专利名称：激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及到激光器，而且在一种情况下是涉及到无镜面的激光器。
某些现有技术的激光器是用昂贵的表面涂覆技术来制造的，并且由于要求精确调整而只能由熟练的技术人员来装配。某些现有技术的激光器使用易损坏的特别是用于红外激光波长时更易损坏的反射表面涂层。某些现有技术的激光器带有为获得良好运行而调整到精确对准的镜面。这种激光器常常不能最佳适用于要求高度便携性或长的工作寿命的场所。长期以来一直要求有一种能克服这些问题和缺点的激光器。长期以来一直要求有一种无需涂层且无需可调零件的激光器以便大幅度降低装置的成本并改进采用这种激光器的产品的耐用性以及与通常可获得的激光器比较延长采用这种设计的激光器件的工作寿命。
典型的激光器具有一个光源、一个激射材料、以及一组反射器。大多数固体激光器是由红宝石激光器设计派生出来的，这种设计由一个被螺旋形充气高强度灯环绕的红宝石材料晶体棒构成，带有位于距红宝石材料表面一个精确距离处的、或同红宝石材料表面相接触的、或涂覆在红宝石表面上的镜面。其中一个镜面带有一个孔或其反射率比其它镜面小。光从灯注入到激射材料中，引发来自晶体中杂质的光子放电。这些光子在二个镜面之间行进，产生谐波放大。被放大了的激光束通过孔或反射率降低了的区域射出。可用各种激射材料来代替红宝石晶体以产生不同波长的激光。这些材料包括钇铝石榴石(YAG)，它含有化学杂质以修正得到的激光波长。这些传统的激光器设计要求使用精确制造的镜面表面。这些表面通常是借助于用反射材料的薄涂层来涂覆表面而产生的。若采用分隔的镜面，则它们必须相对于激光棒的光轴、相对于彼此、并相对于器件的所需输出位置精确地定位。如果由于器件的处置而使镜面表面未对准，则器件的有效功能和效率被降低。反射镜面表面也可用将它们涂覆在激光晶体表面上的方法来制造。在每种情况下，都需要用昂贵的高度复杂的机构来产生厚度可控的平滑的均匀涂层。这些涂层可能被由于连续暴露于激光所引起的光化学作用损伤，特别是红外波长时更是如此。这种与日俱增的损伤降低了激光器的有效寿命。
本发明在一个实施例中公开了一种激光器，它带有安装在机箱(例如，但不局限于，一个有反射材料涂覆的例如涂银的内表面的圆柱管)中的光泵浦装置(例如，但不局限于，一个闪光灯或氙弧灯)，机箱与激光元件例如适于激射的材料棒(“激射材料”)并排或邻接。常规电源向光泵浦装置提供功率，且常规冷却装置可用来提供装置的任何冷却需求。在某些实施例中不需要冷却。光从光泵浦装置被引导向并进入棒中。在一个实施例中，棒的非发射一端做成屋脊棱镜状，而另一端带有一个垂直于棒的横轴的表面。在另一实施例中，屋脊棱镜是任一具有任意数目交于顶点的面的多面体，包括但不局限于圆锥体。在某些实施例中，棒发射端是一多面体(二面或更多面)形，带有一个形成激光束输出窗口的截头端部。
在一个实施例中，在激光棒的发射端安置了一个或更多个固体材料平行板。每一个这种板有二个面。各个面的反射性依赖于材料的反射率，但最好是小于100％。这些板最好这样制造，使每个板的各个面之间的距离d是激射材料基波长1/4的奇数倍，满足d＝(2N＋1)1/4，其中N是整数，1是激光的基波长。满足这一准则的板称为“1/4”板。各板之间的距离最好也等于d，以便从板的各面反射的光波与入射光波同相地被反射，从而产生往返行进于激射材料棒中的光的谐波放大。环(例如用跟板相同的材料，聚四氟乙烯、铝或某些具有相对低的热膨胀系数的材料制成)将各个板分隔开一所需的距离。于是，根据本发明的激射棒就组成一个由棒端和侧面包围的激光器腔。
板可由任何反射率足够高的材料制造。最好不含杂质的玻璃、刚玉、锗、铬、蓝宝石和钇铝石榴石(YAG)是一些常用的例子。在某些实施例中的平行面的数目被选择成使系统的总反射达到所需的程度。
对于较高阶的光模式(行进光束集(Sets))，即比低阶模式对棒的中心光轴处于更大角度的模式，选择根据本发明的带有此处所述截头多面体端和光束输出窗口的激光棒。在某些实施例中，较高阶模式的激光束更有利，这是由于它们产生较宽和/或较浅的孔，例如当用来在生物肌肉中穿孔以取血样时。
本发明的某些实施例不局限于此处公开的任一特定的单个特点，而包括在结构和功能方面区别于现有技术的各个特点的组合。本发明的特点已被广泛地描述，以便下面的详细描述可被更好地理解，并更好地认识本发明对本技术的贡献。当然，本发明还有下面描述的可包含在本发明的权利要求要点中的另外一些方面。受益于本发明及其指导和建议的本技术领域的熟练人员将认识到，本公开的概念可用作设计其它用来实行和实践本发明的结构、方法和系统的创造性基础。本发明的权利要求需被解释为包括不超越本发明的构思与范围的任何合法的等效器件或方法。
本发明承认并叙述了上述的问题和长期以来的需求，并在其各种可能的实施例中提供了这些问题的解决办法和对这些需求的满意解答。对受益于本发明的构造、指导、公开和建议的本技术领域的熟练人员来说，从结合附图为公开的目的而给出的最佳实施例的以下描述中将理解其它的目的和优点。无论其他人以后如何用形式的变化或进一步改进的补充来掩饰，这些详细描述也不能用来反对本专利的目的对本发明的权利要求。
参照本说明书组成部分的附图所示的实施例，上面大体总结的本发明的实施例可得到更具体的描述。这些附图表明了某些最佳实施例，不是用来不适当地限制具有其它同等效力或法律上同等实施例的本发明的范围。
图1是根据本发明的激光器系统的侧视图。
图2A是根据本发明的有源激光元件的侧视图。图2B是图2A元件一端的端视图。图2C是图2A元件另一端的端视图。
图3A是根据本发明的有源激光元件的侧视图。图3B是图3A元件一端的端视图。图3C是图3A元件另一端的端视图。
图4A是根据本发明的有源激光元件的侧视图。图4B是图4A元件一端的端视图。图4C是图4A元件另一端的端视图。
图5是根据本发明的带有根据本发明的激光发射器的激光系统的侧视图。
现参照图1，根据本发明的激光系统10有一个安装在机箱14中并与电源16和可选冷却装置18互连的激光器12。电源16将功率提供给闪光灯32之类的光泵浦器件以便在根据本发明的有源激光元件激射棒20中产生辐射(例如光)的受激发射，产生从机箱14出来的激光束34。
图2A、图2B和2C示出了由适当的激射材料制成的激射棒20。棒20有一个带有第一端22和第二端23的棒体21。第一端22有二个互成90度角a的表面24，每个表面同棒20的水平轴A成45度角。棒20的第二端23有二个表面25，它们会合后将棒截头且形成一个端表面26作为从棒20引出激光束34的窗口。表面25互成90度的b角，并同A轴成45度角。在一个变通形式中，端23是一个带有圆形出射窗口的截头圆锥。端22和23排列并构造成使光(或其它受激辐射)在棒20中二端之间内部反射然后作为输出激光束34从棒20射出。
图3A、3B和3C示出了激射棒40，它是棒20的一种变通。棒40有一个带有第一端42和第二端43的棒体41。第一端42有四个互成90度角C且各同棒40的中心纵轴成45度角的表面44。棒40的第二端43有四个表面45，它们会合且将棒端截头并形成一个矩形或正方形的端表面46，它是激光束34赖以从棒40出来的窗口。表面45互成90度的d角且同棒的中心纵轴成45度角。端42和43排列构造成使光(或其它受激辐射)在棒40中二个端之间内部反射，然后作为输出激光束通过窗口46从棒40射出。
现参照图4A、4B和4C，根据本发明的激射棒50有一个带有第一端52和第二端53的棒体51。第一端52有三个表面54。棒50的第二端53有三个表面55，它们会合后将棒端截头并形成一个三角形的端表面56，它是输出激光束赖以从棒50射出的窗口。端52和53安装构造成使光(或其它受激辐射)在棒50中二个端之间内部反射，然后作为激光束通过窗口56从棒50射出。
根据本发明的有源激光元件(诸如但不局限于前述的棒20、40、50)的端面形状最好是多面体(二个或更多的侧面；例如90度棱镜、三面体棱锥、四面体棱锥、五面体棱锥等)，它在激射棒中引起几乎全部或者全部内反射(最好是90％或以上，而最最好是100％全内反射)，而且带有提供输出激光束出射窗口的截头端。使这种棒具有任何所需截面，例如但不局限于圆形(圆柱形)、矩形、正方形、三角形、卵(椭圆)形等，这是在本发明的范围之内的事。在某些实施例中，这种有源激光元件激射棒由120mm长的直径为8mm的掺铒YAG制成，其一端的形状为二面棱镜，另一端为截头棱镜以提供输出窗口(如图2A所示)；在另一实施例中，棒长为105mm，直径为6mm。在又一实施例中，棒由掺钛的刚玉或掺钕的YAG制成。将这种激射棒用于图1那样的器件中，产生了激光束，从未截头的多面体端最好反射100％，而从截头端则部分反射以维持振荡。
现参照图5，公开了一种激光器60，这种激光器可用于各种激光系统(例如但不局限于图1所示的系统)，而且特别适用于振荡波长大于2.5μm的激光装置，以及在某些实施例中波长为2.5-5.0μm。激光器60有一个带有例如棱镜端62(如图2A中的端22)的多面体端的有源晶体元件棒61、一个安装在棒61附近的泵浦灯67以及一个安装在棒61的平坦端68附近或与其相接触的反射元件63。反射元件63有一组用环66分隔开的二个或更多个(三个、四个、五个、六个等)平行的平板64(示出了三个，最好是1/4板)。在一个实施例中，元件63的长度约为5mm；每个平板宽约1mm，每个环宽约1mm。在一个实施例中，板64由刚玉或YAG制成1/4板形式。各个板也可以有反射表面。棒61和板64对中于S轴，而灯67的轴R平等于轴S。最好用其反射表面沿001结晶方向取向的刚玉板以优化反射率。最好用其反射表面沿111晶向取向的YAG板。这种器件使棱镜端62处的外部反射元件的调整成为没有必要。在一个实施例中，有源晶体元件激射棒由掺铒YAG制成，带有四个由单晶刚玉或YAG构成的1/4板64，板的晶向取为能在激射棒中提供稳定的振荡。当棒暴露于泵浦灯的光中时，就产生受激辐射。在一种情况下，棱镜端反射全部或几乎全部的振荡辐射，而板反射约50％，同时约50％通过这些板作为激光束从系统射出。对某些实施例的优选输出光束辐射波长的范围为2.5-5.0μm。在一种情况下，元件的使用寿命比带有一端一个两个金镜面(在棒的一端是一个平坦表面的100％反射金镜，而另一端为50％反射金镜)的器件增加了四倍或更多。
在象激光器60这样的激光器的另一实施例中，用足够厚的板或足够数目的固体无涂覆反射板来达到部分反射，致使各个板上都不需要反射涂层。
在一个实施例中，掺铒YAG材料制成的激光棒有一个研磨抛光成侧面相交角为90度的二面棱镜的非发射端。棒的发射端研磨成垂直于棒中心轴的平坦表面。激射棒和线状氙弧灯并排安置在筒形腔中。四个盘状不掺杂YAG板平行于平坦发射表面安置。盘的每个表面沿晶向001切割，每个表面的反射率约为8％，一个板则为约16％，以致总反射在理论上为64％。在实际实践中，发现用约1mm的板间距时，这种实施例的反射约为50％。
在一个变通设计中，激光棒的发射端研磨抛光成带有在顶点相交的三个小平面。顶点部分被切去以形成一个垂直于棒的长轴的表面。此时，激光器不需要外部反射器或元件来达到有效的工作。有角度的发射端小平面将光反射到非发射端，产生反射放大。经过几次通过由棒侧面和晶体小平面端所形成的激光腔后，光束趋向棒的中心并从腔发射出来。
在某些最佳实施例中，输出激光束的出射窗口的半径(例如在矩形窗口中，从窗口中心到矩形角点的距离、圆形窗口的半径、或多角窗口中心到其一个角点的距离)范围是窗口所在的棒的半径的约5％-约75％，而在某些更佳实施例中是约10％-约25％；在图3C那样的棒的实施例中，最好是约50％。
总而言之，因此可见，本发明及此处所公开的实施例以及所附权利要求所覆盖的内容被很好地用来实行各个目的并获得所述的端面。可以做出某些重要方面的改变而不超越本发明的构思与范围。可以理解的是，在本发明的范围内，改变是可能的，而且在下列权利要求中所记述的各个元件或步骤应被理解为所有等效的元件或步骤。下列权利要求是用来法律上尽可能广地以其可能应用的任何形式覆盖本发明的。
权利要求
1.一种此处所述的激光器。
2.权利要求1的激光器包含此处所述的一个激光器系统。
3.权利要求1的激光器，其中不使用反射镜。
4.一种此处所述的有源元件激射棒。
5.权利要求4的棒有一个截头多面体发射端，其上有一个出射窗口用来输出激光束。
6.权利要求5的棒有一个非发射棱镜端，它是一个二面或更多面的多面体。
7.权利要求4的棒，其中的棒有二个具有小平面的棒端和一个侧壁，它们组成一个激光器腔。
8.权利要求5的棒，其中的棒有一个半径，而窗口有一个由其中心到其角点的尺寸，窗口的尺寸为该半径的约5％-约75％。
9.权利要求8的棒，其中最大的窗口尺寸约为半径的10％－25％。
10.权利要求5的棒，其中较高的模式通过窗口被选择性地辐射。
11.一种此处所述的激光发射器。
12.权利要求11的激光发射器带有此处所述的板。
13.权利要求11的激光发射器，其中的板至少在一面涂覆有反射涂层。
14.权利要求11的激光发射器，其中的板未被涂覆。
15.权利要求11的激光发射器，其中的板由蓝宝石和YAG制成。
16.权利要求11的激光发射器，其中的板反射约16％的入射光。
17.权利要求11的激光发射器，其中产生一个波长为2.5-5.0μm的激光束。
18.权利要求11的激光发射器，其中的板是1/4板。
19.权利要求18的激光发射器，其中的板用隔板环分开一个距离d，其中d＝(2N＋1)1/4，而N是一整数，1是激光器的基波长。
20.权利要求12的激光发射器，其中发射器的非发射棱镜端反射几乎全部入射光，而板则内部反射约50％的入射光，约50％的入射光由板传送出。
全文摘要
开发了一种带有有源激光元件的激光器，它在某些情况下不采用镜面而代之以一个带有为产生全部或几乎全部内反射的端面和激光束赖以从器件射出的一端处的输出窗口表面的激射棒。在一种情况下，棒一端或两端制作成多面体形状，其表面反射振荡辐射。还公开了一种带有有源激光发射器的激光器，带有一个激射棒，其第一端制作成多面体形状，而第二平坦端邻近或接触于涂覆或不涂覆材料的固体反射板，它们彼此靠近或用分隔装置例如环分隔开。这种激光发射器可用于激光器件中而无需其它镜面或反射器。
文档编号H01S3/08GK1143429SQ94195047
公开日1997年2月19日 申请日期1994年3月2日 优先权日1994年3月2日
发明者瓦勒里·G·伯鲁什金, 埃弗格尼·A·非德罗夫, 塞尔吉·A·科哈诺夫斯基 申请人:塞尔-罗伯蒂公司