專利名稱：側(cè)面泵浦薄片激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
側(cè)面泵浦薄片激光器屬于固體激光技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體泵浦固體激光器在信息處理、醫(yī)療、材料加工及國防等領(lǐng)域有著十分廣泛的用途。半導(dǎo)體泵浦的固體激光器有光纖激光器、棒狀激光器、板條激光器以及薄片激光器。
隨著半導(dǎo)體工藝的不斷進步和成本的降低，半導(dǎo)體泵浦的固體激光器得到了飛速的發(fā)展，無論是傳統(tǒng)圓棒狀還是板條激光器連續(xù)輸出都達到了1000W。但在一般高功率棒狀固體激光器中，激光晶體在泵浦中產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)和熱致應(yīng)力雙折射是嚴重的問題。為了減少熱透鏡效應(yīng)，板條、薄片等結(jié)構(gòu)的激光器得到發(fā)展。但棒和板條均存在相對于激光光束的橫向熱流，難于兼顧半導(dǎo)體泵浦高功率固體激光器高光束質(zhì)量的要求。
薄片激光器的優(yōu)點是熱梯度和激光傳輸方向平行，介質(zhì)具有高的泵浦功率密度而不產(chǎn)生顯著的溫度梯度，當泵浦區(qū)尺寸遠大于薄片厚度時，熱流沿厚度方向是近一維分布的。合理設(shè)計泵浦耦合結(jié)構(gòu)，可以使薄片徑向溫度分布近似均勻，從而大大降低介質(zhì)的熱透鏡效應(yīng)和熱致應(yīng)力雙折射，解決了高功率激光器冷卻和高功率泵浦的矛盾，避免了放大的自發(fā)輻射。與高功率棒狀和板條激光器相比，可以獲得更高的功率輸出，同時保持很好的光束質(zhì)量。
目前，薄片激光器的泵浦方式有端面泵浦、邊緣泵浦。
端面泵浦的結(jié)構(gòu)是將光纖耦合輸出的平行泵浦輻射光5泵浦帶有熱沉的晶體薄片4，并設(shè)置多個折疊式反射鏡7將剩余的泵浦光反射回去，再次泵浦帶有熱沉的晶體薄片4，使泵浦光多次通過晶體薄片4而被充分吸收，如圖1。結(jié)合截面11和截面22可知，光路走向為泵浦光經(jīng)拋物柱面鏡3A→晶體薄片4→拋物柱面鏡3B→拋物柱面鏡3C→晶體薄片4→拋物柱面鏡3D→拋物柱面鏡3E→晶體薄片4→拋物柱面鏡3F→拋物柱面鏡3G→晶體薄片4→拋物柱面鏡3H。其主要優(yōu)點是多次泵浦增益介質(zhì)晶體薄片泵浦光耦合效率高；泵浦光與激光模匹配好，激光器轉(zhuǎn)換效率高；易于獲得高光束質(zhì)量的激光輸出。但其機械穩(wěn)定性要求很高，泵浦光折疊式反射鏡7微小的變化將影響泵浦光與激光模匹配，影響激光的輸出，大功率激光系統(tǒng)的機械穩(wěn)定性存在缺陷。另外，LD陣列發(fā)射的泵浦光端面泵浦，經(jīng)光學(xué)耦合系統(tǒng)聚焦到晶體的端面上。這種結(jié)構(gòu)形式緊湊，轉(zhuǎn)換效率高，基模光強分布較好。但這種結(jié)構(gòu)散熱效果差，故一般只能在低功率情況工作。
邊緣泵浦的結(jié)構(gòu)是將摻雜Yb的YAG晶體薄片13與非摻雜的YAG晶體薄片12復(fù)合(鍵合)，晶體被切割成正六邊形結(jié)構(gòu)，泵浦光從薄片的邊緣進入晶體，泵浦面切割成45°角，使得泵浦光在晶體中沿Z形傳播。泵浦LD陣列8經(jīng)過透鏡導(dǎo)管9入射到泵浦面上，透鏡導(dǎo)管9輸入口徑和輸出口徑分別與LD列陣8的發(fā)光面和晶體的45°斜面口徑相匹配，如圖2。其主要優(yōu)點是泵浦光無需光纖耦合，泵浦光結(jié)構(gòu)簡化，泵浦光多次經(jīng)過增益介質(zhì)，泵浦均勻；散熱方向11與激光振蕩方向10平行，減小了在激光軸向上的熱梯度，避免了熱透鏡效應(yīng)和激光產(chǎn)生相位畸變；同時薄片的通光口徑較大，避免了圓棒狀和板條介質(zhì)由于口徑限制而引起的衍射損耗。但摻雜Yb的YAG晶體薄片13只吸收部分泵浦光，摻雜Yb的YAG晶體薄片13內(nèi)泵浦光與振蕩激光只部分匹配，激光器的效率不高，邊緣泵浦的效率比端面泵浦低。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是利用薄片狀增益介質(zhì)晶體激光器熱流沿厚度方向近一維分布的特點，提出側(cè)面泵浦的方法，既充分利用激活區(qū)使泵浦光與激光模很好匹配，獲得高功率輸出，又不需光纖耦合，泵浦光結(jié)構(gòu)簡化，激光系統(tǒng)的機械穩(wěn)定性提高，同時具有薄片狀增益介質(zhì)晶體激光器較好的散熱特性。
本實用新型提供了一種側(cè)面泵浦薄片激光器，依次包括LD陣列8、貼有熱沉的晶體薄片、耦合輸出鏡15，如圖3a所示；其特征在于，圖3b為該晶體薄片正視圖，中心為摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體17，外部為正n邊形非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體18，n≥6且為偶數(shù)，該正n邊形中心有一圓柱孔，該圓柱孔形狀與中心圓柱狀薄片17匹配；正n邊形與其中心圓柱孔的大小比例根據(jù)所需激光器的功率要求以及泵浦功率密度要求而定；該晶體薄片側(cè)視圖如圖3a所示，上下兩端的非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體18為對稱的等腰梯形，等腰梯形的上底邊長等于摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體17的高；摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體17與非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體18以熱鍵合方式緊密地結(jié)合；非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體18的外側(cè)面，即n個長方形面，鍍泵浦光增透膜，摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體17兩圓形底面，一面鍍振蕩激光增透膜，另一面鍍振蕩激光全反射膜，并與耦合輸出鏡15構(gòu)成一激光器諧振腔；該摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體17鍍振蕩激光全反射膜的面貼微通道冷卻熱沉16；n個LD陣列8依次地按照現(xiàn)有技術(shù)平行地固定于非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體18的的外側(cè)面的周圍，即n個長方形面的周圍。
摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體17選用Nd:YAG或Yb:YAG晶體。
非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體18選用YAG。
上述LD陣列8可以用由若干個LD陣列8組成的LD堆代替。
熱沉16與摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體17以熱貼合方式結(jié)合，以減少其熱阻，并與散熱功率匹配。
泵浦光從LD陣列中發(fā)出，無發(fā)散光直接進入摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體17，發(fā)散光經(jīng)邊緣折射后進入摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體17。非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體18的外側(cè)面的光可低損耗地傳輸?shù)絻?nèi)部的摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體17。當用LD陣列8進行泵浦時，薄片晶體受激產(chǎn)生激光，在腔內(nèi)振蕩，最終經(jīng)耦合輸出鏡輸15出激光。
此側(cè)面泵浦薄片激光器的制備方法，其特征在于晶體薄片的制備，其余部件按現(xiàn)有技術(shù)制備。該晶體薄片的制備方法為第一步，摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體的兩底面及薄片晶體的側(cè)面，并拋光側(cè)面；初加工外部非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體，并拋光其圓柱孔側(cè)面，沿外部正n邊形兩對稱頂點，在過中心的截面上將其切為兩半，如圖3b中的虛線，截面拋光；第二步，兩半非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體與初加工摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體，合起對磨加工，使圓柱孔側(cè)面和摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體側(cè)面面形很好貼合；第三步，兩半非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體與摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體熱鍵合；第四步，摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體的兩底面加工，非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體的外側(cè)面加工；第五步，鍍膜，非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體的外側(cè)面，即n個長方形面，鍍泵浦光增透膜，摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體的兩底面，一面鍍振蕩激光增透膜，另一面鍍振蕩激光全反射膜；第六步，摻雜增益介質(zhì)圓薄片晶體鍍振蕩激光全反射膜的面貼高效微通道冷卻熱沉。
此泵浦方法具有如下優(yōu)點1.泵浦光無需整形(端面泵浦需要光纖耦合，邊緣泵浦需要透鏡導(dǎo)管)即可進行泵浦，從而減少了光的損耗，整體效率高。
2.摻雜增益介質(zhì)圓薄片晶體的散熱性增強，不僅可以從端面散熱，也可以從側(cè)面散熱，從而增加了散熱面積，故系統(tǒng)的散熱性好。
3.LD陣列呈對稱排列，泵浦光從各個不同方向均勻入射到摻雜增益介質(zhì)圓薄片晶體，故泵浦均勻性好。而端面泵浦均勻性好是由于泵浦光的多次反射，邊緣泵浦均勻性好是由于泵浦光在晶體中沿Z形傳播。
4.該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，防震，受外界干擾小，機械穩(wěn)定性好。
5.該系統(tǒng)加工工藝要求不高，成本較低，可廣泛應(yīng)用于各個行業(yè)。
為增加泵浦的功率，激光器泵浦源可采用LD陣列堆，增加摻雜增益介質(zhì)圓薄片晶體內(nèi)部的泵浦功率密度；通過增加非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體的尺寸，外部可擴展到n邊形(n≥6，且為偶數(shù))，由于加工工藝限制，一般只擴展到正八邊形、正十邊形、正十二邊形等(如圖4)，增加摻雜增益介質(zhì)圓薄片晶體內(nèi)部的泵浦功率，激光器輸出可擴展。摻雜增益介質(zhì)圓薄片晶體與非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體的結(jié)合方式，鍍膜、泵浦、冷卻等方式均可采用上述方法。
采用薄片激光器模塊串接方式，可構(gòu)成更大功率輸出的激光器。
此方法可輸出連續(xù)的激光，也可輸出脈沖的激光，對泵浦光的形式無限制。同時，可采用調(diào)Q、鎖模技術(shù)，進一步提高激光脈沖的峰值功率。


圖1.端面泵浦的薄片激光器模型示意圖；圖2.邊緣泵浦的六邊形YAG-Yb:YAG晶體薄片模型示意圖；圖3.側(cè)面泵浦的正六邊形晶體薄片模型示意圖；圖4.側(cè)面泵浦的晶體薄片模型示意圖；圖4a是側(cè)面泵浦的正八邊形晶體薄片模型示意圖；圖4b是側(cè)面泵浦的正十二邊形晶體薄片模型示意圖。
圖中，1為截面1，2為截面2，3為拋物柱面鏡，4為帶有熱沉的晶體薄片，5為平行泵浦輻射光，6為晶體及焦平面，7為折疊式反射鏡，8為LD陣列，9為透鏡導(dǎo)管，10為激光振蕩方向，11為散熱方向，12為非摻雜的YAG晶體薄片，13為摻雜Yb的YAG晶體薄片，14為激光輸出方向，15為耦合輸出鏡，16為熱沉，17為摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體，18為非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體。
具體實施方式
本實用新型的設(shè)計圖如圖3所示。中心為摻雜增益介質(zhì)圓薄片晶體，外部為正六邊形非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體，中心有一圓柱孔，外部正六邊形厚，而中間圓柱孔薄，其對稱截面為對稱的等腰梯形。摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體選用Yb:YAG晶體。非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體選用YAG。摻雜增益介質(zhì)圓薄片晶體(摻雜濃度為3at％)與非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體以熱鍵合方式緊密地結(jié)合。
摻雜增益介質(zhì)圓薄片晶體與非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體的制備方法為第一步，初加工摻雜增益介質(zhì)圓薄片晶體的兩底面(厚度1.0mm)及薄片晶體的側(cè)面(直徑5mm正公差)，并拋光圓側(cè)面；初加工外部非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體，外部正六邊形邊長為12mm，厚度為3mm，中心圓孔直徑5mm負公差，厚度為1.0mm，拋光其圓柱孔側(cè)面，沿外部正六邊形兩對稱頂點，在過中心的截面上將其切為兩半(圖3中的虛線)，截面拋光；第二步，兩半非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體與初加工摻雜增益介質(zhì)圓薄片晶體，合起對磨加工，使圓柱孔側(cè)面和摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體側(cè)面面形很好貼合；第三步，兩半非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體與摻雜增益介質(zhì)圓薄片晶體熱鍵合，即將非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體與摻雜增益介質(zhì)圓薄片晶體拼合，置于真空狀態(tài)，加以1200℃的高溫，并施加壓力，保持這一狀態(tài)12小時，而后退溫退壓；第四步，摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體的兩底面加工，非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體的外側(cè)面加工，這是由于在熱鍵合會導(dǎo)致薄片晶體發(fā)生形變；第五步，鍍膜，非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體的外側(cè)面，即六個長方形面，鍍泵浦光(對應(yīng)0.94μm波長)增透膜，摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體的兩底面，一面鍍振蕩激光(對應(yīng)1.03μm波長)增透膜，另一面鍍振蕩激光(對應(yīng)1.03μm波長)全反射膜；第六步，摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體鍍振蕩激光全反射膜的面貼高效微通道冷卻熱沉。
將6個快軸準直的LD陣列，即50W連續(xù)半導(dǎo)體激光陣列，陣列發(fā)光區(qū)長度為10mm，依次地按照現(xiàn)有技術(shù)平行地固定于非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體的外側(cè)面，即六個長方形面，晶體的周圍(如圖3)，并連接驅(qū)動電源和水冷。
激光器耦合輸出鏡的反射率為87％。經(jīng)測量，泵浦功率為240W(6個LD陣列)，輸出功率為103W，光光轉(zhuǎn)化效率為43％。輸出激光的光束質(zhì)量好，并適合大功率的輸出。
權(quán)利要求1.一種側(cè)面泵浦薄片激光器，依次包括LD陣列(8)、貼有熱沉的晶體薄片、耦合輸出鏡(15)，其特征在于，該晶體薄片正視中心為摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體(17)，外部為正n邊形非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體(18)，n≥6且為偶數(shù)，該正n邊形中心有一圓柱孔，該圓柱孔形狀與中心圓柱狀薄片(17)匹配；正n邊形與其中心圓柱孔的大小比例根據(jù)所需激光器的功率要求以及泵浦功率密度要求而定；該晶體薄片側(cè)視上下兩端的非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體(18)為對稱的等腰梯形，該等腰梯形的上底邊長等于摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體(17)的高；摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體(17)與非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體(18)以熱鍵合方式緊密地結(jié)合；非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體(18)的外側(cè)面，即n個長方形面，鍍泵浦光增透膜，摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體(17)兩圓形底面，一面鍍振蕩激光增透膜，另一面鍍振蕩激光全反射膜，并與耦合輸出鏡(15)構(gòu)成一激光器諧振腔；該摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體(17)鍍振蕩激光全反射膜的面貼微通道冷卻熱沉(16)；n個LD陣列(8)依次地按照現(xiàn)有技術(shù)平行地固定于非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體(18)的外側(cè)面的周圍，即n個長方形面的周圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的側(cè)面泵浦薄片激光器，其中所述LD陣列(8)可以用由若干個LD陣列(8)組成的LD堆代替。
專利摘要側(cè)面泵浦薄片激光器屬固體激光領(lǐng)域。目前薄片激光器散熱效果差或激光器效率不高。本實用新型包括LD陣列(8)、貼熱沉晶體薄片、耦合輸出鏡(15)，特征在于，該晶體薄片正視中心為摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體(17)，外部為正n邊形非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體(18)，n≥6且為偶數(shù)，該正n邊形中心有一圓柱孔；該晶體薄片側(cè)視上下兩端的非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體(18)為對稱的等腰梯形，該等腰梯形的上底邊長等于摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體(17)的高；圓柱狀薄片晶體(17)鍍振蕩激光全反射膜的面貼微通道冷卻熱沉(16)；n個LD陣列(8)固定于非摻雜非規(guī)結(jié)構(gòu)晶體(18)的外側(cè)面周圍。本實用新型高功率輸出，泵浦光結(jié)構(gòu)簡化，機械穩(wěn)定性提高，散熱較好。
文檔編號H01S3/16GK2789985SQ20052001680
公開日2006年6月21日 申請日期2005年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月18日
發(fā)明者李強, 房明星, 丁小艇 申請人:北京工業(yè)大學(xué)