專利名稱：半導(dǎo)體端面泵浦高功率單模風(fēng)冷激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種激光器，具體地說(shuō)，是一種半導(dǎo)體端面泵浦高功率單模風(fēng)冷激光
背景技術(shù)：
采用激光二極管泵浦的端面泵浦固體激光器因其裝置緊湊、光束質(zhì)量好、效率高 等特點(diǎn)而受歡迎。但是，要實(shí)現(xiàn)大功率基模端面泵浦固體激光器十分困難，國(guó)內(nèi)尚未見(jiàn)功率 超過(guò)30W的端面泵浦激光器產(chǎn)品的報(bào)道，在國(guó)際上也只有光譜物理等少數(shù)幾家激光公司能 做到。在適合激光二極管泵浦的眾多激光晶體中，NdiYVO4晶體因受激發(fā)射截面大、吸 收光譜寬、偏振輸出等優(yōu)點(diǎn)倍受人們青睞(參見(jiàn)“用于飛秒紫外激光產(chǎn)生的LD泵浦高效 NchYVO4綠光激光器研究”，光子學(xué)報(bào)，2000，29 (11) :1053 1055頁(yè))。但是，NchYVO4晶體 導(dǎo)熱性能較差，只有Nd:YAG的一半，在大功率泵浦時(shí)將會(huì)產(chǎn)生明顯的熱透鏡效應(yīng)；同時(shí)，由 于NchYVO4*雙軸晶體，其“C”軸方向的熱膨脹系數(shù)為“a”軸方向的2. 5倍，泵浦光加熱時(shí) 熱膨脹不均勻，使晶體內(nèi)部產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)力，當(dāng)這種熱應(yīng)力較大時(shí)，會(huì)使晶體變形甚至損壞， 嚴(yán)重影響激光器的工作穩(wěn)定性和輸出光的光束質(zhì)量。所以，在采用高功率激光二極管作為 泵浦源時(shí)，熱效應(yīng)成為急需解決的問(wèn)題。在解決縱向熱透鏡的問(wèn)題時(shí)可對(duì)熱效應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償(參見(jiàn)“大功率LD端面抽運(yùn) Nd: YAG Z型腔內(nèi)熱效應(yīng)補(bǔ)償?shù)难芯俊保袊?guó)激光，2002，A29 (8) 673 676頁(yè)；“固體激光器 熱透鏡焦距的自適應(yīng)補(bǔ)償”，中國(guó)激光，1999，A26(3) :205 208頁(yè)；“可自適應(yīng)補(bǔ)償熱透鏡 效應(yīng)的固體激光諧振腔”，物理學(xué)報(bào)，2000,49 (8) 1495 1498頁(yè))，但補(bǔ)償方法大都是通過(guò) 加入附加的光學(xué)元件，這不但加大了光路的調(diào)節(jié)難度，而且增大了損耗，從而降低了激光輸 出功率。克服縱向熱效應(yīng)采用軸不對(duì)稱散熱法，即冷卻垂直于NchYVO4晶體“C”軸的兩個(gè) 面，而“a”軸兩面不冷卻(參見(jiàn)美國(guó)專利US 5410559，發(fā)明名稱“Diod印umped laser with strong thermal lens crystal”)，用這種方法在低功率泵浦時(shí)可以得到圓光斑輸出，但如 果選用大功率的激光二極管作為NchYVO4的泵浦源時(shí)，因?yàn)镹chYVOues體上的大量熱量不能 及時(shí)散開(kāi)而使輸出的激光光斑為橢圓形，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞晶體。此外，由于受晶體中的熱效應(yīng)所產(chǎn)生的熱應(yīng)力不能超過(guò)NchYVO4晶體的斷裂應(yīng) 力的限制，增益介質(zhì)的單位面積上存在最大泵浦功率及輸出功率(《Powerscaling of diode-pumped NdiYVO4 Lasers》， IEEE Quantum Electronics,2002,38 (9) :P1291 1299)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種功率大、效率高且光束質(zhì)量?jī)?yōu)良的半導(dǎo)體端 面泵浦高功率單模固體激光器。
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為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體端面泵浦高功率單模風(fēng)冷激光 器，包括第一泵浦源激光二極管LD、第二泵浦源LD、第一耦合聚焦系統(tǒng)、第二耦合聚焦系統(tǒng) 以及增益介質(zhì)，所述第一泵浦源LD與第一耦合聚焦系統(tǒng)之間、第二泵浦源LD與第二耦合聚 焦系統(tǒng)之間分別通過(guò)光纖連接；第一耦合聚焦系統(tǒng)和第二耦合聚焦系統(tǒng)輸出的激光分別從 相對(duì)的兩側(cè)入射到所述增益介質(zhì)；所述第一耦合聚焦系統(tǒng)和第二耦合聚焦系統(tǒng)與增益介質(zhì) 之間分別設(shè)有第一折反鏡和第二折反鏡；所述第一折反鏡的反射光路上設(shè)有熱透鏡補(bǔ)償全 反鏡；所述第二折反鏡的反射光路上設(shè)有調(diào)Q開(kāi)關(guān)和全反鏡；所述增益介質(zhì)外側(cè)設(shè)有第一 溫度控制裝置和第二溫度控制裝置，分別用于控制與增益介質(zhì)的a軸垂直的所有表面和與 增益介質(zhì)的c軸垂直的所有表面的溫度。進(jìn)一步地，所述激光器的諧振腔為“U”型、“Z”型、“L”型或“V”型諧振腔。進(jìn)一步地，所述第一泵浦源LD和第二泵浦源LD所采用的泵浦方式為端面泵浦。
進(jìn)一步地，所述第一泵浦源LD和第二泵浦源LD所采用的泵浦方式為單端面泵浦、 雙端面泵浦或四端面泵浦。進(jìn)一步地，所述第一泵浦源LD和第二泵浦源LD的激光晶體為Nd:YAG、NdiYVO4, NdiGdVO4或Nd: YLF的鍵合或膠合晶體。進(jìn)一步地，所述第一泵浦源LD和第二泵浦源LD的激光晶體為Nd:YAG、NdiYVO4, Nd GdVO4或Nd YLF的普通激光晶體。進(jìn)一步地，所述增益介質(zhì)為長(zhǎng)方體、正方體或者圓柱體形狀。進(jìn)一步地，所述第一折反鏡和第二折反鏡與第一耦合聚焦系統(tǒng)和第二耦合聚焦系 統(tǒng)的輸出光路之間的夾角為0 90度。本發(fā)明利用冷卻裝置對(duì)增益介質(zhì)進(jìn)行冷卻，并且兩路控溫系統(tǒng)分別控制與增益介 質(zhì)的a軸垂直的所有表面和與增益介質(zhì)的c軸垂直的所有表面的溫度，這樣通過(guò)兩端面的 溫度差來(lái)保證a軸、c軸熱膨脹系數(shù)相同，保證輸出光斑的光束質(zhì)量。


圖1是本發(fā)明的半導(dǎo)體端面泵浦高功率單模風(fēng)冷激光器一實(shí)施例的結(jié)構(gòu)原理圖。圖中1.熱透鏡補(bǔ)償全反鏡，2.第一泵浦源LD，3.光纖，4.第一耦合聚焦系統(tǒng)， 5.第一折反鏡，6.增益介質(zhì)，7.第二折反鏡，8.第二耦合聚焦系統(tǒng)，9.第二泵浦源LD， 10.調(diào)Q開(kāi)關(guān)，11.全反鏡，12.第一溫度控制裝置，13.第二溫度控制裝置。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，以使本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以 更好的理解本發(fā)明并能予以實(shí)施，但所舉實(shí)施例不作為對(duì)本發(fā)明的限定。如圖1所示，本發(fā)明的半導(dǎo)體端面泵浦高功率單模風(fēng)冷激光器包括第一泵浦源 LD (Laser Diode，激光二極管)、第一泵浦源LD、光纖、第一耦合聚焦系統(tǒng)、第二耦合聚焦系 統(tǒng)、增益介質(zhì)、調(diào)Q開(kāi)關(guān)、熱透鏡補(bǔ)償全反鏡、第一溫度控制裝置、第二溫度控制裝置及輸出 鏡(圖中未示出)。其中，光纖分別將第一泵浦源LD與第一耦合聚焦系統(tǒng)相連，將第二泵浦 源LD與第二耦合聚焦系統(tǒng)相連；第一耦合聚焦系統(tǒng)和第二耦合聚焦系統(tǒng)輸出的激光分別 從相對(duì)的兩側(cè)入射到增益介質(zhì)，增益介質(zhì)可以切割成長(zhǎng)方體、正方體或者圓柱體形狀；第一耦合聚焦系統(tǒng)和第二耦合聚焦系統(tǒng)與增益介質(zhì)之間分別設(shè)有第一折反鏡和第二折反鏡，第 一折反鏡和第二折反鏡與第一耦合聚焦系統(tǒng)和第二耦合聚焦系統(tǒng)的輸出光路之間的夾角 為0 90度；熱透鏡補(bǔ)償全反鏡設(shè)置在第一折反鏡的反射光路上；調(diào)Q開(kāi)關(guān)和全反鏡設(shè)置 在第二折反鏡的反射光路上；增益介質(zhì)外側(cè)設(shè)有第一溫度控制裝置和第二溫度控制裝置， 分別用于控制與增益介質(zhì)的a軸垂直的所有表面和與增益介質(zhì)的c軸垂直的所有表面的溫 度。本發(fā)明的激光器的諧振腔可以是“U”型、“Z”型、“L”型或“V”型諧振腔。第一泵浦 源LD和第二泵浦源LD所采用的泵浦方式為端面泵浦，即可以是單端面泵浦，也可以是雙端 面泵浦或四端面泵浦。第一泵浦源LD和第二泵浦源LD的激光晶體可以是Nd:YAG、Nd:YV04、 NdiGdVO4或Nd: YLF等鍵合或膠合晶體，也可以是Nd:YAG、NdiYVO4, NdiGdVO4或Nd: YLF等 普通激光晶體。本發(fā)明的激光器中，增益介質(zhì)輸出的光為線偏振光，并且在不同軸方向上的熱膨 脹系數(shù)也不同，第一、第二溫度控制裝置分別對(duì)增益介質(zhì)進(jìn)行冷卻，并且兩路控溫系統(tǒng)分別 控制增益介質(zhì)的a軸垂直的所有表面和與增益介質(zhì)的c軸垂直的所有表面，這樣通過(guò)兩端 面的溫度差來(lái)保證a軸、c軸熱膨脹系數(shù)相同，從而保證輸出光斑的光束質(zhì)量，同時(shí)提高了 晶體的破壞閾值；通過(guò)精確的設(shè)計(jì)熱透鏡補(bǔ)償全反鏡，增大了晶體處基模光斑的尺寸，同時(shí) 能夠保證激光器在不同泵浦功率下諧振腔的穩(wěn)定性。本發(fā)明可以對(duì)NchYVO4晶體的破壞閾值進(jìn)行計(jì)算，保證了該晶體長(zhǎng)期穩(wěn)定性運(yùn)轉(zhuǎn)； 并對(duì)一定摻雜濃度下NchYVO4晶體對(duì)泵浦光的吸收達(dá)到一定吸收效率所需要的晶體長(zhǎng)度進(jìn) 行計(jì)算，保證了該激光器具有高的光光轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明通過(guò)對(duì)激光器的諧振腔結(jié)構(gòu)、熱 透鏡焦距等進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，同時(shí)采用熱透鏡補(bǔ)償全反鏡，使該激光器實(shí)現(xiàn)基模運(yùn)行，從而保 證了該激光器具有高的光束質(zhì)量；本發(fā)明可以采用一塊、兩塊或多塊激光晶體，在采用雙端 面泵浦單塊Nd: YVO4晶體時(shí)，相對(duì)于雙端面泵浦雙塊晶體激光器，不但減少了激光器成本， 而且降低了激光器調(diào)節(jié)難度，增強(qiáng)了激光器的適用性；該激光器可以采用“U"型諧振腔結(jié) 構(gòu)，使得激光器的體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。以上所述實(shí)施例僅是為充分說(shuō)明本發(fā)明而所舉的較佳的實(shí)施例，本發(fā)明的保護(hù)范 圍不限于此。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明基礎(chǔ)上所作的等同替代或變換，均在本發(fā)明 的保護(hù)范圍之內(nèi)。本發(fā)明的保護(hù)范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)。
權(quán)利要求
一種半導(dǎo)體端面泵浦高功率單模風(fēng)冷激光器，其特征在于，包括第一泵浦源激光二極管LD、第二泵浦源LD、第一耦合聚焦系統(tǒng)、第二耦合聚焦系統(tǒng)以及增益介質(zhì)，所述第一泵浦源LD與第一耦合聚焦系統(tǒng)之間、第二泵浦源LD與第二耦合聚焦系統(tǒng)之間分別通過(guò)光纖連接；第一耦合聚焦系統(tǒng)和第二耦合聚焦系統(tǒng)輸出的激光分別從相對(duì)的兩側(cè)入射到所述增益介質(zhì)；所述第一耦合聚焦系統(tǒng)和第二耦合聚焦系統(tǒng)與增益介質(zhì)之間分別設(shè)有第一折反鏡和第二折反鏡；所述第一折反鏡的反射光路上設(shè)有熱透鏡補(bǔ)償全反鏡；所述第二折反鏡的反射光路上設(shè)有調(diào)Q開(kāi)關(guān)和全反鏡；所述增益介質(zhì)外側(cè)設(shè)有第一溫度控制裝置和第二溫度控制裝置，分別用于控制與增益介質(zhì)的a軸垂直的所有表面和與增益介質(zhì)的c軸垂直的所有表面的溫度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體端面泵浦高功率單模風(fēng)冷激光器，其特征在于，所述 激光器的諧振腔為“U”型、“Z”型、“L”型或“V”型諧振腔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體端面泵浦高功率單模風(fēng)冷激光器，其特征在于，所述 第一泵浦源LD和第二泵浦源LD所采用的泵浦方式為端面泵浦。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的半導(dǎo)體端面泵浦高功率單模風(fēng)冷激光器，其特征在于，所述 第一泵浦源LD和第二泵浦源LD所采用的泵浦方式為單端面泵浦、雙端面泵浦或四端面泵 浦。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體端面泵浦高功率單模風(fēng)冷激光器，其特征在于，所述 第一泵浦源LD和第二泵浦源LD的激光晶體為Nd:YAG、NdiYVO4, NdiGdVO4或Nd: YLF的鍵 合或膠合晶體。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體端面泵浦高功率單模風(fēng)冷激光器，其特征在于，所述 第一泵浦源LD和第二泵浦源LD的激光晶體為Nd:YAG、NdiYVO4, NdiGdVO4或Nd:YLF的普 通激光晶體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體端面泵浦高功率單模風(fēng)冷激光器，其特征在于，所述 增益介質(zhì)為長(zhǎng)方體、正方體或者圓柱體形狀。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體端面泵浦高功率單模風(fēng)冷激光器，其特征在于，所述 第一折反鏡和第二折反鏡與第一耦合聚焦系統(tǒng)和第二耦合聚焦系統(tǒng)的輸出光路之間的夾 角為0 90度。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種半導(dǎo)體端面泵浦高功率單模風(fēng)冷激光器。第一泵浦源LD與第一耦合聚焦系統(tǒng)之間、第二泵浦源LD與第二耦合聚焦系統(tǒng)之間分別通過(guò)光纖連接；第一耦合聚焦系統(tǒng)和第二耦合聚焦系統(tǒng)輸出的激光分別入射到所述增益介質(zhì)；第一耦合聚焦系統(tǒng)和第二耦合聚焦系統(tǒng)與增益介質(zhì)之間分別設(shè)有第一折反鏡和第二折反鏡；第一折反鏡的反射光路上設(shè)有熱透鏡補(bǔ)償全反鏡；第二折反鏡的反射光路上設(shè)有調(diào)Q開(kāi)關(guān)和全反鏡；增益介質(zhì)外側(cè)設(shè)有第一溫度控制裝置和第二溫度控制裝置，分別用于控制與增益介質(zhì)的a軸垂直的所有表面和與增益介質(zhì)的c軸垂直的所有表面的溫度。本發(fā)明的激光器功率大、效率高且發(fā)出的光束質(zhì)量?jī)?yōu)良。
文檔編號(hào)H01S3/101GK101882750SQ200910136518
公開(kāi)日2010年11月10日 申請(qǐng)日期2009年5月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月6日
發(fā)明者盧飛星, 閔大勇 申請(qǐng)人:武漢華工激光工程有限責(zé)任公司