TW379471B - Laser diode pumped solid-state laser apparatus - Google Patents

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經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 _______B7 _ 1 五、發明説明（1 ) 發明背景 1 .發明部份 本發明係有關雷射二極體激勵之固態雷射裝置，此在 諧振器中具有一雷射媒體及一非線性光學元件，用以由半 導體雷射所激勵之雷射媒體發射基本波振盪光及非線性光 2·有關技藝之說明 固態雷射裝置爲已知，此使用GaAlAs或類似物所構 成之半導體雷射，用以激勵置於諧振器中之雷射媒體，諸 如Nd:YAG晶體，以產生雷射光。 爲產生短波雷射光，已提出多種固態雷射裝置，此等 大致具有一雷射媒體及一非線性光學裝置，設置於一公共 諧振器中，用以變換雷射媒體之振盪光輸出爲非線性光， 諸如第二諧波（例如，發表於日本未審專利公報J P -A 4-283977(1992)及 JP-A 6 -69567(1994)，及日本未審用具型錄JP-U 4一97375(1992))。當雷射媒體爲YAG 晶體及非線性光學晶體爲磷酸鈦鉀KTiOP4 (縮寫爲K T P )時，來自YAG晶體之振盪光可變換自其原波長 1 0 6 4 nm爲一半5 3 2 nm之綠光波長。 然而，此一普通固態雷射裝置需要高度精確安置半導 體雷射，雷射媒體，及非線性光學裝置*當激光*振盪光 ，及非線性光之光軸未能在微米之程度上對準時，光變換 本纸浪尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）_ 4 _ ini. Λν nnϋϋϋ 1· ^ 線 (請先閣讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 A7 __^_B7 _ > 五、發明説明（2 ) 之效率大爲下降β 而且，各光學組成件或光學裝置及其保持構件間之距 離由於熱膨脹所引起之不利改變會導致由於光軸之位移而 引起降低變換效率，或由於模式跳動而引起輸出波動。 發明概要 本發明之目的在提供一種雷射二極體激勵之固態雷射 裝置*此簡化光學組成件之組合及定位，並可穩定件用， 而不受溫度改變之影響。 本發明提供一種雷射二極體激勵之固態雷射裝置，包 含： —半導體雷射，用以發射一激光； —雷射媒體，設置於一諧振器中，用以當由激光激勵 時，產生一振盪光； 曲面鏡裝置，形成於諧振器之一端； ~第一保持構件，用以保持半導體雷射，第一保持構 件具有一滑動面大致垂直於激光之光軸； —第二保持構件，用以保持曲面鏡裝置及雷射媒體， 第二保持構件具有一滑動面大致垂直於諧振器之光軸， 第一及第二保持構件安排使二滑動面面相對；及 裝緊裝置，用以裝緊第丁及第二保持構件一起。 依據本發明，用以保持半導體雷射之第一保持構件及 用以保持曲面鏡裝置及雷射媒體之第二保持構件具有滑動 面大致垂直於激光之光軸，及滑動面安.排面相對，俾當調 本纸张尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐）_ 5 _ I I I I 裝 n ϋ n ϋ n n ϋ n l 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標率局貝工消費合作社印製 A7 _B7 五、發明説明（3 ) 整光軸時，沿一方向上在滑動面中相互平清移動。故此， 可容易及精確執行各構件之定位•第一及第二保持構件之 二滑動面可直接，或經由一薄片間接相互接觸，該薄片爲 可滑動之髙導熱材料，諸如銅箔或條所製，置於二滑動面 之間。此使激光及振盪光可精確及迅速對準光軸，然後各 構件由黏著劑或類似物固定》 當鏡裝置爲曲線形時*本發明特別有效。在具有曲面 鏡之線性諧振器中，設有一單光軸，此與曲面鏡之一特定 點處之一垂直線重合。依據本發明，由第一及第二保持構 件在與光軸垂直之一平面中接觸，激光可容易與諧振器之 光軸對準》 由於由第一及第二保持構件沿光軸上保持分開一定之 距離，容易在與光軸垂直之平面之二維中控(制光軸之對準 ，故激光，振盪光，及非線性光可在光軸上相互高度精確 及快速對準·。而且，第一及第二保持構件間之熱接觸加強 ，故可容易控制二構件上之熱•而且，在第一及第二保持 構件及熱電冷卻器間之介面垂直於光軸，故確保穩定控制 溫度，而不管在光軸對準之期間中沿介面上之小位移。 在本發明中，該裝置宜另包含裝緊裝置，用以由垂直 施加可變之裝緊壓力於滑動表面上，裝緊第一及第二保持 構件。 依據本發明，第一及第二保持構件沿光軸上之相對距 離可在微米之範圍中精確調整，由在垂直於滑動面之方向 _上之可變裝緊壓力推壓第一及第二保持構件，並使其輕微 本紙张尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2丨〇X 297公釐）_ 6 _ (請先閲讀背面之注$項再填寫本頁) -裝 訂 € 線 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7

___ B7 _I 五、發明説明（4 ) 變形而達成。 且在本發明中，該裝置宜另包含一熱電冷卻器’諸如 — Pel tier裝置，此設置於一外殼中，外殼具有一窗用以 向外引導雷射束，及第一保持裝置安裝於熱電冷卻器上。 依據本發明，熱電冷卻器用以控制第一保持構件之溫 度，從而可集體控制其他光學組成件，包含半導體雷射及 雷射媒體。由於無需每一光學裝置各分配一熱電冷卻器， 故本發明裝置可減小體積及減輕重量。而且，半導體雷射 及雷射媒體在熱情況上幾乎相等，故可使用單個溫度感測 器監視及控制。^ * 且在本發明中，第一保持構件宜具有一第二面與滑動 面相對，此第二面安排面對熱電冷卻器之吸熱面。 依據本發明，由於第一保持構件之第二面（此平行於 第二保持構件之滑動面）安排面對熱電冷卻器之吸.熱面， 故第二保持構件及熱電冷卻器間之熱接觸由於有第一保持 構件之存在而提髙。而且，由於二構件對準光軸，故第二 保持構件之熱輸出可經由第一保持構件幾乎均勻傳導至熱 電冷卻器，而不管第二保持構件在滑動面中之位置如何， 從而確保溫度控制之穗定性。第一保持構件之第二面及熱 電冷卻器之吸熱面可直接，或經由施敷於其間髙導熱性之 黏著劑或油育間接相互接觸？ 且在本發明中*該裝置宜另包含一非線性光學裝置， 設置於諧振器中，用以變換振盪光爲非線性光，並由第二 保持構件保持。 本纸张尺度適用中國國家標準（〇那）八4規格（210父297公釐）_7_ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •裝· 訂 一線 經濟部中央標準局K工消费合作社印製 A7 _______B7_ ' 五、發明説明（5 ) 依據本發明，雷射媒體及非線性光學裝置由單個保持 構件保持固定，從而降低其間之脫位。 且在本發明中，曲面鏡裝置宜設置於雷射媒體之激光 輸出面上。 依據本發明，由於構成諧振器之曲面鏡裝置與雷射媒 體安排成一體，故無需諧振器及雷射媒體間之光對準。此 使光學組成件容易組合，及消除去由於物理振動而引起光 脫位。 且在本發明中，曲面鏡裝置宜設置於非線性光學裝置 之非線性光輸出面上。 ^ 依據本發明，由於構成諧振器之曲面鏡裝置與非線性 光學裝置安排成一體，故無需諧振器及非線性光學裝置間 之光對準。此使光學組成件容易組合，及消除去由於物理 振動而引起光脫位。 如此，可達成雷射二極體激勵之固態雷射裝置，此簡 化光學組成件之組合及定位，並可穩定作用，而不受溫度 改變之影響。 較宜實施例之詳細說明 現參考附圓，說明本發明之較宜實施例於下。 圖1爲分解透視圖，顯示本發明之一實施例，及圖2 爲其中心斷面圖。一頭座2 1爲金靥板構件，與一蓋8 — 起構成該裝置之外殼，並具有多個引線電極2 2以電絕緣 及氣密之關係固定裝於其上•一電子冷卻裝置或Pel ter裝 本认恨尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐）-8 _ (讀先閔讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝· 訂 經濟部中央標隼局貝工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（6 ) 置2 0裝於頭座2 1之上面上，及Pel ter裝置2 0之引線 連接至任一引線電極22。 有一金屬六角形基板1 9，且裝於Pe Iter裝置2 0上 。基板1 9中具有一垂直保持孔，內表面處設有陰螺紋用 以接合一裝緊螺釘1。引線18之一端電連接於基板1 9 之側表面處，及另一端連接至引線電極2 2之一。引線 1 8延伸如半導體雷射1 7之陰極。基板1 9並具有一小 槽設置於其另一側邊，用以保持一熱阻器6，此用作溫度 感測器。熱阻器6具有一引線並不連接至引線電極22， 但安排連接至外部裝置，用以熱調整，Μ無蓋8。 一金屬六角形雷射座1 7 a裝於基板1 9之上面上。 晶片形之半導體雷射裝置1 7固定裝於電射座1 7 a之一 側邊。半導體雷射裝置17之陰極經雷射座17 a及基板 1 9連接至引線1 8。半導體雷射裝置1 7之陽極連接至 —引線1 7 b之一端，此引線之另一端連接至任一引線電 極2 2。雷射座1 7 a具有一通孔，裝緊螺釘1可插入其 中。故此，雷射座1 7 a及基板1 9相互接觸，以確保良 好之電連接及熱傳導。 用以保持雷射媒體13及一非線性光學裝置12之一 晶體保持座3裝於雷射座1 7 a之上面上，垂直於光軸。 雷射座1 7 a及晶體保持座3可相互直接接觸，但銅箔或 其他材料所製之一墊片5(此具高度之連接緊密性及導熱 性）宜置於其間，以增加雷射座1 7 a及晶體保持座3間 之連接緊密及熱結合。晶體保持座3爲高導熱性材料，諸 本纸浓尺度適用中國國家標準（CNS > A4規格（210X297公釐;L 9二 (請先閾讀背面之注意事項再填寫本頁) -a A7 B7 _: 五、發明説明（7 ) · 如銅所製，以轉移雷射媒體1 3及非線性光學裝置1 2所 產生之熱至雷射座1 7 a »晶體保持座3具有一槽設置於 其一側邊上，用以保持作爲溫度感測器之另一熱阻器4固 定·熱阻器4之引線亦連接至引線電極2 2。而且，晶體 保持座3具有一通孔設置於其中，裝緊螺釘1可插入其中 〇 圖3A及3B爲概要圖，顯示一諧振器之形狀。更明 確言之，圖3 A顯示一曲面鏡1 1之安排，構設於雷射媒 體1 3之一激光輸入面上，及圖3 B顯示曲面鏡1 1之另 一安排，構設於非線性光學裝置12之非線性光输出面上 。包.夾墊片5於其間之晶體保持座3及雷射座1 7 a具有 其各別之滑動面S A及S B安排大致垂直於諧振器之光軸 〇 經濟部中央標準局貝工消费合作社印製 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 參考圖3A，曲面鏡1 1 (此包含諧振器之一端鏡） 由照相製版技術修改雷射媒體13之激光輸入面爲曲線表 面，並由對來自雷射媒體1 3之振盪光之波長具有高度反 射性之一塗層覆蓋所構成。非線性光學裝置1 2之非線性 光輸出面製成平面表面之形狀，並同樣由對雷射媒體13 之振盪光之波長具有髙度反射性之一塗層覆蓋，從而形成 諧振器之另一端鏡· I · /· 在圓3 B中，雷射媒體1 3之激光輸入面製成平面表 面之形狀，並由對雷射媒體13之振盪光之波長具有高度 反射性之塗層覆蓋，如此形成諧振器之一端鏡。曲面鏡1 1 (此包含諧振器之另一端鏡')由照相製版技術修改非線 度適用中國國家標準（CNS)A4規格（ 210X297公釐_ 經濟部中央標準局貝工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（8 ) 性光學裝置1 2之非線性光輸出面爲曲線表面，並由雷射 媒體1 3之振盪光之波長具有高度反射性之塗層覆蓋所製 成。 由於諧振器之曲面鏡11設置與雷射媒體13或非線 性光學裝置1 2成一體，故其光軸對準簡單，從而有助於 容易組.合光學組成件，並消除由於振動等所引起之光軸脫 位。 回至圖2，直接上下重疊成可滑動關係之基板19， 雷射座17a，墊片5，及晶體保持座3在固定之前相互 接觸。此等構件在其光軸對準後，由轉動裝緊螺釘1裝緊 成一體，以獲得良好導熱性。裝緊螺釘1在其上端處帶有 例如二墊圈2,用以防止鬆動· 當半導體雷射裝置1 7 *雷射媒體1 3，及非線性光 學裝置1 2固定成一塊件於Pel ter裝置2 0之吸熱.面上時 ，該塊件在熱方面受控制，故熱阻器4所偵得之熱保持恆 定。 現說明各組件之定位程序。在基板1 9，雷射座 1 7 a，墊片5，及晶體保持座3上下相疊置後，具有二 墊圈2之裝緊螺釘1溫和旋入，俾其裝緊壓力容許任二相 鄰組成件之間沿垂直於激光之光軸之介面上滑動。此時， 可插入適當厚度之導熱墊片於組成件之間，以調整相關之 距離》 然後，由基板1 9及雷射座1 7 a之定位，固定半導 體雷射裝置1 7之激光之光軸位置·其後在與光軸垂直之 本纸乐尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐丨11 _ ·1 f m n^i ., . a^i·· In I (讀先閩讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線 A7 B7 經濟部中央標率局負工消费合作社印裝 五、發明説明（9 ) 方向上滑動與雷射座1 7 a接觸之晶體保持座3，以對準 雷射媒體1 3及非線性光學裝置1 2之光軸於激光之光軸 〇 進一步旋緊裝緊螺釘1，俾暫時在垂直於光軸之方向 上裝緊各組成件，細心注意不使晶體保持座3在垂直於光 軸之方向上偏移。由於裝緊壓力受控制，故任二相鄰組成 件間之距離可在微米範圍中精密調整。最後，基板1 9， 雷射座1 7 a，及晶體保持座3由部份或整個施敷塗著劑 而相互黏合固定。 故此，可容易及精確執行各組成件在垂直及平行於光 軸之一平面之二維中之定位。 在各組成件已裝緊於頭座2 1上後，蓋8蓋上，成氣 密屏蔽住頭座21。蓋8具有一孔設置於其上面之中心處 ，使非線性光可向上射出•蓋8之孔在內面上由一.窗構件 7，諸如玻璃板氣密蓋住。窗構件7在二側邊處由AR ( 反反射）塗層蓋住，對非線性光之波長提供高度透光率* 現說明一具體構造實例。該實例使用Nd : YV04 晶體之雷射媒體13，KTP (KT i 0P04)晶體之 非線性光學裝置1 2，及能產生8 0 9 nm波長之激光之 半導體雷射裝置17» 雷射媒體1 3之激光输入面由一塗層覆蓋，此在來自 雷射媒體1 3之振盪光之1 064nm波長提供99 . 0 %或以上之反射率，及在激光之8 0 9 nm波長上提供 9 5%或以上之透射率。而且，雷射媒體1 3之另一面及 本饮张尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐X 12 (請先閎讀背面之注$項再填寫本頁) -裝_ -訂 ί -線 A7 B7 經濟部中央標準局員工消费合作社印製 五、發明説明（10) 其相對之非線性光學裝置1 2之面上塗層覆蓋，此在 1064nm波長上提供99.9%或以上之透射率。非 線性光學裝置1 2之輸出面由一塗層覆蓋，此在1 〇 6 4 nm波長上提供9 9 . 9或以上之反射率，及在5 3 2 nm波長上提供9 5%或以上之透射率。如此界定諧振器 於雷射媒體13之光輸入面及非線性光學裝置12之光輸 出面之間· 當其雷射媒體13由半導體雷射裝置17所發射之 8 0 9 nm波長之激光激勵時，諧振器產生1 〇 6 4波長 之雷射振盪，及振盪光然後由非線性光學裝置1 2變換波 長爲532nm波長之第二諧波或非線性綠光。 說明另一構造實例。該實例使用YA G晶體之雷射媒 體1 3，KN (KNb03)晶體之非線性光學裝置1 2 ，及能產生8 0 9 nm波長之激光之半導體雷射裝.置1 7 p 雷射媒體1 3之激光輸入面由一塗層覆蓋，此在來自 雷射媒體1 3之振盪光之9 4 6 nm波長上提供9 9 . 9 %或以上之反射率，及在激光之8 0 9波長上提供9 5% 或以上之透射率。而且，雷射媒體1 3之另一面及其相對 之非線性光學裝置1 2之面由塗層覆蓋，此在9 4 6 nm 波長上提供9 9 . 9 %或以上之透光率。非線性光學裝置· 1 2之輸出面由一塗層覆蓋，此在9 4 6 nm波長上提供 99 . 9%或以上之反射率，及在473nm提供95% 或以上之透射率。如此界定諧振器於雷射媒體1 3之光輸 ------1--ΓΓ 裝----------訂--Γ.--—ί線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本饮浓尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐X 13 _ 經濟部中央標準局負工消费合作社印製 A7 B7 五、發明説明（11 ) 入面及非線性光學裝置12之光輸出面之間。 當8 0 9 nm波長之激光由半導體雷射裝置1 7發射 ，以激勵雷射媒體1 3時，諧振器產生9 4 6 nm波長之 雷射振盪，及振盪光然後由非線性光學裝置1 2變換波長 爲4 7 3 nm波長之第二諧波或非線性綠光。 由於其結果之非線性光沿光軸上傳播，並通過窗構件 7而至外部，故非線性用作短波光源，用於光資料記錄， 通信，量度等應用上。 雖已說明本實施例用作短波光源，含有雷射媒體13 及非線性光學裝置1 4，但本發明可涵羞一基本波雷射源 ，此包含雷射媒體1 3，但不包含非線性光學裝置1 4。 本發明可具體表現於其他特定之形狀，而不脫離其精 神及基本特性》本實施例故此在所有方面應視例解而非限 制，本發明之範圍由後附之申請專利範圍，而非以上說明 指示，及在申請專利範圍內之所有更改故此應包含於其中 附圖簡述 自以下之詳細說明並參考附圖，可更明瞭本發明之其 他及進一步之目的，特色，及優點，在附圓中： 圖1爲分解透視圖，顯示本發明之一實施例； 圖2爲本發明之實施例之中心斷面圖； 圖3 A及3 B爲概要圖，顯示諧振器之形狀； 圖3 A顯示構製於雷射媒體1 3之激光輸入面上之曲 本纸乐尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐）L 14 - ' ----^---^--^丨、丨裝------訂--^丨^--—線 (秭先閣讀背面之注意事顎再填寫本頁)

S7Q47X A7 B7 五、發明説明（12) 面鏡11之安排；及 圖3 B顯示構製於非線性光學裝置1 2之非線性光輸 出扉上之曲面鏡11之安排。 --------丨裝-------訂--：-I ---—線 (請先閎讀背面之注意事頃再填寫本頁) 經濟部中央標準局負工消費合作社印製 本饮张尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 15 -

Claims (1)

1. 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 __D8 _; 々、申請專利範圍 1 . 一種雷射二極體激勵之固態雷射裝置，包含： 一半導體雷射，用以發射一激光； 一雷射媒體，設置於一諧振器中，用以當由激光激勵 時，產生一振邀光； '曲面鏡裝置，形成於諧振器之一端； 一第一保持構件，用以保持半導體雷射，第一保持構 件具有一滑動面大致垂直於激光之光軸； 一第二保持構件，用以保持曲面鏡裝置及雷射媒體， »· 第二保持構件具有一滑動表大致垂直於諧振器...之光軸， 第一及第二保持構件安排使二滑動面1相對；及 裝緊裝置，用以裝緊第一及第二保持構件一起。 2. 如申請專利範圔第1項所述之雷射二極體激勵之 固態雷射裝置，另包含裝緊裝置，用以由一可變之裝緊壓 力垂直施加於滑動面上來裝緊第一及第二保持構件.》 3. 如申請專利範圍第2項所述之雷射二極體激勵之 固態雷射裝置，另包含一熱電冷卻器設置於一外殼中，外 殼具有一窗用以向外引導雷射束，其中，第一保持構件裝 於熱電冷卻器上。 4. 如申請專利範圍第3項所述之雷射二極體激勵之 固態裝置，其中，第一保持構件具有一第二面與滑動 面相對，第二面安排面·.對熱電冷卻器之吸熱面。 5. 如申請專利範圍第1至4項之任一項所述之雷射 二極體激勵之固態雷射裝置，另包含一非線性光學裝置， 設置於諧振器中，用以變換振盪光爲非線性光，非線性光 本紙張纽適用中國國家標準（CNS )八4祕（210X297公釐) ~ -16 - (請先閎讀背面之注意事項再填寫本頁) -裝· 訂 S?a47i ιι D8 々、申請專利範圍 學裝置由第二保持構件保持固定。 6 .如申請專利範圍第1至4項之任一項所述之雷射 二極體激勵之固態雷射裝置，其中，該曲面鏡裝置設置於 雷射媒體之激光輸入面上。 7 .如申請專利範圍第5項所述之雷射二極體激勵之 固態雷射裝‘置，其中，曲面鏡裝置設置於非線性光學裝置 之一非線性光輸出面上。 (请先聞請背面之注意事項异泰窝木頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -17 -