激光器及其增益介质组件的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种激光器及其增益介质组件。增益介质组件包括薄片增益介质及透明介质。由于透明介质的光学面具有2N个入射面。因此，同时可采用N束泵浦光进行泵浦。N束泵浦光可分别从N个相邻的入射面入射。N个泵浦源可分别产生泵浦光，每个泵浦源所产生的泵浦光从其中一个入射面入射，经过薄片增益介质的吸收后，激发激光。泵浦光的总功率相当于N束泵浦光的功率之和，而且N束泵浦光从不同的方向入射可提高薄片增益介质的吸收率。相比传统的激光器的单个泵浦源泵浦，上述激光器通过上述增益介质组件，无需采用高功率、高亮度的泵浦源，以及复杂的光学回路设计即可达到对激光功率的要求。因此，上述激光器能有效提高激光输出的质量及稳定性。
【专利说明】激光器及其增益介质组件
【技术领域】
[0001]本发明涉及激光领域，特别是涉及一种激光器及其增益介质组件。
【背景技术】
[0002]全固态激光器是指以半导体激光器作为泵浦源的固体激光器，目前最具潜力的激光源之一。全固态激光器中的薄片增益介质一般采用厚度很小而横向尺寸较大的薄片状材料作为激光的增益介质。为了达到所需要的激光功率，一般的激光器需要采用高功率、高亮度的泵浦源泵浦，对泵浦源要求较高。而且，为了提高泵浦光的吸收效率，必须要使用结构复杂的光学折反射系统使泵浦光多次通过薄片增益介质以提高泵浦光的吸收效率，成本较高，且调节复杂。
[0003]而一般将薄片增益介质固定在高热导率的紫铜冷却热沉上。冷却热沉中有冷却液微通道，冷却液微通道内有高速流动的冷却液。热量首先通过热传导的方式从薄片增益介质传导到冷却热沉中，然后在冷却液微通道内与冷却液进行热交换，然后由高速流动的冷却液将热量带走。因此，冷却热沉能够为薄片增益介质背面提供冷却。在高功率运行时，容易导致冷却力度不够。因此，会导致薄片增益介质中温度最高，而边缘处温度较低，进而造成薄片增益介质中心处向外膨胀，形成类似倒扣的“碗状”变形，进而带来热透镜效应。
[0004]另外，由于调节系统复杂，其中一个环节出故障的概率加大，从而影响激光器的正常运转。因此，使得传统的激光器的激光输出质量及稳定性不高。
【发明内容】
[0005]基于此，有必要针对提供一种能有效提高激光输出的质量及稳定性的激光器及其增益介质组件。
[0006]一种增益介质组件，包括:
[0007]薄片增益介质，呈板状结构，所述薄片增益介质的一面为后表面；及
[0008]与所述薄片增益介质的折射率相同的透明介质，所述透明介质包括棱锥形的光学面，所述光学面包括底面及2N个沿底面的边缘延伸，且呈三角形的入射面，N为大于等于2的整数，所述底面与所述薄片增益介质背向所述后表面的一侧紧密贴合。
[0009]在其中一个实施例中，所述透明介质还包括圆形底板，所述底面与所述圆形底板紧密贴合，所述薄片增益介质与所述圆形底板远离所述底面的一侧紧密贴合。
[0010]在其中一个实施例中，其特征在于，所述入射面上镀设有对所述泵浦光及激光高透射的高透膜层。
[0011]在其中一个实施例中，其特征在于，透明介质呈四棱锥体形，所述底面为矩形。
[0012]一种激光器，包括起支撑作用的底座、产生泵浦光的泵浦源、用于输出所述泵浦光的光输出组件、对激光高反射而对泵浦光高透射的激光反射镜及对泵浦光高反射的激光输出镜，所述泵浦源、所述激光反射镜及所述激光输出镜安装于所述底座上，所述激光反射镜位于所述光输出组件的前端，所述激光器还包括:[0013]如上述优选实施例中任一项所述的增益介质组件，所述增益介质组件安装于所述底座上；
[0014]所述泵浦源为N个，且N个所述泵浦源产生的泵浦光分别从N个相邻的所述入射面垂直入射；
[0015]其中，所述激光输出境与其中一个所述入射面相对设置，所述泵浦光经所述透明介质进入所述薄片增益介质，并使所述薄片增益介质激发以产生激光，所述激光输出镜与所述激光反射镜形成谐振腔，所述激光经所述后表面反射，在所述激光输出镜与所述激光反射镜之间来回反射。
[0016]在其中一个实施例中，还包括固定于所述底座的冷却装置，所述冷却装置包括冷却腔体、后盖以及用于冷却液进出的进液口及出液口，所述冷却腔体为两端开口的中空柱状结构，所述后盖密封所述冷却腔体一端的开口 ；
[0017]所述薄片增益介质安装于所述冷却腔体背向所述后盖的一端，并将所述冷却腔体背向所述后盖的一端密封，以与所述后盖及所述冷却腔体形成用于收容所述冷却液的密闭空腔，所述后表面位于所述密闭空腔内。
[0018]在其中一个实施例中，所述入射面与所述底面的夹角大于等于arcsin(^),(0°<o<9(r)，以使所述泵浦光及所述激光在所述后表面发生全反射，其中，nl
为所述薄片增益介质对所述泵浦光的折射率，n2为所述冷却液对所述泵浦光的折射率，且nl大于n20
[0019]在其中一个实施例中，还包括泵浦光反射镜，所述泵浦光反射镜与两个相对设置的所述入射面中一个平行设置，从另一个所述入射面入射的泵浦光，在所述后表面发生全反射后，射向所述泵浦光反射镜，并在所述泵浦光反射镜的表面发生反射，以将所述泵浦光反射至所述薄片增益 介质内。
[0020]在其中一个实施例中，所述底座上设有直线导轨，所述冷却装置及所述薄片增益介质可滑动地安装于所述直线导轨上，且所述薄片增益介质相对于所述冷却装置固定。
[0021]在其中一个实施例中，还包括安装结构，所述透明介质还包括圆形底板，所述安装结构包括:
[0022]固定架，可滑动的设于所述直线导轨上，所述固定架呈板状结构，且其上端设有半圆形的第一凹槽，所述冷却腔体收容于所述第一凹槽内；
[0023]压板，其下端设有半圆形的第二凹槽，所述压板固定于所述固定架上，以使所述冷却腔体夹持于所述第一凹槽与所述第二凹槽的底部之间；
[0024]安装板，其上设有圆形安装孔，所述安装孔的直径小于所述圆形底板的直径，所述透明介质穿设于所述安装孔内，所述安装板将所述圆形底板压持于所述冷却腔体的开口的边缘，以使所述密封腔体密封；
[0025]螺纹紧固件，依次与所述固定架及所述安装板螺合，以将所述安装板固定于所述固定架上。
[0026]上述激光器及增益介质组件，由于透明介质的光学面具有2N个入射面。因此，可同时采用N束泵浦光进行泵浦。N束泵浦光可分别从N个相邻的入射面入射。N个泵浦源可分别产生泵浦光，每个泵浦源所产生的泵浦光从其中一个入射面入射，经过薄片增益介质的吸收后，激发激光。泵浦光的总功率相当于N束泵浦光的功率之和，而且N束泵浦光从不同的方向入射可提高薄片增益介质的吸收率。相比传统的激光器的单个泵浦源泵浦，上述激光器通过上述增益介质组件，无需采用高功率、高亮度的泵浦源，以及复杂的光学回路设计即可达到对激光功率的要求。因此，上述激光器能有效提高激光输出的质量及稳定性。
【专利附图】
【附图说明】
[0027]图1为本发明较佳实施例中激光器的结构示意图；
[0028]图2为图1所示激光器的爆炸图；
[0029]图3为图1所示激光器的侧视图；
[0030]图4为图1所示激光器中透明介质的结构示意图；
[0031]图5为图1所示激光器中增益介质组件的结构示意图；
[0032]图6为本实施例中水平方向上的光路图；
[0033]图7为本实施例中竖直方向上的光路图。
【具体实施方式】
[0034]为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。
[0035]需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
[0036]除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的【技术领域】的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0037]请参阅图1、图2及图3，本发明较佳实施例中的激光器100包括底座110、泵浦源120、光输出组件130、激光反射镜140、激光输出镜150、冷却装置160、薄片增益介质170及透明介质180。其中，薄片增益介质170与透明介质180形成增益介质组件101。透明介质180与薄片增益介质170贴合，且二者的折射率相同。
[0038]底座110起支撑作用。底座110可由金属制成，优选呈板状结构。由于板状结构具有较大的受力面积，故能有效的分散压力，从而使激光器100更稳定。
[0039]泵浦源120用于产生泵浦光。泵浦源120 —般采用激光二极管。光输出组件130用于输出泵浦源120产生的泵浦光。具体在本实施例中，泵浦源120产生的泵浦光通过传导光纤121进行光纤耦合输出至光输出组件130。需要指出的是，在其他实施例中，泵浦源120产的泵浦光也可直接泵浦。泵浦光从光输出组件130输出，经过泵浦光聚焦单元(图未标)聚焦。泵浦光聚焦单元安装在泵浦光聚焦单元安装器(图未标)中，泵浦光聚焦单元安装器固定在镜片安装固定装置的镜片安装架上。
[0040]激光反射镜140为二向色镜，对泵浦光高透射，而对激光高反射。激光输出镜150对泵浦光高反射，对激光部分透射。激光反射镜140及激光输出镜150安装于底座110上。激光反射镜140位于光输出组件130的前端，光输出组件130输出的泵浦光穿过激光反射镜140。具体在本实施例中，底座110上设有镜片固定板111，其上设有镜片安装架1112。激光反射镜140及激光输出镜150分别安装于镜片安装架1112中。
[0041]冷却装置160固定于底座110上。冷却装置160包括冷却腔体161、后盖163、进液口 165及出液口 167。冷却腔体161为两端开口的中空柱状结构，后盖163密封冷却腔体161 一端的开口。具体的，后盖163即可与冷却腔体161 —体成型，也可与冷却腔体161分开成型，再通过螺纹紧固等方式与冷却腔体161 —端密封连接。进液口 165及出液口 167用于冷却液进出，冷却液经过进液口 165进入冷却腔体161内部，再通过出液口 167流出，从而带走热量。具体在本实施例中，进液口 165及出液口 167设于后盖163上。其中、冷却液可为水、液氮等其他常用作冷却剂的液体。可以理解，进液口 165及出液口 167还可设置于冷却腔体161的侧壁。
[0042]薄片增益介质170由掺杂有激活离子的透明介质材料构成。具体的，透明介质材料可以为:钇铝石榴石(YAG)、钆镓石榴石(GGG)、玻璃、钒酸盐、钨酸盐、陶瓷中的一种。激活离子可以为:Yb3+、Nd3+、Tm3+、Ho3+中的一种或几种。泵浦光射向薄片增益介质170后，部分泵浦光的能量被薄片增益介质170中的激活离子吸收，激活离子发生能级跃迁，从而产生激光。
[0043]请一并参阅图4及图5，薄片增益介质170呈板状结构。薄片增益介质170安装于冷却腔体161背向后盖163的一端,并将冷却腔体161背向后盖163的一端密封，以与后盖163及所述冷却腔体161形成用于收容冷却液的密闭空腔(图未示)。薄片增益介质170朝向后盖163的一面为后表面171，后表面171位于密闭空腔内。因此。当密闭空腔内充满冷却液时，薄片增益介质170直接与冷却液接触。当激光器100工作，薄片增益介质170产生热量时，薄片增益介质170可通过后表面171直接与冷却液进行热量交换。相比于传统激光器采用的背面微通道冷却热沉的冷却方式，薄片增益介质170直接与冷却液进行热交换可大幅度提高了冷却效率，从而减小高功率运行时，薄片增益介质170的热透镜效应。
[0044]透明介质180与薄片增益介质170由上述同样的透明介质材料制成。其中，透明介质180中未掺杂激活离子。由于激活离子的数量不足以对薄片增益介质170的光学特性产生影响。因此，透明介质180与薄片增益介质170具有相同的折射率。
[0045]透明介质180包括光学面181及圆形底板183。光学面181与圆形底板183 —体成型。光学面181呈棱锥形的，光学面181包括底面1814及2N个沿底面1814的边缘延伸，且呈三角形的入射面1812。其中，N为大于等于2的整数。其中，泵浦光从入射面1812垂直入射。泵浦光的绝大部分可通过透明介质180进入到薄片增益介质170中。因此，无需在薄片增益介质170的前表面镀设高透射膜层即可实现对泵浦光的最大利用。具体在本实施例中，入射面1812上镀设有对泵浦光及激光高透膜层。因此，可提高进一步对泵浦光的利用率。
[0046]在本实施例中，底面1814与圆形底板183紧密贴合，薄片增益介质170与圆形底板183远离底面1814的一侧紧密贴合。具体的，薄片增益介质170采用化学无胶直接粘合技术(CADB)粘接在透明介质180上。由于结合处的厚度极小(ΙΟΟμπι?1500μπι)，故光线经过两者结合处时不发生折射。此外，薄片增益介质170还可通过分子间作用力等其他方式与圆形底板183实现紧密贴合。可以理解，在其他实施例中，圆形底板183可省略，底面1814与薄片增益介质170背向后表面171的一侧直接紧密贴合，也可实现其功能。
[0047]其中，泵浦源120为N个，且N个泵浦源120产生的泵浦光分别从N个相邻的入射面1812垂直入射。激光输出境150与其中一个入射面1812相对设置。N个泵浦源120产生的泵浦光分别经透明介质180的N个入射面1812进入薄片增益介质170，并使薄片增益介质170激发以产生激光。产生的激光经后表面171反射后，射向激光输出镜150。一部分激光输出，另一部分激光经激光输出镜150反射回薄片增益介质170内，并经过后表面171再次反射后，射向激光反射镜140。激光输出镜150与激光反射镜140形成谐振腔,激光在激光输出镜150与激光反射镜140之间来回反射,从而进一步振荡放大。
[0048]由于激光器100最多可以采用N泵浦源120同时对薄片增益介质170进行泵浦。相比单个泵浦源120泵浦，一方面可以降低对泵浦源120功率及亮度的要求。其次，多个泵浦源120从不同方向泵浦，可以提高对泵浦光的利用率。而且，泵浦光的总功率等于各个泵浦源120功率之和。因此，无需采用复杂的反射回路以提高泵浦光的吸收率，即可达到对功率的需求。
[0049]具体的，激光反射镜140与N个相邻的入射面1812的其中一个平行设置，且激光输出镜150与该出射面1812相对设置的另一个出射面1812相对设置。因此，N个泵浦源120的其中一个产生 的泵浦光经激光反射镜140射向后表面171，并通过后表面171反射后射向激光输出镜150。与激光束同轴的泵浦光经激光输出镜150反射后回到薄片增益介质170内，从而提高了对该泵浦光的利用率。
[0050]此外，薄片增益介质170中的激活离子在吸收泵浦光的能量被激活后，其中极少一部分离子为混乱离子。混乱离子不能对激光的产生做贡献，而是纯消耗能量，从而造成能量损耗。由于薄片增益介质170直接粘接在透明介质180上，其中的混乱离子可经由透明介质180导出。因此，透明介质180可以起到抑制放大的自发辐射，即ASE效应的作用，从而提闻激光器100的稳定性。
[0051]其中，薄片增益介质170对泵浦光的折射率为nl。而采用的冷却液为液体，冷却液对泵浦光的折射率n2 —般小于薄片增益介质170对泵浦光的折射率为nl。当泵浦光进入
薄片增益介质170，且在后表面171的入射角a大于等于
【权利要求】
1.一种增益介质组件，其特征在于，包括: 薄片增益介质，呈板状结构，所述薄片增益介质的一面为后表面；及 与所述薄片增益介质的折射率相同的透明介质，所述透明介质包括棱锥形的光学面，所述光学面包括底面及2N个沿底面的边缘延伸，且呈三角形的入射面，N为大于等于2的整数，所述底面与所述薄片增益介质背向所述后表面的一侧紧密贴合。
2.根据权利要求1所述的增益介质组件，其特征在于，所述透明介质还包括圆形底板，所述底面与所述圆形底板紧密贴合，所述薄片增益介质与所述圆形底板远离所述底面的一侧紧密贴合。
3.根据权利要求1所述的增益介质组件，其特征在于，所述入射面上镀设有对所述泵浦光及激光高透射的高透膜层。
4.根据权利要求1所述的增益介质组件，其特征在于，透明介质呈四棱锥体形，所述底面为矩形。
5.一种激光器，包括起支撑作用的底座、产生泵浦光的泵浦源、用于输出所述泵浦光的光输出组件、对激光高反射而对泵浦光高透射的激光反射镜及对泵浦光高反射的激光输出镜，所述泵浦源、所述激光反射镜及所述激光输出镜安装于所述底座上，所述激光反射镜位于所述光输出组件的前端，其特征在于，所述激光器还包括: 如上述权利要求1至4任一项所述的增益介质组件，所述增益介质组件安装于所述底座上； 所述泵浦源为N个，且N个所述泵浦源产生的泵浦光分别从N个相邻的所述入射面垂直入射； 其中，所述激光输出境与其中一个所述入射面相对设置，所述泵浦光经所述透明介质进入所述薄片增益介质，并使所述薄片增益介质激发以产生激光，所述激光输出镜与所述激光反射镜形成谐振腔，所述激光经所述后表面反射，在所述激光输出镜与所述激光反射镜之间来回反射。
6.根据权利要求5所述的激光器，其特征在于，还包括固定于所述底座的冷却装置，所述冷却装置包括冷却腔体、后盖以及用于冷却液进出的进液口及出液口，所述冷却腔体为两端开口的中空柱状结构，所述后盖密封所述冷却腔体一端的开口 ； 所述薄片增益介质安装于所述冷却腔体背向所述后盖的一端，并将所述冷却腔体背向所述后盖的一端密封，以与所述后盖及所述冷却腔体形成用于收容所述冷却液的密闭空腔，所述后表面位于所述密闭空腔内。
7.根据权利要求6所述的激光器，其特征在于，所述入射面与所述底面的夹角大于等于< ? < 9Y)，以使所述泵浦光及所述激光在所述后表面发生全反射，其中，ni为所述薄片增益介质对所述泵浦光的折射率，n2为所述冷却液对所述泵浦光的折射率，且nl大于n20
8.根据权利要求7所述的激光器，其特征在于，还包括泵浦光反射镜，所述泵浦光反射镜与两个相对设置的所述入射面中一个平行设置，从另一个所述入射面入射的泵浦光，在所述后表面发生全反射后，射向所述泵浦光反射镜，并在所述泵浦光反射镜的表面发生反射，以将所述泵浦光反射至所述薄片增益介质内。
9.根据权利要求6所述的激光器，其特征在于，所述底座上设有直线导轨，所述冷却装置及所述薄片增益介质可滑动地安装于所述直线导轨上，且所述薄片增益介质相对于所述冷却装置固定。
10.根据权利要求9所述的激光器，其特征在于，还包括安装结构，所述透明介质还包括圆形底板，所述安装结构包括: 固定架，可滑动的设于所述直线导轨上，所述固定架呈板状结构，且其上端设有半圆形的第一凹槽，所述冷却腔体收容于所述第一凹槽内； 压板，其下端设有半圆形的第二凹槽，所述压板固定于所述固定架上，以使所述冷却腔体夹持于所述第一凹槽与所述第二凹槽的底部之间； 安装板，其上设有圆形安装孔，所述安装孔的直径小于所述圆形底板的直径，所述透明介质穿设于所述安装孔内，所述安装板将所述圆形底板压持于所述冷却腔体的开口的边缘，以使所述密封腔体密封； 螺纹紧 固件，依次与所述固定架及所述安装板螺合，以将所述安装板固定于所述固定架上。
【文档编号】H01S3/042GK103746276SQ201310706211
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月19日 优先权日:2013年12月19日
【发明者】赵建涛, 肖磊, 龚成万, 杨锦彬, 宁艳华, 高云峰 申请人:深圳市大族激光科技股份有限公司