一种薄片激光器模块及激光器系统的制作方法

文档序号:8364302阅读:563来源:国知局
一种薄片激光器模块及激光器系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于激光技术领域,特别涉及一种薄片激光器模块及激光器系统。
【背景技术】
[0002] 全固态激光器(DPSSL,Diodepumpedsolidstatelaser)是指以半导体激光器 (LD)作为泵浦源的固体激光器,其增益介质、泵浦源部分均由固体物质构成,因此集中了传 统固体激光器和半导体激光器的优势于一身。具有体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠 性好、寿命长、易操作、运转灵活(可连续运转、脉冲运转)、易智能化、无污染等优点,是目前 最具潜力的激光源之一。
[0003] 薄片激光器是全固态激光器中的一种。如图1,现有薄片激光器中的薄片增益介质 1一般采用厚度很小而横向尺寸较大的薄片状材料作为激光增益介质。将薄片增益介质固 定在高热导率的紫铜冷却热沉2上,冷却热沉2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,这样通过冷却 热沉为薄片增益介质的背面提供冷却。由于薄片介质的面积很大、厚度很小,因此薄片增益 介质1上的热量可以快速、有效的传递给微通道冷却热沉2,再由冷却液带走。
[0004] 大多数薄片激光器采用激光二极管3泵浦,二极管泵浦光L可以直接泵浦薄片增 益介质,也可由光纤耦合输出,泵浦光束方向与薄片增益介质的法线方向呈一定的角度。如 图2,薄片增益介质1的前表面镀对激光和泵浦光的高透射膜层4,泵浦光在薄片增益介质 1表面发生折射,进入薄片增益介质,在薄片增益介质后表面(即贴紧冷却热沉的面)镀对泵 浦光及激光的高反射膜5,进入薄片增益介质1内的泵浦光部分被薄片增益介质1吸收,另 外部分由薄片增益介质1后表面的高反射膜5反射,再次被薄片增益介质1所吸收,仍然未 被吸收的泵浦光折射进入空气中。为了保证薄片增益介质对泵浦光的吸收效率,在泵浦光 的反射方向上放置泵浦光的反射镜片6,将未被吸收的泵浦光反射回薄片增益介质1,使得 未被吸收的泵浦光重新进入薄片增益介质1,从而增加薄片增益介质1的吸收效率。另外, 由于薄片增益介质1的后表面镀有对激光La的高反射膜5,因此可作为激光腔的高反射镜, 只需在薄片介质的正前方放置激光输出镜7即可构成谐振腔,激光的传输方向近似垂直于 薄片增益介质表面。因此,泵浦光与激光的传输方向呈一定角度。
[0005] 由于采用二极管激光作为泵浦光,二极管激光经过光纤耦合输出之后,近似为高 斯分布或者平顶分布,其中高斯分布如图3所示,加载到薄片增益介质的泵浦光能量集中 在中心,中心处能量密度最高,边缘能量密度较弱。而采用冷却热沉的冷却过程是先进行热 传导,然后再将热量传递给冷却液,这样在高功率运行时,容易导致冷却速度及力度不够。 并且薄片增益介质的前表面处在空气之中,只能依靠空气的对流换热进行冷却,冷却效果 极其有限。这样,便会导致增益介质中间温度较高,而边缘处温度较低,因此在薄片增益介 质上形成由中心到边缘的温度梯度。当薄片激光器高功率运转时,泵浦光功率较高,由于中 心处功率密度较大,导致增益介质中心处向外膨胀较大,形成类似倒扣的"碗状"变形,这就 是薄片激光器的热透镜效应。
[0006] 并且,如图2所示,由于薄片增益介质1前表面和背面分别镀高透射膜4和高反射 膜5,膜层物质与薄片增益介质的热膨胀不同,因此在温度较高时,薄片增益介质表面的膜 层物质产生与薄片增益介质不同的膨胀和变形,从而加剧了薄片增益介质的热透镜效应。
[0007] 在激光器高功率运行时,上述热透镜效应会影响激光器的输出功率、稳定性及光 束质量。当薄片增益介质膨胀变形超过材料的承受能力时,甚至会导致薄片增益介质炸裂。
[0008] 为了获得高平均功率输出的薄片激光器,需要提高泵浦源功率,并提升冷却装置 的冷却能力,这对泵浦源及冷却装置都要求很高,非常难于实现。

【发明内容】

[0009] 本发明的目的在于提供一种薄片激光器模块,旨在解决传统薄片激光器的热透镜 问题,进而提高薄片激光器的输出功率、光束质量及稳定性。
[0010] 本发明是这样实现的,一种薄片激光器模块,包括泵浦光源、激光介质以及分别设 置于所述激光介质两端的第一冷却装置和第二冷却装置;
[0011] 所述激光介质包括未掺杂介质及设置于所述未掺杂介质底部的薄片增益介质,所 述未掺杂介质包括锥台形的本体,所述本体的侧面具有相互对称的第一平面和第二平面, 所述第一平面和第二平面镀有增强泵浦光和激光的透过率的透光膜;
[0012] 所述第一冷却装置具有一端敞口的用于容纳冷却液的第一腔室,所述第二冷却装 置具有一端敞口的用于容纳冷却液的第二腔室,所述第一腔室的敞口端由所述薄片增益介 质的底部密封,所述第二腔室的敞口端由所述非掺杂介质的顶部密封;
[0013] 所述泵浦光和激光由所述薄片增益介质射向所述第一腔室中的冷却液时发生全 反射。
[0014] 本发明的另一目的在于提供一种薄片激光器系统,包括至少一个上述的薄片激光 器模块,相邻薄片激光器模块的薄片增益介质反向放置且中心轴平行,每个薄片激光器模 块的第二镜片与激光输出方向的下一薄片激光器模块的第一镜片平行且共轴。
[0015] 本发明提供的薄片激光器模块通过薄片增益介质和非掺杂介质直接密封冷却装 置的腔室,使薄片增益介质与非掺杂介质直接与冷却液接触,薄片增益介质产生的热量直 接由冷却液带走,不仅减少了冷却热沉的导热过程,还增加了薄片增益介质前表面的散热 途经,显著提高了激光介质的散热速率;
[0016] 另外,自非掺杂介质导出的热量主要来自薄片增益介质的中心,使得薄片增益介 质中心部分较边缘部分散热更多更快,更有利于消除薄片增益介质的热透镜效应,改善激 光输出的稳定性和光束质量;
[0017] 并且,由于薄片增益介质的前后表面都无镀膜,消除了因膜层与薄片增益介质的 吸收热量不同、温度不同、变形不同等引起的热透镜效应;
[0018] 进一步地,该薄片激光器模块的泵浦光源部分、激光介质部分及冷却装置部分均 可模块化,利于生产、安装、调试及激光器系统的维护工作,也方便进行功率升级。
【附图说明】
[0019] 图1是现有技术中薄片激光器的结构示意图;
[0020] 图2是现有技术中薄片增益介质的侧视结构示意图;
[0021] 图3是二极管泵浦光的高斯分布图;
[0022] 图4是本发明第一实施例提供的薄片激光器模块的外观结构示意图;
[0023] 图5是本发明第一实施例提供的激光介质的结构示意图;
[0024] 图6是本发明第一实施例提供的薄片激光器模块的剖视图;
[0025] 图7是图6中A区域的放大图;
[0026] 图8是本发明第一实施例提供的薄片激光器模块的分解图;
[0027] 图9是本发明第一实施例提供的薄片激光器模块的光路图;
[0028] 图10是图9中B区域的放大图;
[0029] 图11是本发明第一实施例提供的激光介质的加工过程示意图;
[0030] 图12是本发明第二实施例提供的薄片激光器系统的结构示意图(一);
[0031] 图13是本发明第二实施例提供的薄片激光器系统的光路图;
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