專利名稱：二極管泵浦激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種二極管泵浦固體激光器，尤其涉及端泵浦微晶片固體激光器，所述二極管泵浦是在沒有中間的光束聚焦或校準元件的情況下進行。
背景技術(shù)：
二極管激光器作為泵浦源被廣泛應(yīng)用于固體激光器裝置中。它們的特點是效率高，緊湊，并且可以得到幾種紅色和近紅外波長。然而將二極管激光器作特殊用途時有很多困難。特別地，大多數(shù)高功率商業(yè)用泵浦二極管為邊射型，且具有矩形波導(dǎo)，所述矩形波導(dǎo)具有相當高的縱橫比；因此，這些二極管發(fā)射具有橢圓截面和伴隨散光的高度發(fā)散的輸出光束。激發(fā)光束的橢圓率和散光可能會損害泵浦效率，應(yīng)用在具有近似高斯強度分布的圓對稱輸出激光光束中，這就特別突出。
因此，在大多數(shù)二極管泵浦固體激光器的應(yīng)用中，各種各樣的光束糾正透鏡元件被廣泛用來將二極管激光器光束耦合進入激光增益介質(zhì)，以縮減或糾正散光，且將二極管的橢圓輸出光束轉(zhuǎn)變成具有圓形截面的準直或聚焦光束。這些透鏡元件典型地包括GRIN透鏡，非球面透鏡，變形棱鏡對，微圓柱透鏡，單模光纖等中的至少一個。盡管使用這些耦合光學(xué)元件能夠更好地使泵浦體積和主要激光模式符合，但是需要附加校準步驟，從而使制造過程變得復(fù)雜，且增加了激光器成本。因此，提供一種不使用透鏡元件的二極管泵浦激光器將是有利的，所述透鏡元件用于為激發(fā)光束定型和將激發(fā)光束耦合進入增益介質(zhì)。
狄克遜(Dixon)的專利號為4,847,851的美國專利公開了一種單一橫向模式的二極管泵浦激光器，其中半導(dǎo)體泵浦激光器被對接耦合到激光增益介質(zhì)的輸入端面，從而它們間隔“小于0.001″”；所述增益材料具有小于500μm的小的吸收長度，并可以利用折射率匹配光學(xué)接合劑而結(jié)合到二極管泵浦的輸出端面。如果所述泵浦激光器具有相對窄的波導(dǎo)，使得所述泵浦光束發(fā)射孔徑足夠小，那么這種結(jié)構(gòu)可以提供充分小的泵浦模式體積，以支持單一橫向模式并能夠使單空間模式運行。
然而，因為增益材料的泵浦區(qū)域的橢圓截面不能與具有圓對稱的主要激光模式匹配，這種結(jié)構(gòu)的輸出激光效率可能要減小。所述對接耦合泵浦設(shè)置也可能限制發(fā)射孔徑范圍和可以用于泵浦激光器二極管的單模運行的泵浦激光器二極管的縱橫比；與激光晶體塊對接耦合的具有又寬又薄的發(fā)射孔徑的高功率激光二極管，可以激發(fā)充分寬的模式體積，從而引起在激光輸出中出現(xiàn)高階空間模式，或者導(dǎo)致非圓形的激光輸出光束。所述對接耦合泵浦設(shè)置的另一個缺點是它要求泵浦二極管激光器和激光晶體塊在裝配期間要非常接近，這樣就帶來了損壞所述激光二極管輸出端面的危險，同時降低了制造出良好的激光器的產(chǎn)量。
本發(fā)明的一個目的就是提供一種二極管泵浦激光器裝置，所述裝置具有優(yōu)化的激射效率(lasing efficiency)，而無需在增益元件和泵浦二極管之間配置透鏡元件。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種二極管泵浦激光器裝置，所述裝置發(fā)射具有基本上為圓對稱形狀的主要激光模式，而無需在增益元件和泵浦二極管之間配置透鏡元件。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明，提供一種激光器裝置，包括激光二極管，所述激光二極管具有輸出光發(fā)射面，以沿著光軸方向以第一波長發(fā)射散光泵浦光束，所述散光泵浦光束在所述激光二極管的輸出面處具有橢圓的非圓形截面，且在垂直于所述光軸方向的第一平面上具有圓形截面；和，具有第一端和第二端的增益元件，所述增益元件沿著所述光軸的方向而設(shè)置，用于通過第一端接收泵浦光束和通過第二端以第二波長發(fā)射激光光束，其中所述第一端距離所述激光二極管的輸出光發(fā)射面至少0.001″(0.001英寸)，而無需在其間配置透鏡元件；其中所述增益元件的第一端位于所述激光二極管和第一平面之間。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述泵浦光束在其上具有基本上為圓形的截面的第一平面位于所述增益元件內(nèi)。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述激光二極管的輸出面和所述增益元件的第一端之間的距離l在30μm和170μm之間。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述激光器裝置包括沿著所述光軸布置的第一和第二反射器，在所述第一和第二反射器之間設(shè)有增益元件，以形成的具有第二波長的激光器腔室，其中位于所述增益元件和所述激光二極管之間的所述第一反射器對于所述第一波長是透射的，對于所述第二波長是反射的。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述激光器裝置還包括非線性光學(xué)元件，所述非線性光學(xué)元件沿著所述光軸設(shè)置于所述增益元件和所述第二反射器之間，用于接收激光光束和提供次級光束，通過非線性頻率轉(zhuǎn)換，所述次級光束具有短于第二波長的第三波長，所述光學(xué)非線性元件和增益元件粘接在一起，以形成單塊，其中第一和第二反射器包括薄膜鍍膜，所述薄膜鍍膜形成于所述增益元件的第一端和非線性元件的遠端。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述激光器裝置包括飽和吸收器，所述飽和吸收器沿著光軸方向設(shè)置于所述增益元件和第二反射器之間，以激活所述激光器裝置的被動的Q開關(guān)或者鎖模和用于提供具有第二波長的脈沖光束。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述非線性元件具有雙折射功能，所述激光器裝置還包括偏振棱鏡，所述偏振棱鏡設(shè)置于所述增益元件和非線性元件之間，以形成腔內(nèi)利奧濾光器。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述增益元件是Nd:YVO4晶體，所述非線性元件是KTP晶體。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述泵浦光束的縱橫比在激光二極管的輸出面處為不小于20，在所述增益元件的輸入端為不大于6。
根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，所述增益元件的第一端與激光二極管的輸出面的距離為至少0.001″，選擇所述距離以優(yōu)化所述激光裝置的輸出效率和所述激光光束的形狀中的至少其中之一，而無需在所述激光二極管和增益元件之間設(shè)置準直和聚焦元件。


本發(fā)明的實施例將結(jié)合以下附圖進行描述[20]圖1是本發(fā)明的激光器的示意圖，所述激光器使用了腔內(nèi)二次諧波發(fā)生技術(shù)。
圖2是散光泵浦光束的示意圖。
圖3是曲線圖，表示大和小泵浦光束直徑相對傳播長度的變化。
圖4是一套圖，表示泵浦光束的沿著光軸的截面形狀。
圖5是實驗曲線，表示激光輸出功率相對激光器一泵浦距離的變化。
圖6是本發(fā)明包括偏振棱鏡的二極管泵浦激光器的示意圖。
圖7是本發(fā)明包括飽和吸收器的二極管泵浦激光器的示意圖。
具體實施例方式本發(fā)明是一種直接耦合的二極管泵浦激光器，利用高功率激光二極管泵浦發(fā)射散光和發(fā)散的泵浦光束，所述泵浦光束在激光二極管泵浦輸出面具有橢圓截面，其中激光器晶體被設(shè)置于距所述激光二極管泵浦處超過0.001″處，而無需在激光晶體和激光二極管泵浦之間耦合透鏡元件，所述泵浦光束在此處就具有實質(zhì)上圓形的截面。所述散光泵浦光束無需事先進行重新光束定型，就直接被耦合進入所述激光器晶體，以在激光器晶體中提供泵浦光束，這樣所述散光泵浦光束就在空間上匹配于主要激光模式，從而得到最佳的激射效率和圓對稱的輸出激光光束。
如圖1所示為本發(fā)明的直接耦合的二極管泵浦激光器的示例性實施例，并在下面進行描述。
具有第一端21和第二端22的增益元件20沿著光軸5而設(shè)置。非線性光學(xué)元件30按順序位于增益元件20的后面，并且和所述增益元件20的第二端22光學(xué)結(jié)合在一起，以形成單片塊230。在其他的實施例中，所述增益元件20和所述非線性光學(xué)元件30通過本領(lǐng)域熟知的技術(shù)彼此固定地粘結(jié)在一起，例如，它們可以通過光學(xué)接觸和/或通過外部固定裝置使彼此粘結(jié)或連接在一起。當所述增益元件20以波長λ1被光學(xué)泵浦時，其在波長λ2處表現(xiàn)出激光躍遷；所述兩個波長λ1和λ2在以下被稱為第一波長和第二波長，或者分別被稱為泵浦波長和激光波長。在本實施例中，所述非線性元件30通過二次諧波產(chǎn)生技術(shù)(SHG)用于光學(xué)倍頻，并且在激光頻率λ2處是相位符合的。
所述增益元件20的第一端21和所述非線性光學(xué)元件30的遠端31具有薄膜光學(xué)鍍膜，在所述單片塊230的兩端分別形成兩個反射器23和33，所述反射器23和33可以由本領(lǐng)域熟知的技術(shù)制成，兩個反射器對于波長λ2都是反射的，從而在兩者之間形成波長為λ2的激光腔室。所述第一反射器23對于第一波長λ1是透射的，使所述光學(xué)泵浦能夠進行，而第二反射器33對于第三波長λ3是透射的，所述第三波長λ3小于第二波長λ2，在本實施例中為λ2/2。在其相對端具有第一反射器23和第二反射器33的所述單片塊230形成微晶片激光腔室，以下也稱為微晶片激光器230。
在以下的說明中，將集中介紹一個實施例，其中所述增益元件20為一小型Nd:YVO4激光晶體塊，尺寸為1×1×0.5mm，其中0.5mm是它沿著光軸5的長度尺寸，所述非線性元件為KTP晶體塊，尺寸為1×1×2mm，所述非線性元件是相位匹配的，以實現(xiàn)倍頻。作為一個例子，所述材料的選擇可以按照波長λ1～809nm，λ2～1064nm，λ3～532nm，最后一個波長為綠光的波長。其他的非線性材料，像MgO:LiNbO3，在其他實施例中可以用于非線性晶體30；類似地，其它摻雜的晶體可以用于所述增益元件20。
激光二極管泵浦10位于所述增益元件20的前面，與所述增益元件之間形成一定的距離，以光學(xué)泵浦所述增益元件。所述二極管泵浦10具有活性層15，和輸出光發(fā)射面11，所述輸出光發(fā)射面11被定位，使得所述增益元件20的第一端21面向泵浦二極管10的輸出光發(fā)射面11，其間的縫隙13的寬度l＞0.001”。所述縫隙13的寬度在圖1中沒有按比例表示，在下面的敘述中將其稱為泵浦—激光器距離。在本發(fā)明中所述距離的選擇至關(guān)重要，后面將對其詳細說明。根據(jù)本發(fā)明由所選的縫隙13分開的所述微晶片激光器230和所述二極管泵浦10，形成直接耦合的激光裝置100。例如，所述泵浦二極管10為商業(yè)用高功率激光二極管SDL2360，這可以從JDS尤尼弗思公司獲得。
在操作中，所述激光二極管泵浦10沿著光軸5發(fā)射散光泵浦光束18。所述散光泵浦光束18的光譜以第一波長λ1為中心而分布。所述泵浦光束18具有橢圓截面，在緊接著所述輸出光發(fā)射面11并與所述輸出光發(fā)射面同平面的平面上具有高縱橫比。所述散光光束18投射在所述增益元件20的第一端21上，并通過所述第一端21耦合，而無需在所述激光二極管10和所述增益元件20之間設(shè)置任何聚焦或準直光學(xué)元件。所述光束18在所述增益元件20中被吸收，從而以第二波長λ2提供正的光學(xué)增益，通常稱為光學(xué)泵浦。響應(yīng)于所述散光光束18對所述增益元件的光學(xué)泵浦，激光光束28在所述增益元件20內(nèi)產(chǎn)生，所述激光光束28具有以第二波長λ2為中心的光譜分布。所述激光光束28從所述增益元件20發(fā)射通過第二端22進入非線性元件30，朝向第二反射器33的方向傳播，并且從那里被反射以提供對所述增益元件20的反饋，從而能夠以第二波長發(fā)射激光。
在所述非線性光學(xué)晶體30中的傳播期間，所述激光光束28以所述第三波長λ3激發(fā)二次光束38，其中λ3＜λ2，所述激發(fā)可以利用已知的非線性頻率轉(zhuǎn)變機制比如SHG來實現(xiàn)。所述二次光束38從激光腔室輸出，通過所述非線性元件30的遠端31，形成激光輸出。舉一個例子，在本實施例中，所述微晶片激光器230通過非線性元件30的腔內(nèi)SHG的方式，產(chǎn)生綠光，其波長λ3＝λ2/2～532nm。
在另外的實施例中，所述非線性元件30可以被移除，所述輸出激光反射器可以在所述增益元件20的第二端22處被形成，所述輸出激光反射器對于波長λ1部分反射，從而以第一波長λ1輸出激光光束28。
本發(fā)明的激光裝置的一個主要區(qū)別特征就是所述激光二極管10和所述增益元件20的耦合排列，這與現(xiàn)有技術(shù)中相應(yīng)的排列明顯不同?，F(xiàn)有技術(shù)中的具有邊泵浦的二極管泵浦激光器，使用聚焦或者成像光學(xué)透鏡元件以定型所述泵浦光束，并將所述泵浦光束其耦合進入增益介質(zhì)，或者依靠下面將要介紹的對接耦合排列。在與現(xiàn)有技術(shù)的泵浦排列的重要區(qū)別中，根據(jù)本發(fā)明的二極管泵浦被設(shè)置于距離所述增益元件的位置l＞0.001″處，所述位置l實質(zhì)上經(jīng)過特別挑選，而無需在二極管泵浦與所述增益元件之間設(shè)置任何成像、聚焦或準直透鏡元件，在這樣的排列中，無需復(fù)雜的光學(xué)校準就能實現(xiàn)高泵浦效率和簡化制造。
狄克遜的專利號為4,847,851的美國專利公開了一種二極管泵浦激光器，其中激光二極管和增益介質(zhì)被對接耦合，其中，“對接耦合”意味著充分接近地耦合，即小于0.001″，從而所述光學(xué)泵浦輻射的發(fā)散光束在具有充分小的橫截面積的介質(zhì)中光學(xué)泵浦模式體積，從而支持基本上為單一橫向模式的激光運行，即TEM00模式運行。所述專利還公開了實施例，其中所述增益介質(zhì)和所述激光二極管在各自面上粘合或以其他方式彼此結(jié)合在一起。
然而，使所述激光二極管和所述增益元件之間的距離超過0.001″是有利的，理由如下[39]第一，所述激光二極管和所述增益元件之間的距離超過0.001″，可以有助于避免在所述激光器裝配和制造過程中所述激光二極管面的意外損壞，同時簡化大規(guī)模生產(chǎn)中激光器的裝配。
第二，可以方便地用于光學(xué)泵浦的高功率激光二極管具有較寬的活性層，可以達到100μm甚至更寬，和又寬又薄的發(fā)射孔徑。因此，高功率激光二極管可以發(fā)射寬的泵浦光束，所述泵浦光束在緊靠所述激光二極管的輸出面附近具有高的橢圓度，或者稱為縱橫比。如果所述增益元件對接耦合于所述激光二極管，所述泵浦光束的大的寬度和高的縱橫比使得所述泵浦光束在所述增益元件的第一部分內(nèi)與主要的激光模式的匹配很差，所述主要激光模式具有圓形截面。如果所述增益元件的第一部分提供凈光學(xué)增益的主要部分，則所述對接耦合結(jié)構(gòu)可能負面地影響所述主要模式的光學(xué)增益系數(shù)。所述泵浦光束的高橢圓率也可以導(dǎo)致非圓形激光模式，所述非圓形激光模式具有與所述泵浦激光二極管相同方向上的模式體積延長，導(dǎo)致一定程度的激光輸出光束的橢圓率，這在應(yīng)用中可能是不可接受的。
然而，當所述二極管—激光器距離超過0.001″時，所述泵浦光束變得更圓并且與主要激光模式更好地匹配，后面將對此進行詳細介紹，并且對于典型的高功率激光二極管而言，最佳的能提供最好的激射效率和/或最好的橢圓率的二極管—激光器距離超過0.001″，最佳距離的精確數(shù)值取決于所述激光二極管的發(fā)射特性。在大多數(shù)情況下，我們發(fā)現(xiàn)所述最佳距離在～30μm至170μm之間，然而，可能有某些特殊的激光器設(shè)計方案，其中所述最佳距離將會超出這一范圍。
為了便于理解本發(fā)明的所述泵浦排列，下面將參照圖1和圖2所示的笛卡兒坐標系(x，y，z)對所述激光二極管發(fā)射的基本特征進行討論。在所述坐標系下，z軸為沿著光軸5的方向，x軸沿著激光波導(dǎo)層15的方向，位于二極管輸出面11所在的平面中，并垂直于圖1所在的平面，y軸為垂直于所述波導(dǎo)層15的方向。所述x和y軸的方向一般被稱為所述激光二極管波導(dǎo)的側(cè)向和橫向；后面的具體說明中，它們也分別被稱為垂直和水平方向。所述二極管輸出面11位于z＝0時的(x，y)平面，或者用一個符號將z＝z’所在的(x，y)平面記作(x，y)z′，則位于(x，y)0平面。在圖1中，所述高功率的二極管泵浦10位于(y，z)x＝0截面上，所述截面垂直于所述活性波導(dǎo)層15。
處于沿著光軸5的某個位置上的“光束形狀”或者“光束截面”這兩個術(shù)語，在此可以替換使用，意味著是在(x，y)z平面上的等強度輪廓所包圍的形狀，其中所述等強度輪廓表示在(x，y)z平面上的輪廓，沿著所述平面，所述光束強度為常數(shù)，并且構(gòu)成該平面上的最大光束強度的某一特定部分ε＜＜1；在高斯光束的情況下，典型地，ε＝1/e2。
在高功率的邊發(fā)射激光二極管10中，所述光發(fā)射由電流引起，所述電流經(jīng)過又薄又寬的半導(dǎo)體波導(dǎo)層15，所述波導(dǎo)層一般包括活性量子井結(jié)構(gòu)，圖1示出所述波導(dǎo)層的垂直截面。在垂直方向所述波導(dǎo)層的高度h一般是1微米或更小，或者與所述泵浦波長λ2處于同一數(shù)量級，提供了垂直于所述波導(dǎo)層15的y方向上的單一橫向模式導(dǎo)引。然而，所述波導(dǎo)層的寬度w，即沿著垂直于圖1所在的平面的x方向的波導(dǎo)層的橫向尺寸，一般大到幾十甚至到幾百微米。眾所周知，由這樣一種激光器發(fā)射的光束是高度散光的，即所述光束在活性層平面(x，z)0和垂直于所述活性層的(y，z)0平面上的發(fā)散是不同的，并且具有非球形的波陣面，所述波陣面在側(cè)向平面(x，z)和橫截平面(y，z)上有不同的焦點。
圖2為所述泵浦光束18的3D示意圖，所述泵浦光束由高功率的激光二極管10發(fā)射。矩形條105為激光二極管波導(dǎo)15的光束發(fā)射端，所述端位于所述激光二極管輸出面11上；所述輸出面11本身沒有在圖2中示出。由于在活性波導(dǎo)層15內(nèi)的激光二極管的輻射泄漏進入周圍的半導(dǎo)體中，所述泵浦光束18在所述二極管輸出平面11上具有大致橢圓的截面，稍大于所述光束發(fā)射條105。所述光束截面在圖2中通過陰影橢圓115表示，所述橢圓在側(cè)向具有大直徑dx0，在橫向具有小直徑dy0，其中dy0稍大于波導(dǎo)層厚度h，并且，dx0＞＞dy0～1…2λ1。在沿著光軸5的每一個(x，y)截面上，所述光束的形狀大致為橢圓形狀，所述橢圓形狀沿著x方向和沿著y方向的直徑分別為dx和dy，所述直徑由相應(yīng)的部分光束強度水平ε決定。所述發(fā)散光線對125，130和135，140分別代表所述在(z，y)x＝0和(z，x)y＝0平面上的光束邊界，所述邊界由相同的部分強度水平ε來定義。
沿著x和y方向的光束發(fā)散角分別為θx和θy，在圖2中由箭頭170和175示出。如前所述，在側(cè)向和橫向上的光束尺寸的大的差異使得光束發(fā)散，從而平面(y，z)中的光束發(fā)散角θy比平面(x，z)中的光束發(fā)散角θx大得多，如圖2所示。
在垂直方向上所述泵浦光束典型地由單一主要橫向模式構(gòu)成，并具有近似高斯強度分布，所述橫向發(fā)散角θy主要由橫向y上的光束折射而確定。在側(cè)向x方向，所述激光光束為多模式，可能具有非高斯的強度分布，并經(jīng)常伴隨側(cè)向雙波瓣遠場結(jié)構(gòu)。側(cè)向光束發(fā)散角θx主要由于光束的側(cè)向模式?jīng)Q定而不是由折射決定，不過在實質(zhì)上小于θy。
從而所述激光二極管10典型地產(chǎn)生單一橫向模式和多個側(cè)向空間模式，生成在橫向具有近似高斯場分布的泵浦光束18，并且所述泵浦光束18在側(cè)向具有更加復(fù)雜的多模形式，發(fā)散角θy＞θx，在其它實施例中，所述泵浦光束可以有不同的模式結(jié)構(gòu)，但是它仍然是在側(cè)向和橫向具有不同的發(fā)散角的散光。
當所述泵浦光束18沿著光軸5傳播時，所述垂直光束直徑dy比側(cè)向光束直徑dx以更快的速度增加，所述光束的形狀從沿著x軸伸長的橢圓105，變化到沿著y軸伸長的橢圓145。在距離所述激光波導(dǎo)的光束發(fā)射端為lc的某一特定位置處，所述散光光束18具有近似圓形的截面120，所述截面在這里被稱作是最小模糊圈(CLC)。
現(xiàn)在參照圖3，直線1和直線2分別表示垂直光束直徑dy和側(cè)向光束直徑dx沿著光軸作為坐標z的函數(shù)，或與所述激光二極管面21的距離，所述直線可用來估計用于空氣中傳播的商業(yè)用高功率激光二極管SDL2360，所述二極管可從JDS Uniphase公司獲得。所述泵浦激光二極管具有發(fā)射孔徑，尺寸為w＝100μm，h＝1μm，總的發(fā)散角度θx＝12°，θy＝32°。圖3中的垂直直線4表示CLC的位置，即沿著光軸5的位置z＝lc處，其中dx＝dy，對于這種類型的激光二極管，如果所述泵浦光束18在自由空間中傳播，所述位置與所述激光二極管面21的距離大約為lc～280μm。曲線3表示激光光束的橢圓因子e，也稱作是光束縱橫比，定義為e＝max{dx，dy}/min{dx，dy}，所述因子在z＝lc＝280μm處達到最小值1，對應(yīng)于圓形光束截面。所述泵浦光束直徑在CLC位置處約為158μm，對應(yīng)于e＝1。
所述曲線1，2和3被計算以假定所述泵浦光束直徑與傳播距離的線性關(guān)系，這與實際的自由空間光束傳播特性近似。在橫向，所述泵浦光束強度曲線大致可以用一個高斯函數(shù)描述，已知的高斯光束傳播公式可以用來描述當光束沿著光軸5傳播時光束直徑dy的變化[52]dy=dy0[1+(M2zzRy)2]1/2...(1)]]>[53]其中，zRy=πdy02/4λ1]]>為所述光束在y方向的瑞利范圍，M2為因子，以描述所述光束輪廓在y方向與單一模式的高斯光束的偏移。例如，對于SDL2360激光二極管，zRy～2μm。
所述瑞利范圍廣泛應(yīng)用于高斯光束以區(qū)分激光光束傳播中所謂的遠場和近場區(qū)域；在遠場區(qū)域，z＞＞zRy，這是本發(fā)明中所述泵浦一激光器距離l的感興趣的范圍，如計算如圖3中所示的相關(guān)性時所假定的那樣，所述光束直徑dy大致與距離呈線性關(guān)系，且所述光束18在y方向根據(jù)折射所定義的發(fā)散角θy而產(chǎn)生發(fā)散，所述發(fā)散角θy滿足下面的關(guān)系(2)[55]θy=4M2λπdy0...(2)]]>[56]其中，θy用弧度表示。
所述光束沿著x方向的輪廓與高斯形狀相差很遠，所述光束的側(cè)向發(fā)散主要取決于它的側(cè)向模態(tài)大小而不是折射，并且可以實質(zhì)上獨立于所述波導(dǎo)寬度w。對于前面提到的激光器參數(shù)dx0～w＝100μm，dy0～h＝1μm和λ～0.81μm，用在上文中的線性光束發(fā)散的遠場近似值對于所有的距離所述激光端面z＞10μm無論在側(cè)向還是橫向都是正確的，這一點在本發(fā)明中非常重要。
舉例來說，圖4表示出泵浦光束18的五種截面，所述光束由激光二極管SDL2360發(fā)射。在圖4中所述光束的5個截面形狀分別標記為S0，S1，S2，S3，和S4，所述截面利用一種商業(yè)用的光線跟蹤軌跡計算軟件Zemax計算得到；所述軟件可以由已知的平面上的光線分布來計算沿著光軸的任意位置上的近似光線分布。圖4中平面S0到S4位于5個與激光器端面的距離逐漸增加的位置處，所述距離分別為0μm，200μm，280μm，360μm和460μm，用S0標記在激光器端面處的近似的光線分布。根據(jù)圖4所示的結(jié)果，所述激光二極管光束在平面S2處具有近乎嚴格的圓形截面，平面S2距離所述二極管端面大約280μm，這與圖2所示的泵浦光束18的截面120相對應(yīng)。大于這個距離，即z＞lc，所述光束的截面又變成橢圓形狀，但是大直徑位于y方向。在以下敘述中，所述平面S2被稱為第一平面或者CLC平面，它沿著光軸5所在的位置被稱為第一位置或者CLC位置，所述距離lc為第一距離或者CLC距離。
再回到圖1，所述圖沒有按比例畫出，根據(jù)本發(fā)明，所述增益元件沿著光軸5，以使得所述增益元件20的第一端21位于所述激光二極管10的輸出面11和所述CLC平面之間，并且與所述輸出面11之間的距離l大于0.001″[60]0.001″＜l＜lc(3). 如前所述，在所述激光二極管和所述增益元件之間無需附加耦合光學(xué)元件的結(jié)構(gòu)具有幾個重要優(yōu)勢[62]與現(xiàn)有技術(shù)中對接耦合的l＜0.001″的結(jié)構(gòu)相比，激光二極管或增益元件在激光器裝配中由于彼此碰撞而受損的可能性將大大降低，在最終的裝配結(jié)構(gòu)中，它們的距離超過0.001″，或者大約為25μm，因此潛在地增加了良好的激光器的產(chǎn)量。
其次，將所述增益元件放置在遠離激光二極管并更接近CLC的位置，在所述CLC位置泵浦光束具有圓對稱形狀，從而與現(xiàn)有技術(shù)中對接耦合的結(jié)構(gòu)相比，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)能夠提供更加圓對稱的增益元件的泵浦，同時可以將激光模式與泵浦光束更好地空間匹配。這種空間匹配的對于下面兩點非常重要a)增加所述激光器100的泵浦效率，b)獲得近似高斯單模激光光束28，所述光束具有關(guān)于所述光軸的圓對稱性。
事實上，在圖1所示的面一面結(jié)構(gòu)中，其中所述激光腔室由兩個平面反射器23和33形成，所述激光光束28受所述增益元件的光學(xué)增益的空間分布的影響，同時受所述增益元件中熱透鏡的影響，所述透鏡的熱效應(yīng)由于所述泵浦光束的熱源非輻射吸收而產(chǎn)生。所述兩個因素為所述激光光束28提供折射率波導(dǎo)和增益波導(dǎo)的組合，并且兩種波導(dǎo)元件都受所述泵浦光束的形狀的影響。所述泵浦光束越圓對稱，所述增益分布就越圓對稱，在垂直于光束傳播方向的(x，y)平面上的熱透鏡的就更加接近圓形，從而導(dǎo)致生成的激光光束28的形狀越圓。
根據(jù)本發(fā)明提供的優(yōu)選實施例，設(shè)置所述微晶片激光器230，使得所述CLC位置在所述增益元件20內(nèi)的第一端21和第二端22之間。在這種結(jié)構(gòu)中，沿著所述增益元件20的所述泵浦光束的形狀變化被優(yōu)化以限制所述泵浦光束在所述增益元件中的橢圓率，從而使所述泵浦光束沿著所述增益元件的大部分的形狀近似為圓形。所述近似圓形的泵浦光束充滿所述微晶片230的腔室模態(tài)體積，使得所述激光器具有更高的效率。本發(fā)明受益于激光器晶體Nd:YVO4的大的增益系數(shù)，允許所述增益元件足夠小，從而限制所述泵浦光束在所述增益元件中的發(fā)散對光束橢圓率的影響。對于所述微晶片激光器230，所述泵浦光束的散光并不重要，此處，折射率波導(dǎo)和增益波導(dǎo)的組合占主導(dǎo)地位，因此根據(jù)本發(fā)明制成的激光器裝置，無需在所述增益元件和所述激光二極管之間附加散光校正光學(xué)元件。
除了泵浦光束的形狀，影響所述激光二極管10和所述微晶片激光器230之間的距離選擇的另外一個因素是所述泵浦光束的大小，或者所述增益元件中所述泵浦光束的截面大小，所述泵浦光束的大小由于所述泵浦光束的發(fā)散而隨著泵浦—激光器距離l的增加而增加。增加的距離超過瑞利范圍，就會增加增益元件中所述泵浦光束的截面尺寸，從而減小此處的泵浦功率密度，當在所述增益元件的第一端21處的泵浦光束的尺寸至少在一個方向上超出此處的激光光束的尺寸時，所述泵浦功率密度可以負面地影響所述增益元件中的光學(xué)增益，并減弱所述熱透鏡。然而，潛在的增加所述泵浦—激光器距離l的負面影響可以通過有利地改進泵浦光束的圓形度來避免，這樣得到超過0.001″的最佳距離，或者對于典型的激光二極管優(yōu)選距離為30μm到170μm之間。
所述增益元件和所述激光二極管之間的距離l的具體的選擇，取決于所述泵浦光束的特性，所述增益元件的特性，以及所需的所述微晶片激光器的優(yōu)化特性。在優(yōu)選實施例中，所述激光二極管和所述微晶片激光器之間的間隙l通過選擇以優(yōu)化所述微晶片激光器的輸出效率x，其中，定義x＝Pout/Pump，這里Pump為泵浦功率，Pout為所述微晶片激光器的輸出功率。在如圖1所示的實施例中，Pout為次級SHG光束38的功率。在另一實施例中，所述激光光束28的輸出沒有經(jīng)過非線性頻率變換，Pout為所述激光光束28的輸出功率。
在這個優(yōu)化輸出效率實施例中，所述激光二極管10和微晶片激光器230之間的最佳距離l，例如可以通過測量在逐漸增加微晶片激光器和激光二極管間的距離時的Pout來發(fā)現(xiàn)，同時維持所述輸出泵浦功率恒定，記錄測量值Pout，并確定對應(yīng)于最大記錄Pout值或者內(nèi)插Pout值的距離l。或者，所述最佳距離也可以通過計算機模擬得到。
圖5所示為所述次級光束38的輸出功率P2相對距離l的實驗曲線，所述距離l為所述激光二極管10的輸出面11和所述增益元件20的輸入端21之間的距離。所述次級光束38由非線性元件30中的激光光束28經(jīng)過非線性倍頻得到。上述實施例中的測量利用型號為SDL2360的激光二極管作為所述泵浦10，尺寸為1×1×0.5mm的小型Nd:YVO4激光晶體作為所述增益元件20，與所述激光晶體20光學(xué)結(jié)合的尺寸為1×1×2mm的KTP晶體作為所述非線性元件30。所述次級光束38的輸出直徑接近90μm，表明激光光束28在所述增益元件中具有大約為130μm的直徑，由于SHG機構(gòu)的非線性特性，所述激光光束28的直徑大于次級光束的直徑，并且與CLC平面中的直徑約為158μm的泵浦光束近似匹配。所述泵浦光束的功率在測量中保持恒定為Pump＝140mW。
圖5清楚地表示所述激光器的輸出效率依賴距離l的變化的峰值，所述距離l為所述微晶片激光器230和所述激光二極管10之間的縫隙13的寬度，在所述特定的結(jié)構(gòu)下，當微晶片激光器230距離所述激光二極管10大約為l～130μm時出現(xiàn)所述峰值。作為優(yōu)選方案，將縫隙13的的寬度從小于25μm增加到130μm將會提高所述激光輸出效率x約8-10％。當所述二極管—激光器距離l在大約50到150μm之間的范圍時，所述激光輸出效率與最佳值相差在5％以內(nèi)。
在一些實施例中，所述距離l可以選擇為稍微小于本實施例中的實驗最佳值130μm，以解決在超出最佳值距離范圍之外的激光器參數(shù)的變化和激光效率的相對急劇下降的問題，這從圖5可明顯看出。
根據(jù)圖3和4，對于所述泵浦光束18在空氣中的傳播，所述CLC位置距離所述激光二極管的輸出面11大約為280μm。然而，所述泵浦光束在進入所述增益元件20后根據(jù)斯涅爾定律而減小發(fā)散，或者近似與所述增益元件的相應(yīng)的折射率成比例，從而將所述CLC位置偏移而進一步離開所述激光二極管。對于前述的最佳效率的實施例，其中所述泵浦—激光器縫隙13的寬度l約為130μm，所述CLC位置距離所述增益元件20的輸入端21近似為300μm，并與第二端22更加接近。具有好處的是，在本實施例中，所述泵浦光束18的橢圓率e在所述激光二極管10的輸入面11上超過20，到所述增益元件20的任意位置時減小到小于2，在增益元件20的超過80％的長度范圍內(nèi)小于1.5。在其它實施例中，所述激光光束的圓對稱性非常重要，因此進一步增加距離l是有利的，從而所述CLC位置在所述增益元件20的前半部分內(nèi)并更加接近第一端21，這樣進一步減小了在所述增益元件中的所述泵浦光束的橢圓率。在其它的實施例中，我們發(fā)現(xiàn)，如果所述泵浦光束18的縱橫比因而從所述激光二極管端面11處的至少20減小到所述增益元件20的第一端21處的最多不超過6，那么，將所述激光二極管10定位于遠離所述增益元件20至少0.001″就可以有利于所述激光輸出效率的提高。
本發(fā)明中所述泵浦結(jié)構(gòu)利用發(fā)散的而不是經(jīng)準直或聚焦的泵浦光束18，這對于單一縱向模式運行是有利的，并且尤其適合在泵浦波長處具有非常高的吸收系數(shù)的激光器晶體，比如像Nd:YVO4晶體。本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員將會發(fā)現(xiàn)，如果所述增益介質(zhì)被牢固地定位于接近所述腔室的一個端而不是當它位于所述腔室的中心時，駐波激光器將典型地以單一縱向模式以更高的功率運行，這是典型由于在腔鏡處所有共振腔模式的波腹相連結(jié)而產(chǎn)生的行為。
在本實施例中，能夠獲得單一模式運行的一個關(guān)鍵因素是較短的吸收深度而不是較短的腔室長度，相對較長的激光腔室在一些情況下可以用來在沒有任何附加光學(xué)元件的情況下獲得單一模式運行。因此本發(fā)明的泵浦設(shè)置對于在帶有附加腔內(nèi)元件的微晶片激光器中獲得單一模式的運行方面具有優(yōu)勢，例如，具有如圖1所示的腔內(nèi)SHG的激光器裝置，其中的所述微晶片激光器除了所述增益元件20之外，還包括所述非線性元件30，以用于二次諧波發(fā)生(SHG)。
參看圖6，在另外一個實施例中，所述單塊230還包括飽和的吸收器250，所述吸收器位于所述增益元件20和所述非線性元件30之間，以用于被動Q開關(guān)或者被動鎖模，此為本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)。例如，所述飽和的吸收器250可以是摻鉻的YAG晶體。
參看圖7，另外一個實施例包括偏振棱鏡260，如羅歇(Rochon)棱鏡，所述偏振棱鏡260插入所述增益元件20和所述非線性元件30之間，使用光學(xué)連接或其他上述的本領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)來將所述偏振棱鏡固定在此處。由于所述實施例提供附加的腔內(nèi)頻率選擇利奧濾光器，它有利于低噪聲單模式發(fā)射激光，所述利奧濾光器由偏振棱鏡和所述非線性元件30構(gòu)成。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將會看到，在本實施例中，所述非線性元件30具有光學(xué)雙折射，用它的偏光軸與所述偏光器成45°角而定向。在本實施例的一個變化方案中，所述非線性元件30可以由線性的雙折射波板代替，用于以第一波長λ1輸出激光光束28。結(jié)合本發(fā)明特征的二極管泵浦激光裝置的其他實施例可包括偏振棱鏡和飽和吸收器兩者，所述偏振棱鏡和飽和吸收器串聯(lián)設(shè)置于所述單塊激光器腔室中，以能夠?qū)崿F(xiàn)被動Q開關(guān)或者鎖模，和實現(xiàn)單模低噪運行。
如圖1所示的和前面詳細介紹過的實施例，利用一種特定型號的增益晶體和一種特定的非線性晶體。利用本領(lǐng)域熟知的其它型號的增益和非線性材料當然也是可以的。同時，利用具有不同的泵浦光束特性的激光二極管可能會改變所述最佳泵浦—激光器距離l。使用其它型號的激光二極管和增益元件可能具有范圍為30μm至170μm的最佳的泵浦—激光器縫隙。在一些實施例中，透明間隔器可以被插入泵浦—二極管縫隙13中，以替代在所述激光二極管10和所述增益元件20之間具有寬度為l的空氣縫隙作為縫隙13，例如，所述透明間隔器可以是一層具有零光學(xué)功率的透明材料，即，實質(zhì)上具有無限的焦距長度，從而減少所述泵浦光束的發(fā)散，同時增加所述縫隙13的光學(xué)寬度。
在所有這些實施例中，通過減少所需的耦合光學(xué)元件，額外的準直步驟以及潛在地增加了產(chǎn)量，使得批量生產(chǎn)所述激光器的制造成本顯著降低，同時提供具有最佳效率和圓對稱的輸出光束的二極管泵浦激光器。
當然，在不脫離本發(fā)明的精神和保護范圍的前提下，可以得到很多其它的實施例。
權(quán)利要求
1.一種二極管泵浦激光器裝置，包括激光二極管，所述激光二極管具有輸出光發(fā)射面，以沿著光軸方向以第一波長發(fā)射散光泵浦光束，所述散光泵浦光束在輸出面處具有橢圓的非圓形形狀，且在沿著所述光軸的第一位置處具有實質(zhì)上的圓形形狀；沿著所述光軸順序設(shè)置的第一和第二反射器，在所述第一和第二反射器之間形成激光腔室；和增益元件，所述增益元件徑向沿著所述光軸而設(shè)置，位于所述第一和第二反射器之間，所述增益元件具有用于接收所述散光泵浦光束的第一端和以第二波長發(fā)射激光光束的第二端；其中所述第一反射器包括薄膜鍍膜，所述薄膜鍍膜形成于所述增益元件的第一端，所述第一反射器對于所述第一波長是透射的，對于所述第二波長是反射的；并且，其中所述增益元件的第一端位于所述激光二極管和所述第一位置之間，并且與所述激光二極管的輸出光發(fā)射面間隔距離l至少為0.001″，而無需在其間配置透鏡元件。
2.如權(quán)利要求1所述的激光器裝置，其特征在于，所述第一位置位于所述增益元件的第一端和第二端之間。
3.如權(quán)利要求1所述的激光器裝置，還包括非線性光學(xué)元件，所述非線性光學(xué)元件沿著所述光軸設(shè)置于所述增益元件和所述第二反射器之間，用于接收所述激光光束，和用于提供次級光束，通過非線性頻率轉(zhuǎn)換，所述次級光束具有短于第二波長的第三波長。
4.如權(quán)利要求3所述的激光器裝置，其特征在于，所述第二反射器對于第二波長是反射的，對于第三波長是透射的。
5.如權(quán)利要求3所述的激光器裝置，其特征在于，所述非線性光學(xué)元件和所述增益元件彼此固定地粘接在一起，以形成單塊。
6.如權(quán)利要求3所述的激光器裝置，其特征在于，所述非線性光學(xué)元件是雙折射的，所述激光器裝置還包括偏振棱鏡，所述偏振棱鏡沿著所述光軸位于所述激光腔室內(nèi)，以與所述非線性光學(xué)元件一起形成腔內(nèi)利奧濾光器。
7.如權(quán)利要求4所述的激光器裝置，其特征在于，所述第二個反射器包括形成于所述光學(xué)非線性元件的遠端的電介質(zhì)鍍膜。
8.如權(quán)利要求3至7中任意一項所述的激光器裝置，其特征在于，所述非線性光學(xué)元件是KTP晶體。
9.如權(quán)利要求1至7中任意一項所述的激光器裝置，其特征在于，還包括非線性吸收器，所述非線性吸收器沿著光軸設(shè)置于所述增益元件和所述第二反射器之間，用于激活所述激光器裝置的被動Q開關(guān)和被動鎖模的其中之一，并用于提供具有所述第二波長的脈沖光束。
10.如權(quán)利要求1至7中任意一項所述的激光器裝置，其特征在于，還包括透明間隔器，所述透明間隔器位于所述激光二極管的輸出面和所述增益元件的第一端之間。
11.如權(quán)利要求1至7中任意一項所述的激光器裝置，其特征在于，所述增益元件是NdYVO4晶體。
12.如權(quán)利要求1至7中任意一項所述的激光器裝置，其特征在于，所述散光泵浦光束在增益元件內(nèi)發(fā)散，從而在第一反射器處提供最大光學(xué)增益，以支持所述激光光束具有單一徑向模式。
13.如權(quán)利要求1至7中任意一項所述的激光器裝置，其特征在于，所述距離l的范圍為30μm到170μm之間。
14.如權(quán)利要求1至7中任意一項所述的激光器裝置，其特征在于，所述散光泵浦光束具有縱橫比，所述縱橫比從在所述激光二極管的輸出面處的不小于20縮減到在所述增益元件的第一端處的不大于6；并且，其中，選擇所述距離l以優(yōu)化所述激光器裝置的輸出效率和所述激光光束的形狀兩者中的至少一方面，而無需在所述激光二極管和所述增益元件之間設(shè)置準直和聚焦元件。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種濺鍍陽極，其中所述陽極的形式是容器或?qū)Ч埽磺遗c陰極相互聯(lián)系的導(dǎo)電表面是所述容器或?qū)Ч艿膬?nèi)表面。所述陽極可安裝在鍍膜腔的外部，所述陽極的開口與所述鍍膜腔相互聯(lián)系，或作為選擇，所述陽極可以安裝在所述腔內(nèi)。所述陽極可以具有用于接收惰性氣體的入口，所述惰性氣體用于形成等離子體并用于為所述陽極加壓。
文檔編號H01S3/05GK1741328SQ20051009089
公開日2006年3月1日 申請日期2005年8月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月23日
發(fā)明者雷剛, 查爾斯·安迪·赫爾斯, 文森特·伊謝, 理查德·A.·布拉德利, Jr., 羅伯特·G.·瓦阿斯 申請人:Jds尤尼弗思公司