激光二極管泵浦的固體激光器制造技術

本發明專利技術展示了一種高效的，利用高度至少為5毫米以上，兩側面間張角在±5度范圍內的板條狀波導，將至少一個激光二極管泵浦光從至少一個方位上耦合至固體激光介質的側面上，進行側面泵浦的固體激光器的泵浦腔的設計及技術。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術為一種新型的激光二極管泵浦的固體激光器，在板條狀激光二極管條狀發光端面前采用板條狀導光固體波導或空心波導，將激光二極管條狀光輻射高效的耦合至有液體冷卻的固體激光介質中。該結構允許激光二極管安置于離固體激光介質有足夠的間距處，從而允許對單根固體激光介質采用足夠數量的泵浦激光二極管，以實現高效的泵浦及大功率的固體激光輸出。
技術介紹
采用激光二極管作為泵浦源的固體激光器，遇到的一個主要技術問題是如何有效的將泵浦激光二極管的光輸出耦合到固體激光工作物質中，既保證泵浦光在激光工作物質中有較為理想的光強分布，同時亦可有效的對固體激光工作物質進行冷卻。在許多情況下要求保證固體激光工作物質可高效的輸出低階模式激光甚至TEMOO模式輸出。同時制造成本低，可靠性高。當前常見的激光二極管泵浦固體激光器包括激光二極管后采用光纖耦合或不采用光纖的直接耦合這兩種：采用光纖耦合：將泵浦激光二極管的輸出光先經各種光學元件耦合至光纖或光纖束中，然后將光纖或光纖束另一端輸出的泵浦光對棒狀固體激光工作介質的單端面或雙端面進行”端面”式泵浦。固體激光工作介質為棒狀或板條狀。這種方法的優點是光纖可對泵浦光作所需的一定距離的高效傳輸。常見的光纖可為2米至5米長。從而允許激光二極管安裝於遠離固體激光工作介質處，或者安裝於激光二極管的驅動電源內。因此固體激光器件本身的設計，包括固
體激光介質的冷卻及安裝結構設計都具有更大的靈活性。光纖泵浦光輸出端處的光纖芯徑直徑一般在幾百微米，光纖輸出的發散泵浦光經光學元件聚焦對固體激光介質的端面處進行泵浦。這種點光源式的端面泵浦有利于固體激光器實現低階模式或TEMoo模式輸出，適宜于對激光模式有高要求的應用或激光輸出的頻率轉換，以獲得如綠光或紫外激光輸出。但其缺點在于將泵浦激光二極管，通常是條狀激光二極管的泵浦光輸出耦合到光纖或光纖束中既復雜且效率有限(通常低於75％左右)。傳輸光纖成本較高，其端面也經常容易產生破壞。光纖終端對于固體激光工作介質的端面點式泵浦限制了可以采用的泵浦強度，泵浦點區域的熱效應大，從而限制了相應固體激光器的輸出功率。與此成為對比的為不采用光纖的直接耦合方式。因為激光二極管板條的輸出為有較大發散的條狀光，直接耦合方式中經常是直接利用激光二極管板條，將其接近安置于固體激光介質的側面，對固體激光介質進行直接的側面泵浦。由于免去了將板條狀二極管輸出耦合至光纖或光纖束中這一環節及無需耦合光纖，大為降低了結構的復雜性及成本。但這種直接的側面泵浦因為板條狀激光二極管輸出光束的發散特性，泵浦光強度在固體激光介質中分布往往不理想，不易實現高功率的低階模固體激光輸出。同時將激光二極管接近安置于固體激光工作介質側面，受空間限制，在工程具體設計上限制了可實際采用的激光二極管板條數量，從而限制了固體激光器可能實現的輸出功率。美國專利US 6704341B1公示了一種側面為拋物面的導光反射面結構，用其將激光二極管板條輸出的泵浦光引導至固體激光介質中的設計。這種拋物面形狀的反射面具有將接近平行光束聚焦至拋物面焦點的特性，但是該公示的設計中，固體激光介質實際可以選擇安放的位置顯然遠遠偏離該拋物面的焦點位置。拋
物面形狀的反射面只會導致泵浦光在到達固體激光介質前作更多次的在兩個拋物反射面上的來回反射，既無助于提高泵浦效率，又增加了整體成本。此外，拋物面的導光反射面很難加工達到需要的表面質量和實現高的反射率。美國專利US 5774488則基本上是以盡量將泵浦激光二極管安置於接近固體激光工作介質。其設計限制了在固體激光工作介質的同一個橫截面上只允許采用一個激光二極管泵浦輸入口。為了提高固體激光器的輸出功率，只能采用多個相同的泵浦結構的固體激光介質串聯的方式，調整困難，成本高。因此，研發低成本，高可靠的，由激光二極管泵浦的，可以實現大功率TEMoo模式輸出的固體激光器，依然是一個嚴峻的技術挑戰。
技術實現思路
本專利技術采用多個側面為平面形狀的板條狀波導將條狀二極管的輸出泵浦光耦合至一根固體激光介質中，對固體激光介質進行側面泵浦。每個板條狀波導兩側平面可以是平行的，即兩側平面間的夾角(張角)為零度。板條狀波導兩側平面相互間也可以是不平行的，為敘述方便起見，這里規定若板條狀波導兩側平面間輸入口寬度小于輸出口寬度時，即板條狀波導在光束傳遞方向上呈擴張型，兩側平面間的夾角(張角)為正值。兩側平面間的張角可以在一定的角度范圍內，例如±5度左右的范圍內選定，以便使板條狀波導兩側平面輸入口寬度和輸出口寬度分別和采用的具有一定的發散角的泵浦二極管條狀輸出光束及固體激光介質都實現最佳的配合，并實現高效率的泵浦光從條狀二極管至固體激光介質間的耦合和傳輸。板條狀波導可以由透明固體材料制成，如熔融石英或各種光學玻璃等。在能滿足實現固體激光介質中所希望的泵浦光強分布情況下，采用具有正的張角板
條狀波導，可以使呈發散狀的泵浦光中有更多的部分在透明介質板狀波導中滿足全內反射的條件，從而實現較高的耦合和傳輸效率。板條狀波導也可以由兩塊表面為高反射的平板組成空心的板條狀波導。表面為高反射的平板可由銅，銀或金等金屬材料制成，表面拋光。或在表面拋光的銅或其他固體材料(如塑料等)的表面上鍍以高反射率的金，銀，銅等鍍層制成。對于空心的板條狀波導而言，采用正的張角，可允許呈發散狀的泵浦光在兩塊高反射的平板間只經過較少次數的來回反射而達到板條狀波導的輸出口，從而減少了板條狀波導對泵浦光的損耗，提高泵浦效率。對于由透明固體材料制成的板條狀波導，亦可在板條狀波導透明固體材料的兩側外表面上鍍各種高反射的膜層，如鍍金，銀或銅膜，或對泵浦光波長為高反的多層介質膜。此時泵浦光在板條狀波導中的傳輸不再受全內反射的限制。但類似于空心的板條狀波導，采用正的張角，可允許呈發散狀的泵浦光只經過較少次數的來回反射而達到板條狀波導的輸出口，從而減少了板條狀波導對泵浦光的損耗，提高泵浦效率。透明固體材料板條狀波導的泵浦光輸入端可以按照采用的泵浦二極管條輸出光束的發散角，板條波導與激光二極管發光端面距離等因素設計加工成曲面形狀，以改變呈發散狀的泵浦光進入板狀波導后的傳輸路徑，增大符合全內反射條件的泵浦光能量部分，或減少泵浦光從板條狀波導的輸入口達到板條狀波導的輸出口間所需要的反射次數，實現較高的耦合和傳輸效率。亦可以根據固體激光介質直徑大小，波導輸出端口與固體激光介質間的距離，要求的泵浦光在固體激光介質中的泵浦光強度分布等要求，將透明固體材料板條波導的輸出端設計制作成一定的曲面形狀，對輸出的泵浦光進行所需的聚焦或整形。泵浦光
輸入端和輸出端表面可以鍍上對泵浦光波長為增透的膜層，減少耦合的損失。對于空心的板條狀波導，可以在其輸入端口或輸出端口處加配特定的光學元件，對輸入和輸出的泵浦光進行所需的聚焦或整形。附圖說明圖1美專利US 6704341 B1中公示的激光二極管泵浦技術示意圖。圖2美專利US 5774488中公示的的激光二極管泵浦技術示意圖。圖3本專利技術采用3組泵浦激光二極管/板條狀波導泵浦的截面示圖。圖4采用3組泵浦激光二極管/板條狀波導泵浦3D示意圖。圖5透明固體材料制成的板條狀波導示意圖。圖6透明固體材料制成的板條狀波導示意圖。圖7由本文檔來自技高網...

【技術保護點】
由至少一個以上的條狀激光二極管和板條狀波導組件對固體激光介質進行側面泵浦的固體激光器，條狀激光二極管和板條狀波導組件由至少一個以上的條狀激光二極管和一個板條狀波導組成，條狀激光二極管的光輸出經由板條狀波導耦合至固體激光介質，板條狀波導的高度至少是5毫米以上，板條狀波導的兩側面的夾角范圍在±5度之間，固體激光介質安裝于透明介質水冷管中直接由冷卻液體進行冷卻。

【技術特征摘要】
1.由至少一個以上的條狀激光二極管和板條狀波導組件對固體激光介質進行側面泵浦的固體激光器，條狀激光二極管和板條狀波導組件由至少一個以上的條狀激光二極管和一個板條狀波導組成，條狀激光二極管的光輸出經由板條狀波導耦合至固體激光介質，板條狀波導的高度至少是5毫米以上，板條狀波導的兩側面的夾角范圍在±5度之間，固體激光介質安裝于透明介質水冷管中直接由冷卻液體進行冷卻。2.權利訴求1中的板條狀波導為透明固體材料制成，包括光學玻璃，熔融石英，藍寶石，高度透明的塑料。3.權利訴求2中的固體透明材料板條狀波導兩側面上鍍復有高反射率的膜層，包括金膜，銀膜，銅膜或多層介質高反膜。4.權利訴求2中的固體透明材料板條狀波導板的輸入端面和輸出端面可以是平面、凹面、曲面、凸曲面。5.權利訴求4...

【專利技術屬性】
技術研發人員：常峰，王力，尹慧玲，孫偉，
申請(專利權)人：道中道激光科技有限公司，
類型：發明
國別省市：北京;11