專利名稱：側面泵浦薄片激光器的制作方法
技術領域：
側面泵浦薄片激光器屬于固體激光技術領域。
背景技術：
半導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域有著十分廣泛的用途。半導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。
隨著半導體工藝的不斷進步和成本的降低，半導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生的熱透鏡效應和熱致應力雙折射是嚴重的問題。為了減少熱透鏡效應，板條、薄片等結構的激光器得到發(fā)展。但棒和板條均存在相對于激光光束的橫向熱流，難于兼顧半導體泵浦高功率固體激光器高光束質量的要求。
薄片激光器的優(yōu)點是熱梯度和激光傳輸方向平行，介質具有高的泵浦功率密度而不產生顯著的溫度梯度，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。合理設計泵浦耦合結構，可以使薄片徑向溫度分布近似均勻，從而大大降低介質的熱透鏡效應和熱致應力雙折射，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。
端面泵浦的結構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。結合截面11和截面22可知，光路走向為泵浦光經拋物柱面鏡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，激光器轉換效率高；易于獲得高光束質量的激光輸出。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，經光學耦合系統(tǒng)聚焦到晶體的端面上。這種結構形式緊湊，轉換效率高，基模光強分布較好。但這種結構散熱效果差，故一般只能在低功率情況工作。
邊緣泵浦的結構是將摻雜Yb的YAG晶體薄片13與非摻雜的YAG晶體薄片12復合(鍵合)，晶體被切割成正六邊形結構，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經過透鏡導管9入射到泵浦面上，透鏡導管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，泵浦光結構簡化，泵浦光多次經過增益介質，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，避免了熱透鏡效應和激光產生相位畸變；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。
實用新型內容本實用新型的目的是利用薄片狀增益介質晶體激光器熱流沿厚度方向近一維分布的特點，提出側面泵浦的方法，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，泵浦光結構簡化，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晶體激光器較好的散熱特性。
本實用新型提供了一種側面泵浦薄片激光器，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圓柱狀薄片晶體17，外部為正n邊形非摻雜非規(guī)結構晶體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；該晶體薄片側視圖如圖3a所示，上下兩端的非摻雜非規(guī)結構晶體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圓柱狀薄片晶體17的高；摻雜增益介質圓柱狀薄片晶體17與非摻雜非規(guī)結構晶體18以熱鍵合方式緊密地結合；非摻雜非規(guī)結構晶體18的外側面，即n個長方形面，鍍泵浦光增透膜，摻雜增益介質圓柱狀薄片晶體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構成一激光器諧振腔；該摻雜增益介質圓柱狀薄片晶體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)有技術平行地固定于非摻雜非規(guī)結構晶體18的的外側面的周圍，即n個長方形面的周圍。
摻雜增益介質圓柱狀薄片晶體17選用Nd:YAG或Yb:YAG晶體。
非摻雜非規(guī)結構晶體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與摻雜增益介質圓柱狀薄片晶體17以熱貼合方式結合，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圓柱狀薄片晶體17，發(fā)散光經邊緣折射后進入摻雜增益介質圓柱狀薄片晶體17。非摻雜非規(guī)結構晶體18的外側面的光可低損耗地傳輸?shù)絻炔康膿诫s增益介質圓柱狀薄片晶體17。當用LD陣列8進行泵浦時，薄片晶體受激產生激光，在腔內振蕩，最終經耦合輸出鏡輸15出激光。
此側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)有技術制備。該晶體薄片的制備方法為第一步，摻雜增益介質圓柱狀薄片晶體的兩底面及薄片晶體的側面，并拋光側面；初加工外部非摻雜非規(guī)結構晶體，并拋光其圓柱孔側面，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)結構晶體與初加工摻雜增益介質圓柱狀薄片晶體，合起對磨加工，使圓柱孔側面和摻雜增益介質圓柱狀薄片晶體側面面形很好貼合；第三步，兩半非摻雜非規(guī)結構晶體與摻雜增益介質圓柱狀薄片晶體熱鍵合；第四步，摻雜增益介質圓柱狀薄片晶體的兩底面加工，非摻雜非規(guī)結構晶體的外側面加工；第五步，鍍膜，非摻雜非規(guī)結構晶體的外側面，即n個長方形面，鍍泵浦光增透膜，摻雜增益介質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)結構簡單、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，增加摻雜增益介質圓薄片晶體內部的泵浦功率密度；通過增加非摻雜非規(guī)結構晶體的尺寸，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)，增加摻雜增益介質圓薄片晶體內部的泵浦功率，激光器輸出可擴展。摻雜增益介質圓薄片晶體與非摻雜非規(guī)結構晶體的結合方式，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Q、鎖模技術，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.側面泵浦的正六邊形晶體薄片模型示意圖；圖4.側面泵浦的晶體薄片模型示意圖；圖4a是側面泵浦的正八邊形晶體薄片模型示意圖；圖4b是側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為摻雜增益介質圓柱狀薄片晶體，18為非摻雜非規(guī)結構晶體。
具體實施方式
本實用新型的設計圖如圖3所示。中心為摻雜增益介質圓薄片晶體，外部為正六邊形非摻雜非規(guī)結構晶體，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。摻雜增益介質圓柱狀薄片晶體選用Yb:YAG晶體。非摻雜非規(guī)結構晶體選用YAG。摻雜增益介質圓薄片晶體(摻雜濃度為3at％)與非摻雜非規(guī)結構晶體以熱鍵合方式緊密地結合。
摻雜增益介質圓薄片晶體與非摻雜非規(guī)結構晶體的制備方法為第一步，初加工摻雜增益介質圓薄片晶體的兩底面(厚度1.0mm)及薄片晶體的側面(直徑5mm正公差)，并拋光圓側面；初加工外部非摻雜非規(guī)結構晶體，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)結構晶體與初加工摻雜增益介質圓薄片晶體，合起對磨加工，使圓柱孔側面和摻雜增益介質圓柱狀薄片晶體側面面形很好貼合；第三步，兩半非摻雜非規(guī)結構晶體與摻雜增益介質圓薄片晶體熱鍵合，即將非摻雜非規(guī)結構晶體與摻雜增益介質圓薄片晶體拼合，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，摻雜增益介質圓柱狀薄片晶體的兩底面加工，非摻雜非規(guī)結構晶體的外側面加工，這是由于在熱鍵合會導致薄片晶體發(fā)生形變；第五步，鍍膜，非摻雜非規(guī)結構晶體的外側面，即六個長方形面，鍍泵浦光(對應0.94μm波長)增透膜，摻雜增益介質圓柱狀薄片晶體的兩底面，一面鍍振蕩激光(對應1.03μm波長)增透膜，另一面鍍振蕩激光(對應1.03μm波長)全反射膜；第六步，摻雜增益介質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)有技術平行地固定于非摻雜非規(guī)結構晶體的外側面，即六個長方形面，晶體的周圍(如圖3)，并連接驅動電源和水冷。
激光器耦合輸出鏡的反射率為87％。經測量，泵浦功率為240W(6個LD陣列)，輸出功率為103W，光光轉化效率為43％。輸出激光的光束質量好，并適合大功率的輸出。
權利要求1.一種側面泵浦薄片激光器，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圓柱狀薄片晶體(17)，外部為正n邊形非摻雜非規(guī)結構晶體(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；該晶體薄片側視上下兩端的非摻雜非規(guī)結構晶體(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圓柱狀薄片晶體(17)的高；摻雜增益介質圓柱狀薄片晶體(17)與非摻雜非規(guī)結構晶體(18)以熱鍵合方式緊密地結合；非摻雜非規(guī)結構晶體(18)的外側面，即n個長方形面，鍍泵浦光增透膜，摻雜增益介質圓柱狀薄片晶體(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)構成一激光器諧振腔；該摻雜增益介質圓柱狀薄片晶體(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)有技術平行地固定于非摻雜非規(guī)結構晶體(18)的外側面的周圍，即n個長方形面的周圍。
2.根據權利要求1所述的側面泵浦薄片激光器，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。
專利摘要側面泵浦薄片激光器屬固體激光領域。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圓柱狀薄片晶體(17)，外部為正n邊形非摻雜非規(guī)結構晶體(18)，n≥6且為偶數(shù)，該正n邊形中心有一圓柱孔；該晶體薄片側視上下兩端的非規(guī)結構晶體(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)結構晶體(18)的外側面周圍。本實用新型高功率輸出，泵浦光結構簡化，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