泵浦模块及具有其的固体激光器的制作方法

本发明涉及泵浦及固体激光器技术领域，具体而言，涉及一种泵浦模块及具有其的固体激光器。

背景技术：

现有的偏振合束技术常应用于光纤耦合半导体激光器模块中，需要使用光束转换模块(bts)对光束慢轴方向进行旋转90°，减小慢轴方向的光束参数积(bpp)，然后对慢轴方向进行准直，之后才进行偏振合束。

上述方案由于先采用慢轴准直透镜(sac)对光束慢轴方向进行准直，再采用偏振合束镜组(pbc)进行偏振合束，从而能够实现较少的慢轴方向的光损失和合束转换效率；然而，这种技术方案需要使用bts系统，且只能使用发光点数较少的激光巴条(例如19个发光点的1cm巴条)，并且由于光学元件较多(一般由fac/bts/sac/pbc构成，其中fac为快轴准直透镜)，从而需要较大的空间，因此一般多应用于光纤耦合模块中；难以在对体积要求较为严格、需要高可靠性的小型被动调q固体激光器模块中使用。

现有的被动调q固体激光器方案一般采用光纤耦合模块作为泵浦源，或者采用单个激光巴条出光直接耦合至晶体进行泵浦。

采用光纤耦合模块作为泵浦源的被动调q固体激光器，由于光纤耦合模块和晶体模块(包括光学、晶体、腔镜等)分开，因此一般需要这两个模块组合在一起才能实现工作，整体结构过于复杂和庞大，在一些需要集成应用、对体积要求严格的应用场合(例如车载激光雷达)很难适用。

而采用单个激光巴条出光直接耦合至激光晶体进行端面泵浦的被动固体激光器，由于激光巴条的光束在慢轴方向较长，导致出光具有较大的不对称性；此外，由于单个激光巴条的某些发光点失效，会引起泵浦光束的不均匀，从而导致固体激光输出的不均匀。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种泵浦模块及具有其的固体激光器，以解决现有技术中的激光器体积庞大且结构复杂的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了泵浦模块，包括：泵浦源，泵浦源为两个且并排设置，用于提供第一激光和第二激光；快轴准直元件，设置于泵浦源的出光侧，用于对第一激光和第二激光进行快轴准直；偏振合束元件，设置于快轴准直元件的出光侧，用于使快轴准直后的第一激光与第二激光的偏振方向相互垂直并进行合束以得到第三激光；慢轴准直元件，设置于偏振合束元件的出光侧，用于对第三激光进行慢轴压缩和汇聚以得到激励源。

进一步地，偏振合束元件包括：半波片，设置于快轴准直元件的出光侧，用于对快轴准直后的第一激光的偏振方向进行90°旋转；偏振合束镜组，设置于半波片的出光侧，用于将旋转后的第一激光与快轴准直后的第二激光进行合束得到第三激光。

进一步地，两个泵浦源分别为提供第一激光的第一泵浦源以及提供第二激光的第二泵浦源，偏振合束镜组包括：第一透镜部，位于第一泵浦源的出光侧并与第一泵浦源相对设置；第二透镜部，位于第二泵浦源的出光侧并与第二泵浦源相对设置，第一透镜部用于将第一激光全部反射至第二透镜部的位置处，第二透镜部用于全部反射第一激光并全部透射第二激光。

进一步地，第一泵浦源与第二泵浦源的排列方向为第一方向，在第一方向上，第一泵浦源相对的两个端面之间的垂直距离为l1，第一透镜部相对的两个端部之间的垂直距离为h1，第二泵浦源相对的两个端面之间的垂直距离为l2，第二透镜部相对的两个端部之间的垂直距离为h2，l1＜h1，l2＜h2；l1的中点为a1，h1的中点为b1，l2的中点为a2，h2的中点为b2，a1与b1的连线垂直于第一方向。

进一步地，泵浦源串联设置。

进一步地，泵浦源为激光巴条。

进一步地，快轴准直元件为两个且与泵浦源的出光侧一一对应地设置。

进一步地，快轴准直元件和慢轴准直元件独立地选自柱面镜、球面镜和非球面镜中的任一种。

根据本发明的另一方面，提供了一种固体激光器，包括：上述的泵浦模块，泵浦模块用于产生实现端面泵浦的激励源；晶体模块，设置于泵浦模块中慢轴准直元件的出光侧，用于接收激励源并产生激光。

进一步地，晶体模块包括增益介质晶体、饱和吸收晶体和谐振腔，谐振腔设置于慢轴准直元件的出光侧，增益介质晶体和饱和吸收晶体设置于谐振腔中；或者，晶体模块包括增益介质晶体和饱和吸收晶体，增益介质晶体与饱和吸收晶体形成复合晶体，复合晶体设置于慢轴准直元件的出光侧，且在慢轴准直元件的出光方向上，复合晶体相对的两个端面形成谐振腔。

应用本发明的技术方案，提供了一种泵浦模块，采取两个泵浦源并排设置后进行偏振合束得到单光斑的泵浦光源；在双泵浦源的条件下，偏振合束元件能够实现对双泵浦源输出光束的重叠，一方面可以提高泵浦光束的慢轴方向光束质量，另一方面双泵浦源形成相互备份和高性能余量，避免了单个泵浦源发光点随机失效造成的泵浦源异常或失效，从而能够满足高可靠性使用要求。进一步地，本发明能够通过改进pbc结构尺寸以及采用泵浦源与pbc的特殊排布设计，弥补了由于慢轴发散角引起的偏振合束的光通量损失，从而能够省去现有技术中的光束转换模块(bts)；由于未采用bts，因此可以使用具有较多发光点的泵浦源实现高峰值功率应用需求。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1示出了在本申请实施方式所提供的一种固体激光器的连接关系示意图；

图2示出了现有技术中所提供的一种固体激光器中单泵浦源与偏振合束镜组之间的位置关系以及光路示意图；以及

图3示出了在本申请实施方式所提供的固体激光器中单泵浦源与偏振合束镜组之间的位置关系以及光路示意图。

其中，上述附图包括以下附图标记：

1＇、泵浦源；4＇、偏振合束镜组；1、泵浦源；11、第一泵浦源；12、第二泵浦源；2、快轴准直元件；3、半波片；4、偏振合束镜组；41、第一透镜部；42、第二透镜部；5、慢轴准直元件；6、高反镜片；7、增益介质晶体；8、饱和吸收晶体；9、部分反射镜片。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

正如背景技术中所介绍的，现有技术中的激光器体积庞大且结构复杂。本发明的发明人针对上述问题进行研究，提出了一种固体激光器，如图1所示，包括：泵浦源1，泵浦源1为两个且并排设置，用于提供第一激光和第二激光；快轴准直元件2，设置于泵浦源1的出光侧，用于对第一激光和第二激光进行快轴准直；偏振合束元件，设置于快轴准直元件2的出光侧，用于使快轴准直后的第一激光与第二激光的偏振方向相互垂直并进行合束以得到第三激光；慢轴准直元件5，设置于偏振合束元件的出光侧，用于对第三激光进行慢轴压缩和汇聚以得到激励源。

上述泵浦模块中由于采取两个泵浦源并排设置后进行偏振合束得到单光斑的泵浦光源；在双泵浦源的条件下，偏振合束元件能够实现对双泵浦源输出光束的重叠，一方面可以提高泵浦光束的慢轴方向光束质量，另一方面双泵浦源形成相互备份和高性能余量，避免了单个泵浦源发光点随机失效造成的泵浦源异常或失效，从而能够满足高可靠性使用要求。进一步地，本发明能够通过改进偏振合束元件中偏振合束镜组(pbc)结构尺寸以及采用泵浦源与pbc的特殊排布设计，弥补了由于慢轴发散角引起的偏振合束的光通量损失，从而能够省去现有技术中的光束转换模块(bts)；由于未采用bts，因此可以使用具有较多发光点的泵浦源实现高峰值功率应用需求。

在一种优选的实施方式中，如图1所示，本发明的上述偏振合束元件包括半波片3和偏振合束镜组4，半波片3设置于快轴准直元件2的出光侧，用于对快轴准直后的第一激光的偏振方向进行90°旋转；偏振合束镜组4设置于半波片3的出光侧，用于将旋转后的第一激光与快轴准直后的第二激光进行合束得到第三激光。

上述两个泵浦源分别为提供第一激光的第一泵浦源11以及提供第二激光的第二泵浦源12，优选地，上述偏振合束镜组4包括第一透镜部41和第二透镜部42，第一透镜部41位于第一泵浦源11的出光侧并与第一泵浦源11相对设置，用于将第一激光全部反射至第二透镜部42的位置处；第二透镜部42位于第二泵浦源12的出光侧并与第二泵浦源12相对设置，用于全部反射第一激光并全部透射第二激光，如图3所示。

上述偏振合束镜组4包括的第一透镜部41和第二透镜部42为本发明的关键技术功能部分，偏振合束镜组4的其他部分的结构和光学性能可参照现有结构进行适应性设计，在保证本发明技术方案和技术目的能够实现的情况下，满足相应的反射或透射或其他相关条件即可。

在上述优选的实施方式中，以上述第一泵浦源11与上述第二泵浦源12的排列方向为第一方向，两个泵浦源与pbc的特殊排布设计可以为：如图3所示，在上述第一方向上，第一泵浦源11相对的两个端面之间的垂直距离为l1，第一透镜部41相对的两个端部之间的垂直距离为h1，第二泵浦源12相对的两个端面之间的垂直距离为l2，第二透镜部42相对的两个端部之间的垂直距离为h2，l1＜h1，l2＜h2；l1的中点为a1，h1的中点为b1，l2的中点为a2，h2的中点为b2，a1与b1的连线垂直于第一方向。此时，pbc两端留有的余量分别为(h1-l1)/2，以上两个泵浦源与pbc的对称式的排布及余量设计，使得两个泵浦源的光束虽然光程不同，但发散角不会发生变化，从pbc出射的光路能够相互重合，使得输出的光斑没有错位。

本发明实施例中，并不明确严格限制l1与l2的关系，为了方便设计与生产，使本发明的技术目的和技术效果更佳，可以使l1＝l2，h1＝h2；当然，在某些对技术效果要求不严格的一些应用场景中，l1≠l2，h1≠h2也是允许的。

由于现有技术中通常采用单一泵浦源(例如一个fullbar)，通常为了实现光束全部进入器件，需要偏振合束镜组4＇的尺寸与该泵浦源1＇的尺寸完全对应，而图2所示的单一泵浦源由于尺寸不对应，使得出射后的光束出现错位，具体见图2所示的出射光的箭头。而本发明在采用双泵浦源的情况下，如图3所示，通过设计偏振合束镜组4的结构尺寸使其两端相较于泵浦源1留有余量，具体为：偏振合束镜组分别与双泵浦源其一对应的部分，上下分别留有余量，并且双泵源分别与偏振合束镜组对应的部分的中心对齐设置，而光束慢轴发散角的全角一般为10°左右，留有余量的设计从而能够在不使用光束转换模块(bts)的情况下，仍然可以使所有的光束进入pbc中进行合束，并且可以使pbc输出的光斑无错位。

在本发明的上述泵浦模块中，泵浦源1为可以采用激光巴条。优选地，两个泵浦源1之间串联设置。即一个泵浦源1的负极连接另一个泵浦源1的正极，而两个泵浦源1上未连接的正极与负极分别与电源连接。两个串联的泵浦源1仅需要较小的驱动电流就可以实现较大的出光功率，大大降低了对电源的要求，并且还会减小系统中的热负载。

并且，由于传统的光纤耦合半导体激光器模块中，需要使用bts(光束转换模块)对光束慢轴方向进行旋转90°，减小慢轴方向的光束参数积(bpp)，然后对慢轴方向进行准直，之后才进行偏振合束，而这种技术方案需要使用bts系统，且由于巴条的每个发光点需要与bts中的每个单元一一对应，因此只能使用具有较少发光点的巴条/单管芯片(例如常用的有19个发光点)。而采用本发明的上述泵浦模块，由于可以不采用bts，从而克服了传统偏振合束方案只能使用较少发光点的巴条的缺点，能够使泵浦源1的发光点不受结构本身限制，使偏振合束技术能够应用于一些需要高峰值功率、准连续(qcw)工作的具有较多发光点的巴条激光器中。

在本发明的上述泵浦模块中，快轴准直元件2可以为位于两个泵浦源1的出光侧的一个，还可以为两个并与泵浦源1的出光侧一一对应地设置，如图1所示。上述快轴准直元件2与慢轴准直元件5独立地选自柱面镜、球面镜和非球面镜中的任一种。

本发明的上述泵浦模块，具体可以用于产生实现端面泵浦的激励源。

根据本发明的另一方面，还提供了一种固体激光器，如图1所示，包括上述的泵浦模块以及晶体模块，泵浦模块用于产生实现端面泵浦的激励源，晶体模块设置于泵浦模块中慢轴准直元件5的出光侧，用于接收激励源并产生激光。在上述固体激光器中，通过pbc对两个泵浦源的光束进行合束之后，再使用一个慢轴准直元件5对慢轴方向进行汇聚，使光束汇聚进入晶体模块，实现高效率的泵浦。

本发明的上述固体激光器可以为被动调q端面泵浦固体激光器。由于现有的被动调q端面泵浦固体激光器方案一般采用光纤耦合模块作为泵浦源，或者采用单个巴条出光直接耦合至晶体进行泵浦，从而易导致体积庞大以及出光不均匀的问题。而本发明的上述泵浦模块中采用了改进的偏振合束技术，解决了传统偏振合束方案只能使用较少发光点的巴条、需要使用bts导致光学系统复杂庞大的缺点，使得改进后的偏振合束方案体积紧凑、光通量损失小，可应用于对体积和效率要求严格的小型被动调q固体激光器中。

并且，在本发明的上述动调q固体激光器中，可以采用pbc对未经过慢轴方向准直的光束直接合束，通过改进pbc的结构尺寸以及采用双泵浦源与pbc的特殊排布设计，弥补了由于慢轴发散角引起的偏振合束的光通量损失；由于未采用bts，因此可以使用具有较多发光点的芯片实现高峰值功率应用需求。

同时，本方案中采取两个巴条并排设置(还以进一步串联设置)进行偏振合束实现了单光斑的泵浦光源；在双泵源的条件下，pbc可以实现对双泵浦源光束的重叠，一方面可以提高泵浦光束的慢轴方向光束质量，另一方面双泵浦源形成相互备份和高性能余量，避免单个巴条发光点随机失效造成的泵浦异常或失效，解决了采用单个巴条直接耦合的被动调q固体激光器光束对称性差和可靠性差的问题，满足了高可靠性使用要求。

泵浦模块产生的用于端面泵浦的激励源可入射至晶体模块的左右两侧端面中靠近激励源的一端，以实现端面泵浦的固体激光器，具体的：

在一种优选的实施方式中，上述晶体模块包括增益介质晶体7、饱和吸收晶体8和谐振腔，谐振腔设置于慢轴准直元件5的出光侧，增益介质晶体7和饱和吸收晶体8设置于谐振腔中。本领域技术人员可以根据现有技术对上述增益介质晶体7、饱和吸收晶体8的种类进行合理选取，在此不再赘述。

在另一种优选的实施方式中，上述晶体模块包括增益介质晶体7和饱和吸收晶体8，增益介质晶体7与饱和吸收晶体8形成复合晶体，复合晶体设置于慢轴准直元件5的出光侧，且在慢轴准直元件5的出光方向上，上述复合晶体相对的两个端面形成谐振腔。此时，利用晶体本身的结构形成谐振腔，无需再另外设置谐振腔镜，使激光器的结构更为简单、紧凑。

本发明的谐振腔可以是两个独立的腔镜组成(高反镜片6和部分反射镜片9)，在能够实现类似目的的情况下，高反镜片6和部分反射镜片9也可以由晶体的两个端面形成，只要这两个端面满足反射率的条件即可。

下面将结合实施例进一步说明本发明的上述泵浦模块及具有其的固体激光器。

实施例1

本实施例采用如图1所示的固体激光器，方案主要包括：

作为双泵浦源1的两个半导体激光器巴条、快轴准直元件2为两个快轴准直透镜、半波片3、偏振合束镜组4、慢轴准直元件5为柱面镜、增益介质晶体7、饱和吸收晶体8以及由高反镜片6和部分反射镜片9组成的谐振腔镜。其中，两个巴条并排放置，分别由快轴准直透镜进行光束的快轴准直；半波片放置在其中一个巴条前端，对该巴条的光束偏振方向实现90°的旋转；偏振度经过90度旋转的光束与另一个巴条的光束通过偏振合束镜组，合成为同一光束；合成后的光束经过柱面镜进行慢轴方向的压缩汇聚后入射到增益介质晶体端面进行泵浦作用。

上述两个巴条并排放置，且两个巴条在电连接上是串联连接。两个串联的巴条相比一个较长的单个巴条或者两个并联的巴条，一方面需要更小的驱动电流可以实现较大的出光功率，另一方面会减小系统中的热负载。

并且，上述偏振合束镜组(pbc)可以实现对作为双泵浦源的两个巴条光束的重叠，一方面可以提高泵浦光束的慢轴方向光束质量，另一方面双泵浦源形成相互备份和高性能余量，避免单个巴条发光点随机失效造成的泵浦异常或失效，可以满足高可靠性使用要求。

从以上的描述中，可以看出，本发明上述的实施例实现了如下技术效果：

1、上述泵浦模块中由于采取两个泵浦源并排设置后进行偏振合束得到单光斑的泵浦光源；在双泵浦源的条件下，偏振合束元件能够实现对双泵浦源输出光束的重叠，一方面可以提高泵浦光束的慢轴方向光束质量，另一方面双泵浦源形成相互备份和高性能余量，避免了单个泵浦源发光点随机失效造成的泵浦源异常或失效，从而能够满足高可靠性使用要求；

2、通过改进慢轴准直元件中偏振合束镜组(pbc)结构尺寸以及采用泵浦源与pbc的特殊排布设计，弥补了由于慢轴发散角引起的偏振合束的光通量损失，从而能够省去现有技术中的光束转换模块(bts)；由于未采用bts，因此可以使用具有较多发光点的泵浦源实现高峰值功率应用需求；

3、由于现有的被动调q固体激光器方案一般采用光纤耦合模块作为泵浦源，或者采用单个巴条出光直接耦合至晶体进行泵浦，从而易导致体积庞大以及出光不均匀的问题。而本发明的上述泵浦模块中采用了改进的偏振合束技术，解决了传统偏振合束方案只能使用较少发光点的巴条、需要使用bts导致光学系统复杂庞大的缺点，使得改进后的偏振合束方案体积紧凑、光通量损失小，可应用于对体积和效率要求严格的小型被动调q端面泵浦固体激光器中。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。