專利名稱：集成式激光二極管腔內(nèi)泵浦的全固態(tài)激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及全固態(tài)激光器，特別是一種集成式激光二極管腔內(nèi)泵浦的全固態(tài)激光
o
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)上，激光二極管泵浦的全固態(tài)激光器都采用分立式的結(jié)構(gòu)，激光二極管(或 激光二極管列陣)組成一個(gè)模塊，包含有激光芯片、熱沉、電極和光學(xué)準(zhǔn)直系統(tǒng)等，而固態(tài) 激光器以激光激活介質(zhì)為主要組成又構(gòu)成一個(gè)模塊，包括晶體(或光纖)、冷卻系統(tǒng)、光學(xué) 系統(tǒng)、調(diào)Q和鎖模系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)等，由此導(dǎo)致整個(gè)固體激光器體積龐大、電光轉(zhuǎn)換效率 低、無(wú)法滿足現(xiàn)代應(yīng)用對(duì)單位功率重量比(即獲得1瓦激光輸出所需的激光器重量)和節(jié) 能的需求，使全固態(tài)激光器的使用范圍只能限制在相對(duì)傳統(tǒng)的行業(yè)應(yīng)用中，無(wú)法廣泛應(yīng)用 在精細(xì)機(jī)械加工、航空航天和手持加工設(shè)備等日益重要的行業(yè)中。

發(fā)明內(nèi)容
為了將現(xiàn)有的激光二極管泵浦的全固態(tài)激光器的體積減小到可以用于苛刻環(huán)境， 進(jìn)一步提高激光二極管泵浦的全固態(tài)激光器的電光轉(zhuǎn)換效率，本發(fā)明提出一種集成式激光 二極管腔內(nèi)泵浦的全固態(tài)激光器，該激光器不僅極大的降低了全固態(tài)激光器的單位功率重 量比，而且可以將目前全固態(tài)激光器的電光轉(zhuǎn)換效率(及插頭效率)由目前的不超過(guò)25% 增加到35%以上。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種集成式激光二極管腔內(nèi)泵浦的全固態(tài)激光器，其特點(diǎn)是在L型在下熱沉上分 別采用銦焊接或?qū)峁枘z膠合的方法將激光二極管芯片、微光學(xué)整形器(105)和固體激光 介質(zhì)的位置依次固定，兩端添加填充材料，將與所述的下熱沉對(duì)稱的L型上熱沉對(duì)稱地覆 蓋后，通過(guò)螺絲緊固集成為一個(gè)整體，所述的激光二極管芯片鍍?nèi)茨さ暮蠖嗣婧凸腆w激 光介質(zhì)的鍍對(duì)泵浦光的全反膜的左側(cè)面構(gòu)成激光二極管的諧振腔，所述的激光二極管芯 片、微光學(xué)整形器和固體激光介質(zhì)之間的自然面分別鍍對(duì)泵浦光的減反膜，所述的固體激 光介質(zhì)兩端的諧振腔鏡構(gòu)成固體激光器的諧振腔，所述的激光二極管芯片的陽(yáng)極和陰極分 別從所述的下熱沉和上熱沉弓I出。所述的固體激光介質(zhì)為薄板條形的激光晶體、激光陶瓷或光纖陣列。所述的固體激光諧振腔由激光介質(zhì)的兩個(gè)端面鍍反射膜、或刻蝕光柵、或利用環(huán) 形耦合器、或外部的反射鏡構(gòu)成。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1、本發(fā)明是集成化的、微型的、高效率和高光束質(zhì)量的大功率輸出的全固態(tài)激光
o2、極大地降低了目前激光二極管泵浦的全固態(tài)激光器的單位功率重量比，同時(shí)電 光轉(zhuǎn)換效率獲得了很大的提高，相比于傳統(tǒng)全固態(tài)激光器，電光轉(zhuǎn)換效率由不到25%，提高到35%以上;3、由于與激光二極管的封裝工藝結(jié)合到一起，增加了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠 性，具備標(biāo)準(zhǔn)化大規(guī)模批量生產(chǎn)的可能。


圖1是本發(fā)明集成式激光二極管腔內(nèi)泵浦的全固態(tài)激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明激光晶體和二極管芯片中的泵浦光和激光的光束尺寸分布圖。圖3是本發(fā)明的第_實(shí)施例光路示意圖。圖4是本發(fā)明的第二實(shí)施例光路示意圖。圖5是本發(fā)明的第三實(shí)施例光路示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明集成式激光二極管腔內(nèi)泵浦的全固態(tài)激光器的結(jié)構(gòu) 示意圖。由圖可見(jiàn)，本發(fā)明集成式激光二極管腔內(nèi)泵浦的全固態(tài)激光器，其構(gòu)成是在L型在 下熱沉103上分別采用銦焊接或?qū)峁枘z膠合的方法將激光二極管芯片104、微光學(xué)整形 器105和固體激光介質(zhì)106的位置依次固定，兩端添加填充材料102、108，將與所述的下熱 沉103對(duì)稱的L型上熱沉101覆蓋，通過(guò)螺絲緊固集成為一個(gè)整體，所述的激光二極管芯片 104鍍?nèi)茨さ暮蠖嗣?11和固體激光介質(zhì)106的鍍對(duì)泵浦光的全反膜的左側(cè)面115構(gòu)成 激光二極管的諧振腔，所述的激光二極管芯片104、微光學(xué)整形器105和固體激光介質(zhì)106 之間的自然面分別鍍對(duì)泵浦光的減反膜110、112和113，所述的固體激光介質(zhì)106兩端的諧 振腔鏡114和諧振腔鏡116構(gòu)成固體激光器的諧振腔，所述的激光二極管芯片104的陽(yáng)極 107和陰極109分別從所述的下熱沉103和上熱沉101引出。所述的激光二極管芯片104的后端為對(duì)泵浦波長(zhǎng)高反射的多層介質(zhì)膜111 (或其 它具有反射功能的結(jié)構(gòu))，另一端為對(duì)泵浦波長(zhǎng)減反的多層介質(zhì)膜110，激光二極管的陰極 109從可導(dǎo)電的上熱沉101的表面引出，陽(yáng)極107由可導(dǎo)電的下熱沉103上引出。所述的激光介質(zhì)106為薄板條形狀的激光介質(zhì)，激活介質(zhì)106可以是板條狀的激 光晶體、激光陶瓷、或者板條狀的光纖陣列等。在激光介質(zhì)的兩端114和116由鍍膜鏡(或 光柵、或環(huán)形耦合器)構(gòu)成固體激光器的諧振腔。在激光介質(zhì)的一個(gè)側(cè)端面113為對(duì)泵浦 波長(zhǎng)減反的多層介質(zhì)膜，另一個(gè)側(cè)端面115為對(duì)泵浦波長(zhǎng)高反射的多層介質(zhì)膜。激光介質(zhì) 與激光二極管芯片形成腔內(nèi)泵浦的結(jié)構(gòu)。所述的微光學(xué)整形器105可以是微柱面鏡、微棱鏡或微非球面鏡，功能為將激光 二極管出射的泵浦光的光束尺寸與激光介質(zhì)中激光的光束尺寸匹配起來(lái)，增大輸出激光的 光束尺寸，減少發(fā)散角。在激光介質(zhì)106和激光二極管芯片104中激光光束和泵浦光束的 光場(chǎng)分布如圖2所示，泵浦光201通過(guò)微光學(xué)整形器105后在激光介質(zhì)106中與激光束202 完全重合，有效地提高了激光轉(zhuǎn)換效率。所述的固體激光諧振腔由在激光介質(zhì)106的兩個(gè)出光面114和116鍍反射膜、或 刻蝕光柵、或利用環(huán)形耦合器、或外部的反射鏡構(gòu)成。
實(shí)施例1如圖3所示，激光介質(zhì)106由Nd: YAG晶體板條301構(gòu)成，晶體板條301的尺寸為 1mm厚，8mm寬，10mm長(zhǎng)，Nd離子的摻雜濃度為1%，在晶體板條301的一個(gè)端面116鍍有對(duì) 波長(zhǎng)1064nm反射率大于99. 7%的反射膜，在晶體板條301的另一個(gè)端面114鍍有對(duì)波長(zhǎng) 1064nm反射率為75%的部分反射膜，在晶體板條301的一個(gè)側(cè)端面113鍍有對(duì)808nm發(fā)射 率小于0. 2%的減反膜，在晶體板條301的另一個(gè)側(cè)面115鍍有對(duì)808nm發(fā)射率大于99. 7% 的全反膜。激光二極管芯片104為AsGaAl多層量子阱結(jié)構(gòu)的芯片，激光二極管芯片的工作 中心波長(zhǎng)為808nm，發(fā)光區(qū)域?qū)挾葹?. 2mm,發(fā)光區(qū)域間距0. 5mm,共有19個(gè)發(fā)光區(qū)分布在 10mm長(zhǎng)的巴條上。泵浦光在激光二極管芯片104和晶體板條301之間往返振蕩如箭頭302 所示，輸出激光的傳輸方向如箭頭303所示。當(dāng)在陽(yáng)極107和陰極109之間加上1. 7V，16A 電流時(shí)，測(cè)試表明，本發(fā)明激光器的輸出功率為10W，電光轉(zhuǎn)換效率為36. 7%。實(shí)施例2如圖4所示，實(shí)施例2中激光介質(zhì)106由光纖陣列403組成，光纖陣列403由4根 去掉外包層的摻鐿雙包層石英光纖并排熔接而成，光纖的內(nèi)包層直徑500微米，內(nèi)包層數(shù) 值孔徑為0. 46，摻鐿雙包層光纖的纖芯直徑20微米，數(shù)值孔徑為0. 07，纖芯中的三價(jià)鐿離 子的摻雜濃度為4000ppm。4根雙包層石英光纖由平行熔融拉錐的方法，形成漸變的光纖波 導(dǎo)光錐，當(dāng)在陽(yáng)極107和陰極109之間加上1. 7V，16A電流時(shí)，測(cè)試結(jié)果是，本實(shí)施例激光器 的輸出功率為12W，輸出波長(zhǎng)llOOnm，電光轉(zhuǎn)換效率為44%。實(shí)施例3利用串接的方法將多個(gè)模塊連接起來(lái)獲得更高的功率輸出。如圖5所示，本實(shí)施 例中將3個(gè)光纖模塊501利用光纖熔接的方式串接起來(lái)，光纖模塊501的結(jié)構(gòu)如圖4所示。 光纖熔接點(diǎn)502的光纖芯徑和數(shù)值孔徑一致，插入損耗小于0. ldB。每個(gè)模塊的輸出功率為 12W，3個(gè)串連的模塊總輸出功率為36W，電光轉(zhuǎn)換效率仍為44%。綜上所述，本發(fā)明是集成化的、微型的、高效率和高光束質(zhì)量的大功率輸出的全固 態(tài)激光器。極大地降低了目前激光二極管泵浦的全固態(tài)激光器的單位功率重量比，同時(shí)電 光轉(zhuǎn)換效率獲得了很大的提高，相比于傳統(tǒng)全固態(tài)激光器，電光轉(zhuǎn)換效率由不到25%，提高 到35%以上；由于與激光二極管的封裝工藝結(jié)合到一起，增加了整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠 性，具備標(biāo)準(zhǔn)化大規(guī)模批量生產(chǎn)的可能。本發(fā)明還具有多個(gè)模塊串連的擴(kuò)展性。
權(quán)利要求
一種集成式激光二極管腔內(nèi)泵浦的全固態(tài)激光器，其特征是在L型下熱沉(103)上分別采用銦焊接或?qū)峁枘z膠合的方法將激光二極管芯片(104)、微光學(xué)整形器(105)和固體激光介質(zhì)(106)的位置依次固定，兩端添加填充材料(102、108)，將與所述的下熱沉(103)對(duì)稱的L型上熱沉(101)覆蓋后，通過(guò)螺絲緊固集成為一個(gè)整體，在所述的激光二極管芯片(104)鍍?nèi)茨さ暮蠖嗣?111)和固體激光介質(zhì)(106)的鍍對(duì)泵浦光的全反膜的左側(cè)面(115)構(gòu)成激光二極管的諧振腔，所述的激光二極管芯片(104)、微光學(xué)整形器(105)和固體激光介質(zhì)(106)之間的自然面分別鍍對(duì)泵浦光的減反膜(110)、(112)和(113)，所述的固體激光介質(zhì)(106)兩端的諧振腔鏡(114)和諧振腔鏡(116)構(gòu)成固體激光器的諧振腔，所述的激光二極管芯片(104)的陽(yáng)極(107)和陰極(109)分別從所述的下熱沉(103)和上熱沉(101)引出。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式激光二極管腔內(nèi)泵浦的全固態(tài)激光器，其特征在于所 述的固體激光介質(zhì)(106)為薄板條形狀的激光晶體、激光陶瓷或光纖陣列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式激光二極管腔內(nèi)泵浦的全固態(tài)激光器，其特征在于所 述的固體激光諧振腔由激光介質(zhì)(106)的兩個(gè)端面鍍反射膜、或刻蝕光柵、或利用環(huán)形耦 合器、或外部的反射鏡構(gòu)成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成式激光二極管腔內(nèi)泵浦的全固態(tài)激光器，其特征在于所 述的微光學(xué)整形器(105)是微柱面鏡、微棱鏡或微非球面鏡。
全文摘要
一種集成式激光二極管腔內(nèi)泵浦的全固態(tài)激光器，其特點(diǎn)是在下熱沉和上熱沉之間的內(nèi)部依次集成有激光二極管芯片、微光學(xué)整形器和固體激光介質(zhì)，在所述的激光二極管芯片鍍對(duì)泵浦光的全反膜的后端面和固體激光介質(zhì)的鍍對(duì)泵浦光的全反膜的左側(cè)面構(gòu)成激光二極管的諧振腔，所述的激光二極管芯片、微光學(xué)整形器和固體激光介質(zhì)之間的自然面分別鍍對(duì)泵浦光的減反膜，所述的固體激光介質(zhì)兩端的諧振腔鏡構(gòu)成固體激光器的諧振腔，所述的激光二極管芯片的陽(yáng)極和陰極分別從所述的下熱沉和上熱沉引出。本發(fā)明極大地降低了全固態(tài)激光器單位功率重量比；將全固態(tài)激光器的電光轉(zhuǎn)換效率增加到35％以上；具有多模塊串連的擴(kuò)展性；可大批量標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。
文檔編號(hào)H01S3/04GK101854026SQ20101017773
公開日2010年10月6日 申請(qǐng)日期2010年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月18日
發(fā)明者徐劍秋, 陳凡 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所