用于端面泵浦激光镜叠堆组件的系统和方法与流程

背景技术：

传统上，激光陀螺仪已包括激光块，该激光块包括填充有气体激光介质的环形激光腔。激励该激光块中的高压阳极和阴极以使气体电离，并且通过气体的放电产生的光由镜子反射在环形腔周围，以产生激光束。然而，此类激光陀螺仪可能由于气体激光介质的劣化而受损，并且还需要高压电子器件和相关的基础结构。已经利用钕(nd)研发了固态激光器，钕是一种具有期望荧光属性的固态激光器材料，并且可以在其中掺杂其他材料以获得其他所需特性。早期的nd激光系统通常利用钨丝灯泵浦，由于灯泡寿命短以及其他原因诸如光无法与激光块内的激光束路径很好地对准，此类激光器的可靠性成为一个问题。

出于上述原因以及对于本领域技术人员在阅读和理解说明书后将变得显而易见的下述其他原因，本领域需要用于端面泵浦激光镜叠堆组件的系统和方法。

技术实现要素：

本公开的实施方案提供了用于端面泵浦激光镜叠堆组件的方法和系统，并且将通过阅读和研究以下说明书来理解。

本发明提供了用于端面泵浦激光镜叠堆组件的系统和方法。在一个实施方案中，用于激光谐振器的端面泵浦镜叠堆组件包括：泵浦光注入层，该泵浦光注入层施加到透明基板的第一表面，该泵浦光注入层包括嵌入在泵浦光注入层内的至少一个光生成光学发射器，其中泵浦光注入层被构造成将具有第一波长的泵浦光传输到基板的第一表面中；多层薄膜镜叠堆，该多层薄膜镜叠堆耦合到透明基板的第二表面；激光材料层，该激光材料层耦合到透明基板的第二表面并定位成接收泵浦光，其中激光材料层掺杂有掺杂物，当暴露在来自泵浦光注入层的泵浦光下时，该掺杂物在第二频率下产生荧光输出；以及抗反射涂层，该抗反射涂层施加到基板，第一抗反射涂层被构造成使第一波长的光通过。

附图说明

当考虑到优选实施方案的描述和以下附图时，本公开的实施方案可以更容易理解，并且其进一步的优点和用途更加显而易见，在附图中：

图1是示出本公开的一个实施方案的镜叠堆端面泵浦激光陀螺仪的图；

图2是示出本公开的一个实施方案的端面泵浦激光镜叠堆组件的框图；

图3是示出本公开的一个实施方案的端面泵浦激光镜叠堆组件的框图；

图4是示出本公开的一个实施方案的端面泵浦激光镜叠堆组件的框图；并且

图5是示出本公开的一个实施方案的端面泵浦激光镜叠堆组件的框图。

根据惯例，所描述的各种特征部未必按比例绘制，而是用于强调与本公开相关的特征部。参考字符在所有图和文本中表示类似的元件。

具体实施方式

在以下详细描述中，参考形成其一部分的附图，并且在附图中通过可以实践这些实施方案的具体说明性实施方案的方式来示出。对这些实施方案进行了足够详细的描述，以使本领域技术人员能够实践这些实施方案，并且应当理解，在不脱离本公开的范围的情况下，可以利用其他实施方案，并且可以作出逻辑改变、机械改变和电气改变。因此，以下详细描述不应被视为具有限制意义。

本公开的实施方案提供用于端面泵浦激光镜叠堆组件的系统和方法，该端面泵浦激光镜叠堆组件与闭合路径/环形激光陀螺仪和其他应用一起使用。如下文更详细地描述的，这些实施方案采用将泵浦光源、镜子、基板、镜面涂层、薄膜激光介质以及其他材料等堆叠成单个集成叠堆。此类实施方案提供激光介质的直接光学泵浦或者在结构内提供另一层。由光学泵浦激光介质产生的荧光可以在激光块组件的激光路径内定位并对准，其与光学路径有效重叠，以实现优于现有激光陀螺仪的益处。

光学发射器(诸如，发光二极管(led)、二极管激光器、垂直腔面发射激光(vcsel)激光器、边发射激光器、发光涂层以及任选的衍射光学元件)可以集成到用于泵浦固态激光材料(诸如但不限于nd薄膜材料)的激光镜叠堆的结构中。

图1是示出本公开的一个实施方案的镜叠堆端面泵浦激光陀螺仪100的简化框图。陀螺仪100包括环形激光陀螺仪和激光块传感器110，在其中形成内部腔环112。应当理解，如本文所用，术语“环”是指包围一个区域的闭合路径并且不限于圆形闭合路径。镜组件114、116和118设置在拐角115、117和119处。结合镜115、117和119，内部腔环112形成包围激光块传感器110内的一个区域的激光束路径。内部腔环112可以是空的(例如，在某种真空水平下)或者可以填充有惰性气体。在该实施方案中，通过镜组件114在内部腔环112中产生特定波长的光束120，该镜组件包括下文更详细地描述的端面泵浦激光镜叠堆组件160。

在图1的实施方案中，激光块传感器110为三角形形状，具有三条边和三个钝角。应当理解，该实施方案作为非限制性示例提供，因为其他实施方案可以包括利用不同形状的激光块传感器形成的激光块传感器110。

在内部腔环112中产生的一个或多个光束120由镜组件114、116和118(沿顺时针(cw)方向、逆时针(ccw)方向，或者沿这两个方向)在内部腔环112周围反复反射，该镜组件支持增益以由光束120产生激光。在一个实施方案中，其他镜组件中的一者(诸如，例如镜组件116)用作读出装置130。因此，内部腔环112和镜组件114、116和118形成闭合的激光谐振器路径。应当理解，在本文所述实施方案的另选具体实施中，与包括限定供光束120沿循的环形路径的内部谐振器腔的激光块传感器110相反，激光块传感器110的内部谐振器腔可以替代性地包括线性谐振器。

通过将来自内部腔环112的光能信息耦合到读出装置130来观察环形激光陀螺仪100的性能。该读出装置130输入光能并且根据该光能来向一个或多个处理元件134提供一个或多个电压信号132的输出。在一些实施方案中，读出装置130可以包括光电探测器。例如，在一些实施方案中，可以根据电压信号132确定内部腔环112内的反向旋转激光束之间的频率差，并且由此可以获得旋转信息。除旋转信息之外，该读出装置130还可以提供与激光强度相关联的电压信号。

在阅读本说明书之后，本领域普通技术人员将理解，图1示出了提供的细节足以促进已启用的对本发明实施方案的书面描述的简化框图。关于与用于环形激光陀螺仪的激光块传感器相关联的物理结构和电子电路未示出的其他细节被认为在本领域普通技术人员的知识和技能内，因此，本文不再讨论。

图2是示出端面泵浦激光镜叠堆组件200的框图，该端面泵浦激光镜叠堆组件可以与镜叠堆端面泵浦激光陀螺仪100一起用作端面泵浦激光镜叠堆组件160，或者可以用于其他应用。

端面泵浦激光镜叠堆组件200包括沉积在透明基板205上的多层薄膜镜叠堆210、施加到透明基板205的泵浦光注入层220、以及荧光激光材料层230(其可以施加到多层薄膜镜叠堆210或以其他方式固定到基板205)。如上所述，激光块传感器内部谐振器腔的路径可以由在图1中示出为镜组件114、116和118的高反射多层电介质叠堆(即，在λ2处反射)限定。对于其中组件200与此类内部谐振器腔结合使用的实施方案，图2至图5中所示的多层薄膜镜叠堆210可以起到镜组件114的作用。

泵浦光注入层220被构造成将第一波长λ1的光束(在图2中示出为泵浦光222)传输到基板205的第一表面中。透明基板205在以下意义上是透明的：使至少在包括λ1的波长范围内的光穿过其到达基板205的相对的第二表面。在一个实施方案中，透明基板205的一个或两个表面涂覆有抗反射涂层206，该抗反射涂层具有包括在λ1的波长下反射率极低的光学特性。如本文所用，术语抗反射涂层是针对指定波长具有小于1％的反射率的涂层。因此，可以包括抗反射涂层206以降低由泵浦光222在基板205的表面处反射而引起的光学功率损失。

在一些实施方案中，泵浦光222由嵌入在泵浦光注入层220内的一个或多个光生成光学发射器221生成。在另选的具体实施中，光学发射器221可以包括一个或多个发光二极管(led)、led阵列、一个或多个激光器或激光器阵列(诸如，垂直腔面发射激光(vcsel)激光器、边发射激光器、或一种或多种发光涂层。在一些实施方案中，泵浦光注入层220可以包括嵌入的或集成的多芯片模块，该多芯片模块具有在集成在泵浦光注入层220内的载体上的部件。

在操作中，在泵浦光注入层220内生成波长为λ1的泵浦光222，并将其引导至激光材料层230。激光材料层230掺杂有掺杂物(例如，激光材料层230可以包括掺杂有nd的二氧化硅层)，当暴露在波长为λ1的泵浦光222下时，该掺杂物在第二频率λ2下产生荧光232。例如，在一个实施方案中，由泵浦光注入层220产生的泵浦光222具有约803nm的波长λ1，这使得掺杂有nd的激光材料层230对具有约1050nm至1065nm的波长λ2的荧光232的输出发出荧光。端面泵浦激光镜叠堆组件200通过其输出端212输出荧光232，该荧光可以被引导到例如镜叠堆端面泵浦激光陀螺仪100的内部腔环112中。

在一个实施方案中，多层薄膜镜叠堆210具有对从输出端212进入的具有波长λ2的任何入射光具有高反射性的表面反射率。如本文所用，术语高反射率的表面或涂层针对特定波长具有至少99％的反射率。例如，在一个实施方案中，多层薄膜镜叠堆210可以包括具有不同折射率特性的薄膜电介质层的交替涂层的电介质镜，该折射率特性被选择为针对波长λ2的光产生高反射表面。此外，可以调整电介质层的折射率特性以优化在入射角处接收到的光的反射率，在入射角处接收到的光将与预计从内部腔环112接收到的光对应。相比之下，多层薄膜镜叠堆210可以同时针对波长λ1的光具有高透射率，使得泵浦光222将穿过多层薄膜镜叠堆210以到达激光材料层230，而损失很小。

如图2所示，叠堆200包括施加到激光材料层230的输出侧的附加光学涂层240，该附加光学涂层可以针对波长λ2的光具有抗反射性，针对波长λ1的光具有高反射性，或两者情况均存在。

关于波长λ1，从激光材料层230出现的任何泵浦光222反射回到激光材料层230中使得泵浦光222能够多次穿过激光材料，这通过允许从已经由泵浦光注入层220产生的泵浦光222产生附加荧光232提高了效率。关于波长λ2，具有针对波长λ2的光具有抗反射特性的光学涂层降低了由于荧光232未能在输出端212处离开端面泵浦激光镜叠堆组件200而引起的效率损失，并且还通过确保从输出端212接收到的λ2下的任何激光在被反射之前完全通过多层薄膜镜叠堆210来防止因散射而造成的损失。

像这样，当端面泵浦激光镜叠堆组件200与镜叠堆端面泵浦激光陀螺仪100结合使用时，在内部腔环112中产生波长为λ2的光，该光在内部腔环112周围移动，然后从内部腔环112返回，并且由多层薄膜镜叠堆210高效率地反射回内部腔环112中，因此产生高q因子(10^8或更大)的激光块110。

由于泵浦光注入层220是端面泵浦激光镜叠堆组件200的刚性集成部件，荧光232可以从端面泵浦激光镜叠堆组件200离开，该端面泵浦激光镜叠堆组件与内部腔环112内限定的激光束路径对准。也就是说，在一些实施方案中，泵浦光注入层220与泵浦光222对准，以从与限定在内部腔环112内的激光束路径的轴线(即，平面)对准的激光材料层230产生荧光232。

图3是说明图2中所示的端面泵浦激光镜叠堆组件200的另选具体实施的图，其中泵浦光注入层220可以包括或进一步耦合到任选衍射光学元件310的层。通过衍射光学元件310实现泵浦光222的偏转可以用于控制由激光材料层230产生的荧光232的对准，例如，以使荧光232输出与内部腔环112的激光束路径对准，引导荧光232在内部腔环112周围沿cw或ccw方向行进，或者分离荧光232输出，使得荧光232的一部分被引导成在内部腔环112周围沿cw方向行进，并且荧光232的第二部分被引导成在内部腔环112周围沿ccw方向行进。在一些实施方案中，来自所选发射器221的泵浦光222可以被具体地引导以产生具有与其他荧光不同的对准的荧光232。

尽管上文作为用于激光材料层230的示例激光材料已经讨论了掺杂有nd的二氧化硅，但应当理解，仅出于示例目的提及该材料，并且针对本文所述的任何实施方案，可以使用其他固体或薄膜激光材料(例如，其他稀土材料)来代替二氧化硅、二氧化钛或其他玻璃质母体(诸如但不限于氧化物玻璃、氟化物玻璃、氟硅酸盐玻璃)。还应当理解，尽管激光材料层230被示出为不同的层，但在其他实施方案中，激光材料可以被包括在例如镜叠堆或基板105的层内。

图4是示出图2中所示的端面泵浦激光镜叠堆组件200的另一另选具体实施的图，其中泵浦光注入层220还可以包括定位在多层薄膜镜叠堆210与基板205之间的压电驱动器410(或马达)，使得多层薄膜镜叠堆210经由压电驱动器410耦合到基板205。在操作中，压电驱动器410机械地抖动(即，振荡)多层薄膜镜叠堆210。例如，当与如图1所示的环形激光陀螺仪激光块传感器110结合使用时，多层薄膜镜叠堆210的抖动可以用于抑制可在低旋转速率下发生的死区误差。在图4所示的实施方案中，泵浦光222可以被引导以避免该泵浦光沿其路径穿过多层薄膜镜叠堆210以到达激光材料层230。在一些实施方案中，多层薄膜镜叠堆210的形状和/或尺寸被定成使得泵浦光222可以被引导到激光材料层230，同时避免到多层薄膜镜叠堆210。在一些实施方案中，泵浦光222可以经由波导和/或波导层被引导到该激光材料层。

例如，在图4中，与泵浦光注入层220中的光学发射器221的阵列相比，多层薄膜镜叠堆210具有较小的直径。另外如图4所示，任选的光学元件310也(或替代性地)可用于衍射泵浦光222，以便绕过多层薄膜镜叠堆210。通过引导泵浦光222以避免穿过抖动的多层薄膜镜叠堆210，此类实施方案可以增大到达激光材料层230的泵浦光222的光学功率。另外，此类实施方案提供光学分离，使得新产生的荧光232输出保持与内部腔环112的激光束路径对准，同时单独地提供引起抖动的对在内部腔环112周围行进的激光的调制。

图5是示出端面泵浦激光镜叠堆组件500的另一另选具体实施的图。端面泵浦激光镜叠堆组件500以与图2至图4中所示的泵浦光注入层220的各种实施方案和具体实施相同的方式起作用，然而，泵浦光注入层220包括产生泵浦光222的一个或多个远程定位的光学发射器521，并且泵浦光222经由光纤介质515和光学耦合元件510传输到基板205。在一些实施方案中，来自一个或多个远程定位的光学发射器521的泵浦光222通过光纤接口520耦合到光纤介质515上。在一些实施方案中，光纤接口520可以包括将来自光学发射器521中的每一者的泵浦光222组合到单个光纤介质515或多光纤介质515上的光学组合器。在一些实施方案中，光学耦合元件510可以包括平端梯度折射率光学透镜(诸如，selfoc微透镜，例如)或其他衍射光学元件(诸如上文所述的衍射光学元件310)，其以期望光束对准将泵浦光222从光纤介质515耦合到基板205中。

示例实施方案

实施例1包括用于激光谐振器的端面泵浦镜叠堆组件，该组件包括：泵浦光注入层，该泵浦光注入层施加到透明基板的第一表面，该泵浦光注入层包括嵌入在泵浦光注入层内的至少一个光生成光学发射器，其中泵浦光注入层被构造成将具有第一波长的泵浦光传输到基板的第一表面中；多层薄膜镜叠堆，该多层薄膜镜叠堆耦合到透明基板的第二表面；激光材料层，该激光材料层耦合到透明基板的第二表面并定位成接收泵浦光，其中激光材料层掺杂有掺杂物，当暴露在来自泵浦光注入层的泵浦光下时，该掺杂物在第二频率下产生荧光输出；以及抗反射涂层，该抗反射涂层施加到基板，第一抗反射涂层被构造成使第一波长的光通过。

实施例2包括实施例1的组件，还包括：光学涂层，该光学涂层施加到激光材料层，该光学涂层被构造成对第二波长的光具有抗反射性，并且对第一波长的光具有高反射性。

实施例3包括实施例1至3中任一项的组件，其中激光材料层包括掺杂钕的薄膜。

实施例3包括实施例1至4中任一项的组件，其中至少一个光生成光学发射器包括以下各项中的至少一者：发光二极管(led)、led阵列、垂直腔面发射激光(vcsel)激光器；边发射激光器或发光涂层。

实施例5包括实施例1至5中任一项的组件，其中泵浦光注入层经由衍射光学元件层耦合到透明基板。

实施例6包括实施例1至6中任一项的组件，其中来自至少一个光生成光学发射器的泵浦光经由光纤介质耦合到透明基板的第一表面中。

实施例7包括实施例6的组件，其中泵浦光注入层包括光学耦合元件，其中泵浦光经由光学耦合元件从光纤介质耦合到透明基板中。

实施例8包括实施例1至7中任一项的组件，其中泵浦光注入层是端面泵浦激光镜叠堆组件的刚性集成部件。

实施例9包括实施例1至8中任一项的组件，还包括压电驱动器，其中多层薄膜镜叠堆经由压电驱动器耦合到基板，并且压电驱动器被构造成机械地振荡多层薄膜镜叠堆。

实施例10包括实施例9中任一项的组件，其中泵浦光被引导以绕过薄膜镜叠堆。

实施例11包括实施例9至10中任一项的组件，其中多层薄膜镜叠堆被嵌入，使得来自泵浦光注入层的泵浦光的至少一部分被施加到激光材料层而不穿过多层薄膜镜叠堆。

实施例12包括镜叠堆端面泵浦激光陀螺仪，该陀螺仪包括：其中具有内部谐振器腔的激光块组件；光学耦合到激光块组件的读出装置，该读出装置输出一个或多个电压信号；耦合到激光块组件的端面泵浦激光镜叠堆组件，其中端面泵浦激光镜叠堆组件在内部谐振器腔中形成一个或多个光束；其中端面泵浦激光镜叠堆组件包括：泵浦光注入层，该泵浦光注入层施加到透明基板的第一表面，该泵浦光注入层包括嵌入在泵浦光注入层内的至少一个光生成光学发射器，其中泵浦光注入层被构造成将具有第一波长的泵浦光传输到基板的第一表面中；多层薄膜镜叠堆，该多层薄膜镜叠堆耦合到透明基板的第二表面；激光材料层，该激光材料层耦合到透明基板的第二表面并且定位成接收泵浦光，其中激光材料层掺杂有掺杂物，当暴露在来自泵浦光注入层的泵浦光下时，该掺杂物在第二频率下产生荧光输出，其中一个或多个光束包括荧光输出；抗反射涂层，该抗反射涂层施加到基板，第一抗反射涂层被构造成使第一波长的光通过；光学涂层，该光学涂层施加到激光材料层，该光学涂层被构造成对第二波长的光具有抗反射性，并且对第一波长的光具有高反射性。

实施例13包括实施例12的陀螺仪，其中激光块组件的内部谐振器腔包括其中的内部腔环，该内部腔环限定在激光块组件周围的闭合路径激光束路径；并且其中端部泵浦镜叠堆组件被构造成沿顺时针方向引导荧光输出的第一部分穿过内部腔环，并且沿逆时针方向引导荧光输出的一部分穿过内部腔环。

实施例14包括实施例12至13中任一项的陀螺仪，其中激光块组件的内部谐振器腔包括其中的内部腔环，该内部腔环限定在激光块组件周围的闭合路径激光束路径；其中荧光输出被注入到与内部腔环的闭合路径激光束路径的轴线对准的激光块组件中。

实施例15包括实施例12至14中任一项的陀螺仪，还包括：光学涂层，该光学涂层施加到激光材料层，该光学涂层被构造成对第二波长的光具有抗反射性，并且对第一波长的光具有高反射性。

实施例16包括实施例12至15中任一项的陀螺仪，其中绝缘材料层包括掺杂钕的薄膜。

实施例17包括实施例12至16中任一项的陀螺仪，其中至少一个光生成光学发射器包括以下各项中的至少一者：发光二极管(led)、led阵列、垂直腔面发射激光(vcsel)激光器、边发射激光器或发光涂层。

实施例18包括实施例12至17中任一项的陀螺仪，其中泵浦光注入层经由衍射光学元件层耦合到透明基板。

实施例19包括实施例12至18中任一项的陀螺仪，还包括压电驱动器，其中多层薄膜镜叠堆经由压电驱动器耦合到基板，并且压电驱动器被构造成机械地振荡多层薄膜镜叠堆。

实施例20包括实施例19的组件，其中泵浦光不穿过薄膜镜叠堆。

尽管本文已说明和描述了特定实施方案，但本领域的普通技术人员将认识到，经计算以实现相同目的的任何布置可替代所展示的特定实施方案。本申请旨在覆盖所提出的实施方案的任何修改或变型。因此，显而易见的是，实施方案仅受权利要求书及其等同物所限制。