TW200301980A - Diffusion bonded pump cavity - Google Patents

Description

200301980 玫、發明說明 (發明說明應敘明：發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明） 【發明所屬技術領域】 發明領域 本毛明般係與雷射有關’且更特別係與用於固態雷 5射的包含雷射棒之幫浦腔有關。 C先前技術;j 發明背景 為使雷射發出電磁輻射，一固體狀態雷射之幫浦腔必 須藉由一外部能量來源加以激化。此能量來源本身會發出 10輻射，該輻射係藉由位於幫浦腔内的一雷射棒以及該雷射 的其他光學組件加以轉換成一雷射光束，此能量來源可為 一雷射燈或是其他光學能量來源。一般而言，所有的雷射 媒介物之固態雷射棒係將所吸收的多數幫浦動力轉換成廢 熱。此熱量與熱梯度會產生與將其移除有關之應力，且會 15導致透鏡作用與雙折射作用形式方面的光學失真，且最後 產生熱致裂痕與損壞。因此，為了克服這些熱所引起的問 題，先前技藝使用許多熱處理技術，以便能夠以適當方式 月欠發所產生的熱量。例如，如果熱量大於3瓦特（約使用3 5 瓦特之燈泡電力用來提供幫浦能源），則雷射棒能夠藉由 20使一流體（諸如一液體或是加壓氣體）流動經過該雷射棒之 上方加以冷卻，該流體係循環通過一熱交換器。此一動態 冷卻系統具有許多缺點，在加壓氣體的情況中，其主要問 題係為密封正在循環之冷卻氣體，同時仍容許幫浦燈傳播 光線的高額花費。對於液體系統而言，所關注的是該流體 200301980 玖、發明說明 曝露於燈泡或是幫浦燈之最終退化現象。 由於這些問題，其他用以冷卻雷射棒之技術係與藉著 熱傳導被動地冷卻該雷射棒有關。此技術係例示於頒給伯 爾克哈特（Burkhart)等人之美國專利第4,210,389號中，其 5 中雷射棒係藉由將一反射性金屬層放置於該雷射棒之一側 上加以冷卻，該金屬層係焊接到一散熱器。經發現此技術 會大為扭曲雷射棒之光學品質，其主要原因至少有兩個： 首先，由於雷射棒係堅固地固持於一熱傳導支架中，且該 雷射棒與支架具有不同之熱膨脹係數，於泵送與冷卻期間 10會產生應力，因此，雷射棒之膨脹率以及收縮率會與其支 架不同。如此不均勻之膨脹與收縮導致應力雙折射。第二 ，雷射棒係僅沿著其周圍之一部份長度支撐於該支架上， 其會在該棒中產生一熱梯度，且隨後產生一不均勻之冷卻 ’其結果係為在雷射棒中產生光學相差。 15 頒給Tajnai等人之美國專利第4，181，900號亦說明一種 傳導f生冷卻幫4腔，其中該雷射棒係以條帶捆紮到—散熱 器。Tajnai等人之系統並沒有提供一均勻冷卻雷射棒之技 術，因為雷射棒之整個周圍並沒有熱接觸圍繞。結果如美 專利第4,210,389號-般’其無法均勻冷卻雷射棒，同時會 20產生熱應力。另外’條帶其本身就會對雷射棒產生應力。 另-種傳導冷卻-雷射棒之另擇方法係揭露於頒給凱 漢Kahan)之美國專利第4,637,〇28號與美國專利第 4,969，155號，以及頒給克雷格（如㈣的美國專利第 5,317,585號。這些專利案揭露一種雷射棒，其係透過一透 200301980 玖、發明說明 明外部套管加以傳導冷卻，其具有一中間膠體層，該膠體 層作為雷射棒與套管之間的彈性體界面。透明外部套管較 佳係由藍寶石加以製造，但亦可由其他光學透明材料加以 製造，諸如玻璃、單水晶氧化鈹，以及石榴石。 此衣置之組裝係相當複雜，在裝置之製造期間，雷射 棒必須以位於外部套管中之填隙片m#在固定位置，直到 將一膠體形成液體注入套管為止。一旦形成膠體之後便移 除該等填隙片。由於彈性體形成一熱邊界，故其必須保持 相*薄，以便維持足夠的熱傳導。該額外的彈性體層之厚 10度額外地使裝置之製造更加複雜。由於彈性體完全圍繞雷 射杯故其對於幫浦光必須為透曰月，以便容許激化該雷射 棒。僅有有限數量的材料適合用於傳輸幫浦光凱漢揭露了 使用石夕膠，但疋此類膠體本身具有會漏氣的特性，因此 而要將一岔封劑施加於末端邊界點，以避免影響雷射光學 、、且件最後 般僅能夠得到有限制長度之外部套管，因 此設計上通常需要將兩個段件接合在一起，其使製造程序 更加額外地複雜。 對於固悲雷射之另外的重點係為放大自發輻射（ASE) 以及寄生振盪。當自發雷射輻射於單次通過雷射媒介物期 20間會產生ASE，而寄生振盪則為反射進入該雷射棒之ase 。在任一案例中’於較佳方向可獲得之激化用能量係減少 。由凱漢與克雷格所揭露之彈性體一般與雷射棒材料的透 光率配合度並不良好，所以彈性體對於ASE與寄生振盪提 供少量的抑制效果。抑制ase與寄生振盪需要將雷射棒之 200301980 玖、發明說明 表面精細研磨’但此表面研磨特別會散射幫浦能量，因而 降低了幫浦效率。克雷格揭露使用—塗層以抑制嫌，但 是彈性體層係位於ASE抑制塗層與雷射棒之間，因此限制 了塗層之效果。此外部塗層必須設計成對於㈣波長高度 5反射，且對於雷射波長則高度透明，其需要一昂貴的多層 電介質塗佈。 因此，對於先丽技藝存在需求一種用以傳導冷卻一固 態雷射棒之方法與裝置，其能夠提供用以抑制放大自發幸畐 射以及寄生振盪。 10 【明内穷】 發明概要 本么明之一主旨係在於提供一種雷射幫浦腔，其能夠 將熱能有效率地從位於該幫浦腔中之雷射棒導除。本發明 曰係為k供一種幫浦腔，其能夠吸收自發雷射幸昌 15射否則w亥自發雷射輻射可藉由位於幫浦腔中之雷射棒再 度放大。 依照如上所述之本發明的主旨以及欲克服先前技藝之 限制，故說明-種製造幫浦腔之方法，其用以有效導熱以 及抑制自發輻射，同時具有其他優點。 2〇 根據本發明說明一幫浦腔，該幫浦腔包含一雷射棒芯 材，其具有一多邊形橫剖面與一縱向軸線，以及一外部包 覆材，其沿著雷射棒之縱向軸線包覆該雷射棒，同時係擴 散結合到雷射棒。外部包覆材對於第一波長之幫浦能量大 體上透明’且對於第二波長之雷射能量大體上具有吸收性 200301980 玫、發明說明 。外部包覆材可具有-圓形外形，—多邊形外形，或是任 何其他的形狀，其容許包覆材緊密地結合到-散熱構件， 以便從外部&覆材料熱量。圓形係純佳外形，因為其 5 對於熱量提供有效的㈣傳導。外部包覆材在沒有施加幫 浦能量之區域中能夠以一塗層加以塗佈，該塗層對於施加 到幫浦腔之幫浦能量係具有高度反射性 且在施加幫浦能 畺之區域中係以一塗層加以塗佈 該塗層對於幫浦能量則 10 具抗反射性。雷射棒可包含先前技藝所熟知之固態雷射材 料’諸如掺㈣|g石摘石_ : YAG)或是摻軌銘石梅石 (Yb: YAG)。外部包覆材可包含先前技藝所熟知之心材 料諸如未摻紀銘石梅石（YAG)，或較佳為換彭紀銘石梅 石（Sm·· YAG)。掺雜或是未掺雜之段件（其直徑一般係: 於或大於雷射棒的直徑）亦可擴散結合到幫浦腔之尾端， 15 以便加強幫浦腔之強度 明，包含飽和吸收材料 ’或是降低基態吸收性。根據本發 之段件亦能夠擴散結合到一幫浦腔 之一個或兩個尾端，以便提供Q轉換或是模態鎖定雷射。 依照本發明說明一另擇之幫浦腔，其包含複數個幫浦 腔段件，各幫浦腔段件包含：一雷射棒芯材，其具有一多 邊形橫剖面與一縱向軸線、以及一外部包覆材，其沿著^ 2射‘之縱向軸線包覆該雷射棒，且係擴散結合到雷射棒、 以及一個或更多之延伸段件，其配置於幫浦腔段的複數個 幫浦腔段之間，該等延伸段件係擴散結合到該等幫浦腔段 八卜。卩直L大致上等於各個幫浦腔段中之外部包覆材 的外部尺寸。外部包覆材對於第一波長之幫浦能量大體上 10 200301980 玖、發明說明 透明，且對於第二波長之雷射能量大體上具有吸收性。外 部包覆材在各幫浦腔段中可具有一圓形外形，一多邊形外 形，或是任何其他的形狀，其容許包覆材緊密地結合到一 散熱構件，以便從外部包覆材傳導熱量。圓形係為較佳外 5形’因為其對於熱量提供有效的輕射傳導。外部包覆材於 各幫浦腔段中沒有施加幫浦能量之區域中能夠以一塗層加 以塗佈，該塗層對於施加到幫浦腔之幫浦能量係具有高度 反射性；且在施加幫浦能量之區域中係以一塗層加以塗佈 ’该塗層對於幫浦能量則具抗反射性。各幫浦腔段中之雷 W射棒可包含先前技藝所熟知的固態雷射材料，諸如推航 鋁石；f田石（Nd · YAG)或是摻鏡釔鋁石榴石（Yb ·· yag)。各 幫浦腔段中之外部包覆材可包含先前技藝所熟知的包覆材 料，諸如未摻釔銘石榴石（YAG)，或較佳為摻髟釔銘石榴 石（Sm · YAG)。該等延伸段件可包含摻雜或未摻雜之材料 b，飽和吸收材料能夠由摻雜材料所形成。如果餘和吸收材 料係用於-個或更多的延伸段件，則幫浦腔可用以提供一 Q轉換或模H鎖定f射。未摻雜段件（其直徑大致上等於外 部包覆材之外部尺寸）亦可擴散結合到幫浦腔之尾端，以 便加強幫浦腔之強度，或是降低基態吸收性。 2〇、㈣本發明，—種製造-幫浦腔之方法所包含的步驟 為：訂定芯材之多邊形形狀、提供一芯材板，其具有一上 表面、-下表面、一第一光學平坦表面，以及一與第一光 子平坦表面相對之第二光學平坦表面，該第一與第二光學 平坦表面配置於上表面與下表面之間，且一般係與之垂直 200301980 玫、發明說明 、提供複數個包覆材板，各包覆材板具有至少—個光學平 坦表面、將複數個包覆材板之其中一板的光學平坦表面擴 散結合到芯材板之第一光學平坦表面、將複數個包覆材板 之另板的光學平坦表面擴散結合到芯材板之第二光學平 5坦表面，以形成一複合構造、研磨與拋光該複合構造，以 便移除至少由芯材板所殘留之芯材的些許部份，提供一新 的光學平坦表面，其包含至少些許部份之芯材板' 將複數 個包覆材板之另-板的光學平坦表面擴散結合到該複合構 造之新光學平坦表面（其包含至少些許部份之芯材板）、以 10及重複擴散結合另一包覆材板之光學平坦表面與研磨及抛 光該複合構造的步驟，直到包覆材完全地包覆來自於芯材 板之芯材為止，以便提供雷射幫浦腔，其中該芯材具有特 定之多邊形。較佳地，包覆材對於第一波長之幫浦能量大 體上透明，且對於第二波長之雷射能量大體上具有吸收性 15 。可使用額外的步驟，以便研磨與拋光該複合構造，直到 所產生之幫浦腔具有所需的橫剖面形狀，或是所產生之幫 浦腔能夠藉由對於複合構造鑽芯以取出雷射棒芯以及一部 分包覆的包覆材料*獲得為止。最後，可使用額外的步驟， 以便施加兩反射塗層、抗反射塗層，或是兩種類型之塗層。 20 依照本發明說明一另擇之幫浦腔，該幫浦腔包含一雷 射棒，其具有一縱向軸線、以及一第一與第二尾端，該雷 射具有一橫剖面，該橫剖面具有一個或更多平坦侧面，其 沿著縱向軸線係為光學平坦、以及一個或更多之包覆材板 ，其各具有至少一個光學平坦表面，該雷射棒之一個或更 12 200301980 玖、發明說明 多平坦側面係擴散結合到一個或更多包覆材板之至少一板 的光學平坦表面。 另外依照本發明說明一種設計一雷射幫浦腔之方法， 該方法包含之步驟為：對芯材訂定一特定之橫剖面形狀， 5 該橫剖面形狀具有一個或更多大致上平坦之側面、提供一 具有特定橫剖面形狀之雷射棒，該雷射棒具有一縱向軸線 ’且該一個或更多平坦側面之各個大致上平坦的側面係沿 著該縱向軸線延伸、使芯材之至少一個平坦側面光學平坦 、提供一個或更多之包覆材板，各個包覆材板具有至少一 10個光學平坦側面、以及將一個或更多包覆材板之光學平坦 侧面擴散結合到雷射棒的每一個光學平坦側面。 圖式簡單說明 第1A圖係為根據本發明，一幫浦腔之實施例的等角視 圖； 第1 B圖係為第1圖中所示之一幫浦腔實施例的一橫剖 面圖； 第2 A〜2 J圖顯示一種用以製造根據本發明之一幫浦腔 實施例的程序 第3圖顯不根據本發明之實施例，一散熱器與幫浦腔 20 之組合； 弟4圖顯示根據本發明之實施例，一散熱器與幫浦腔 之另擇組合； 弟5圖顯示由兩個幫浦腔與延伸段件擴散結合所產生 之本發明的另一實施例。 13 200301980 玖、發明說明 較佳實施例之詳細說明 首先參考弟1A與1B圖。根據本發明之一實施例的一 幫浦腔100係設置一多邊形狀之雷射棒丨1〇，其係以一外部 5包覆材加以包覆。第1A圖顯示雷射棒110與包覆材120之一 等角視圖，第1B圖顯示該雷射棒11〇與包覆材12〇之一橫剖 面圖。除了那些欲施加幫浦能量的區域之外，外部包覆材 120較佳係以一塗層134加以塗佈，該塗層對於幫浦光之波 長呈現高度反射性。那些區域較佳係以一塗層132加以塗 1〇佈，該塗層對於幫浦光之波長呈現抗反射性。 幫浦腔100之總長典型係為數公分，然而，熟諳此技 藝之人士將體認到的是，能夠根據本發明生產較短或較長 之幫浦腔100，幫浦腔之總長一般係受限於用以生產雷射 棒110或包覆材120的製造技術。雷射棒之直徑典型係為 15 5〜8厘米，且包覆材120典型具有卜2厘米之厚度。雷射棒 110可具有一較大之直徑，但直徑之上限可由用以製造該 雷射棒110的技術加以限制。雷射棒i 1〇之直徑可小於i厘 米，但直徑之下限可由以下說明之擴散結合技術加以限制 〇 20 包覆材120係擴散結合到雷射棒110。用於雷射棒110 之材料可為先别技蟄所知任何數量的激化主晶或玻璃，典 3L之材料係為Nd:YAG或Yb:YAG。外部包覆材120可由任 何材料所組成，該材料⑴具有足夠之熱傳導性，以便從雷 射棒110傳遞熱！；⑺具有與用於雷射棒11〇之材料極為相 14 200301980 玖、發明說明 配的物理性質，尤其是熱膨脹係數（CTE)，以便容許使包 復材擴政結合到雷射棒110 ’並容許隨後的熱膨服；及非 常重要的（3)由於ASE係由高增益材料（諸如Nd:YAG)所產生 ’故該材料係本質上對於雷射波長具有吸收性，且對於幫 5 廣波長透明，或是能夠以一不純離子加以摻雜，其會產生 相同的效果。外部包覆材之折射率與芯材極為相符亦為較 佳，以便消除芯材-包覆材邊界處之夫瑞奈（Fresnel)反射。 外部包覆材之典型材料係為未摻雜的YAG(如果ase並不顯 著）’或是摻釤YAG，以便抑制ASE。 1〇 包覆材上之外部塗層可包含兩段單獨的塗層。如以上 所述，第一塗層段134僅在幫浦能量具高度反射性，高反 射性塗層於先前技藝係熟為人知。第二塗層段132僅在幫 浦能量波長具有抗反射性，以便容許幫浦能量耦合進入雷 射棒中，抗反射性塗層（諸如那些多層塗佈所提供之塗層） 5於先岫技藝同樣為人所熟知。然而，亦可使用單金屬塗層 而不必使用更為昂貴之單獨或多重波長電介質特性的塗 層。不同於先前技藝，來自於雷射棒之放大自發輻射係吸 收於外部包覆材之中。先前技藝裝置使用選擇性的高反射 塗層，其貝際上製造相當困難，且在抑制放大自發輻射方 20面效果並不如摻雜包覆材顯著。 “擴政、、"口係為一種程序，欲結合之物件首先係加以拋 光且光學接觸，接著承受接近炫點之熱量，以致於使兩接 面溶δ在起。擴散結合用之方法係詳細說明於1995 年8月15日頒給梅斯納（H.E.Meissner)之美國專利第 15 200301980 玖、發明說明 5,44^03號「由單晶物質製造之合成物」與月8 曰同樣頒給梅斯納的美國專利第5,846,638號「複合式光學 與電子光學元件」之中，兩專利文件皆以參考方式併入本 文之中，施加於本發明之該等結合步驟係於以下另外詳加 5說明。當正確完成時，擴散黏合會在雷射棒與外部包覆材 之間提供無縫的光學邊界。由於水晶對空氣全内部反射界 面並沒有增益材料，故圍繞雷射棒之外部周圍不會產生圓 形的「回音(Whispering)」模式。的確，當包覆材為 Sm:YAG時，該材料係具有耗損性。另外，由於外部包覆 10材係直接結合到雷射棒’而沒有中介層，故從雷射棒到外 部包覆材之熱傳導係非常有效率。其他將光學材料結合在 一起之方法亦可制，只要所產生之㈣腔如同由-單件 材料所形成一般，也就是說，良好的折射率配合必須存在 〇 b _㈣斯納之參考資料中所述，擴散結合基本上係有關 三個步驟。第-步驟係為精確拋光與清潔物件欲結合之接 觸表面。為使擴散結合能夠正確實行，應該這些表面的整 個長度與寬度光學平坦。較佳地，該表面之平坦度每5公 分到10公分係小於可見光的一個波長。欲結合之物件亦能 20夠加以預熱，以便移除任何從接觸表面吸收的水分或氣體 擴放結合之第二步驟係為使接觸表面光學接觸。如果 接觸表面足夠平坦與乾淨’則當接觸表面彼此接觸時便可 看見干V條紋。光學接觸一般係藉著干涉條紋消失所 16 200301980 玖、發明說明 指示，因為接觸表面彼此由於萬德瓦（Van der Waals)吸引 力而夾持在一起，干涉條紋會擴散開，直到不見為止。此 時’接觸表面係彼此光學接觸。能夠對物件施加壓力，以 加強接觸表面之間的夾持，但是此壓力並非必須，因為接 5 觸表面之間的吸引力應足以將接觸表面固持在一起。 擴散結合之最後步驟係為逐漸加熱接觸表面彼此光學 接觸的物件，以便形成一永久結合之複合構造。擴散結合 發生之溫度係低於個別物件中的材料熔點，但在一溫度經 歷一段時間，使其足以結合接觸表面。對於結晶基質（諸 10 如摻雜與未摻雜YAG)而言，結合溫度一般係為〇.4到0.9乘 以欲結合之物件（其具有最低熔化溫度）的熔化溫度。在將 物件加熱過一足夠時間以完成結合以後，該複合構造係以 一速率加以冷卻，其容許材料中之殘留應力退火。擴散結 合之加熱導致釋放存在於欲減輕的結晶體與原子構造中之 15 應力，然而，冷卻必須以足夠緩慢之速率進行，以致於使 该等應力不會重現。冷卻之速率係藉由相關表面、材料之 熱膨脹係數，以及複合構造中之元件的尺寸所決定。在擴 散結合完成並形成一複合構造以後，該構造可進行進一步 之加工，諸如切割、滾軋、研磨與拋光。 20 一種於包覆材中形成一八角形芯材，以便藉由擴散結 合形成一幫浦腔的較佳方法係顯示於第2A〜2J圖中。熟諳 此技藝之人士將體認到，以下說明之方法可用以製造具有 任何側面數目的芯材。第一步驟係顯示於第2 a圖中，該圖 顯示使芯材板210與一第一包覆材板22〇a相結合，兩片板 17 200301980 玖、發明說明 210、220a係結合於一第一芯材接觸表面2i〇a。上述程序 可用以擴散結合兩板210、220a，以形成一第一複合構造 2〇1 ’或是亦可使用其他先前技藝所熟知的程序，以便形 成該複合構造201。 5 幵》成一幫浦腔之下一步驟係顯示於第2B圖中。在第 2B圖中，一第二包覆材板22〇b係擴散結合到芯材板21〇之 一第二芯材接觸表面210b，該第二芯材接觸表面210b係與 第一芯材接觸表面210a相對。再次注意到的是，該第二芯 材接觸表面與第二包覆材板必須藉著將接觸表面研磨以及 10拋光成光學平坦加以製備。擴散結合以後係形成一第二複 合構造202，且將芯材板210夾在包覆材板22以與22扑之間 〇 第2C圖顯示將一第三包覆材板220c結合到該第二複合 構造202，以便形成一第三複合構造2〇3。第三包覆材板 15 22〇C之擴散結合可能需要切割或滾軋該第二複合構造202 ，以便形成芯材之適當尺寸。然而，如以上所述，藉由擴 散結合所形成之一複合構造應視為一單件材料。因此，一 單件材料上所實行之切割與滾軋程序能夠以大致上相同的 方式貫行於該複合構造上。在切割或滚軋該第二複合構造 20 202，以便使其能夠接受第三包覆材板22〇c之後，第三芯 材板220c之接觸表面與複合構造第三接觸表面2心係加以 精細拋光與清潔，以便形成光學平坦表面，使其能夠將該 第三芯材板220C擴散結合到第二複合構造2〇2。在擴散結 合這些元件之後係形成一第三複合構造2〇3。 18 200301980 玖、發明說明 第2D〜2H圖顯示該複合構造之切割與滾軋的剩餘步驟 ，以及擴散結合各個額外的包覆材板220d、220e、220f、 220g、220h，以便形成其他的複合構造204、205、206、 207、208。如第2D圖中所示，一第四包覆材板22〇d係與第 5三包覆材板220c相對擴散結合到該第三複合構造2〇3 ，以 形成一第四複合構造204。第2E圖顯示將一第五包覆材板 220e擴散結合於该弟四複合構造2〇4之一第一角落，以便 形成一第五複合構造205。第2F圖顯示將一第六包覆材板 220f擴散結合於與第一角落相對之一第二角落，以便形成 10 一第六複合構造2〇6。第2G圖顯示擴散結合一第七包覆材 板22〇g，以便形成一第七複合構造2〇7;且第21^圖顯示擴 散結合一第八包覆材板220h，以便形成一第八複合構造 208。仔細地切割或滾軋各個複合構造將可確保產生如第 2U圖中所示之芯材210具有所需的尺寸。 15 20 丨牛，以及對具有 對於有助於從芯材導除熱 圓形模式之雷射光束提供改良的增益而言，—圓形或近似 圓形芯材210係為較佳。因&，若多邊形芯材所具有之侧 邊數目愈多’則該芯材之形狀將愈接近一圓形。然而，如 以上所示，製造之步驟數量係直接與多邊形芯材所具有的 侧邊數目成正比。增加製造步驟數目用以生產—根據本發 明之幫浦腔係可能導致製造成本的增加，同樣注意到的是 ’擴散結合可能限制芯材直徑之下限。當初始芯材板具有 極微小之初始厚度時，冑了擴散結合而提供之絲平坦表 面所需的精密研磨與抛光可能更難達成。“，隨著此等 19 200301980 玖、發明說明 精密研磨與拋光控制技術之改良，預料較小芯材直徑之供 應將較容易獲得。另外注意到的是，根據本發明之一幫浦 腔可具有一芯材，其並非必須具有一等邊多邊形，亦即， 該芯材橫剖面之側邊可具有不同的長度。根據本發明之幫 5浦腔的怒材可具有矩形或其他不等邊多邊形橫剖面。 第21圖顯示所產生的複合幫浦腔25〇。可使用額外的 滾軋、切割與研磨，以便形成一具有所需外部橫剖面形狀 的幫浦腔。亦可藉著芯材鑽孔（一種先前技藝所熟知之技 術）從過剩包覆材240擷取芯材210與圍繞之包覆材22〇，由 1〇產生之複合幫浦腔250形成一所需的幫浦腔，以獲得一具 有芯材之複合構造。如以上所述，一圓形之橫剖面係為較 佳。注意到的是，完成橫剖面形狀之製造需要額外的精細 加工，因為芯材210較佳係準確地位於包覆材24〇内之中心 。同樣注意到的是，亦能夠形成其他的完成橫剖面形狀。 15 第2:圖顯示將幫浦腔250製造成具有一圓形外部橫剖 面之後的幫浦腔260。第2J圖亦顯示將塗層23〇塗佈於幫浦 腔之包覆材的外部表面以後的幫浦腔26〇。研磨與拋光， 或是其他先前技藝所知的方法能夠用以製備幫浦腔之外部 表面，以便接受這些塗層。如以上所述，對於幫浦能量與 2〇雷射能量之波長具有抗反射性的塗層係用於雷射幫浦腔表 面上欲施加幫浦能量的那些部分，而剩餘的表面係以一種 材料加以塗佈，該材料對於幫浦能量之波長係具有高度反 射性，而對於雷射能量之波長則具有抗反射性。以此方式 塗佈幫浦腔能夠避免自發雷射輻射之再反射，並從而降低 20 200301980 玖、發明說明 ASE 〇 女上所述之幫浦腔製造方式能夠藉著雷射棒構造之供 應商加以實行。因此當製造結合幫浦腔之雷射單元時，於 1且裝入一雷射單元時，其並不需要額外的步驟，以形成完 5整的幫浦腔。如此降低了雷射單元之構造成本，並增加了 違雷射單元之品質與可靠性。 本發明之一項主要的優點係為藉著外部包覆材從雷射 +傳；熱i。然而，此熱量仍必須從外部包覆材導除，同 蚪仍容許將幫浦能量施加到雷射棒。為此目的，能夠使用 1〇先前技藝中所熟知之散熱器。第3與第4圖顯示兩種與幫浦 腔之雷射棒與包覆材複合物有關的散熱器，其中該幫浦腔 係為侧面泵激式。另外注意到的是根據本發明之幫浦腔亦 可為尾端泵激式。 在第3圖中，兩個半圓形散熱器3〇1係置於雷射棒11〇 15與包覆材120複合物之上方與下方，且直接與其相鄰接。 该等散熱器301較佳延伸雷射棒之全長，隙縫31〇係設置於 兩個散熱器301之間，以便容許施加幫浦能量3 u。隙缝 310彼此面對，以致於使施加到雷射棒11〇的幫浦能量與幫 浦能量來源之間的角度大致上成18〇◦。如此方向之散熱器 20 3〇 1容許雷射棒110來自於光幫浦來源（未顯示，諸如二極 體陣列或是閃光燈炮）之泵激彼此直接相對。包覆材在施 加幫浦能量之區域中，該外部包覆材120較佳係以一塗層 132加以塗佈’該塗層對於幫浦波長係具有抗反射性。剩 餘之包覆材120較佳係以一塗層134加以塗佈，該塗層對於 21 200301980 玖、發明說明 幫浦能S波長具有高度反射性，如先前所述。對於外部包 覆材120而言，一彎曲、圓形或近似圓形之外部輪廓係為 較佳，因為如此最能夠確保從雷射棒丨1〇放出輻射熱量。 接著能夠使用對流冷卻、液體冷卻，或是其他先前技藝所 5 知之技術從該等散熱器3 01取出熱量。 在第4圖中，一第一散熱器33丨係佈置圍繞外部包覆材 120大部份之外部表面，該外部包覆材包含雷射棒丨1〇。提 供兩個隙缝313，以便容許將幫浦能量311施加到雷射棒 Π0。與第3圖中所示之構造不同，兩個隙缝3 13係放置成 10使其不會彼此相對，而是將隙縫313放置成使施加到雷射 棒的幫浦能量3 11之間的角度小於丨8〇。。較佳地，外部包 覆材120係以一幫浦能量抗反射塗層132塗佈於隙縫之處， 而以一幫浦能量高反射性塗層丨34塗佈於其餘部份。隙縫 313之間能夠使用一第二散熱器333，以便額外提供從雷射 15棒11()導除熱量。如上述，外部包覆材120可具有一圓形外 部輪廓，以便有助於將散熱器33 i、333結合到外部包覆材 120 〇 第5圖顯示由兩個擴散結合之幫浦腔段件5〇1〖、5〇匕所 構造的幫浦腔5〇〇之一另擇實施例。一中間延伸段件55〇2 2〇係用以結合兩個幫浦腔段件501〖、5〇h。一第一尾端延伸 段件55〇1係佈置於該第一幫浦腔段件5〇1ι之前方，且一第 一尾端延伸段件55〇3係佈置於該第二幫浦腔段件5〇l2之背 ^ "玄兩個幫浦腔段各包含一摻雜雷射棒5 1 (^、5 102、一 外部包覆材52〇i、52〇2、一幫浦能量高度反射塗層534ι、 22 200301980 玖、發明說明 53心，以及一幫浦能量抗反射性塗層S32i、532〗。幫浦能 量係施加於各幫浦腔件5011、5012上存有幫浦能量抗反射 塗層532i、5322之處。延伸段件55(h、5502、55〇3可包含 未摻雜之材料，其類似雷射棒51〇1、51〇2所使用之材料， 5或是其他先前技藝所知之材料，以便提供飽和吸收。 位於一幫浦腔之一或兩個尾端的未摻雜延伸段件能夠 提供安置、強度，以及幫浦腔性能方面之優點。未摻雜之 延伸段件並未泵激，故將此等段件佈置於雷射腔之任一或 兩尾端容許在延伸段件處安置幫浦腔，同時避開幫浦能量 10來源。另外注意到的是，幫浦腔之尾端可能變得很燙，以 致於幫浦腔之曝露尾端突起，其可能導致熱裂縫。將未摻 雜段件擴散結合到幫浦腔之尾端能夠避免該等幫浦腔尾端 的突起，並降低雷射棒之熱裂縫的可能性。如果雷射媒介 物係為一種三層或半三層媒介物，則該媒介物之未泵激區 15域於雷射波長會承受基態吸收。使用未摻雜之延伸段件容 許將該雷射棒固持於延伸段件處，以致於能夠沿著雷射媒 介物之全長施加幫浦能量。由於將雷射媒介物之未泵激區 域減到最小，故基態吸收之損失亦降到最低。因此，將延 伸段件擴散結合到幫浦腔段件能夠於該等延伸段件與幫浦 20腔段件之間提供尚品質的光學接觸，以致於使未摻雜段件 消除了基態吸收損失。本發明之另擇實施例能夠僅使用一 單獨幫浦腔，並將未摻雜段件擴散結合到任一尾端，或是 能夠使用兩個以上的幫浦腔，並與未摻雜之段件結合。 藉著擴散結合使各個幫浦腔501l、50h結合在一起所 23 200301980 玖、發明說明 提供之另一優點係在於，所產生之幫浦腔的總長較長，且 從而能夠產生一較高能量之雷射光束。然而，在延伸幫浦 腔之長度方面所產生的問題係為，寄生振盪與ASE會隨著 長度增加而增加。如果幫浦腔段件中所使用之包覆材具有 5 ASE吸收特性，則根據本發明之幫浦腔段件能夠提供降低 所生產的延伸幫浦腔内之ASE與寄生振盪。 根據本發明之一幫浦腔的另一實施例具有至少一個摻 雜段擴散結合到一個或更多幫浦腔段件之尾端，該摻雜段 包含飽和吸收材料係為較佳。於至少一個摻雜段中使用飽 Μ和吸收材料提供實行一具有延伸幫浦腔之Q轉換或是鄕 鎖定雷射的能力。對於某些關注之波長而言，飽和吸收材 料所需之摻雜與主媒介物係為先前記憶所熟知。 根據本發明之一幫浦腔的另擇實施例可具有一雷射棒 ，其橫剖面並非完整之多邊形。在此實施例中，該雷射棒 15可具有-個或更多之光學平坦側面，其容許將具有光學平 坦表面之包覆材板擴散結合到雷射棒的光學平坦表面。較 佳地，該等包覆材板完整地包覆雷射棒，以便提供熱優點 ’並降低上述之ASE與寄生振盪。同樣地，包含雷射棒（其 並非完整多邊形）之幫浦腔段件能夠與推雜與未推雜段件 相、° 口如以上所述]參雜與未摻雜段件亦能夠配置於幫 浦腔之尾端，雷射棒與包覆材所使用之材料亦能夠如上述 材料。 由以上說明可體認到，本發明具有一些優點，其中有 些優點已經於以上加以說明，且其他優點係屬於本發明上 24 200301980 玖、發明說明 ,1 口 v疋，月匕列芝丁於上述之幫 浦腔與其製造方法進行修改，而不脫離文中所說明之主題 的學說。就其本身而言，除了所附之申請專利範圍需要以 外，本發明並非限定於該等說明的實施例。 5 【圖式簡單明】 第1A圖係為根據本發明，_幫浦腔之實施例的等角視 圖； 第1B圖係為第！圖中所示之一幫浦腔實施例的一横剖 面圖； 第2A〜2J圖顯示一種用以製造根據本發明之一幫浦腔 實施例的程序 第3圖顯示根據本發明之實施例，一散熱器與幫浦腔 之組合； 第4圖顯示根據本發明之實施例，一散熱器與幫浦腔 15 之另擇組合； 第5圖顯示由兩個幫浦腔與延伸段件擴散結合所產生 之本發明的另一實施例。 圖式之主要元件代表符號表】 1〇〇···幫浦腔 11 〇 · · ·雷射棒 120···包覆材 13 2 · · ·塗層 134·.·塗層 201···第一複合構造 202.··第二複合構造 203··.第三複合構造 204···第四複合構造 2 0 5…弟五複合構造 206···第六複合構造 207·.·第七複合構造 25 200301980 玖、發明說明 208.··第八複合構造 210.. .芯材板 210a...第一芯材接觸表面 210b...第二芯材接觸表面 210c...複合構造第三接觸表面 220a...第一包覆材板 220b...第二包覆材板 220c···第三包覆材板 220d···第四包覆材板 220e...第五包覆材板 220f...第六包覆材板 220g.··第七包覆材板 220h·.·第八包覆材板 230…塗層 240.. .包覆材 250···幫浦腔 260.. .幫浦腔 301.. .散熱器 310.. .隙缝 311…幫浦能量 313.. .隙縫 331.. .第一散熱器 333…第二散熱器 500···幫浦腔 501.. .幫浦腔段件 510.. .雷射棒 520.. .外部包覆材 532···幫浦能量抗反射塗層 534.. .幫浦能量高反射塗層 550.. .中間延伸段件 26

Claims (1)

1. ‘州(J1980 拾、申請專利範圍 1二種雷射幫浦腔，其以一第一波長之幫浦能量泵激， 亚產生-第二波長之雷射能量，該雷射幫浦腔包含： 一雷射棒，其具有一多邊形之橫剖面以及一縱向 車由線並具有一第一尾端與一第二尾端；及 ^外部包覆材，該包覆材沿著其縱向軸線圍繞該 田射棒，且係擴散結合到該雷射棒； 其中該外部包覆材大致上對於該第一波長透明， 且大致上對於該第二波長具有吸收性。 2·如申請專利範圍第！項之雷射幫浦腔，其進一步包含： 一個或更多段之第一材料層，其塗佈外部包覆材 该層第一材料對於施加到幫浦腔之幫浦能量係具有 高度反射性，且係配置於外部包覆材沒有施加幫浦能 量之區域上；及 一個或更多段之第二材料層，其塗佈外部包覆材 ，该層第二材料對於施加到幫浦腔之幫浦能量係具有 抗反射性，且係配置於外部包覆材施加幫浦能量之 域上。 3. 20 4. 5· 如申請專利範圍第1項之雷射幫浦腔，其中該外部包覆 材具有一圓形或橢圓形之外部橫剖面。 如申請專利範圍第1項之雷射幫浦腔，其中該外部包覆 材具有一多邊形之外部橫剖面。 如申請專利範圍第1項之雷射幫浦腔，其中該雷射棒包 含換敍紀銘石權石。 6·如申凊專利範圍第i項之雷射幫浦腔，#中該雷射棒包 27 200301980 拾、申請專利箪包匱 含摻鏡釔鋁石榴石。 其中該外部包覆 其中該外部包覆 其中该雷射棒與 7·如申請專利範圍第丨 心田射幫浦腔 材包含釔鋁石榴石。 8·如申請專利範圍第丨 <田射幫浦腔 材包含摻釤釔鋁石榴石。 9·如申請專利範圍第1項之雷射幫浦腔.六η 外部包覆材具有相同之長度，且進—步包含·· :個或更多之延伸段件，其配置於該雷射棒之第 10 15 或第-尾端’或者兩尾端皆加以佈置，該等延伸^ 件係擴散結合到雷射棒與外部包覆材。 " W·如申請專利範圍第9項之雷 田耵幫浦月工，其中該等延伸段 件包含未摻雜之材料。 U.，申請專利範圍第9項之雷射幫浦腔，其中至少一個該 等延伸段件包含飽和吸收材料。 X 12·如申請專利範圍第旧之雷射幫浦腔，其進_步包含： 一個或更多之散熱器，其圍繞該外部包覆材，且 係靠著該外部包覆材加以配置，以便從外部包覆材傳 導熱量；及 位於該等散熱器中之一個或更多的隙縫，該等隙 縫延伸到外部包覆材，並具有一寬度與長度，以容許 將幫浦能量結合到幫浦腔。 13·如申請專利範圍第12項之雷射幫浦腔，其中該等隙縫 係成對配置，且該等隙縫對中之各隙縫係以與隙縫對 中的另一隙縫夾角成180。之方式加以配置，該角度係 28 拾、申請專利範圍 由雷射棒之中心測量到隙縫。 14·如申請專利範圍第12項之雷射幫浦腔，其中該等隙縫 係成對配置，且該等隙縫對中之各隙缝係以與隙縫對 中的另-隙缝夾角小於180。之方式加以配置，該角度 係由雷射棒之中心測量到隙缝。 15,種雷”浦腔，其以_第—波長之幫浦能量系激， 並產生一第二波長的雷射能量，該雷射幫浦腔包含： 一雷射棒’其具有-多邊形橫剖面以及-縱向軸 線；及 -外部包覆材’其圍繞雷射棒之縱向轴線包覆該 雷射棒’且係擴散結合到該雷射棒，其中外部包覆材 大致上係對於該第一波長透明，且大致上對於該第二 波長具有吸收性；及 個或更多之延伸段件，其配置於複數個幫浦腔 奴的幫浦腔段之間，該等延伸段件係擴散結合到該等 幫浦腔段。 16.如申請專利範圍第15項之雷射幫浦腔，其中各幫浦腔 段件進一步包含： 一個或更多段之第一材料層，其塗佈外部包覆材 ，該層第一材料對於施加到幫浦腔之幫浦能量係具有 高度反射性，且係配置於外部包覆材沒有施加幫浦能 量之區域上；及 一個或更多段之第二材料層，其塗佈外部包覆材 ，該層第二材料對於施加到幫浦腔之幫浦能量係具有 29 200301980 拾、申請專利範圍 抗反射性，且係配置於外部包覆材施加幫浦能量之區 域上。 17·如申請專利範圍第15項之雷射幫浦腔，其中各幫浦腔 段件中之外部包覆材具有一圓形或橢圓形之外部橫剖 5 面。 18.如申請專利範圍第15項之雷射幫浦腔，其中各幫浦腔 段件中之外部包覆材具有—多邊形之外部橫剖面。 19·如申請專利範圍第15項之雷射幫浦腔，其中各幫浦腔 ί又件中之雷射棒包含摻歛紀銘石摘石。 10 20·如申請專利範圍第15項之雷射幫浦腔，其中各幫浦腔 ί又件中之雷射棒包含摻镱紀紹石權石。 2L如申請專利範圍第15項之雷射幫浦腔，其中各幫浦腔 段件中之外部包覆材包含釔鋁石榴石。 22.如申請專利範圍第15項之雷射幫浦腔，其中各幫浦腔 ’又件中之外部包覆材包含摻釤紀鋁石榴石。 23·如申請專利範圍第15項之雷射幫浦腔，其中該等延伸 段件包含未摻雜之材料。 24·如申請專利範圍第15項之雷射幫浦腔，其中至少一個 该等延伸段件包含飽和吸收材料。 20 25.如申請專利範圍第15項之雷射幫浦腔，其中該延伸雷 射幫浦腔具有-第-尾端以及一第二尾端，且該延伸 雷射幫浦腔進一步包含： 一個或更多尾端段件，其配置於該延伸雷射幫浦 月工之第尾知或第二尾端，或是兩尾端皆加以配置， 30 2〇〇3〇i98〇 拾、申請專利範圍 該等尾端段件係擴散結合到延伸之雷射幫浦腔。 26·如申請專利範圍第15項之雷射幫浦腔，其進一步包含： 一個或更多之散熱器，其圍繞各幫浦腔段件，且 係靠著幫浦腔段件之外部包覆材加以配置，以便從外 部包覆材傳導熱量；及 位於該等散熱器中之一個或更多的隙縫，該等隙 縫延伸到外部包覆材，並具有一寬度與長度，以便容 許於一個或更多隙縫處將幫浦能量結合到幫浦腔。 27·如申請專利範圍第26項之雷射幫浦腔，其中該等隙縫 係成對配置，且該等隙縫對中之各隙縫係以與隙縫對 中的另一隙縫夾角成180。之方式加以配置，該角度係 由幫浦腔段之中 心測量到隙縫。 28·如申請專利範圍第26項之雷射幫浦腔，其中該等隙縫 係成對配置，且該等隙縫對中之各隙縫與隙縫對中的 另一隙縫夾角係小於180。加以配置，該角度係由幫浦 腔段之中心測量到隙縫。 29· —種製造具有一多邊形芯材之雷射幫浦腔的方法，該 方法包含之步驟為： (a) 訂定芯材之多邊形形狀； (b) k供一芯材板’其具有一上表面、一下表面、 一第一光學平坦表面，以及一與該第一光學平坦表面 相對之弟一光學平坦表面；該第一與第二光學平扭表 面配置於上表面與下表面之間，且通常與上表面及下 表面垂直； 31 200301980 拾、申請專利範圍 (c) 提供複數個包覆材板，各包覆材板具有至少一 個光學平坦表面； (d) 將複數個包覆材板其中一者之光學平坦表面擴 散結合到芯材板的第一光學平坦表面； 5 (e)將複數個包覆材板之另一者的光學平坦表面擴 散結合到芯材板之第二光學平坦表面，以便形成一複 合構造； (f) 研磨與抛光该複合構造，以便至少移除一部份 芯材板所殘留之芯材，提供一個新的光學平坦表面， 10 其包含至少些許部分之芯材板； (g) 將複數個包覆材板之另一者的光學平坦表面擴 散結合到該新的光學平坦表面，其包含至少該複合構 造之芯材板的些許部分；及 (h) 重複步驟⑴與（g)，直到包覆材完全地包覆由芯 15 材板所形成之芯材為止，以提供雷射幫浦腔，其中該 芯材具有特定之多邊形。 30·如申請專利範圍第29項之方法，其中該包覆材板包含 包覆材，其對於一第一波長之幫浦能量大致上透明， 且對於一第一波長之雷射能量係大致上具有吸收性。 2 0 3 1.如申請專利範圍第2 9項之製造一雷射幫浦腔的方法， 其進一步包含之步驟為： (〇訂定雷射幫浦腔之橫剖面形狀；及 ⑴研磨與拋光該雷射幫浦腔，直到該雷射幫浦腔 具有訂定之橫剖面形狀為止。 32 200301980 拾、申請專利範圍 32.如申請專利範圍第31項之製造一雷射幫浦腔的方法， 其進一步包含之步驟為： (k)以一種或更多抗反射性塗層、一種或更多高反 射性塗層，或是使用抗反射性塗層與高反射性塗層塗 5 佈該雷射幫浦腔之外部表面。 33·如申請專利範圍第3〇項之製造一雷射幫浦腔的方法， 其進一步包含之步驟為： (i)訂定雷射幫浦腔之橫剖面形狀； ⑴對於該雷射幫浦腔進行芯材鑽孔，以便擷取芯 材與圍繞之包覆材，提供一貫心之雷射幫浦腔； (k)研磨與拋光貫心雷射幫浦腔，直到該貫心雷射 幫浦腔具有訂定之橫剖面形狀為止。 34.如申請專利範圍第33項之製造一雷射幫浦腔的方法， 其進一步包含之步驟為： 5 (1)以一種或更多抗反射性塗層、一種或更多高反 射性塗層，或是使用抗反射性塗層與高反射性塗層塗 佈該雷射幫浦腔之外部表面。 35·如申請專利範圍第29項之製造一雷射幫浦腔的方法， 其中該芯材包含摻雜之紀鋁石權石。 2〇 36·如申請專利範圍第29項之製造一雷射幫浦腔的方法， 其中各包覆材板包含紀銘石權石。 37· —種雷射幫浦腔，其包含： 一雷射棒，其具有一縱向軸線以及一第一與第二 尾端’該雷射棒具有一個或更多平坦側面之橫剖面， 33 200301980 拾、申請專利範圍 該一個或更多平坦側面係對於縱向軸線光學平坦；及 該雷射棒之一個或更多平坦表面係擴散結合到一 個或更多外部包覆材板其中至少一者的光學平坦表面 〇 5 38.如申請專利範圍第37項之雷射幫浦腔，其中該外部包 覆材板沿著雷射棒之縱向軸線完整地包覆該雷射棒。 39·如申請專利範圍第37項之雷射幫浦腔，其中該雷射棒 包含摻雜之釔鋁石;)：留石。 40·如申請專利範圍第37項之雷射幫浦腔，其中該包覆材 〇 板包含摻雜或未摻雜之紀銘石權石。 41 · 一種設計一雷射幫浦腔之方法，其包含之步驟為： 訂定一雷射棒之芯材的橫剖面形狀，該橫剖面形 狀具有一個或更多之大致上平坦的側面； &供一具有該特定橫剖面形狀之雷射棒，該雷射 5 棒具有一縱向軸線，且一個或更多大致上平坦的側面 各沿者該縱向轴線延伸； 使該雷射棒之至少一個平坦側面成為光學平坦表 面； 提供一個或更多之包覆材板，各個包覆材板具有 '° 至少一個光學平坦侧面；及 將一個或更多包覆材板之光學平坦側面擴散結合 到違雷射棒的每個光學平坦側面。 42.如申請專利範圍第41項之方法，其中一個或更多包覆 材板沿著雷射棒之縱向軸線包覆該雷射棒。 34 200301980 拾、申請專利範圍 43·如申請專利範圍第41項之方法，其中該雷射棒包含摻 雜之釔鋁石榴石。 44.如申請專利範圍第41項之方法，其中該包覆材板包含 摻雜或未摻雜之釔鋁石榴石。 35