專利名稱：具有提高的泵浦光吸收的二極管泵浦固態(tài)激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及固態(tài)激光器的領(lǐng)域，并且更具體涉及二極管泵浦固態(tài)激光器。
背景技術(shù)：
許多固態(tài)激光器是在與稀土離子中的4f_4f躍遷對應(yīng)的窄發(fā)射線上實現(xiàn)。此外大多數(shù)這些系統(tǒng)也由與稀土離子中的4f-4f躍遷對應(yīng)的窄且弱的吸收帶表征。通過泵浦二極管發(fā)射波長與離子的吸收線的良好匹配實現(xiàn)對這些材料的高效二極管泵浦，這可以通過恰當(dāng)選擇的泵浦二極管以及二極管溫度的良好調(diào)諧和穩(wěn)定來實現(xiàn)。二極管泵浦固態(tài)激光器(DPSSL)現(xiàn)在大多數(shù)是Nd: YAG或NchYVO4激光器，其在紅外波長發(fā)射并且用于例如醫(yī)學(xué)應(yīng)用或者材料處理應(yīng)用。這些應(yīng)用要求低至中等大小批量的激光源并且允許非常高的價格水平。手動到半自動制作這些激光器因此非常普遍。然而這使得前述激光器不適合于諸如未來一代激光投影儀的應(yīng)用所要求的大批量或規(guī)模制作。如果最近發(fā)展的在可見波長范圍發(fā)射的藍光二極管泵浦固態(tài)激光器(bDPSSL)可以被用作投影應(yīng)用中的光源，這可能會改變。典型的bDPSSL是基于作為激光介質(zhì)的LiYF4 Pr，其下文中稱為I^r YLF或 ft~:LiLuF4。這些晶體由下述表征各向異性晶體結(jié)構(gòu)、窄吸收線以及幾cm—1量級的吸收系數(shù)。由于晶體的各向異性結(jié)構(gòu)，要求晶體取向與平行于激光偏振的c軸的良好對齊以得到最佳泵浦光吸收。泵浦二極管的發(fā)射波長必須選擇為落在+/-Inm的波長范圍內(nèi)。當(dāng)前，提供發(fā)射波長介于440nm和455nm的泵浦二極管。典型bDPSSL設(shè)置中使用的晶體相應(yīng)地長度僅僅為幾mm直至約1cm。更短的晶體將是優(yōu)選的，因為這通常有利于泵浦束與激光模式的模式匹配。對于高功率泵浦二極管，模式匹配變得更加復(fù)雜，因為泵浦功率的增大分別伴隨著束質(zhì)量或者M2因子的劣化。

發(fā)明內(nèi)容
因此本發(fā)明的目的是提供一種二極管泵浦固態(tài)激光器，其允許光學(xué)對齊中更大的容差。在本發(fā)明中，提出了提高各向異性晶體中的泵浦光吸收的措施，所述措施減小泵浦光吸收對二極管電流、二極管溫度的依賴性以及對泵浦二極管從吸收線失調(diào)的依賴性。這些措施包括發(fā)送泵浦輻射兩次經(jīng)過晶體，使用更長的晶體，將激光晶體置于不表現(xiàn)最佳吸收的取向中以及在激光腔體內(nèi)使用諸如四分之一波片的延遲器(也稱為波片)。每個這些措施，特別是一些或全部這些措施的組合將增大二極管泵浦固態(tài)激光器的設(shè)置中的容差，并且因此減小特別是大批量制作中的制作成本。相應(yīng)地提供了一種二極管泵浦固態(tài)激光器裝置，其包括泵浦激光二極管，以及
激光晶體，其中該激光晶體形成固態(tài)激光器的至少一部分，該固態(tài)激光器在與從泵浦激光二極管發(fā)射的激光的波長不同的波長發(fā)射激光，以及其中
該固態(tài)激光器由該泵浦激光二極管光學(xué)泵浦。該泵浦激光二極管布置成在縱向方向上將其泵浦激光注入激光晶體。該二極管泵浦固態(tài)激光器裝置還包括至少一種下述裝置
輸出耦合器，其將縱向透射通過所述激光晶體的所述泵浦激光的份額往回反射， 各向異性激光晶體，其對于沿著橫切固態(tài)激光器的縱向方向的第一方向和垂直于所述第一方向的第二方向偏振的泵浦光具有兩個不同吸收系數(shù)，其中所述各向異性激光晶體和所述泵浦激光二極管相互取向為使得所述泵浦激光的偏振具有沿著所述第一方向和所述第二方向二者的分量，
延遲器或波片，分別將泵浦光從線偏振光轉(zhuǎn)換為橢圓偏振光或者理想地轉(zhuǎn)換為圓偏振光。適當(dāng)?shù)?，延遲器布置在固態(tài)激光器的腔體內(nèi)或者激光腔體的光入口側(cè)的前方，泵浦光在該光入口側(cè)被注入。借助合適的輸出耦合器將泵浦光反射回到腔體內(nèi)，這增加泵浦光吸收。另外，所吸收的泵浦光的強度分布均勻化。由于吸收增大，可以使用更短的激光晶體，由此有利地促進模式匹配。優(yōu)選地，晶體長度選擇為使得最初注入晶體的泵浦激光輻射的至少5%、優(yōu)選地至少10%、特別優(yōu)選地至少20%的份額透射通過該晶體并且被輸出耦合器至少部分地往回反射。固態(tài)激光器的縱向方向限定為固態(tài)激光器的激光束沿著其發(fā)射的方向并且因此與固態(tài)激光器的光軸吻合。本發(fā)明優(yōu)選地應(yīng)用到bDPSSL。相應(yīng)地，這種情況下泵浦激光二極管為發(fā)射藍光激光二極管。本發(fā)明允許寬松的bDPSSL制作容差，由此降低制作成本，使得發(fā)明的bDPSSL可以用作諸如視頻投影儀的消費產(chǎn)品中的光源。適當(dāng)?shù)?，可以采用?35至455納米范圍內(nèi)的波長發(fā)射的泵浦激光二極管。為了在縱向方向上將泵浦光注入固態(tài)激光器的腔體，固態(tài)激光器優(yōu)選地包括將其激光腔體終止于輸出耦合器的相對端部的波長選擇鏡。該波長選擇鏡對于泵浦激光是透射的并且對于固態(tài)激光器的激光是反射的。類似地，為了避免泵浦激光透射通過輸出耦合器，另外有利的是采用在激光晶體的輸出側(cè)上的波長選擇鏡，其中該波長選擇鏡對于泵浦激光是高度反射的，但是對于固態(tài)激光器的激光是至少部分透射的。特別地，輸出耦合器本身可以設(shè)計成對于固態(tài)激光器的激光是半透明的但是對于泵浦激光是高度反射的波長選擇鏡。例如，對于固態(tài)激光的透射可以在1%至20%的范圍內(nèi)，并且對于泵浦激光的透射可以小于0. 5%。另外，激光晶體的優(yōu)選材料為 Pr YLF、Pr LiLuF4、Pr LiGdF4、Pr BaY2F8 和 ft~:KYF4。這些晶體是各向異性的并能夠在包括綠光波長范圍的各種不同顏色發(fā)射激光，并且因而非常適合提供彩色激光投影儀的一種或多種顏色分量。 通常，優(yōu)選地選擇與第一偏振方向平行的偏振平面的取向，在該第一偏振方向上該激光晶體對于泵浦激光具有其最大吸收。然而，根據(jù)本發(fā)明的實施例，當(dāng)泵浦激光偏振不是沿著最大吸收的方向取向而是具有沿著具有較低吸收的第二方向的分量時，該系統(tǒng)從具有最大轉(zhuǎn)換效率的取向失調(diào)。然而，如下文更詳細所闡述，這種措施已經(jīng)證明對于穩(wěn)定固態(tài)激光器的強度是非常有利的。特別地，激光的c軸可以橫切固態(tài)激光器的縱向方向而取向， 其中激光晶體相對于泵浦激光二極管取向，使得泵浦激光的偏振平面和所述晶體的c軸包括一角度。例如，偏振平面平行于c軸時，Pr:YLF晶體中出現(xiàn)最大吸收。優(yōu)選角度介于30° 和60°，特別優(yōu)選地介于35°和55°。由于包括不同吸收系數(shù)的光學(xué)各向異性，透射通過晶體并且往回反射到泵浦激光二極管的泵浦光改變其偏振態(tài)，使得這個光至少具有與從二極管發(fā)射的光垂直地偏振的分量。因而，激光二極管中的自混合效應(yīng)減小，這是因為垂直偏振束不相互干涉。還有可能借助附加元件改變光的偏振態(tài)。就此而言，如上所述，提出了使用延遲器或波片。優(yōu)選地，采用四分之一波片以產(chǎn)生圓偏振光。另外，為了獲得高度的圓偏振，延遲器的光軸和泵浦激光的偏振平面優(yōu)選地包括介于35和55°的角度。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)激光器裝置的實施例。圖2示出對于相對于ft~:YLF晶體的c軸的偏振平面的兩個取向，PriYLF的吸收系數(shù)與波長的函數(shù)的圖示。圖3示出對于不同激光二極管電流以及偏振矢量和激光晶體的c軸之間的0°和 45°的角度，透射與通過激光晶體的路徑長度的函數(shù)的曲線圖。圖4示出對于不同泵浦激光二極管溫度以及偏振矢量和激光晶體的c軸之間的 0°和45°的角度，透射與通過激光晶體的路徑長度的函數(shù)的曲線圖。圖5示出根據(jù)本發(fā)明的固態(tài)激光器裝置的另一實施例，其具有布置在固態(tài)激光器的腔體內(nèi)的四分之一波片。圖6示出圖5的變型，其具有置于泵浦激光二極管和固態(tài)激光器腔體之間的四分之一波片。
具體實施例方式圖1示出二極管泵浦固態(tài)激光器裝置1的第一實施例。二極管泵浦固態(tài)激光器裝置1包括泵浦激光二極管3和具有激光晶體11的固態(tài)激光器7。根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實施例，采用藍光激光二極管作為泵浦光源。固態(tài)激光器7設(shè)計成在一波長發(fā)射激光，該波長不同于從泵浦激光二極管3發(fā)射的激光的波長。例如，如果使用ft·:YLF晶體，固態(tài)激光器可以設(shè)計成在綠光波長范圍內(nèi)或者在紅光波長范圍內(nèi)發(fā)射。固態(tài)激光器7的腔體71被例如電介質(zhì)鏡的波長選擇鏡9和輸出耦合器14終止。 輸出耦合器14對于由固態(tài)激光器7生成的激光71是半透明的。例如，輸出耦合器可以設(shè)計成透射激光輻射的一定％的份額并且反射其余輻射。如圖1所示，通過經(jīng)過耦合光學(xué)元件或透鏡6將泵浦激光31在縱向方向上注入激光晶體11，由泵浦激光二極管3泵浦固態(tài)激光器7。為此目的，激光被耦合通過波長選擇鏡 9。因此，鏡9對于泵浦激光31是透射的，但是對于固態(tài)激光器7的激光73是高度反射的。作為允許更短激光晶體的措施，輸出耦合器14可以將縱向透射通過激光晶體的泵浦激光31的份額往回反射。因而，泵浦激光31兩次透射通過激光晶體11。優(yōu)選地，相對于激光晶體的對泵浦激光的吸收，激光晶體11的長度選擇為使得最初進入晶體11的泵浦激光輻射的至少5%，優(yōu)選地至少20%的份額透射通過晶體。為了避免已經(jīng)透射通過激光晶體11的泵浦激光31與固態(tài)激光器的耦出激光混合，輸出耦合器優(yōu)選地設(shè)計成電介質(zhì)波長選擇鏡，該電介質(zhì)波長選擇鏡對于固態(tài)激光73是部分透射或半透明的，但是對于泵浦激光31具有高反射率。另一可能性是插入另一電介質(zhì)鏡，該另一電介質(zhì)鏡反射泵浦激光31，但是對于固態(tài)激光71具有高的透射。根據(jù)本發(fā)明提出的第二措施消除與泵浦二極管中往回反射的激光輻射關(guān)聯(lián)的問題。為此目的，提出使用一種各向異性激光晶體，其對于沿著橫切激光晶體11的縱向方向的第一方向和垂直于此第一方向的第二方向偏振的泵浦光具有兩個不同吸收系數(shù)。這例如對于Pr:YLF和Pr = LiLuF4晶體均成立。各向異性激光晶體和泵浦激光二極管相互取向為使得泵浦激光的偏振具有沿著第一和第二方向二者的分量。特別地，這些晶體這樣取向它們的3和(軸橫切固態(tài)激光器的縱向方向。這種情況下激光晶體11相對于泵浦激光二極管取向為使得泵浦激光的偏振平面和晶體的c軸包括一角度。通過將激光晶體取向為使得c軸不平行于泵浦激光偏振而是成優(yōu)選地介于35° 和55° (例如45° )的角度，則引入了相對于最大吸收的取向的未對齊。從圖2可以看出對于平行和正交于的c軸的偏振的吸收系數(shù)差異。圖2 示出對于平行于c軸(陰影線)和垂直于c軸(連續(xù)線)的泵浦激光31的偏振，PriYLF的吸收系數(shù)與波長的函數(shù)。此晶體中的摻雜水平為Cft=O. 2%。從曲線圖可以看出，對于沿著c軸的泵浦激光31的偏振，窄吸收線的強度顯著更高。440nm和450nm之間的吸收線特別適合于光學(xué)泵浦。然而，因為對于平行于和正交于c軸的偏振而言吸收系數(shù)是不同的，這種措施改變泵浦光的偏振態(tài)，并且在經(jīng)過激光晶體之后泵浦光的顯著部分被偏振為正交于原始泵浦光偏振。然而，偏振為正交于原始泵浦光偏振的光并不干涉泵浦激光二極管3的腔體內(nèi)的光，并且因此不影響泵浦激光二極管性能。令人驚奇地，與往回反射泵浦光和/或僅僅使用更長晶體相組合，這種措施還幫助減小隨著二極管電流或二極管溫度變動的吸收變化。這種情況進一步由圖3和4的曲線圖說明。圖3示出泵浦激光的透射與通過激光晶體的路徑長度的函數(shù)的曲線圖。如圖例中所示，獲得了泵浦激光31的偏振平面之間0°和45°的角度以及500、250和120mA的不同激光二極管電流Iui的曲線圖。透射值是指具有0. 5% Pr濃度的晶體。即使對于45°取向吸收更低(透射更高)，隨二極管電流的變化急劇減小。當(dāng)對于晶體的最佳取向，泵浦光的透射從Ιω=500πιΑ的28%改變到‘=120·的66%時，對于45° 取向這種效應(yīng)減小到45%至60%的范圍。盡管對于常規(guī)平行取向的偏振平面和c軸，對于120mA和500mA之間的驅(qū)動電流， 透射差異高達ΔΤ=0. 38，對于根據(jù)本發(fā)明的45°配置，這個差異減小至僅僅0.13。通過更長的晶體或者通過經(jīng)過晶體兩次，可以抵消對于45°取向的更高的透射。圖4示出對于0°和45°的角度以及泵浦激光二極管3的腔體的不同溫度T111的透射。對于每個曲線圖，驅(qū)動電流保持恒定在500mA。從圖4可以看出，通過將晶體旋轉(zhuǎn)到45°，不同二極管溫度對泵浦光的透射或吸收的影響可以從Δ T=O. 05減小至Δ T=O. 01，即按因數(shù)5減小。二極管電流和二極管溫度均主要影響激光二極管的發(fā)射波長。在這種意義上說，如根據(jù)本發(fā)明提出的旋轉(zhuǎn)晶體的措施還增大對于二極管泵浦固態(tài)激光器可用的泵浦波長的范圍。對泵浦二極管激光器3的驅(qū)動電流或腔體溫度的寬松的依存性的原因看上去是在圖2的譜圖中可見的吸收線的波長偏移。如果泵浦激光31的偏振平面旋轉(zhuǎn)，泵浦激光將最終匹配吸收波長，使得即使對于沿著c軸的偏振的晶體的吸收波長和泵浦激光31的實際波長存在略微不匹配，也發(fā)生有效吸收。不限于特定實施例以及所使用的各向異性激光晶體的類型，因此可以有利地提供一種泵浦激光二極管3，其在對于沿著第一和第二方向(例如沿著c軸和橫切c軸)的偏振的吸收波長之間的波長發(fā)射。特別是對于將泵浦光往回反射到晶體11內(nèi)的情形，提高泵浦光吸收的第三種措施是在固態(tài)激光器7的腔體71中使用四分之一波片16。將四分之一波片16的光軸相對于泵浦激光二極管3的偏振平面的取向置為成介于35和55°的角度，特別是成45°的角度， 這抑制往回反射的光對泵浦激光二極管3的影響。這種情況下，泵浦激光31的偏振平面和激光晶體11的c軸也可以是平行的。該設(shè)置示于圖5。對于其中激光晶體11不取向為平行于激光偏振的情形，四分之一波片的若干取向有可能減小激光二極管中往回反射的光的數(shù)量并且同時提高泵浦光吸收。四分之一波片16也可以置于激光諧振器前方，即激光腔體71的光入口側(cè)前方，如圖6所示位于耦合光學(xué)元件和波長選擇鏡9之間，其中泵浦激光31在該光入口側(cè)被注入。 四分之一波片16相對于泵浦光偏振置于介于35和55°的角度，特別是置于45°的角度， 該四分之一波片將線偏振泵浦激光31轉(zhuǎn)換為橢圓或圓偏振光。利用這種設(shè)置，激光晶體11 的取向不再影響泵浦激光31的吸收。因而，不要求精確對齊。反射回來的泵浦光隨后被轉(zhuǎn)換為線偏振光，但是與原始泵浦光偏振正交。即使此處上文描述的示例性實施例提到利用作為激光介質(zhì)的bDPSSL， 但是本發(fā)明不應(yīng)限于這種情形。相反，對于紅外激光器，例如對于二極管泵浦Nd:YV04、 NdiGdVO4或Tm/Ho:YLF激光器，所提出的措施也是有用的和可應(yīng)用的。
權(quán)利要求
1.一種二極管泵浦固態(tài)激光器裝置，包括泵浦激光二極管(3)，以及激光晶體(11)，所述激光晶體(11)形成固態(tài)激光器(7)的至少一部分，該固態(tài)激光器在與從所述泵浦激光二極管發(fā)射的激光的波長不同的波長發(fā)射激光，以及所述固態(tài)激光器由所述泵浦激光二極管泵浦，其中所述泵浦激光二極管布置成在縱向方向上將其泵浦激光(31)注入所述激光晶體 (11 )，所述二極管泵浦固態(tài)激光器裝置(1)包括至少一種下述裝置輸出耦合器(14)，其將縱向透射通過所述激光晶體的所述泵浦激光的份額往回反射，各向異性激光晶體，其對于沿著橫切該固態(tài)激光器的縱向方向的第一方向和垂直于所述第一方向的第二方向偏振的泵浦光具有兩個不同吸收系數(shù)，其中所述各向異性激光晶體和所述泵浦激光二極管相互取向為使得所述泵浦激光的偏振具有沿著所述第一方向和所述第二方向二者的分量，延遲器，所述延遲器將所述泵浦光從線偏振光轉(zhuǎn)換為橢圓或圓偏振光。
2.如權(quán)利要求1所述的二極管泵浦固態(tài)激光器裝置，其中所述固態(tài)激光器包括波長選擇鏡，該波長選擇鏡將所述固態(tài)激光器的激光腔體終止于所述輸出耦合器(14)的相對端部，其中所述泵浦激光二極管(3)的所述光通過所述波長選擇鏡被注入所述固態(tài)激光器裝置(7)，所述波長選擇鏡對于所述泵浦激光(31)是透射的并且對于所述固態(tài)激光器(7)的所述激光是反射的。
3.如權(quán)利要求1所述的二極管泵浦固態(tài)激光器裝置，其中所述激光晶體(11)透射最初注入所述激光晶體(11)的泵浦激光輻射(31)的至少5%的份額，所述至少5%的份額被所述輸出耦合器(14)至少部分地往回反射。
4.如權(quán)利要求1所述的二極管泵浦固態(tài)激光器裝置，其中所述泵浦激光二極管(3)為發(fā)射藍光激光二極管。
5.如前述權(quán)利要求所述的二極管泵浦固態(tài)激光器裝置，其中所述泵浦激光二極管(3) 在435納米至妨5納米范圍內(nèi)的波長發(fā)射。
6.如權(quán)利要求1所述的二極管泵浦固態(tài)激光器裝置，其中所述激光晶體(11)為 Pr:YLF 晶體。
7.如權(quán)利要求1所述的二極管泵浦固態(tài)激光器裝置，其中所述激光晶體(11)為 Pr LiLuF4, Pr LiGdF4, Pr BaY2F8 或 Pr KYF4 晶體。
8.如權(quán)利要求1所述的二極管泵浦固態(tài)激光器裝置，其中所述輸出耦合器(14)包括波長選擇鏡，該波長選擇鏡對于所述固態(tài)激光器(7)的激光是半透明的，但是對于所述泵浦激光(31)是高度反射的。
9.如權(quán)利要求1所述的二極管泵浦固態(tài)激光器裝置，其中所述泵浦激光(31)的所述第一偏振方向為所述激光晶體對于所述泵浦激光(31)具有其最大吸收系數(shù)的偏振方向。
10.如權(quán)利要求1所述的二極管泵浦固態(tài)激光器裝置，其中所述激光晶體(11)具有橫切所述固態(tài)激光器(7)的所述縱向方向取向的C軸，并且其中所述激光晶體(11)相對于該泵浦激光二極管(3)取向為使得該泵浦激光(31)的偏振平面和所述激光晶體(11)的所述 c軸包括一角度。
11.如前述權(quán)利要求所述的二極管泵浦固態(tài)激光器裝置，其中所述角度介于30°和 60°，優(yōu)選地介于；35°和55°。
12.如權(quán)利要求1所述的二極管泵浦固態(tài)激光器裝置，其中所述延遲器布置在所述固態(tài)激光器(7)的腔體(71)內(nèi)或者布置在該激光腔體(71)的光入口側(cè)前方，該泵浦激光(31) 在該光入口側(cè)被注入。
13.如權(quán)利要求1所述的二極管泵浦固態(tài)激光器裝置，其中所述延遲器為四分之一波片(16)。
14.如權(quán)利要求1所述的二極管泵浦固態(tài)激光器裝置，其中所述延遲器的光軸和該泵浦激光(31)的偏振平面包括介于35和55°的角度。
15.一種激光圖像或視頻投影裝置，包括至少一個如權(quán)利要求1所述的二極管泵浦固態(tài)激光器裝置(1)。
全文摘要
對于二極管泵浦固態(tài)激光器，提出了提高各向異性晶體中泵浦光吸收的措施。所提出的措施減小泵浦光吸收對二極管電流和二極管溫度的依賴性以及對泵浦二極管從吸收線失調(diào)的依賴性。這些措施包括發(fā)送泵浦輻射兩次經(jīng)過晶體，將激光晶體置于不表現(xiàn)最佳吸收的取向以及使用延遲器。
文檔編號G02F1/00GK102449862SQ201080023394
公開日2012年5月9日 申請日期2010年5月21日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月28日
發(fā)明者馬肯斯 U., 魏希曼 U. 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司