具有自对准泵浦光学器件的光学泵浦的固态激光器设备的制作方法
【专利摘要】本发明涉及光学泵浦的固态激光器设备，其包括在激光谐振器中的固态激光介质（300-302）。若干泵浦激光二极管（100）被布置成通过泵浦辐射在布置于激光谐振器的光学轴线上的反射镜元件（200）处的反射来光学泵浦所述固态激光介质（300-302）。反射镜元件（200）被设计成将所述泵浦辐射引导到固态激光介质（300-302）并且同时形成激光谐振器的谐振器反射镜之一。利用固态激光器设备的该设计，实现了泵浦光学器件的容易对准。所提出的固态激光器设备能够以紧凑的形式实现。
【专利说明】具有自对准泵浦光学器件的光学泵浦的固态激光器设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及包括布置在激光谐振器中的固态激光介质和一个或若干泵浦激光二极管的光学泵浦的固态激光器设备，所述泵浦激光二极管被布置成通过泵浦辐射在反射镜元件处的反射来光学泵浦所述固态激光介质。二极管泵浦的固态激光器跻身于用于要求比激光二极管能够递送的更高亮度和/或更短脉冲的大量应用的使用最多的激光源。本发明不限于这样的应用，而是可以使用在要求适合的固态激光器的任何应用中。
【背景技术】
[0002]在US 2010/0014547 Al中公开了用于激光介质的纵向泵浦的设备。该设备包括安装在激光介质的冷却设备的侧面上的若干泵浦激光二极管。由所述激光二极管发射的泵浦辐射被若干抛物面反射镜反射而朝向固态激光介质的端面之一。端泵浦的固态激光器的问题是要求将泵浦激光器和泵浦激光器光学器件关于激光谐振器的光学模式精确地对准。该问题在US 2010/0014547 Al的设备中同样存在，其中每一个抛物面反射镜不得不精确地对准以便在固态激光介质的入口处实现泵浦辐射的期望的强度分布。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种光学泵浦的固态激光器设备，其使得能够实现泵浦光学器件的较容易对准并且能够以紧凑的方式实现。
[0004]利用根据权利要求1的光学泵浦的固态激光器设备实现该目的。设备的有利实施例是从属权利要求的主题或者可以从描述和优选实施例的后续部分进行推断。
[0005]所提出的光学泵浦的固态激光器设备包括布置在激光谐振器中的固态激光介质以及光学泵浦固态激光介质的一个或若干泵浦激光二极管。泵浦激光二极管被布置成通过泵浦辐射在反射镜元件处的反射来泵浦所述固态激光介质，优选地通过固态激光介质的端面进行泵浦。反射镜元件被布置在激光谐振器的光学轴线上，并且在一方面被设计成将泵浦辐射反射到固态激光介质(优选地反射到固态激光介质的端面)，且在另一方面被设计成形成激光谐振器的谐振器端镜之一。该反射镜元件因此将两个功能合并在一个单个元件中。激光谐振器的另一端镜可以是分离的反射镜或者可以被形成为固态激光介质的相对端面的涂层。激光谐振器可以是非稳定谐振器。
[0006]本发明的固态激光器设备使用适当设计的反射镜元件，其将泵浦光引导到固态激光介质中并且同时充当激光谐振器反射镜。因此，泵浦光束和激光模式在没有复杂的对准的情况下总是完美地重叠，这是因为形成泵浦光学器件的反射镜元件的部分总是与形成谐振器端镜的反射镜元件的部分成固定的空间关系。利用这样的自定心反射镜元件，显著简化了泵浦光学器件的对准。所提出的设计允许泵浦激光二极管的布置基本上与光学轴线平行地朝向反射镜元件引导泵浦辐射。这样的布置导致固态激光器设备的非常紧凑的设计。
[0007]反射镜元件优选地包括形成谐振器反射镜的中心区域以及被设计成将泵浦辐射反射到固态激光介质的端面的外部区域。为此，反射镜元件优选地被制造为自由形式的光学器件，从而允许反射镜元件的中心区域和外部区域中的反射镜反射表面的几乎任何形状。优选地完全围绕中心区域的外部区域可以被设计成在固态激光介质的端面处生成例如泵浦辐射的平顶强度分布，其匹配端面的截面形状或者其在尺寸和/或形状方面匹配激光器的期望的光学模式。
[0008]固态激光介质可以被形成为棒、光纤、盘或板，或者可以具有适于使用在固态激光器中的任何其它形状。泵浦激光二极管可以是单个二极管或激光二极管的阵列，例如VCSEL阵列(VCSEL:垂直腔表面发射激光器)或微芯片VECSEL阵列(VECSEL:垂直外腔表面发射激光器)。反射镜元件的主体可以由任何适合的材料形成，例如由金属、涂敷的玻璃或涂敷的塑料形成。在金属主体的情况下，反射镜元件的反射表面可以由该金属形成，例如由抛光的铝形成。在玻璃或塑料主体的情况下，反射镜表面由如本领域中所已知的适合的金属化或介电涂层形成。
[0009]反射镜元件优选地包括对于激光和泵浦辐射光学透明的材料的主体。这允许面向固态激光介质的主体前表面和主体后表面二者形成光学表面并且因此允许谐振器的设计方面的更多灵活性。前表面的中心部分优选地形成透镜并且后表面的中心部分形成谐振器反射镜。同时，前或后表面的外部部分形成反射镜以将泵浦辐射聚焦在固态激光介质中。
[0010]光学元件的该设计使得即便对于小的谐振器维度也能够实现较大的模式尺寸和因此较高的激光功率。在没有形成于主体前表面中的这样的透镜的情况下，最大功率由于固态激光介质内小的模式体积而受限。对于盘激光器而言，该小的模式体积主要由激光介质中的模式的束腰给出。最大束腰在半共焦谐振器中实现并且由波长乘以谐振器长度L除以η的平方根给出。对于具有10-20mm量级的长度的紧凑系统而言，没有以上透镜的模式尺寸被限制到近似50 μ m。利用透镜和谐振器反射镜在光学元件的主体中的组合，可以实现激光介质中的明显更大的模式尺寸和因此更大的激光功率。
[0011]用于朝向固态激光介质反射泵浦辐射的反射镜在主体后表面处的布置还允许通过适当设计或成形前表面来实现用于泵浦辐射的附加光束偏转或光束形成功能。
[0012]固态激光介质可以安装在冷却设备中或者附接到这样的冷却设备。在激光器设备的有利实施例中，泵浦激光二极管被布置在所述冷却设备的面向所述反射镜元件的侧面上。这允许固态激光器设备的非常紧凑的设计。优选地，泵浦激光二极管绕固态激光介质的端面分布。泵浦激光器可以直接安装到冷却设备的侧面并且因此从该冷却设备的冷却功能获益。冷却设备可以是体材料(特别地金属)的热沉，并且还可以具有用于空气冷却的冷却散热片。还可能将该冷却设备实现为用于冷却液(例如水)的腔室，所述冷却液在激光器的操作期间被泵浦通过冷却设备。
[0013]此外，可以接近泵浦激光器添加其它半导体元件，例如温度传感器或光电二极管以检测泵浦辐射的功率或固态激光发射的功率。甚至可以添加泵浦二极管的电气驱动器的部件。
[0014]在所提出的固态激光器设备的另外的实施例中，反射镜元件被形成为机械配合在冷却设备的外侧上。反射镜元件的前部的外部形状被设计成使得通过将反射镜元件安装或配合到冷却设备来实现与固态激光介质的光学轴线的自动对准。通过反射镜元件到冷却设备的适当设计和机械固定，反射镜表面和固态激光介质的端面被自动密封以抵挡周围环境。
[0015]本发明的这些和其它方面将从此后描述的实施例显而易见并且将参照其进行阐述。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]以下通过示例的方式与附图相结合进一步详细地描述所提出的固态激光器设备。各图不出:
图1所提出的固态激光器设备的第一示例；
图2所提出的固态激光器设备的第二示例；
图3所提出的固态激光器设备的第三示例；
图4具有棒状固态激光介质的所提出的固态激光器设备的示例的截面视图；
图5具有板状固态激光介质的所提出的固态激光器设备的示例的截面视图；
图6具有盘状固态激光介质的所提出的固态激光器设备的另外的示例的示意视图；
图7所提出的固态激光器设备的另外的示例的截面视图；
图8所提出的固态激光器设备的反射镜元件的示例的截面视图；
图9所提出的固态激光器设备的反射镜元件的另外的示例的截面视图；
图10所提出的固态激光器设备的反射镜元件的另外的示例的截面视图；
图11所提出的固态激光器设备的反射镜元件的另外的示例的截面视图；
图12所提出的固态激光器设备的反射镜元件的另外的示例的截面视图；以及图13所提出的固态激光器设备的反射镜元件的另外的示例的截面视图。
【具体实施方式】
[0017]图1示出所提出的固态激光器设备的第一示例的侧视图。固态激光棒300集成在热沉400的中心中。在热沉400的一侧上，集成泵浦二极管激光器100，例如VCSEL阵列。反射镜元件200配合在热沉400的外侧上并且因此与激光棒300的光学轴线对准。该反射镜元件200在反射镜元件的中心部分210中形成谐振器端镜之一。反射镜元件200的外部区域220被形成为抛物面反射镜，其朝向激光棒300的端面反射由泵浦激光二极管100所发射的泵浦辐射。这示意性地指示在该图中。在该示例中激光谐振器的第二端镜500通过将该反射镜配合安装到热沉400的外侧来以类似的自定心方式安装在激光棒300的另一侧上。通过反射镜元件200的主体的这样的安装和对应的外部形状，反射镜表面和激光棒300的表面可以被容易地密封以抵挡周围环境。激光棒300的面涂敷有抗反射(AR)涂层。面向反射镜元件200的端面310可以是在泵浦波长和激光波长处AR涂敷的(R〈2%，优选地R〈0.2%)。相对面320对于泵浦波长是HR (高反射)涂敷的并且对于固态激光器的波长是AR涂敷的。
[0018]图2示出所提出的固态激光器的另外的实施例，其中自由形式的反射镜被用作涵盖引导和成形到激光棒300的端面310的泵浦光并且形成激光谐振器的谐振器端镜这两个功能的反射镜元件200。反射镜元件200的外部区域220的形状可以具有以特殊方式定制泵浦激光器100的强度分布的先进设计。中心区域210充当用于固态激光器的球面反射镜并且对谐振器模式进行成形。该中心区域210还可以具有特殊的自由形式以将谐振器模式成形为例如顶帽模式。谐振器端镜和泵浦光学器件在单个反射镜元件中的组合确保泵浦斑点与谐振器模式的完美重叠。激光棒300的端面310的表面对于泵浦波长和激光波长这两种波长不得不是AR涂敷的，而相对表面320形成第二谐振器端镜。该端面对于泵浦光是HR涂敷的，并且具有用于固态激光器波长的期望的向外耦合反射率。在所有图中指示固态激光器的激光发射600。
[0019]在图3中所示的另外的实施例中，自由形式的反射镜由玻璃制成并且在中心区域210中充当用于固态激光器的向外耦合反射镜，而外部区域220的表面将泵浦光聚焦到激光棒300中。激光棒300的端面310需要对于两种波长是AR涂敷的，而相对表面320对于两种波长是HR涂敷的。自由形式的反射镜元件200对于泵浦波长是HR涂敷的并且具有用于固态激光器波长的期望的向外耦合反射率。反射镜元件200还可以在两个区域210和220中具有不同的涂层。后侧230对于固态激光器波长是AR涂敷的。该后侧230可以是平面的或者还可以弯曲以对穿过反射镜元件200的固态激光器光束进行准直或成形。固态激光棒300的第二端面320形成固态激光器谐振器的第二端镜。由于在图3的实施例中反射镜元件的主体的光学透明性，所以两个反射镜210和220还可以实现在反射镜元件200的相对侧上。
[0020]固态激光器的有源介质可以例如被成形为棒300、板301、盘302或者由光纤激光器的光纤形成。图4到6图示了一些不同的几何结构。图4示出在激光棒300作为有源固态激光介质的情况下所提出的固态激光器的示例的截面。图5示出具有作为固态激光介质的板301的固态激光器的示例的截面。特别地在这样的板激光器的情况下，自由形式的光学器件(反射镜元件200)可以是非旋转对称的并且对泵浦光束和/或激光模式进行成形，从而匹配有源材料的几何结构，如图5中示例性指示的那样。
[0021]图6示意性地示出具有作为有源激光介质的盘302的固态激光器的示例。在该情况下，盘302安装在热沉400的一侧上。在同一侧上，泵浦激光器100围绕固态激光盘302布置在热沉400上。激光谐振器的端镜以与例如图2中的相同方式来形成。在如图6中所示的这样的盘激光器的情况下，有源材料还可以是光学泵浦的半导体盘芯片(0P-SDL或0P-VECSEL)O
[0022]在如图7中所示的本发明的另一实施例中，反射镜元件200被实现为单个球面或抛物面反射镜。将反射镜元件200的曲率半径R选定为两倍(+/-10%)的反射镜元件200的中心部分与激光介质300的端刻面310之间的距离LI，从而将泵浦光聚焦到激光介质300中。同时，由反射镜元件200的中心部分和激光介质300的另一端刻面320形成的激光谐振器的总长度L2小于或等于反射镜元件200的曲率半径以形成稳定的激光谐振器，使得激光介质上的泵浦光的斑点与激光谐振器的光学轴线自对准。
[0023]以下各图示出所提出的固态激光器设备的反射镜元件的实施例，其中透镜形成在反射镜元件200的主体的前侧的中心区域中并且谐振器反射镜形成在后侧处。
[0024]图8示出形成附接到热沉400的有源介质并且被至少一个泵浦激光二极管100围绕的盘302。反射镜兀件200的主体包括两个光学表面:面向盘302的前表面以及后表面。将泵浦辐射反射到有源介质302中的反射镜221被布置在后表面的外部区域中。后表面完整地涂敷有高反射涂层，其在激光波长处具有使得能够实现激光发射操作的反射率(典型地R=90%-99.5%)并且在泵浦波长处具有>90%、优选地>99%的反射率。前表面对于两种波长是AR涂敷的。
[0025]后表面的内部或中心区域形成具有曲率半径R的激光谐振器的向外耦合反射镜211。前表面的内部或中心区域形成具有焦距f的透镜212。激光盘302的背离反射镜元件200的侧面形成包括该谐振器反射镜、激光盘302、透镜212和向外耦合反射镜211的谐振器的另一端镜。激光盘302与透镜212之间的距离Cl1和透镜212与向外耦合反射镜211之间的距离d2以及透镜212的焦距和向外耦合反射镜211的曲率半径R被选定成形成稳定的谐振器，其具有在有源元件(即激光盘302)中的大模式尺寸。优选地，透镜212是凸形的，从而将激光聚焦在向外耦合反射镜211上，所述向外耦合反射镜211可以是凸的或平面的或者优选为凹的。凸透镜与凹反射镜的组合允许对于整个谐振器的给定总长度L=ClJd2的有源介质中的最大模式尺寸。对于相同的总长度L，模式尺寸相比于没有这样的透镜的共焦设计可以是2到3倍，这在光学基模内的光学功率方面是4到9倍。
[0026]在图9中所示的另外的实施例中，反射镜元件200的主体的两个光学表面可以具有空间局部化的涂层，从而给出更多的设计自由。在这种情况下，泵浦反射器221可以实现在前表面(对于泵浦辐射是HR涂敷的)上，连同该表面中心中的AR涂敷的透镜212。HR涂敷的端镜211实现在后表面上并且可以被形成为平面的、凹的或凸的。利用该设计，激光谐振器的腔体长度L从泵浦反射器221的位置fp_去耦合，使得泵浦反射器的短焦距能够实现小的泵浦斑点并且同时长谐振器能够实现大的模式体积。
[0027]L和fp_的该去耦合还可以通过光学元件的主体的不同材料厚度实现，但是利用标准生产方法，两个厚度之间的最大差异通常是受限的。
[0028]在所提出的固态激光器的另外的实施例中，反射镜元件200的中心区域形成包括前表面处的AR涂敷的透镜212、后表面的内部中心中的HR涂敷的端镜211和围绕端镜211且优选为AR涂敷的向外耦合区213的非稳定谐振器。这样的实施例在图10中示出。向外耦合区213可以附加地被成形为透镜或自由形式的光学器件以对向外耦合的光束进一步成形。
[0029]图11示出一个实施例，其中泵浦反射器221被布置在反射镜元件200的后表面上并且前表面的外部区域222被形成为与泵浦反射器221组合地朝向有源介质引导泵浦辐射。利用前表面的该外部区域222的适合形状，如图1中所示的抛物面泵浦反射器可以被这样的弯曲的、AR涂敷的前区域222和HR涂敷的后表面(反射器221)取代，所述HR涂敷的后表面可以是平面的或者也是弯曲的。
[0030]此外，可以对前表面的外部区域进行成形以形成如图12中所示的透镜阵列223。透镜阵列223被设计和布置成对泵浦二极管100的光束进行准直，而后表面的外部区域充当(抛物面)泵浦反射镜221。相比于先前的实施例，这允许用于恒定泵浦斑点的更长腔体长度L以及因此更大的模式面积。此外，每热沉面积的热负载更低。
[0031]在图13中所示的另外的实施例中，先前的图的向外耦合反射镜211被第二透镜取代，从而使得能够形成具有包括第一透镜212和第二透镜214的望远镜的谐振器以增加有源介质中的模式尺寸。在该实施例中，分离的平面或弯曲的向外耦合反射镜215不得不被附接到后表面。
[0032]虽然已经在附图和前述描述中详细图示和描述了本发明，但是这样的图示和描述要被视为是说明性或示例性而非限制性的；本发明不限于所公开的实施例。例如，尽管图中示出反射镜元件200的前部到热沉400的直接配合，但是还可能与热沉分离地布置该反射镜元件。另外，像是校准器、非线性晶体、SESAM (半导体可饱和吸收体反射镜)、可饱和吸收体、偏振器、普克尔盒、AOM (声光调制器)等等的用于固态激光器的功能激光元件可以集成在反射镜元件200的中心部分的前或后表面210、230上或其邻近区域中或者集成在固态激光材料的表面310、320上或其邻近区域中。本领域技术人员在实践所要求保护的本发明时，通过研究附图、公开内容和随附权利要求，能够理解和实现对所公开的实施例的其它变型。在权利要求中，词语“包括”不排除其它元件或步骤，并且不定冠词“一”或“一个”不排除多个。在相互不同的从属权利要求中记载某些措施的仅有事实不指示这些措施的组合不能被用于获益。具体地，设备的所有权利要求可以自由组合。权利要求中的任何参考标记不应当解释为限制范围。
[0033] 参考标记列表 100泵浦激光二极管 200反射镜元件
210反射镜元件的中心区域/谐振器反射镜
211向外耦合反射镜
212透镜
213向外耦合区
214第二透镜
215向外耦合反射镜
220反射镜元件的外部区域
221泵浦反射器
222前表面的外部区域
223透镜阵列
230反射镜元件的后侧
300激光棒
301板
302盘
310激光棒的第一端面 320激光棒的第二端面 400热沉
500第二谐振器反射镜 600激光发射
【权利要求】
1.一种光学泵浦的固态激光器设备，包括 在激光谐振器中的固态激光介质(300-302)以及一个或若干泵浦激光二极管(100)，所述泵浦激光二极管(100)被布置成通过泵浦辐射在反射镜元件(200)处的反射来光学泵浦所述固态激光介质(300-302)， 其中所述反射镜元件(200)被布置在所述激光谐振器的光学轴线上并且被设计成将所述泵浦辐射反射到固态激光介质(300-302)且同时形成激光谐振器的谐振器反射镜。
2.根据权利要求1的设备， 其中所述反射镜元件(200)包括形成所述谐振器反射镜的中心区域(210)和被设计成将所述泵浦辐射反射到固态激光介质(300-302)的外部区域(220)。
3.根据权利要求2的设备， 其中所述中心区域(210)和所述外部区域(220)被形成有不同的曲率。
4.根据权利要求2的设备， 其中所述中心区域(210)和所述外部区域(220)被形成为具有相同曲率半径R的反射镜，所述曲率半径R满足1.8*L1 ^ 2.2*L1且R彡L2的条件，其中LI是中心区域(210)的中心与固态激光介质(300-302)的最接近端面(310)之间的距离并且L2是激光谐振器的长度。
5.根据权利要求1的设备， 其中所述反射镜元件(200)包括对于激光辐射光学透明的材料的主体，所述谐振器反射镜形成在主体的后表面的中心区域中，并且 其中透镜(212)形成在主体的面向固态激光介质(300-302)的前表面的中心区域中，所述谐振器反射镜和所述透镜(212)被布置和设计成形成具有在固态激光介质(300-302)的相对侧上的第二谐振器反射镜的谐振器。
6.根据权利要求5的设备， 其中所述谐振器反射镜和所述透镜(212)被布置和设计成相比于没有所述透镜的相等长度的谐振器而言，增加固态激光介质(300-302)中的激光辐射的模式尺寸。
7.根据权利要求5的设备， 其中主体的后表面的外部区域被设计成将所述泵浦辐射反射到固态激光介质(300-302)。
8.根据权利要求7的设备， 其中透镜阵列(223)形成在主体的前表面处，所述透镜阵列(223)被布置和设计成对朝向主体的后表面传播的泵浦激光二极管(100)的激光光束进行准直。
9.根据权利要求5的设备， 其中主体的前表面的外部区域被设计成将所述泵浦辐射反射到固态激光介质(300-302)。
10.根据权利要求2的设备， 其中所述泵浦激光二极管(100)被布置成基本上与激光谐振器的光学轴线平行地朝向所述反射镜元件(200)发射所述泵浦辐射。
11.根据权利要求2的设备， 其中所述固态激光介质(300-302)安装在冷却设备(400)中或者附接到冷却设备(400)，并且所述泵浦激光二极管(100)布置在所述冷却设备(400)的侧面上。
12.根据权利要求11的设备， 其中所述泵浦激光二极管(100)被布置成围绕固态激光介质(300-302)的端面(310)。
13.根据权利要求12的设备， 其中所述反射镜元件(200)的主体被成形为以外前部机械地配合到冷却设备(400)的外部形状。
14.根据权利要求2的设备， 其中所述反射镜元件(200)的所述外部区域(220)被设计成在所述固态激光介质(300-302)的端面(310)处生成泵浦辐射的强度分布，所述强度分布匹配所述端面的截面形状或所述激光谐振器的激光模式。
15.根据权利要求2的设备， 其中所述反射镜元件(200)的所述中心区域(210)被设计成生成在固体激光介质(300-302)中不具有高斯强度轮廓的激光模式。
【文档编号】H01S3/094GK104247170SQ201280072649
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2012年11月15日 优先权日:2012年4月26日
【发明者】格龙恩博尔恩 S. 申请人:皇家飞利浦有限公司