技术领域
[0001] 本
发明涉及
二极管泵浦固体
激光器领域，更具体地说，涉及一种水冷半导体光源侧泵固体激光模块，也就是含有几款水冷半导体光源侧泵固体激光模块的激光器。
背景技术
[0002] DPSSL英文全称为DiodePumpSolidStateLaser,即二极管泵浦固体激光器，是近年来国际上发展最快，应用较广的新型激光器。该类型的激光器利用输出固定
波长的半导体激光器代替了传统的氪灯或氙灯来对激光晶体进行泵浦，从而取得了崭新的发展，被称为第二代的激光器。DPSSL的发展与半导体激光器的发展是密不可分的。1962年，第一只
同质结砷化镓半导体激光器问世，1963年，美国人纽曼就首次提出了用半导体做为固体激光器的泵浦源的构想。但在早期，由于二极管的各项性能还很差，作为固体激光器的泵浦源还显得不成熟。直到1978年
量子阱半导体激光器概念的提出，以及八十年代初期MOCVD技术的使用及应变量子阱激光器的出现，使得LD的发展步上了一个崭新的台阶。在进入九十年代以来，大功率的LD及LD列阵技术也逐步成熟，从而，大大促进了DPSSL的研究。
[0003] DPSSL包括好几种，其中“侧面泵浦(Side Pump)固态激光器”的激光头一般由三个二极管泵浦模块围成一圈组成泵浦源，每个泵浦模块又由3个带微透镜的二极管线阵组成。每个线阵的输出功率平均为20W输出波长为808nm。该装置采用玻璃管巧妙地设计了泵浦腔和制冷通道。玻璃管的表面大部分
镀有808nm的高反膜，剩余的部分呈120°镀有三条808nm增透膜，这样便形成了一个泵浦腔。二极管泵浦源发出的光经过三对光束整形透镜会聚到这三条镀增透膜的狭长区域内，然后透过玻璃管的管壁，被晶体吸收。由于玻璃管大部分区域镀有高反膜，使得泵浦光进入泵浦腔以后，便在其中来回的反射，直至被晶体充分地吸收，而且在晶体的横截面上形成了均匀的增益分布。同时玻璃管还能用于制冷，高速通过的
冷却水将产生的热量迅速带走。晶体采用的是一根复合结构的Nd:YAG棒，有效尺寸为j3*
63mm，掺杂浓度为1.5at.％.当泵浦光功率为180W时，得到了72W的激光输出，该装置(或模块)的光光转换效率高达40％。
[0004] 目前调Q激光器已拥有众多波长，包括266、355、523.5、526.5、532、656.5、660、1047、1053、1064、1313、1319nm，由于调Q激光器能获得高
峰值功率，窄脉宽而被广泛应用于工业加工，科研领域。
[0005] 目前
现有技术相关固体激光模块，有的仅仅限于模型，难以批量生产；市场上已有的模块(固体激光器)因精
密度过高而引起的抗震能
力差；有的市场上的批量生产出来的DPSSL，缺点是光光转换效率不够高、长期使用后机械部件老化造成部件的
稳定性差；现有技术中此类模块，因为内部泵浦功率高而聚光腔受
热膨胀容易导致
短路；现有技术中存在另外的缺点是，与其他光学器件的配合有一定难度。
发明内容
[0006] 1.要解决的技术问题
[0007] 针对现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种水冷半导体光源侧泵固体激光模块，它可以解决或避免背景技术中出现的问题，分别列举如下：
[0008] 结构部件相对独立可检测，模块内每个零部件均可以通过特定夹具、工装测试及检验；
[0009] 机械结构紧凑简易、轻量化，多处采用了减重设计，解决了模块精密度过高而引起的抗震能力差的问题；
[0010] 兼顾模块长期使用后机械部件老化的问题，提前采用了有针对性的材质选型，保证了模块长期使用的部件稳定性；
[0011] 泵浦结构科学合理，经过大量实验验证，保证了光光转化效率不低于40％，经过实验数据分析，本发明光光转化效率甚至高于42％；
[0012] 采用了
申请人所在单位独有的分段式聚光腔设计，极大降低了模块内部泵浦功率高而聚光腔受热膨胀导致短路的
风险；
[0013] 水经由模块下方的自主研发设计的不锈
钢快拧
插件以特定
角度注入模块内部进行冷却循环，客户在使用中可将激光器
机舱设计为上下结构，以方便实现机舱的
水电光分离；
[0014] 泵浦源与工作物质的冷却通路为并联，可根据设计来灵活调节，避免了
串联水路不灵活的冷却问题；
[0015] 在传统水冷侧泵固定激光模块的前后出光口平面上，
机械加工出了三处呈特殊角度对应的
支架，具体光路调节中可以通过固定在支架内的三枚螺丝来物理调节模块两端的出光平面及相对于光路中的相对
位置，降低客户在实际光路应用中的调节难度和与其他光学器件的配合难度。
[0016] 2.技术方案
[0017] 为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
[0018] 一种一种水冷半导体光源侧泵固体激光模块，包括覆
铜板若干个、玻璃管、
电极若干个、热沉若干个、腔体、用于机械固定线阵分段式聚光腔的
挡板固定在挡板上的衬盖、与挡板连接的水盖、与衬盖连接的压盖、固定平台的底座、位于底座下侧且与外接气管相连接的快拧水嘴及快拧水嘴套件；该模块的半导体封装多方向侧面泵浦固体工作物质，在特定
电流和水冷调节下，输出特定波长的光
能量。
[0019] 优选的方案是，模块内部采用多方向半导体光源泵浦固体工作物质来产生532nm、656.5nm、660nm、1047nm、1053nm、1064nm、1313nm、1319nm等典型波长的激光，通过调Q、
锁模等技术调节该模块在脉冲工作模式下产生高单脉冲能量或者连续电功率供应下产生连续输出功率；陶瓷、电极和bar条构成单元封装，单元与热沉、覆铜板结合成为线阵，组成泵浦光源，在正常的通水通电情况下，泵浦光源会出射有特定波段的光；所述工作物质在一定的冷却环境下，受特定波段的光照射，自发产生具有特定波段、特定光束
质量的光；所述腔体为分段式聚光腔，收束泵浦光，多次反射实现工作物质对泵浦光的充分吸收。
[0020] 优选的方案是，所述工作物质为YAG晶体，在包括室温的环境下，受特定波段的光照射，自发产生具有特定波段、特定光束质量的光；YAG晶体外围有玻璃管，所述玻璃管外围是腔体，所述玻璃管内有可流动的循环
冷却液；所述玻璃管采用透明材质；热沉、挡板、衬盖、水盖都分别位于YAG晶体上方，与衬盖连接的2个压盖分别位于YAG晶体的两端；
[0021] 进一步的，封装包括半导体单元封装和或半导体线阵封装。
[0022] 半导体单元封装的封装方法包括下列工序：
[0023] 第一工序，在半导体单元的电极焊盘上形成隆起电极；
[0024] 第二工序，在隆起电极的末端附近附着导电粘着剂；
[0025] 第三工序，将隆起电极和衬底的
端子电极对准，将半导体单元设置到衬底上，通过导电粘着剂使半导体单元的隆起电极和衬底的端子电极电连接；
[0026] 第四工序，调整由
粘度为100Pa·s以下、触变指数为1.1以下的混合物构成的封装材料；
[0027] 第五工序，将封装材料填充到半导体单元和衬底之间的间隙中；
[0028] 第六工序，使封装材料硬化，使半导体单元和衬底之间结合。
[0029] 进一步的，半导体线阵封装包括：
[0030] 由包括单元、5个热沉、5个覆铜板、若干陶瓷、若干bar条线阵组成，且覆铜板所处中心线相互之间分别间隔形成72°角。
[0032] 具体
实施例应用中，根据300mm长度
谐振腔、20％前镜输出、22A-25A电流输入下模块所输出光功率确定出该四款水冷半导体光源侧泵固体激光模块的名称，即为：PM150、PM300、PM500和PM500-S。
[0033] 进一步的，各结构部件相对独立可检测或测试，对研发的模块进行测试包括以下各个方面：
[0034] 一、谐振腔调节；
[0035] 二、模块调节；
[0036] 三、通水通电测试。
[0037] 更进一步的，水经由模块下方的
不锈钢快拧套件211以特定角度注入模块内部进行冷却循环，优选将激光器机舱设计为上下结构，实现机舱的水电光分离；泵浦源与工作物质的冷却通路为并联；
[0038] 本发明在传统水冷侧泵固定激光模块的前后出光口平面上，机械加工出三处呈特殊角度对应的支架，通过固定在支架内的三枚螺丝来物理调节模块两端的出光平面及相对于光路中的相对位置。
[0039] 3.有益效果
[0040] 相比于现有技术，可知本发明的优点通过以下三个对比，可见分晓。
[0041] (1)本发明与
闪光灯泵浦的固体激光器相比，优点包括：
[0042] ①能量转换效率高。由于半导体
激光二极管的电光转换效率可达30％以上，远远高于一般闪光灯的转换效率，又由于半导体激光二极管的输出激
光谱线较窄，并且可以通过改变其激活区成分和结构，或改变其
工作温度，使输出激光中心波长和固体工作物质吸收峰准确地重合，所以DPSSL的转换效率很高。实验结果表明，端泵浦的效率最高(总效率约为7％)。尤其是用半导激光进行端面泵浦时，泵浦光与固体激光在空间上可以很好地匹配,可使泵浦光的利用率得到进一步提高。DPSSL的总体效率比闪光灯泵浦的固体激光器可以提高一个数量级。
[0043] ②与半导体激光二极管相比，DPSSL的输出激光谱线窄几个数量级，激光发散角很小，有很高的时、空相干性，并且很容易获得较高的输出功率。这正是在许多种情况下并不直接利用半导体激光二极管，而采用DPSSL的原因。
[0044] ③
频率稳定性好。由于DPSSL在工作时产生的无功热量少，所以工作物质的温度稳定。又因为DPSSL可以制获全固态器件，所以可消除振动的影响。一种采用YAG和有效稳定法的DPSSL，其频率急定性达到了30Hz，而一般的固体激光器频率稳定性不会优于17kHz。
[0045] (2)本发明与传统等泵浦激光器的比较具有以下几点优势：
[0046] ①工作时间长。传统的氪灯或氙灯寿命只有几百小时，最长的不超过2000小时。而用于泵浦的二极管激光器寿命高达上万小时，从而大大降低了使用者的维护成本。
[0047] ②低功耗。传统的灯泵浦激光器的转换效率大约只有3％左右，泵浦灯的发出的能量大部分转换成了
热能，造成了极大的
能源浪费。而DPSSL所用的LD发出固定的，被激光晶体吸收的808nm波长的激光，光光转换效率可高达40％以上，大大减少了运行成本。
[0048] ③体积小，便于设计小型化。一台DPSSL激光器大约只有传统灯泵浦激光器体积的1/3甚至更小，便于携带。
[0049] ④光光转换效率高、光束质量好、可靠性强等优点。
[0050] (3)本发明与现有同类型激光器的比较具有以下几点优势：
[0051] ①结构部件相对独立可检测，模块内每个零部件均可以通过特定夹具、工装测试及检验；
[0052] ②机械结构紧凑简易、轻量化，多处采用了减重设计，解决了模块精密度过高而引起的抗震能力差的问题；兼顾模块长期使用后机械部件老化的问题，提前采用了有针对性的材质选型，保证了模块长期使用的部件稳定性；泵浦结构科学合理，经过大量实验验证，保证了光光转化效率，有的实验数据经分析可知其光光转化效率高于42％；
[0053] ③采用了独有的分段式聚光腔设计，极大降低了模块内部泵浦功率高而聚光腔受热膨胀导致短路的风险；水经由模块下方的自主研发设计的不锈钢快拧插件以特定角度注入模块内部进行冷却循环，客户在使用中可将激光器机舱设计为上下结构，以方便实现机舱的水电光分离；
[0054] ④泵浦源与工作物质的冷却通路为并联，可根据设计来灵活调节，避免了串联水路不灵活的冷却问题；
[0055] ⑤在传统水冷侧泵固定激光模块的前后出光口平面上，机械加工出了三处呈特殊角度对应的支架，具体光路调节中可以通过固定在支架内的三枚螺丝来物理调节模块两端的出光平面及相对于光路中的相对位置，降低客户在实际光路应用中的调节难度和与其他光学器件的配合难度。
附图说明
[0056] 图1为本发明的一优选实施例的内部结构示意图；
[0057] 图2为本发明的一优选实施例的整体结构示意图；
[0058] 图3为本发明一个测试实施例的原理图；
[0059] 图4为本发明一优选实施例的立体结构爆炸图；
[0060] 图5为本发明一优选实施例的立体结构前侧视图；
[0061] 图6为本发明一优选实施例的后视图；
[0062] 图7为本发明一优选实施例的后侧斜视图；
[0063] 图8为本发明PM150水冷半导体光源侧泵固体激光模块一优选实施例的整体结构示意图；
[0064] 图9为本发明PM300水冷半导体光源侧泵固体激光模块一优选实施例的整体结构示意图；
[0065] 图10为本发明PM500水冷半导体光源侧泵固体激光模块一优选实施例的整体结构示意图；
[0066] 图11为本发明的PM500-S水冷半导体光源侧泵固体激光模块一优选实施例的整体结构示意图。
[0067] 图中标号说明：
[0068] 101覆铜板，102电极，103YAG晶体，104玻璃管，105热沉，106腔体，107陶瓷，108bar条；
[0069] 201玻璃管，202YAG晶体，203热沉,204腔体，205挡板，206衬盖，207水盖，208压盖，209底座，210快拧水嘴，211快拧水嘴套件；
[0070] 301冷水机，302红光指示器，303全反镜，304半导体激光电源，305模块，306增透镜，307光电功率计。
具体实施方式
[0071] 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；都属于本发明保护的范围。
[0072] 在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0073] 在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0074] 实施例一：
[0075] 如图1-7所示，本实施例提供的一种水冷半导体光源侧泵固体激光模块，一种一种水冷半导体光源侧泵固体激光模块，包括覆铜板101若干个、玻璃管104、电极102若干个、热沉105若干个、腔体106、用于机械固定线阵分段式聚光腔的挡板205固定在挡板205上的衬盖206、与挡板205连接的水盖207、与衬盖206连接的压盖208、固定平台的底座209、位于底座209下侧且与外接气管相连接的快拧水嘴210及快拧水嘴套件211；
[0076] 该模块的半导体封装多方向侧面泵浦固体工作物质，在特定电流和水冷调节下，输出特定波长的光能量。
[0077] 优选的方案是，模块内部采用多方向半导体光源泵浦固体工作物质来产生532nm、656.5nm、660nm、1047nm、1053nm、1064nm、1313nm、1319nm等典型波长的激光，通过调Q、锁模等技术调节该模块在脉冲工作模式下产生高单脉冲能量或者连续电功率供应下产生连续输出功率；
[0078] 陶瓷107、电极102和bar条108构成单元封装，单元与热沉105、覆铜板101结合成为线阵，组成泵浦光源，在正常的通水通电情况下，泵浦光源会出射有特定波段的光；
[0079] 工作物质在一定的冷却环境下，受特定波段的光照射，自发产生具有特定波段、特定光束质量的光；
[0080] 腔体106为分段式聚光腔，收束泵浦光，多次反射实现工作物质对泵浦光的充分吸收。
[0081] 在本实施例中，如图1-图2所示，工作物质为YAG晶体103202，在包括室温的某种环境下，受特定波段的光照射，自发产生具有特定波段、特定光束质量的光；YAG晶体202外围有玻璃管201，玻璃管201外围是腔体204，玻璃管201内有可高速流动的循环冷却液；玻璃管201采用透明材质；热沉203、挡板205、衬盖206、水盖207都分别位于YAG晶体202上方，与衬盖206连接的2个压盖208分别位于YAG晶体202的两端；
[0082] 具体实施例应用中，根据300mm长度谐振腔、20％前镜输出、22A-25A电流输入下模块所输出光功率确定出该四款水冷半导体光源侧泵固体激光模块的名称，即为：PM150、PM300、PM500和PM500-S。
[0083] 进一步的，各结构部件相对独立可检测或测试，对研发的模块进行测试包括以下各个方面：
[0084] 一、谐振腔调节；
[0085] 二、模块调节；
[0086] 三、通水通电测试。
[0087] 实施例二：
[0088] 如图1所示，本实施例提供的一种一种水冷半导体光源侧泵固体激光模块，包括覆铜板101若干个、玻璃管104、电极102若干个、热沉105若干个、腔体106、用于机械固定线阵分段式聚光腔的挡板205固定在挡板205上的衬盖206、与挡板205连接的水盖207、与衬盖206连接的压盖208、固定平台的底座209、位于底座209下侧且与外接气管相连接的快拧水嘴210及快拧水嘴套件211；
[0089] 该模块的半导体封装多方向侧面泵浦固体工作物质，在特定电流和水冷调节下，输出特定波长的光能量。
[0090] 在本实施例中，如图1-图7所示，封装包括半导体单元封装和或半导体线阵封装。
[0091] 半导体单元封装的封装方法包括下列工序：
[0092] 第一工序，在半导体单元的电极102焊盘上形成隆起电极102；
[0093] 第二工序，在隆起电极102的末端附近附着导电粘着剂；
[0094] 第三工序，将隆起电极102和衬底的端子电极102对准，将半导体单元设置到衬底上，通过导电粘着剂使半导体单元的隆起电极102和衬底的端子电极102电连接；
[0095] 第四工序，调整由粘度为100Pa·s以下、触变指数为1.1以下的混合物构成的封装材料；
[0096] 第五工序，将封装材料填充到半导体单元和衬底之间的间隙中；
[0097] 第六工序，使封装材料硬化，使半导体单元和衬底之间结合。
[0098] 实施例三：
[0099] 与实施例一类似，在本实施例中，如图1-图7所示，不同之处在于，半导体线阵封装包括：
[0100] 由包括单元、5个热沉105、5个覆铜板101、若干陶瓷107、若干bar条108线阵组成，且覆铜板101所处中心线相互之间分别间隔形成72°角。在本实施例中，更为优选的是，线阵电路串联。
[0101] 实施例四：
[0102] 与实施例一类似，在本实施例中，如图1-图7所示，不同之处在于，水经由模块下方的不锈钢快拧套件211以特定角度注入模块内部进行冷却循环，优选将激光器机舱设计为上下结构，实现机舱的水电光分离；
[0103] 泵浦源与工作物质的冷却通路为并联；
[0104] 在传统水冷侧泵固定激光模块的前后出光口平面上，机械加工出三处呈特殊角度对应的支架，通过固定在支架内的三枚螺丝来物理调节模块两端的出光平面及相对于光路中的相对位置。
[0105] 实施例五：
[0106] 与实施例一类似，在本实施例中，如图8所示，根据300mm长度谐振腔、20％前镜输出、22A-25A电流输入下模块所输出光功率确定出该四款水冷半导体光源侧泵固体激光模块的名称，即为：PM150。
[0107] 实施例六：
[0108] 与实施例一类似，在本实施例中，如图9所示，根据300mm长度谐振腔、20％前镜输出、22A-25A电流输入下模块所输出光功率确定出该四款水冷半导体光源侧泵固体激光模块的名称，即为：PM300。
[0109] 实施例七：
[0110] 与实施例一类似，在本实施例中，如图10所示，根据300mm长度谐振腔、20％前镜输出、22A-25A电流输入下模块所输出光功率确定出该四款水冷半导体光源侧泵固体激光模块的名称，即为：PM500。
[0111] 实施例八：
[0112] 与实施例一类似，在本实施例中，如图11所示，根据300mm长度谐振腔、20％前镜输出、22A-25A电流输入下模块所输出光功率确定出该四款水冷半导体光源侧泵固体激光模块的名称，即为：PM500-S。
[0113] 以上，仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此。任何熟悉
本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
