TW201633639A - 藉由均勻抽吸放大介質之雷射光束放大法 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種用於藉由經由放大介質抽吸均勻複合源光束來放大雷射光束之裝置及方法。經由具有雷射二極體條及光學總成之泵模組側面抽吸(side-pump)平板結晶活性介質。該光學總成具有在快軸上之快軸準直器及透鏡以及在慢軸上之慢軸準直器陣列及該透鏡。該等透鏡間隔開以使得來自發射器之個別源光束：成像在該放大介質之第一琢面上；在該第一琢面處或靠近該第一琢面具有光束腰；經設定大小以填充該第一琢面；實質上重疊在該第一琢面上；且經導向以使得周邊源光束在進入該放大介質時經歷全內反射。與雙側抽吸配置一起描述多個雷射二極體條及光學總成之實施例。

Description

藉由均勻抽吸放大介質之雷射光束放大法
本發明係關於一種用於藉由經由放大介質抽吸均勻複合源光束來放大雷射光束之裝置及方法。
具有小於10ps之脈衝寬度的雷射在微加工工業應用中提供新處理能力。然而，使得能夠實現大量製造之處理速度要求100kHz至10MHz之間的脈衝重複頻率(其可調整為最佳頻率)及超過100W之平均功率。通常，由於最大脈衝能量受限於非線性效應及對雷射晶體之損壞，藉由大多數雷射架構不可達成此類組合。薄磁碟雷射振盪器已達成接近150W之功率，該功率處於所需功率範圍之下端，但在3.50MHz與60MHz之間的固定脈衝重複頻率下，該功率高於所需範圍，且不易在維持平均功率的同時將該等頻率調整為用於具體製程之最佳頻率。
目前，使用主控振盪器功率放大器(MOPA)以獲得所需高平均功率。在此裝置中，低功率雷射主控振盪器產生耦合至功率放大器之所需寬度的脈衝。輸入脈衝刺激在放大器內之發射，該發射經添加至輸入脈衝以產生較高輸出能量脈衝。由於強度及通量兩者明顯低於將在具有類似輸出之振盪器內達成的強度及通量，故裝置可在出現損壞之前達成較高輸出功率及能量。目前正以數個替代性雷射架構來實施MOPA。
在此等配置中之每一者中，單一固態結晶介質形成通常經由一或多個雷射二極體條抽吸的放大器之作用區。雷射二極體條為具有快軸及慢軸之發射器之線性陣列，該快軸指代光束快速發散之垂直軸線(垂直於半導體晶圓)，且該慢軸平行於該等條之表面。慢軸(x軸)及快軸(y軸)彼此垂直且與泵軸(z軸)正交。若器件將以穩定模式及功率(其為任何工業雷射系統的前提條件)有效操作，則發射器至固態雷射介質的正確能量耦合至關重要。耦合技術必須確保橫向於泵軸及沿著泵軸兩者的近似均一的吸收及加熱。在諸如Nd：YAG之4能階雷射系統中，熱產生之折射率剖面可引起光束轉向、模態失真及去極化。儘管可藉由選擇晶體幾何結構(諸如，薄板或平面波導)來降低此等效應中之一些，但無法將其完全消除。另外，在諸如Yb：YAG之準3能階系統中，當未均一地抽吸晶體時，在室溫下之有限較低雷射能階粒子數可引起非所要吸收區。
Daniel Kopf之EP1318578描述一種用於再生放大器之抽吸系統，其中藉由使陣列中之每一單一發射器成像而無需聚焦至雷射介質處之實質上同一光點來自雷射二極體陣列源或多個陣列獲得合適的實質上平滑雷射二極體泵光點。由於不存在聚焦，以相當低之光點強度在增益介質之表面處達成縱橫比相當低之二極體雷射光束，該相當低之強度防止由再生放大器設定中之較高強度導致的熱損壞及其他問題。
在圖1中詳細展示EP1318578之泵方案。在雷射二極體條A之快軸上，將呈圓柱形透鏡形式之具有介於0.2mm至1mm之間的焦距f 1 之快軸準直器B置放於距雷射二極體發射器C距離f 1 處。此用以在快軸上使強烈的發散光準直。在慢軸上，將焦距為f 2 之圓柱形透鏡D置放於距二極體發射器C距離約f 2 處。此透鏡僅在慢軸上起作用。其用以在慢軸上使光束準直且產生藉由陣列內之個別發射器產生之光束之間的實質性重疊。替代地，藉由稍微移位圓柱形透鏡之位置，可將光束在 慢軸上彼此鄰近地置放。重要的是，不存在光束在快軸上之聚焦。
此泵方案之目的在於在增益介質之表面處產生具有平滑剖面之近環形或低縱橫比光束，以用於相較於MOPA中所使用之薄板或平面波導結構具有薄盤作用區之再生放大器。需要光束之低縱橫比及剖面防止非所需開孔及不均一加熱效應。為產生平滑剖面，慢軸上之圓柱形透鏡並未使光束成像但在距透鏡焦距f 2 處產生遠場分佈，即近場的傅立葉變換。此配置之劣勢在於作用區中之增益受限且因此MOPA需要複合再生放大器。
已知，在泵光束進入晶體之後，其根據熟知比爾(Beers)定律I out =I in exp(-αz)經吸收，其中I out 為在穿過由吸收係數α表徵之吸收介質傳播距離z後輸入光束強度I in 之剩餘光束強度。為解決光束泵強度之此指數衰減，已提出雙重抽吸配置。雙重抽吸配置可見於來自(例如)德國EdgeWave GmbH公司之可商購INNOSLAB放大器中且展示於圖2中。泵方案在所勾勒之方框內。
圖2展示具有兩個平面雷射二極體條E、F之雙佈局，每一者穿過相對側入射於雷射晶體G上，其中泵軸與經放大或振盪種子光束之傳播軸共線。在快軸上，使用具有合適放大率之望遠鏡將光束直接成像至晶體以產生通常在晶體高度之20%與50%之間的抽吸條帶高度。在慢軸上，光束聚焦至平面波導H中。隨著多個發射器光束沿波導行進，其隨後『混合』，引起具有更均勻或均一剖面之輸出。隨後使用合適放大率將均勻化光束成像至晶體中，以使得均一地抽吸晶體之寬度。
此方法之主要劣勢為組件之複雜度及器件之較大佔據面積，其通常為500mm×500mm。主要藉由泵均勻化光學器件及波導之大小及複雜度而非晶體或泵二極體自身之大小及複雜度判定該佔據面積。另外，由於泵軸與種子光束之傳播軸共線，故需要額外光學器件來將泵 光束及種子光束相對於彼此重新導向。
本發明之目標在於提供用於藉由經由放大介質抽吸均勻複合源光束來放大雷射光束之裝置及方法，該放大介質克服先前技術中之至少一些劣勢。
本發明之至少一個實施例的另一目標在於提供一種雷射放大器，該雷射放大器包括相比先前技術更簡單、更緊密配置之雙重抽吸光學激發單一結晶板作用區。
根據本發明之第一態樣，提供用於放大雷射光束之裝置，其包含：放大介質，其具有提供第一琢面之矩形橫截面，該矩形橫截面具有長邊及短邊，在矩形座標系統內，該長邊沿x軸，該短邊沿y軸，且z軸界定泵軸；及泵模組，該泵模組包含：泵光束，該泵光束為來自以線性陣列配置之發射器的源光束之複合物，該線性陣列具有平行於x軸之慢軸及平行於y軸之快軸；及光學總成，其位於發射器與放大介質之第一琢面之間；該光學總成具有：在快軸上之鄰近發射器之第一透鏡，其經組態以作用於泵光束；及在慢軸上之第二透鏡之陣列，每一第二透鏡經組態以作用於個別源光束；及與第一透鏡及第二透鏡間隔開之第三透鏡，其經組態以作用於泵光束；其中重疊在第一琢面處之個別源光束在慢軸上經成像且設定大小以沿長邊填充第一琢面且在快軸上經聚焦成小於短邊之長度的光束大小；藉此提供放大介質之均勻抽吸且將均勻地放大在與泵光束正交之方向上穿過放大介質之雷射光束。
以此方式，在快軸及慢軸上之光學系統自發射器之線性陣列形成複合泵光束，其中所有個別源光束在放大介質之琢面處重疊來產生沿y軸之類高斯增益剖面及沿x軸之頂帽型剖面，從而在近場高縱橫比泵光束內得到改良之均勻抽吸。另外，該光學配置可在長度上為相對較短的以提供緊密泵方案。
較佳地，第一透鏡包含具有焦距f 1y 之快軸準直器，且第三透鏡包含具有焦距f 2 之透鏡，選擇該組合以在第一琢面處在快軸上得到所需光束大小。此光束大小將小於短邊之長度。快軸準直器可具有較短焦距，其中在準直器之輸出處之光束高度通常大於在琢面入口處之所要光束高度。可藉由改變發射器與快軸準直器之間的距離來調整琢面處之光束高度。更佳地，第三透鏡經組態以在第一琢面處或靠近第一琢面產生每一源光束之高斯光束腰。此藉由選擇距第三透鏡距離f 2 之光束腰位置來達成。另外，快軸光束穿過第三透鏡可提供用於藉由在y方向上之較小移位來導向泵光束之手段。
較佳地，第二透鏡各自包含慢軸準直器，每一慢軸準直器具有焦距f 1x ，從而使慢軸上之第三透鏡獲得M x =f 2 /f 1x 之放大率。以此方式，在第一琢面定位於距第三透鏡之距離等於f 2 之情況下，所有源光束將在第一琢面處重疊以在第一琢面處提供實質上均勻化光束。較佳地，第二透鏡與第三透鏡之間的距離小於f 2 +f 1x 之總和。此有利地使得源光束在進入放大介質時具有發散特徵。較佳地，第三透鏡係經組態而以一角度將周邊源光束導向放大介質中以在放大介質內產生全內反射。特徵之此組合用於確保實質上均一地抽吸整個放大介質。
較佳地，第三透鏡為球面透鏡。以此方式，光學總成可使用降低設計之成本及簡單性之標準組件。第三透鏡可為等效非球面或GradiumTM透鏡。此類透鏡可用於減少可能的像差。
第一透鏡及第二透鏡可提供為單一光學元件。此類元件目前為現 成的且單一光學元件之使用再次簡化設計且使構造更簡單。此單一光學元件及第三透鏡有利地提供緊密光學總成。
較佳地，在第一琢面上之泵光束之區域的長度實質上等於長邊之長度且寬度小於短邊之長度的50%。更佳地，寬度為短邊之長度的20%至30%。以此方式，放大介質具有薄抽吸薄片，該薄抽吸薄片具有其在y方向上之尺寸小於放大介質之尺寸的矩形橫截面。
較佳地，發射器之線性陣列為雷射二極體條。更佳地，存在於第一琢面之區域內提供單一泵光束的複數個雷射二極體條且其中對應複數個光學總成具有共同第三透鏡。以此方式，可倍增泵光束之能量。因此，較佳地，泵模組包含提供泵光束之複數個雷射二極體條，每一條包括第一透鏡，每一發射器包括第二透鏡，且裝置具有經組態以作用於泵光束之單一第三透鏡，以使得個別源光束實質上在第一琢面處重疊且經成像及設定大小以填充第一琢面。
此複數個雷射二極體條為可能的，乃因第二透鏡與第三透鏡之間的距離可足以允許使用鏡面以將來自每一雷射二極體條之源光束導向第三透鏡之孔隙。可使用諸如偏振立方體之其他元件。
較佳地，泵模組可包含第一雷射二極體條及第二雷射二極體條，該第二雷射二極體條包括具有平行於z軸之慢軸的經配置與第一雷射二極體條正交之發射器之線性陣列，且進一步包含包括朝向該共同第三透鏡導向光束之鏡面的第二光學總成。以此方式，提供雙重二極體條緊密泵模組。
可存在第三雷射二極體條，該第三雷射二極體條包括具有平行於z軸之慢軸的經配置面向第二雷射二極體條之發射器之線性陣列，且進一步包含包括朝向該共同第三透鏡導向光束之鏡面的第三光學總成。以此方式，提供三重二極體條緊密泵模組。
較佳地，存在另一雷射二極體條，該另一雷射二極體條包括具有 平行於x軸之慢軸的與第一雷射二極體條線性配置之發射器之線性陣列。
泵模組可包含第一雷射二極體條及第二雷射二極體條，該第二雷射二極體條包括經配置具有平行於z軸之慢軸的發射器之線性陣列，且進一步包含包括朝向共同第三透鏡導向光束之偏振立方體的第二光學總成。以此方式，提供雙重二極體條緊密泵模組。
泵模組可包含在不同波長下之第一雷射二極體條及第二雷射二極體條，該第二雷射二極體條包括經配置具有平行於z軸之慢軸的發射器之線性陣列，且進一步包含包括朝向共同第三透鏡導向光束之雙色鏡的第二光學總成。以此方式，提供雙重二極體條緊密泵模組。
複數個雷射二極體條可在y軸上堆疊。複數個雷射二極體條亦可在z軸上交錯。
較佳地，雷射光束之傳播軸橫向於泵軸。以此方式，可側面抽吸放大介質，且不需要作用於泵光束及雷射光束兩者原本所需要之光學器件。
可存在配置於放大介質之相對側上之第二泵模組，該第二側提供與第一琢面相對且與泵軸正交之第二琢面。以此方式，均勻抽吸放大介質。
有利的是，至少一個泵光束之傳播軸相對於z軸為離軸的。此離軸配置防止相對泵光束干擾光學總成。
較佳地，放大介質為單一結晶板。放大介質可為玻璃。放大介質可為陶瓷。較佳地，放大介質為以在兩種未摻雜介質之間具有摻雜介質的夾層結構形成的平板。
可存在與第三透鏡間隔開之第四透鏡，該第四透鏡經組態以作用於在快軸上之泵光束，以使得光束經設定大小以耦合至摻雜區中。較佳地，第四透鏡為圓柱形。以此方式，泵光束可耦合至波導中。
根據本發明之第二態樣，提供一種經由放大介質抽吸均勻複合光束之方法，其包含以下步驟：a)自以線性陣列配置之發射器提供複數個源光束；b)在發射器與放大介質之第一琢面之間提供光學總成，該光學總成具有：在快軸上之鄰近發射器的用以作用於源光束之第一透鏡；在慢軸上之鄰近該第一透鏡的第二透鏡之陣列，每一第二透鏡經組態以作用於個別源光束；及與第一透鏡及第二透鏡間隔開之第三透鏡，其經組態以作用於源光束；及c)使透鏡間隔開以將個別源光束重疊於放大介質之第一琢面上；該等個別源光束在慢軸上經成像且設定大小以沿放大介質之長邊填充第一琢面；該等個別源光束在快軸上經聚焦成小於放大介質之短邊之長度的光束大小；且周邊源光束在進入放大介質時經歷全內反射。
較佳地，發射器之線性陣列來自二極體條。
較佳地，個別源光束在第一琢面處具有光束腰。可藉由調整第一透鏡相對於第一琢面之位置來改變光束腰相對於第一琢面之位置。
根據本發明之實施例，首先參考該等圖式中繪示用於放大雷射光束之裝置的圖3，該裝置通常被稱作雷射放大器且由參考數字10指示，其用於經由為晶體14之放大介質來放大雷射光束12，其中該晶體14係藉由泵模組16來抽吸。圖3由兩個部分組成：為俯視圖之圖3(a)及為側視圖之圖3(b)。
晶體14為形成為單一結晶結構之固態介質，其可如此項技術中已知的逐份摻雜。晶體14具有提供短邊26及長邊28之矩形橫截面。此晶體可被稱為單一結晶板。而描述為放大介質之晶體可為玻璃或陶瓷。另外，該平板可以在兩種未摻雜介質之間具有摻雜介質的夾層結構形成。
通常自被視為主控振盪器之雷射源產生雷射光束12。低功率雷射主控振盪器產生耦合至雷射放大器10之脈衝雷射光束。每一輸入脈衝刺激晶體14內之發射，該發射添加至輸入脈衝以產生較高輸出能量脈衝。以此方式，雷射放大器10可被視為功率放大器，且雷射光束可被視為種子光束。
對於充當雷射介質之晶體14，需要自次級源抽吸。發射器之線性陣列提供此次級源。在此實施例中，次級源為二極體雷射器或更佳地為雷射二極體條18。雷射二極體條18為半導體雷射二極體發射器20之線性陣列，其沿x軸配置，在y軸上具有單一列高度且經導向使得每一 發射器20在z軸上輸出源光束22。發射器20較佳地為多模式雷射發射器。在該圖中，為了清晰起見僅展示來自最外部二極體發射器之光束。x、y、z軸定義標準長方體座標系統，其中每一軸與其他軸正交。參見圖3(b)，y軸被稱為快軸。快軸通常為垂直於半導體晶圓之垂直軸線。在快軸上，每一發射器產生快速發散類高斯模式(Gaussion-like mode)。在慢軸(如圖3(a)中所展示且平行於條18之x軸)上，來自每一發射器20之發射合併以提供具有緩慢發散之近似頂帽型結構。因此，源光束22合併以提供成像至晶體14之第一琢面24的複合泵光束。
為了將光束22成像至晶體14中，將光學總成30定位於發射器20與晶體14之矩形側或第一琢面24之間。在圖3之實施例中，雷射二極體條18中存在十九個發射器20。光學總成30包含第一透鏡34、第二透鏡40之陣列及第三透鏡36。可獨立地在快軸及慢軸上考慮光學總成30。
現參考圖3(a)，在慢軸上，光學總成30展示第二透鏡40之陣列及第三透鏡36。第二透鏡40為具有焦距f1x之慢軸準直透鏡42之陣列，該等慢軸準直透鏡42經置放於每一發射器20後方等於f1x之距離處。每一個別透鏡42通常將為作用於單一發射器源光束22之圓柱形透鏡。
第三透鏡36與第二透鏡40間隔距離L1。此距離L1並非關鍵且可在設計中變化以符合其他參數之要求。實際上，可使得L1足以將其他光學組件定位至總成中，例如，參見圖7。L1之典型距離為約25mm。第三透鏡36與第一琢面24之間的距離為泵投影距離且經選擇為第三透鏡之焦距f 2 。透鏡36、40提供放大率M x' f 2 /f 1x 。此橫跨第一琢面24之全長提供來自每一發射器20之每一源光束22的影像。因此，源光束22在慢軸上完全重疊於第一琢面24上。此技術確保放大介質之全長暴露於實質上均勻化之慢軸光束。
選擇第二透鏡40之圓柱形透鏡陣列的焦距f1x以提供此放大率。當 包括快軸準直時，條件亦要求將第二透鏡40定位於距發射器20一實體距離處，該實體距離略大於f1x以補償由快軸透鏡34引入之慢軸折射。第二透鏡及第三透鏡之光學總成30組合可被視為雙透鏡伸縮式放大鏡38。此放大鏡38可具有相當大的光學功率(例如，×70)且可經調適以匹配一系列琢面大小及幾何結構。
因此，選擇透鏡36、40之焦距以產生個別源光束22之合適擴展，以使得其與晶體14重疊且在慢軸上所有區域經抽吸。通常，發射器20寬度為約150μm且晶體長度為約7mm，其要求約47之放大率，通常藉由f 1x =1.8mm且f 2 =80mm獲得。重要的是，發射器之放大影像形成於第三透鏡36之焦距處，從而確保空間重疊。因此，晶體周圍之光束的溢出經最小化，且橫跨放大影像平均化發射器輸出之任何空間變化，從而產生晶體14之均勻抽吸。
在重疊光束時，通常選擇透鏡36、40以使得距離L1可小於總和(f 1x +f 2 )，從而使源光束22進入晶體14以在慢軸上具有發散特徵，在來自周邊源光束以一角度進入晶體14之全內反射的額外影響下，該發散特徵用於確保實質上均一地抽吸整個晶體14。
此重疊亦提供對個別雷射二極體或雷射二極體發射器20失效之一定免疫。單一發射器失效將降低抽吸功率但不會使沿慢軸之任何區域未經抽吸。此與先前技術相反，在先前技術中個別雷射二極體或雷射二極體發射器之失效將產生未抽吸區。在4能階雷射晶體中，此可產生非所需熱效應。另外，在準3能階雷射系統中，未抽吸區進行吸收，藉此引入損耗且降低器件效率。
現考慮快軸上之光學總成30，參考圖3(b)。離開發射器20之源光束22具有高發散。因此，第一透鏡34為如此項技術中已知的減緩發散之快軸準直器。通常，快軸準直具有在0.6mm與0.9mm之間的焦距f 1y 。快軸準直器34定位於距發射器20焦距f 1y 處，以使得每一發射器源 光束22直接進入光學總成30之第一透鏡34。所得經準直快軸光束通常充分近似高斯光束，以使得焦距f 1y 經選擇以在離開準直器(透鏡34)時提供所要光束高度2w0。可使用標準ABCD矩陣來描述光學配置且使用ABCD定律來計算沿光軸之點處之光束大小。由於可存在像差，因而如熟習此項技術者所當知曉，將M2之適當值(通常為1.3)指派給第一透鏡34後之光束。
在快軸上之光學總成亦包括第三透鏡36。此為球面透鏡，且其焦距f 2 及位置亦由其在慢軸上之需求控制。
謹記目標為在晶體14內產生薄增益薄片，選擇在第一琢面處之所要光束高度2w1。光束高度2w1通常小於2w0。另外，在第一琢面24處或靠近第一琢面24存在高斯腰有益，亦即，第三透鏡與光束腰之間的腰距離L2應等於經選擇為f 2 之泵投影距離。
為獲得對光束腰位置及其大小之必要控制，ABCD計算過程結合預先選擇之f 2 使用可在實際限制內改變之參數w0及L1。耦合計算提供迭代解以獲得最適當設計。
在光束腰大小或位置並不令人滿意之情況下，可能需要在快軸上之額外圓柱形聚焦功率。在不引入額外光學組件的情況下獲得此功率之一種方式為調整第一透鏡34相對於發射器20之位置。此可引入正波前曲率半徑或負波前曲率半徑以給出經修改ABCD計算中之額外自由度。
對於所描述實施例，第三透鏡36具有通常為約80mm之焦距f 2 ，且置放於距快軸準直器(第一透鏡34)約25mm處。晶體14置放於距第三透鏡36距離f 2 處。為約1μm之發射器源光束22半徑將因此提供在晶體14之第一琢面24處形成的約100μm之抽吸條帶半高。抽吸區為晶體14之第一琢面24中之區域。短邊26上之晶體高度具有在0.75mm至1mm之間的典型值。抽吸區之區域高度為短邊26上之總晶體高度之約 20%至30%，以提供薄增益薄片。
不同於圖1中之先前技術，在晶體14上產生具有>10：1之典型縱橫比之近場高縱橫比光束。顯著的是，其匹配抽吸晶體之薄板或平面波導結構之幾何形狀。圖4表明使用上文所描述的光學總成30之效應。參考圖4(a)，在不成像的情況下，泵光束剖面自中間向邊緣緩慢減少。在實踐中，將此剖面匹配至矩形雷射晶體將產生引起吸收區朝向晶體之邊緣或泵功率之顯著溢出超出晶體之邊緣的未抽吸或欠抽吸區。兩種情況皆將產生低效器件。然而，藉由使個別發射器源光束成像且在空間上使其重疊，泵光束剖面具有銳利得多的邊緣。此展示於圖4(b)中。此允許泵光束剖面與雷射晶體之間的接近得多的匹配，從而產生具有極少泵功率損耗之雷射晶體的高效、接近均一抽吸。
一種雷射放大器10a之替代實施例展示於圖5中，其包括使用單一雷射二極體條18之泵模組16。為有助於清晰性，已為與圖3之雷射放大器中之彼等零件相同的零件提供相同參考數字，且提供快軸及慢軸視圖。
在圖5中，展示用於雷射二極體條18之安裝台43以指示在雷射放大器10a中雷射二極體條18所需之空間。在此實施例中，在發射器20之輸出源光束22處將快軸準直器34及慢軸準直器40提供為安裝於發射器20前之單一光學元件44。第三透鏡36為平凸的。因此，個別地對準慢軸準直器40以將每一發射器源光束22導向至凸出面46上之所需位置，以使得光束將成像至晶體14之抽吸區之區域。
晶體14之輸入泵功率(因此，放大器10、10a之可用增益)受限於每二極體條18之可用功率。為縮放功率，可再在單一泵模組16內合併若干二極體條18。可使得距離L1足以允許此情況，其中來自每一雷射二極體條18之源光束22的每一陣列共用第三透鏡36之孔隙。
圖6展示雷射放大器10b，其具有並排佈置以用於使來自泵模組16 之潛在功率加倍的兩個條18a、18b。在光學總成30中，每一條18a、18b具有作為第一透鏡之快軸準直器34a、34b及作為第二透鏡之慢軸準直器40a、40b之陣列。藉由第三透鏡36之作用在晶體14處將發射器源光束22a、22b重疊在慢軸上。此技術產生所需功率縮放但具有擴大佔據面積。
參考圖7，繪示雷射放大器10c，其展示一種使圖6之雙條泵模組16縮小至單條泵模組之佔據面積的方法。二極體條18a、18b再次處於同一平面中但一個二極體條18b旋轉至第二二極體條18a之橫向方向。鏡面48在二極體條18b上與慢軸成45度定位以沿與第二二極體條18a之發射器源光束22a平行之路徑反射橫向發射器源光束22b。鏡面48定位於安裝台43a前方但不接觸發射器源光束22a。此減小雷射放大器10c之佔據面積且亦減小第三透鏡36之所需直徑。
此方法可易於延伸至三個及四個二極體條，如圖8及圖9中所展示。在圖8中，雷射放大器10d具有經定位橫向於圖7之配置之第二二極體條18a且與第一二極體條18b相對的第三二極體條18c。第二鏡面48b在第三二極體條18c上與慢軸成45度定位以沿與第二二極體條18a之發射器源光束22a平行之路徑反射橫向發射器源光束22c。鏡面48b定位於安裝台43a前方但不接觸發射器源光束22a。
在圖9中，儘管仍使用光學總成30中之共同第三透鏡36，但雷射放大器10e可被視為圖7中之雷射放大器10c之加倍。第三透鏡36為球面的以在快軸及慢軸上提供用於將每一雷射二極體條之發射器成像至晶體14之琢面24上的相同焦距。至於圖6之雷射放大器10b，第四雷射二極體條18d與第二雷射二極體條18a並排配置。第一二極體條18a橫向於第二雷射二極體條18b且第三雷射二極體條18c橫向於第四雷射二極體條18d，其中第二雷射二極體條18b及第三雷射二極體條18c彼此面對。第一鏡面48a在二極體條18b上與慢軸成45度定位以沿與第二二 極體條18a及第四二極體條18d之發射器源光束22a、22d平行之路徑反射橫向發射器源光束22b。第一鏡面48a定位於安裝台43a前方但不接觸發射器源光束22a。第二鏡面48b在第三二極體條18c上與慢軸成45度定位以沿與第二二極體條18a及第四二極體條18d之發射器源光束22a、22d平行之路徑反射橫向發射器源光束22c。第二鏡面48b定位於第四雷射二極體條18d之安裝台43d前方但不接觸發射器源光束22d。
最終，使用此方法之縮放僅受限於第三透鏡36之實際孔隙。在兩個雷射二極體條經配置彼此橫向的情況下，藉由使用偏振組合方案替代鏡面48，更緊密泵模組16為可能的。現參考圖10，繪示雷射放大器10f，其中光學總成30使用半波板50以相較於第二二極體條18a之發射器源光束22a將橫向二極體條18b之發射器源光束22b之偏振旋轉90度。偏振立方體52定位於光學元件40a與第三透鏡36之間的光束路徑上。來自第二二極體條18a之發射器源光束22a透射穿過偏振立方體52，同時橫向二極體條18b之發射器源光束22b經反射以與發射器源光束22a共線。在偏振立方體52後之發射器源光束22a、22b完全重疊，從而減小泵模組16的所需佔據面積及第三透鏡36之孔隙。此情況可易於延伸至若干二極體條。
替代地，藉由雙色鏡替換偏振立方體52且移除半波板50。二極體條18a在第一波長下以穿過雙色鏡之高透射操作。二極體條18b在第二波長下以自雙色鏡之高反射操作。二極體條18a及二極體條18b兩者之可操作波長在晶體14中具有高吸收率，從而確保高效抽吸。泵模組16之所需佔據面積及第三透鏡36之孔隙減小。此情況可易於延伸至若干二極體條。
雖然雷射放大器10a-f將雷射二極體條配置於單一平面中，但非平面縮放技術亦為可能的。參考圖11，繪示將兩個雷射二極體條18a、18b配置成彼此橫向之雷射放大器10g。如下方快軸側視圖中所 見，在稍微低於第二雷射二極體條18a或其下方之平面中定位橫向二極體條18b。鏡面48a與二極體條18b之慢軸成45度定位以沿與第二二極體條18a之發射器源光束22a實質上平行之路徑反射橫向發射器源光束22b。鏡面48a具有使得來自橫向二極體條18b之發射器源光束22b自鏡面48a反射，同時來自第二二極體條18a之發射器源光束22a掠過鏡面48a之頂部54的高度。第二透鏡36用於將快軸上之兩組發射器源光束22a、22b對焦成晶體14處之線。亦可使用雷射二極體條18e-h之均一堆疊配置。此情況繪示於圖12中。提供發射器20之二維陣列，其可用於替代上文所描述之實施例之個別二極體條18e-h中的發射器之線性陣列。
在圖3及圖5至圖12中，雷射放大器10、雷射放大器10a-g經展示具有將泵光束提供至晶體14之一個琢面24的泵模組16。在較佳實施例中，經由晶體14在橫向於泵軸(z軸)之傳播軸上傳播雷射光束12。此與先前技術中之INNOSLAB配置相反且有利地消除對在晶體14之任一側處分離泵光束與雷射光束之光學元件(通常為偏振立方體)的需求。
在泵光束進入晶體之後，根據比爾定律吸收該泵光束。若未謹慎地管理此吸收過程，則可產生晶體內之指數增益及溫度剖面。由於橫向於經放大或振盪雷射光束12之傳播軸來抽吸晶體，可出現嚴重光束轉向或模態失真。為減輕此等效應，雙側抽吸光束，且謹慎地選擇晶體在泵方向(z軸)上之摻雜劑含量及長度。圖13中展示雙側抽吸雷射放大器10j。第一泵模組16a位於晶體14之第一琢面24上，如上文參考圖7所描述。第二泵模組16b定位於晶體14之相對側56處。泵模組16a、16b之雷射二極體條18經配置以使得其發射器源光束22在晶體14處各自形成泵光束58a、58b，光束58a、58b在同一平面內，且泵光束58a、58b中之每一者在穿過其各別光學總成30a、30b之後重疊在晶體內部之薄條帶內。第一泵模組16a及第二泵模組16b相同以在晶體之相 對側24、56處提供相同泵功率及泵光束剖面。雖然泵模組16a、16b為圖7中展示之雷射放大器10c之彼等泵模組，但可使用本發明之任何實施例之泵模組。藉由雙側抽吸，兩個泵剖面不相干地增加，從而減少指數衰減之效應。在藉由使結晶介質之吸收達到最佳以使得自泵模組16a、16b吸收泵光束之約70%至80%來確保合適之雷射效率的同時，進一步減少是可能的。
圖14中展示雙側抽吸配置之另一實施例。為有助於清晰性，已為與圖13之配置中之彼等零件相同的零件提供相同參考數字。泵模組16b之光束傳播軸目前以與雷射晶體泵軸成角度α傾斜。較佳地，角度α之範圍為0度至20度。泵模組16a之光束軸與雷射晶體泵軸共線。在維持均一抽吸的同時，泵模組16a、16b之相對傾斜防止泵光束照在泵模組發射器琢面上且導致過早失效。在另一實施例中，泵模組16a之光束傳播軸亦可相對於雷射晶體泵軸傾斜。
由於雷射二極體條藉由光學總成與晶體實體分離，此允許晶體與泵琢面成角度之抽吸。當雙側抽吸時，由於任何未吸收功率可與在相對側上之雷射二極體琢面空間分離，故此情況特別適用。若雷射二極體輸出未經隔離，則發射器之可靠性可隨著壽命之相關聯減少而受損。
作為對傾斜泵模組16a、16b之替代，泵光束可經導向以提供y方向上之較小位移。快軸光束穿過第三透鏡提供用於導向光束之手段。
亦可為有益的是，晶體14具有稍傾斜琢面24、56以在其用作放大器時防止非所要內部雷射振盪。
藉由分析當使用圖14之配置進行雙側抽吸時來自雷射晶體之所得螢光，晶體之中心抽吸區沿x軸高度均一，且沿y軸為接近高斯的。圖15展示針對三個不同泵組態的較小信號增益係數量測62相對經放大光束之傳播方向之曲線圖，該傳播方向以標準化平板位置64提供，亦 即，距中心的距離除以平板寬度。點66表示自單一模組抽吸且展示在模組中之僅一者抽吸晶體之情況下，較小信號增益係數遠離晶體之輸入泵邊緣而降低，正如自比爾定律所預期。點68亦表示自單一模組抽吸，但定位於晶體之相對側，且再次展示較小信號增益係數遠離晶體之輸入泵邊緣而降低。此將產生泵相關光束轉向、熱應力及可在低泵功率下吸收之低粒子數反轉區。曲線圖上之點70表示當兩個泵模組正在操作且雙側抽吸晶體時之情況。點70展示較小信號增益係數橫跨雷射晶體之寬度為幾乎不變的，正如將自螢光剖面預期。高均一性確保最小熱效應及均一反轉。
本文中所描述之雷射放大器可用於單程雷射光束。替代地，雷射光束可在多程放大器配置內，諸如本申請人之GB2505315中所描述之前置放大器及功率放大器。GB2505315以引用之方式併入本文中且描述一種光學放大器，該光學放大器在單一矩形活性介質中整合前置放大器及功率放大器以使得能夠將低功率超短脈衝放大至最佳功率位準。雷射光束沿第一預先放大路徑穿過放大介質進行多次介質橫穿。其沿第一路徑反向成像以使得介質之雙通作為前置放大器。光束隨後在第二功率放大路徑上再次重新成像至介質中，從而在單程中進行多次介質橫穿。路徑獨立但重疊以使得達成高效功率提取。根據本發明之實施例，使用本發明之雷射放大器，單一矩形活性介質為本文中所描述之自泵模組抽吸之雷射晶體，該泵模組包括發射器經由光學總成成像至晶體的一個或相對表面上之一或多個雷射二極體條，該晶體具有橫向於雷射光束之傳播方向的泵軸。
本發明之原理優勢在於其提供一種用於放大雷射光束之裝置及方法，其中經由簡單光學總成設定大小以填充放大介質的源光束之重疊提供用於均勻抽吸諸如MOPA中之晶體的放大介質的近場、高縱橫比泵光束。
本發明之至少一個實施例的另一優勢在於其提供一種用於放大雷射光束之裝置及方法，該雷射光束可藉由經由相同光學系統耦合多個發射器來簡單地進行功率縮放。
本發明之至少一個實施例的又一優勢在於其提供一種用於放大雷射光束之裝置及方法，該裝置及方法提供之冗餘在於失效發射器將不導致放大介質之區域未經抽吸的，且該裝置為可服務的原因在於其具有可全部易於替換之極少組件。
本發明之至少一個實施例的又一優勢在於其提供一種用於放大雷射光束之裝置及方法，該裝置及方法提供雷射放大器，該雷射放大器包括比先前技術更簡單、更緊密配置之雙重抽吸光學激發單一晶體板作用區。
熟習此項技術者將瞭解，可在不脫離如申請專利範圍中所定義之本發明之範疇的情況下對本文中所描述之本發明作出修改。舉例而言，功率縮放技術代表可採用光學總成之彼等技術且熟習此項技術者將認識到其他配置為可能的。雖然針對第三透鏡展示了單一透鏡，但將瞭解一對透鏡亦可代替。雖然已描述放大介質之琢面，但技術可適用於將最佳耦合提供至波導，該技術將需要透鏡對。
10‧‧‧雷射放大器
10a‧‧‧雷射放大器
10b‧‧‧雷射放大器
10c‧‧‧雷射放大器
10e‧‧‧雷射放大器
10f‧‧‧雷射放大器
10g‧‧‧雷射放大器
10j‧‧‧雷射放大器
12‧‧‧雷射光束
14‧‧‧晶體
16‧‧‧泵模組
16a‧‧‧第一泵模組
16b‧‧‧第二泵模組
18‧‧‧雷射二極體條
18a‧‧‧雷射二極體條
18b‧‧‧雷射二極體條
18c‧‧‧雷射二極體條
18d‧‧‧雷射二極體條
18e‧‧‧雷射二極體條
18f‧‧‧雷射二極體條
18g‧‧‧雷射二極體條
18h‧‧‧雷射二極體條
20‧‧‧發射器
22‧‧‧發射器源光束
22a‧‧‧發射器源光束
22b‧‧‧發射器源光束
22c‧‧‧發射器源光束
24‧‧‧第一琢面
28‧‧‧長邊
30‧‧‧光學總成
30a‧‧‧光學總成
30b‧‧‧光學總成
34‧‧‧第一透鏡/快軸準直器
34a‧‧‧快軸準直器
34b‧‧‧快軸準直器
36‧‧‧第三透鏡
38‧‧‧放大鏡
40‧‧‧第二透鏡/慢軸準直器
40a‧‧‧光學元件/慢軸準直器
40b‧‧‧慢軸準直器
42‧‧‧慢軸準直透鏡
43‧‧‧安裝台
43a‧‧‧安裝台
43d‧‧‧安裝台
44‧‧‧光學元件
46‧‧‧凸出面
48‧‧‧鏡面
48a‧‧‧第一鏡面
48b‧‧‧第二鏡面
50‧‧‧半波板
52‧‧‧偏振立方體
54‧‧‧頂部
56‧‧‧相對側
58a‧‧‧泵光束
58b‧‧‧泵光束
62‧‧‧較小信號增益係數量測
64‧‧‧標準化平板位置
66‧‧‧點
68‧‧‧點
70‧‧‧點
現將僅藉助於實例參考隨附圖式描述本發明之實施例，在隨附圖式中：圖1為根據先前技術之用於二極體抽吸方案之光學配置；圖2為根據先前技術之用於放大雷射光束之裝置；圖3為根據本發明之實施例的用於放大在慢軸上之展示於圖3(a)中及在快軸上之展示於圖3(b)中之雷射光束的裝置之示意圖；圖4為在無光學總成之圖4(a)中及在有光學總成之圖4(b)中獲取的圖3中之裝置在第一琢面處的光束泵剖面之圖式；圖5至圖12為根據本發明之實施例的用於放大在(a)快軸上及在(b) 慢軸上展示之雷射光束之裝置的示意圖；圖13為根據本發明之實施例的包括兩個泵模組的用於放大雷射光束之裝置的示意圖；圖14為根據本發明之另一實施例的目前具有傾斜抽吸幾何結構的圖13之裝置。
圖15為在圖14之裝置的抽吸條件下橫跨放大介質之小信號增益係數均一性的曲線圖。
10a‧‧‧雷射放大器
14‧‧‧晶體
16‧‧‧泵模組
18‧‧‧雷射二極體條
20‧‧‧發射器
22‧‧‧發射器源光束
34‧‧‧第一透鏡/快軸準直器
36‧‧‧第三透鏡
40‧‧‧第二透鏡/慢軸準直器
43‧‧‧安裝台
44‧‧‧光學元件
46‧‧‧凸出面

Claims (25)

  1. 一種用於放大雷射光束之裝置，其包含：放大介質，其具有提供第一琢面之矩形橫截面，該矩形橫截面具有長邊及短邊，在矩形座標系統內，該長邊係沿x軸，該短邊係沿y軸，且z軸界定泵軸；及泵模組，該泵模組包含：泵光束，該泵光束為來自以線性陣列配置之發射器的源光束之複合物，該線性陣列具有平行於該x軸之慢軸及平行於該y軸之快軸；及光學總成，其位於該等發射器與該放大介質之該第一琢面之間；該光學總成具有：在該快軸上之鄰近該等發射器之第一透鏡，其經組態以作用於該泵光束；在該慢軸上之第二透鏡之陣列，每一第二透鏡經組態以作用於個別源光束；及與該等第一透鏡及第二透鏡間隔開之第三透鏡，其經組態以作用於該泵光束；其中重疊在該第一琢面處之該等個別源光束在該慢軸上經成像且設定大小以沿該長邊填充該第一琢面且在該快軸上經聚焦成小於該短邊之長度的光束大小；藉此提供該放大介質之均勻抽吸且將均勻地放大在與該泵光束正交之方向上穿過該放大介質之雷射光束。
  2. 如請求項1之裝置，其中該第一透鏡包含具有焦距f 1y 之快軸準直器，且該第三透鏡包含具有焦距f 2 之透鏡，選擇該組合以在該第一琢面處在該快軸上得到該光束大小。
  3. 如請求項2之裝置，其中該等第二透鏡各自包含慢軸準直器，每 一慢軸準直器具有焦距f 1x ，從而使該慢軸上之該第三透鏡獲得M x =f 2 /f 1x 之放大率。
  4. 如請求項2之裝置，其中該第三透鏡為球面的。
  5. 如請求項1之裝置，其中該等第一透鏡及第二透鏡係經提供為單一光學元件。
  6. 如請求項1之裝置，其中該第三透鏡係經組態以在該第一琢面前方產生每一源光束之光束腰。
  7. 如請求項1之裝置，其中該第三透鏡係經組態來以一角度將周邊源光束導向該放大介質中從而在該放大介質內產生全內反射。
  8. 如請求項1之裝置，其中發射器之該線性陣列為雷射二極體條。
  9. 如請求項8之裝置，其中該泵模組包含各自提供泵光束之複數個雷射二極體條，每一雷射二極體條包括第一透鏡，每一發射器包括第二透鏡，且該裝置具有經組態以作用於該等泵光束之單一第三透鏡，其中重疊在該第一琢面處之該等個別源光束在該慢軸上經成像且設定大小以沿該長邊填充該第一琢面且在該快軸上經聚焦成小於該短邊之該長度的光束大小。
  10. 如請求項1之裝置，其中該光學總成包括將該等源光束導向該第三透鏡之一或多個鏡面。
  11. 如請求項1之裝置，其中該光學總成包括將該等源光束導向該第三透鏡之一或多個偏振立方體。
  12. 如請求項1之裝置，其中存在配置於該放大介質之相對側上的第二泵模組，該第二泵模組提供具有重疊於與該第一琢面相對之第二琢面處之個別源光束的第二泵光束，該等個別源光束在該慢軸上經成像且設定大小以沿該長邊填充該第二琢面且在該快軸上經聚焦成小於該短邊之該長度的光束大小，藉此提供放大介質之均勻抽吸且將均勻地放大在與該等泵光束正交之方向上 穿過該放大介質的雷射光束。
  13. 如請求項12之裝置，其中至少一個泵光束之傳播軸相對於該z軸離軸。
  14. 如請求項1之裝置，其中該放大介質為單一結晶板。
  15. 如請求項1之裝置，其中該放大介質為玻璃。
  16. 如請求項1之裝置，其中該放大介質為陶瓷。
  17. 如請求項14之裝置，其中該單一結晶板係以在兩種未摻雜介質之間具有摻雜介質的夾層結構形成。
  18. 如請求項15之裝置，其中該放大介質為以在兩種未摻雜介質之間具有摻雜介質之夾層結構形成的玻璃板。
  19. 如請求項16之裝置，其中該放大介質為以在兩種未摻雜介質之間具有摻雜介質之夾層結構形成的陶瓷板。
  20. 如請求項17之裝置，其中與該第三透鏡間隔開之第四透鏡經組態以在該快軸上作用於該泵光束且該泵光束經設定大小以耦合至摻雜區。
  21. 如請求項20之裝置，其中該第四透鏡為圓柱形的。
  22. 一種經由放大介質抽吸均勻複合光束之方法，其包含以下步驟：(a)自以線性陣列配置之發射器提供複數個源光束；(b)在該等發射器與該放大介質之第一琢面之間提供光學總成，該光學總成具有：在快軸上鄰近該等發射器用以作用於該等源光束之第一透鏡；在慢軸上鄰近該第一透鏡的第二透鏡之陣列，每一第二透鏡經組態以作用於個別源光束；及與該等第一透鏡及第二透鏡間隔開之第三透鏡，其經組態以作用於該等源光束；及(c)使該等透鏡間隔開以將該等個別源光束重疊於該放大介質 之該第一琢面上；該等個別源光束在該慢軸上經成像且設定大小以沿該放大介質之長邊填充該第一琢面；該等個別源光束在該快軸上經聚焦成小於該放大介質之短邊之長度的光束大小；且周邊源光束在進入該放大介質時經歷全內反射。
  23. 如請求項22之方法，其中該等發射器之該線性陣列係來自二極體條。
  24. 如請求項22之方法，其中該等個別源光束在該第一琢面處具有光束腰。
  25. 如請求項22之方法，其中該等個別源光束具有光束腰且該第一透鏡相對於該等發射器之該位置經調整以改變該光束腰相對於該第一琢面之該位置。
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