144；在其他实施例中，第二双色镜143也可以对种子光高透而对第二泵浦光高反，其使种子光直接透射到放大晶体144，并使第二泵浦光反射到放大晶体144。

放大晶体144为固体放大器140的激光工作物质，其被第二泵浦光泵浦并将种子光的功率放大，得到放大激光。同样地，放大晶体144可以仅由增益介质组成，也可以由增益介质和可饱和吸收体键合而成；放大晶体144的入射端面镀有对种子光增透的膜、出射端面镀有对放大激光增透的膜，但不形成激光谐振腔，而是通过行波放大的方式放大种子光的功率。由于放大晶体144不仅会发射放大激光，也会使部分第二泵浦光通过，因此需要通过滤光片145将放大激光和第二泵浦光分离，然后输出单一的放大激光。在本实施例中，滤光片145对放大激光高透而对第二泵浦光高反，在其他实施例中，滤光片145也可以对放大激光高反而对第二泵浦光高透。激光收集器146吸收被滤光片145分离的第二泵浦光，避免第二泵浦光对管壳110造成损伤。

所述管壳110可采用可伐(covar)合金、钨铜和铝等金属材料；在本实施例中，所述管壳110为可伐合金管壳，其具有良好的封接、焊接和加工性能；将散热装置120、固体种子激光器130和固体放大器140安装在可伐合金管壳中，然后通过封装胶封装，可保证器件具有良好的密封性，防止外界的灰尘和水汽入侵而影响器件性能。管壳110的侧壁上设有一透光的窗口片111，该窗口片设置放大激光的光路上，可使放大激光透过，并起到隔离和保护作用。管壳110的底面的两侧向外延伸形成一安装底座，该安装底座上设有多个安装孔，可通过螺栓连接等方式将器件固定在特定的工作环境中。所述管壳的尺寸为毫米级别，在一个具体的应用场景中，该管壳110的尺寸(L*W*H)为63mm*23mm*17.1mm，安装底座的尺寸(L*W)为63mm*40mm。

实施例2

与实施例1不同的是，本实施例的微型固体激光放大器包括两个固体放大器，其对种子光进行两级放大后得到放大激光。

请参阅图3，其为本实施例提供的一种微型固体激光放大器的光路结构示意图。该微型固体激光放大器200包括一管壳，以及设置在管壳内的散热装置、固体种子激光器230、第一级固体放大器240和第二级固体放大器250。

固体种子激光器230选用商业的Nd:YVO₄激光器，即固体种子激光器230的激光晶体为Nd:YVO₄晶体；固体种子激光器230发射的种子光的波长为1.06μm，光束半径为400μm，光束质量为M²<1.1；在本实施例中，固体种子激光器230发射的种子光为连续激光，其最高输出功率为8.7W；在其他实施例中，固体种子激光器230发射的种子光可以为20kHz的脉冲激光，其最高输出功率为6.7W。

第一级固体放大器240包括第一级激光芯片241、第一级整形镜组242、第一级双色镜243和第一级放大晶体244；第一级激光芯片241产生的第一级泵浦光的波长为808nm，最高输出功率为20W；第一级泵浦光通过光纤耦合输出，经第一级整形镜组242的整形聚焦，在第一级放大晶体244内获得400μm的泵浦光斑。

第二级固体放大器250包括第二级激光芯片251、第二级整形镜组252、第二级双色镜253、第二级放大晶体254和滤光片(图未示)；第二级激光芯片251产生的第二级泵浦光的波长为808nm，最高输出功率为24.5W；第二级泵浦光通过光纤耦合输出，经第二级整形镜组242的整形聚焦，在第二级放大晶体254内获得400μm的泵浦光斑。

为了降低热效应与保护晶体，第一级放大晶体244和第二级放大晶体254均选用了钕离子掺杂浓度为0.3％、通光面积为3×3mm²、通光长度为20mm的Nd:YVO₄晶体。在其他实施例中，也可以将Nd:YVO₄晶体替换为由通光长度为2mm的YVO₄晶体、通光长度为16mm的Nd:YVO₄晶体和通光长度为2mm的YVO₄晶体键合而成的键合晶体。

进一步地，微型固体激光放大器200还包括一聚焦透镜260和二分之一波片270；其中，聚焦透镜260设置在固体种子激光器230和第一级固体放大器240之间，其使固体种子激光器230输出的种子光聚焦，并在第一级放大晶体244内获得300μm的种子光斑，有利于提高放大提取效率；二分之一波片270设置在聚焦透镜260和第一级固体放大器240之间，使种子光的偏振方向与第一级泵浦光、第二级泵浦光的偏振方向保持一致。

固体种子激光器230输出的种子光是波长为1.06μm、功率为8.7W的连续激光，其经过第一级固体放大器240后，得到的第一级放大激光为波长为1.06μm、功率为15W的连续激光，其放大提取效率为31.5％；第一级放大激光经过第二级固体放大器250后，得到的第二级放大激光为波长为1.06μm、功率为24.3W的连续激光，其放大提取效率为38％。

实施例3

与实施例1和2不同的是，本实施例通过脉冲泵浦模式放大种子光的功率。

请参阅图4，其为本实施例提供的一种微型固体激光放大器的光路结构示意图。该微型固体激光放大器300包括一管壳，以及设置在管壳内的散热装置、固体种子激光器330和固体放大器340。

固体种子激光器330为一微片激光器，即其激光晶体是由增益介质和可饱和吸收体键合而成的微片晶体，其输出的种子光为脉冲激光，波长为1064nm，频率为1kHz，能量为50μJ，脉冲宽度为1.2ns，光束质量M²＝1.1，光斑半径为300μm。

固体放大器340包括第二激光芯片341、第二整形镜组342、第二双色镜343、放大晶体344和滤光片345；第二激光芯片341产生的第二泵浦光，其波长为808nm，功率为10W；第二泵浦光在第二整形镜组342进行整形和聚焦后进入放大晶体344，并在放大晶体344内获得300μm的泵浦光斑；放大晶体344选用Nd:YVO₄放大晶体。经过固体放大器340的放大后，获得的放大激光的能量超过180μJ，其放大倍数超过3.5。

与现有技术相比，本实用新型提供的微型固体激光放大器，其利用半导体芯片直接泵浦的方式，并与半导体封装技术相结合，使基于固体MOPA结构的激光放大器能够封装于微小的管壳中，并获得高光束质量、高功率的激光输出；在管壳和固体MOPA结构之间设计良好的散热结构，有效降低器件工作时产生的效应，从而维持器件的长期稳定运转；整个器件结构小巧紧凑，容易实现，具有极好的可靠性、较高的经济性和较低的封装难度，在小型化激光器应用中具有重要价值。

以上所述实施例仅表达了本实用新型的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对实用新型专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本实用新型的保护范围。

Claims (10)

1.一种微型固体激光放大器，其特征在于：

包括一管壳，以及设置在所述管壳内的散热装置、固体种子激光器和固体放大器；

所述散热装置包括半导体制冷器和热沉，所述半导体制冷器固定在所述管壳的底面上，所述热沉固定在所述半导体制冷器的顶面上，所述固体种子激光器和所述固体放大器固定在所述热沉的顶面；

所述固体放大器包括沿光路设置的第二激光芯片、第二整形镜组、第二双色镜和放大晶体；所述第二激光芯片发射的第二泵浦光经过所述第二整形镜组进行整形和聚焦后入射至所述第二双色镜；所述固体种子激光器发射的种子光在所述第二双色镜与所述第二泵浦光合束后一起导向所述放大晶体；所述第二泵浦光泵浦所述放大晶体，所述种子光的功率被所述放大晶体放大后射出放大激光。

2.根据权利要求1所述的微型固体激光放大器，其特征在于：

所述固体种子激光器包括沿光路设置的第一激光芯片、第一整形镜组、激光晶体和第一双色镜；所述第一激光芯片发射第一泵浦光，且所述第一泵浦光的功率小于所述第二泵浦光的功率；所述第一泵浦光在所述第一整形镜组进行整形和聚焦后进入所述激光晶体；所述激光晶体被所述第一泵浦光泵浦后产生基频激光作为所述种子光；通过所述激光晶体的剩余第一泵浦光被所述第一双色镜滤除，所述种子光被所述第一双色镜导向至所述固体放大器的第二双色镜。

3.根据权利要求2所述的微型固体激光放大器，其特征在于：

所述固体放大器还包括一滤光片；所述放大晶体射出的放大激光和通过所述放大晶体的剩余第二泵浦光被所述滤光片分离。

4.根据权利要求3所述的微型固体激光放大器，其特征在于：

所述固体放大器还包括一激光收集器；所述激光收集器吸收被所述滤光片分离的第二泵浦光。

5.根据权利要求4所述的微型固体激光放大器，其特征在于：

所述管壳上还设有一可透光的窗口片，被所述滤光片分离的放大激光经过所述窗口片射出。

6.根据权利要求2所述的微型固体激光放大器，其特征在于：

所述第一激光芯片和所述第二激光芯片由半导体芯片组成，所述半导体芯片为单管芯片、巴条芯片或堆栈芯片，且所述半导体芯片为芯片级封装器件。

7.根据权利要求2所述的微型固体激光放大器，其特征在于：

所述激光晶体和所述放大晶体由增益介质组成，或者由增益介质和可饱和吸收体键合而成；所述激光晶体的入射端面和出射端面镀膜形成激光谐振腔。

8.根据权利要求1所述的微型固体激光放大器，其特征在于：

包括多个固体放大器，每个固体放大器逐级放大所述种子光的功率。

9.根据权利要求1所述的微型固体激光放大器，其特征在于：

所述热沉为金属热沉或非金属热沉。

10.根据权利要求1所述的微型固体激光放大器，其特征在于：

所述管壳为金属管壳。

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