紧凑型激光头的制作方法

本发明涉及在可见光谱中操作的高功率激光器。特别地，本发明涉及一种用于上述类型的激光器的微型且成本有效的激光头。

背景技术：

1、可见光通常被定义为具有在近红外(具有较长波长)和紫外(具有较短波长)之间的范围内的波长。传统上，利用可见光的工业激光应用包括但不限于医药、材料加工、科学和消费品。随着激光行业随着变频(即，频率转换)方案中使用的新型非线性晶体的可用性不断成熟，产生可见光的激光器不断找到新的应用，诸如红绿蓝(rgb)光引擎。

2、存在数种激光器类型来输出可见的发射。一种类型包括短波长半导体激光二极管。另一种类型的已知装置以各种气体激光器为代表。另一种类型的固态激光器基于非线性频率转换，其涉及产生基频的二阶和更高阶谐波，或者利用和频以及参数振荡来获得期望的频率。在本发明的范围内，特别关注利用非线性频率转换方案的固态激光器，诸如光纤激光器。然而，正如激光领域的普通技术人员所了解的，本发明的主要方面适用于需要频率转换的其它固态激光器。

3、图1示出了利用非线性转换技术的一组光纤激光器10。每个激光器10包括连续波(cw)、准连续波(qcw)、或输出红外(ir)泵浦光的脉冲泵浦源12，例如，输出介于约1030nm与1120nm之间的1μm基波波长范围内的红外泵浦光。所产生的ir泵浦光还通过耦合到激光头16的传输光纤14传播。所述激光头配置有产生可见激光输出的频率转换器。

4、整体并入本文的美国专利10,008,819公开了一种示例性qcw激光器，其通过利用拉曼转换器和频率转换方案的组合来产生615nm、635nm和更长波长的红光。拉曼转换器包括拉曼光纤，所述拉曼光纤设置有由一对或几对(级联)光纤布拉格光栅组成的腔。如普通技术人员已知的，拉曼转换器提供从光纤的拉曼增益光谱内的泵浦光的基频的波长偏移。当经拉曼偏移的基频的泵浦光被频率转换器(诸如安装在激光头上的二阶谐波发生器(shg))转换成红色输出光时。

5、与在可见光谱范围内操作的光纤激光器相关联的激光头16是本公开的主题。紧凑性、自动化、成本效益、清洁度、光学效率以及相对于机械和热载荷的稳定性都是激光头的基本特征。每个单独的特性由一个或更多个特定的部件来限定。通常，改善其中一个特性可能会对其它特性产生不利影响。因此，激光头的操作的改进需要一种集成方法，该方法需要对多个激光头部件进行修改，如激光头16的以下发展历史所例示的。

6、图2示出配置成输出红光的示例性激光头16，但是激光领域的普通技术人员容易认识到，在有或没有微不足道的变化的情况下，所示出的配置将与在可见光谱的任何区域中操作的任何光纤激光器相关。例如，可以省略拉曼转换器，因为除了shg之外，频率发生器还可以利用各种非线性效应。例如，非线性光学过程可以包括和频率以及确定相应的光学原理图的其它技术，如激光领域的普通技术人员所熟知的。

7、激光头16的结构包括光学、光纤相关和电气/电子部件的组合，所有部件都安装在激光头的壳体的底部18上。传输光纤14延伸穿过光纤连接器30进入激光头16的内部，在该内部，光纤的远端由输入准直器组件或物镜32接收。

8、根据图2并转向图3，输入准直器组件32设置有多个元件，其中一个元件是由石英制成并熔合到远侧光纤端的端块34。端块34使对远侧光纤端的损坏最小化，并在一定程度上降低了束的功率密度。然后，经扩展的泵浦束在自由空间上传播，并在准直器36中被准直。

9、经准直的泵浦束与包括上游和下游非线性光学晶体(nlo)38(诸如三硼酸锂(lbo))的频率转换方案40(图2)相互作用。随着泵浦光传播通过上游nlo 38，拉曼位移的基频被加倍。在倍频下产生的光和泵浦光的未转换部分首先入射在1/2波片41上，所述1/2波片41调节入射的红色和ir光的偏振。束被进一步引导通过下游nlo 38，通过与剩余的泵浦光相互作用，以双倍的频率产生额外的经转换的光。分色镜(即，二向色镜)42在光谱上分离经转换的和剩余的ir泵射束，所述经转换的和剩余的ir泵射束通过相应的输出端口44、46与头部16进一步分离。

10、基于前述内容，输入准直器组件或物镜32，如图3中示出的，除了端块34之外，还包括保持器45和准直器36。准直器组件32的配置庞大，并且因此有助于激光头16的大占地面积。激光头16的整体大占地面积的另一个主要原因是包括非线性晶体38、相应的晶体保持器组件和引导光学器件的频率转换方案。

11、激光头16的小型化始于用具有较小芯部直径的光纤替换输入光纤14，这导致单模(sm)泵浦光的束直径减小。减小的束直径为使用小型化光学部件提供了可能性。然而，减小的束直径增加了ir泵浦光功率密度或强度(i)，所述ir泵浦光功率密度或强度是功率(p)(以瓦特(w)为单位)与束截面积的比率(i＝w/cm2)。光的功率密度越高，nlo 36的光学效率越高。因此，减小的束直径提高了紧凑性和频率转换效率。然而，在1μm波长范围内期望的波长下sm ir泵浦光的功率密度增加也会在达到约2kw或更高的高ir最大泵浦光功率时产生问题。

12、在低于例如100w的相对低的ir功率下，当泵浦光从端块34背反射时，它没有或几乎没有环境危害。然而，只要sm泵在上述ir功率范围内操作，所有这些都以高功率密度变化。实际上，高密度光引起了相当多的不可预见的结构问题，如下文所描述的。

13、例如，当经拉曼偏移的波长的高功率ir泵浦光从端块34背反射时，它被耦合到光纤14的包层中。在二氧化硅包层中引导，背反射的光倾向于从其分离并损坏包层周围的聚合物保护涂层，这使光纤容易受到环境危害的影响。由于激光源继续工作，升高的温度即高温可能会对暴露的光纤造成特别危险的影响。最终，光纤会被烧毁并被完全破坏。处理包层模并且被称为包层模剥离器或模滤波器的典型机构由折射率高于或类似于二氧化硅的硅制成。然而，当单独使用时，模滤波器的有效性在期望的高功率密度下值得怀疑。

14、此外，随着激光操作期间温度的升高，包层的折射率最终等于模滤波器的折射率。结果，背反射光不是从包层解耦到模滤波器中，而是在包层中朝向壳体的输入端口传播通过滤波器，光纤连接器30通过所述输入端口延伸到激光头16中。典型地，存在于光纤连接器30周围的输入端口中的间隙通过环氧树脂密封，使得壳体的内部接近密封。当高功率背反射光入射到环氧树脂上时，由于其对高温的抵抗力较低，因此会受到损害并可能燃烧。结果，经封装的光纤可能容易损坏，并且激光头的内部被暴露于周围环境，这通常导致非常不期望的后果。此外，实验激光头中的高光功率密度及其相关的高温导致胶水排出化学物质逐渐变脏并最终破坏光学部件。显然，与现有的准直器组件相关联的所有上文论述的问题，所述准直器组件位于已知的激光头的输入处，并且需要对相应的准直器组件在激光头的输出处进行校正。

15、与基于拉曼转换器的红色激光器相比，ir输入和输出(清除)准直器组件的另一个问题与产生可见光谱中的其它波长的激光器更相关。期望在宽波长范围内输出红光。例如，图1的泵12可以输出1060±5nm泵浦波长的光。sm光纤拉曼转换器可以引起例如覆盖非常宽的波长范围的泵浦光的一阶、二阶、三阶和四阶频率斯托克斯位移。典型地，“良好的”抗反射(ar)涂层反射小于3％的入射光，并且即使这样，其光学有效性也是可疑的。因此，需要一种能够有效覆盖几百纳米光谱范围的改进的ar结构。

16、图4a至图4c示出处于高级开发阶段之一的示例性激光头16，突出了与频率转换组件(更具体地，与晶体保持器组件50)相关的一系列问题。晶体保持器组件50包括热电冷却器(tec)52和电阻温度检测器(rdt)，诸如由光学实验台或光具座20、c形支架54和l形护套56支撑的热敏电阻(未示出)。护套56和支架54被配置成通过弹簧60将晶体38保持在适当的位置。螺钉58(图4b)将护套56刚性地连接到支架54。整个组件被安装在激光头壳体的底部18(图4a)上。支架54和护套56的具体形状和配置可以变化，但是这些元件与相对较厚的底部18与光学实验台20的组合使得组件50太大、太高和太重。图4的完全组装好的激光头16的尺寸(w×l×h)mm对应于相应的(105至115)×(215至220)×(60至75)mm。虽然这些尺寸可以从一种类型的转换方案到另一种类型并且根据ir源参数而变化，但是尽管图4c的激光头以减小的ir束直径进行操作但是上文公开的激光头16的占地面积是非常典型的。重申本公开试图解决的问题之一，需要减少频率转换组件的占地面积和重量。

17、壳体底部18、光学实验台20和晶体护套54全部由铜(cu)制成。以均匀的热膨胀系数(cte)为特征的材料均匀性有助于在操作期间最小化多个部件相对于彼此的不可避免的位移。然而，其它激光头的元件，诸如tec 52、lbo晶体38(图2)和其它元件，具有与cu不同的相应的cte。tec 52连续地调整晶体38的温度。在红光产生期间冷却lbo晶体38或在绿光产生期间加热lbo晶体38是必要的，因为均匀(恒定)的温度是有效频率转换的先决条件。lbo晶体对高温具有特殊的反应——它不仅沿其两个轴线不同地膨胀，而且还倾向于沿第三轴线收缩。

18、lbo 38的膨胀和收缩导致其相对于晶体保持器组件50的其它部件的位移，因为其cte不同于所有cu部件和tec 52的cte。组件部件的位移导致能够使晶体38变形的热载荷增加，这降低了其转换效率并且通常需要更换晶体38。

19、为了在某种程度上最小化tec 52与晶体18之间的cte失配，晶体保持器组件50(图4a)使用c形支架54，所述c形支架54被配置成防止tec 52与晶体38之间的直接接触，如图4a和图4b中示出的。支架54与底部18和光学实验台20一起使组件50变高，并且因此，当该组件使用时机械上不稳定。为了最小化不期望的不稳定性，晶体保持器组件50利用螺钉58和弹簧60(图4b)，所述螺钉和弹簧将c形护套56相对于晶体38可靠地固定。板62(其显然是有助于整个组件的高度的另一元件)被放置在晶体与紧固件之间，以便使由螺钉58对晶体产生的弯矩引起的晶体38的变形最小化。晶体38与护套56之间的这种相对刚性的连接是不期望的，因为晶体在温度波动期间应该“呼吸”。刚性地限制其膨胀可能是晶体失效的原因。基于前述内容，很明显，cte失配应该被最小化，这可以通过为具有基本上闭合的相应的cte的组件部件仔细地选择材料来实现。基于前述内容，应该改变所有组装部件的配置，以便减小激光头的占地面积，特别强调头16的高度。

20、传统上，激光头封装过程包括将与光纤相关的光学和电气部件彼此分开组装。只有在这些组件群被组装之后，激光头16的封装才开始。例如，tec 52与外部电源之间的电线侵入激光头的内部并手动地连接到tec。这种分解的组装方法太耗时，在大规模生产中不具有成本效益。

21、此外，如图4a至图4c中图示的，cu底部18和光学实验台20一起限定略小于激光头16的高度的一半。考虑到激光头16的大量生产，使用薄的基部部件来替代底部18和光学实验台20将是非常有利的。此外，薄的基部/实验台部件应该被配置为消除激光头16的手动封装。

22、因此，需要配置有轻质、紧凑型激光头的高功率可见光激光器，其中：

23、电光印刷电路板(eo pcb)在功能上和结构上取代了已知激光头的壳体底部和光学实验台，并便于本发明的激光头的自动组装，

24、输入准直器组件具有简单的配置，从而防止经背反射的光损害激光头的内部的接近密封状态；并且

25、晶体保持器组件配置有轻质且紧凑的结构，所述结构被配置成容纳具有不同cte的各种部件，以便最小化lbo晶体上的热应力。

技术实现思路

1、通过设置有ir光源和激光头的模块化可见光纤激光器来满足这些需求，所述激光头配置有频率转换器。公开了与相应的激光头部件相关的几个结构方面以及解决上文列举的各个问题。每个方面都单独地包括一个或更多个特征，这些一个或更多个特征单独地或以与相同的和其它方面的其它特征任意组合的方式有助于小型化、轻质、自动化友好的和成本效益高的激光头。

2、根据一个方面，本发明的激光头配置有电光印刷电路板(eo pcb)，所述电光印刷电路板由陶瓷制成、被金属化层覆盖、并且设置有用于相应的光学和电气部件的电气路径和精确指定位置。因此，eo pcb既可以用作激光头的支撑基部或底部，也可以用作光学实验台。它被用作相互堆叠的大型cu壳体底部和cu光学实验台的替代。薄的、轻量的eo pcb减少了所公开的激光头的占地面积和重量，并且对于激光头的组装过程的自动化是重要的。

3、eo pcb支撑由科瓦铁镍钴合金(kovar)或铝(al)制成的框架，并且通常沿eo pcb的边缘延伸。框架的侧中的一侧形成有向内凹入的部分，所述部分在eo pcb上提供了袋状部。袋状部的形状和尺寸被设计成接收usb电缆插头。后者在激光头的电气部件与外部装置(诸如电源和控制器)之间提供电耦合。框架的凹入部分将usb插头与头的内部的其余部分隔离，并且消除了通常安装在已知激光头中以将插头与激光头壳体的内部隔离的额外的隔板和膨胀材料。盖和框架可以被制造为单独的部件，也可以被制造为单件部件。

4、根据另一方面，输入和输出ir准直器组件被安装在壳体中。准直器组件各自包括支撑光纤的远端的单件式保持器，所述光纤远端被耦接到由石英、准直器和额外的部件制成的端块，如下文论述的。

5、根据本方面的一个特征，代替在已知准直器组件中连接光纤远端和端块的胶水，这些部件彼此被激光焊接。与胶水相反，焊接或焊缝对由壳体内的高功率光所产生的大量热载荷具有很高的抵抗力。

6、不可避免地，当高功率ir光在壳体内传播时，它会部分地偏离并从端块朝向输入端口背反射。输入端口接收密封到壳体的光纤连接器。经背反射的光会危害密封件的完整性，密封件在损坏时会使壳体的内部暴露于环境危害并且有时会导致光纤燃烧。

7、因此，本方面的另一特征有助于使经背反射的杂散光朝向密封件的传播最小化。特别地，在所述端块与所述输入端口之间的所述保持器上安装有挡光器。挡光器的位置阻止了经背反射的杂散光进一步朝向密封件传播。

8、挡光器的一种可能的配置具有包括底部厚板或底板和顶部厚板或顶板的蛤壳结构。所述底部厚板被安装在所述保持器上并且具有与所述顶部厚板的底表面接触的顶表面。顶部表面和底部表面中的一者或两者被机加工有相应的大致u形的凹部，当所述顶部厚板被安装在所述底部厚板的顶部时，所述凹部形成供所述光纤拉伸而穿过的通道。所述通道的尺寸被设计成使得经背反射的杂散光入射到相应的厚板的远端面上，所述厚板因此起保护屏障的作用，从而使经背反射的光的传播最小化。

9、根据所述挡光器的另一配置，两个板都被安装在所述保持器上，使得它们各自的内侧彼此邻接。与厚板一样，一个或两个邻接的侧具有各自的小凹部，所述小凹部彼此对准，从而形成通道。所述光纤延伸穿过所述通道，所述通道的内径略大于所述光纤的外径。面对端块的相应的板的这些侧阻止了大部分的经背反射的杂散光进一步朝向密封件传播。

10、经背反射的ir光也被耦合到光纤的包层中，并对密封件产生与杂散光相同的危险。为了最小化包层引导的经背反射的光的影响，所述光纤可以配置有沿光纤拉伸部形成的包层模滤波器，所述光纤拉伸部从聚合物保护层剥离并位于挡光器与输入端口之间。模滤波器由硅制成，由于折射率不同，即，硅的折射率高于二氧化硅的折射率，因此与自包层的经背反射的光解耦。挡光器和包层模滤波器单独地或以彼此组合的方式极大地减少了入射到密封件上的高功率背反射的光的量。

11、本方面的又一特征包括套圈，所述套圈被安装在所述保持器上并且由从其保护层剥离的所述光纤穿过。套圈的中心孔几乎不大于包层的外径，并且基本上小于形成在挡光器中的通道。套圈可以与任何挡光器和模过滤器或这些元件中的任何一个单独地配对，甚至被单独地使用。

12、本发明的准直器组件的另一特征与红色激光器更相关，但当然可以用于所有类型的可见光激光器。为了输出宽波长范围的红光，根据需要，ir输入光优选地应覆盖1000nm至1400nm波长范围因此，根据本发明的特征，激光焊接到光纤端部的端块的表面被设置有随机排列的亚波长尺寸的纳米尖峰。端块的结构化表面在期望的吸收光谱中被证明是有效的。

13、如果在本发明中使用的光纤用teflontm含氟聚合物缓冲，则所有上述特征对于预期目的甚至变得更有效。后者为光纤提供了对高温、化学反应、腐蚀和应力开裂的有益的抵抗力。

14、本发明的另一方面涉及一种频率转换组件，尤其涉及一种晶体保持器子组件。与晶体保持器子组件相关的主要困难源于lbo对温度梯度的特殊反应以及具有彼此不同的cte的多个部件。

15、根据本方面的一个特征，所述晶体保持器子组件包括耦合到所述eo pcb的tec。tec通常由具有与eo pcb的cte匹配的cte的半导体n型和p型材料制成。所述子组件还包括热护套和rdt，所述热护套被安装在所述tec的顶部并且其尺寸被设计成接收lbo晶体。

16、热护套的配置考虑了各lbo晶体与热护套的不同cte。由于这些部件之间的cte失配实际上是不可避免的，因此所公开的热护套具有各种变型例，每种变型例都允许lbo晶体基本上不受限制地膨胀。

17、根据热护套的一种变型例，两个相同的金属片或钣金被构造为热护套的相应的半部。首先对每个金属片或钣金进行激光处理，以具有一系列间隔开的狭缝，这些狭缝从所述金属片或钣金的一个纵向边缘朝向相对的纵向边缘延伸。然而，狭缝终止于与相对的边缘相距一距离的位置。此后，每个片被成形为具有大致c形横截面或z形横截面。然后将经成形的片安装在所述tec或子安装件或任何其它基座结构上，使得相应的经开槽的边缘彼此面对。经组装的片形成沿纵向轴线延伸的内部通道，并且其尺寸被设计成接收所述晶体。

18、基于前述内容，所述热护套配置有多个夹具，每个夹具具有一对柔性臂，所述一对柔性臂压靠所述晶体的相应的侧和顶部。护套与晶体之间的这种接触防止了晶体相对于护套的位移。然而，弹性臂基本上不会阻碍lbo的膨胀。众所周知，沿lbo晶体的纵向轴线观察到其最大cte，但是护套具有相对的轴向间隔开的敞开的端部，这允许晶体在轴向方向上自由膨胀。

19、晶体保持器的另一特征涉及一种护套支撑结构，所述护套支撑结构可以包括位于eo pcb顶部的陶瓷子安装件。加热层安装到子安装件的顶部并覆盖介电绝缘件。然后将介电层放置于加热层和晶体护套的顶部，所述晶体护套通过所插入的焊盘而焊接到介电层。加热层与晶体护套之间的介电层提供了这些部件之间的电绝缘。

20、根据本发明的另外的特征方面，大多数大型光学部件(诸如透镜和反射镜)由相应的托架支撑，所述托架又被直接安装在所述eo pcb上。在激光头的组装期间的一个问题包括在光学部件安装到所述头之后光学地对准所述光学部件。对准对于使激光头内的光损失最小化来说是必要的。所述对准可以包括使所述托架绕大致正交于所述eo pcb的平面的轴线倾斜和旋转或偏航。

21、所述支架配置有支撑所述光学部件的基部、和弹性地压靠在所述光学元件的相应面上的一对侧。为了提供支架的倾斜，一对弹性叶片焊接到eo pcb，所述一对弹性叶片从所述托架的底部被切割并向外弯曲。向eo pcb施加外力会导致这些叶片中的一个叶片屈服。所述托架的偏航运动由凸台实现，所述凸台像叶子一样形成在托架的底部的外表面上并被耦接到eo pcb。

22、如果结合以下附图考虑的，将更容易明白上述和其它方面，其中：