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激 光源

阅读：466发布：2020-05-11

专利汇可以提供激光源专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且激光源 (1)包括泵浦系统(2)和激活元件(3)，激活元件包括一掺杂的细长棒(4)和至少一用于向棒(4)引导至少一个泵浦光束的泵浦光线(F)的光学块 (5，6)。泵浦系统(2)产生多个平行的泵浦光线(F)。光学块(5，6)的进入面(5A，6A)倾斜于棒(4)的纵轴(X-X)而不垂直于泵浦光线(F)，以便通过折射来使泵浦光线(F)偏转，以使它们传输给棒(4)，并且进入面(5A，6A)的倾角是这样的使泵浦光线(F)到达棒(4)，以便在分布它的整个长度上。，下面是激光源专利的具体信息内容。

权利要求

1.激光源，包括：
-用于产生一个或多个泵浦光束的泵浦系统；和
-激活元件(3)，具有一拥有能够吸收所述泵浦光束的泵浦光线 (F)的掺杂基质的延长棒(4)，以便放大激光发射，以及具有一个或多个放置在所述延长棒(4)一侧的光学块(5，6)，以便向所述延长棒(4)引导泵浦光线(F)，
其特征在于，所述泵浦系统(2)被形成以产生多个相互平行并对所述激活元件(3)横向分布的泵浦光线(F)，该泵浦光线(F)面向着所述光学块(5，6)的一个或多个进入面(5A，6A)，其中光学块 (5，6)的所述进入面(5A，6A)中至少有一个部分相对于所述延长棒(4)的纵轴(X-X)是倾斜的，并且至少有一个部分相对于泵浦系统(2)产生的泵浦光线(F)是倾斜的，以便通过折射使所述泵浦光线(F)偏转，以使它们传输进入所述延长棒(4)，并且其中所述进入面(5A，6A)的倾角(θ)是这样的，它使泵浦光线(F)发生偏转而使这些光线到达所述延长棒(4)，以使它们被分布在延长棒(4) 的整个长度(L)上。
2.根据权利要求1的激光源，
其特征在于，所述激活元件(3)具有两个光学块(5，6)，这两个光学块被放置在所述延长棒(4)的每一面并且每一光学块均具有一倾斜的进入面(5A，6A)。
3.根据权利要求1的激光源，
其特征在于，所述泵浦系统(2)包括一个或多个激光二极管(8) 的线型阵列(7)。
4.根据权利要求1的激光源，
其特征在于，所述泵浦光线(F)平行于所述延长棒(4)的纵轴 (X-X)。
5.根据权利要求1的激光源，
其特征在于，每个进入面(5A，6A)的倾角(θ)依赖于所述延长棒(4)的长度L和形成光学块(5，6)的介质相对于在其中产生泵浦光线(F)的介质的折射率n。
6.根据权利要求5的激光源，
其特征在于，倾斜的进入面(5A，6A)和所述延长棒(4)的纵轴 (X-X)之间的倾斜角度θ满足下列等式：
cosθ＝n·cos(θ+arctan(H/L))
其中：
-cosθ表示θ的余弦；
-arctan(H/L)表示H/L的反正切；和
-H是光学块在进入面(5A，6A)处垂直于所述延长棒(4)纵轴 (X-X)的宽度。
7.根据权利要求2的激光源，
其特征在于，每一光学块(5，6)在其进入面(5A，6A)的对面具有第二个倾斜的面(5B，6B)，并且其中所述第二个倾斜的面(5B， 6B)的倾角(β)是这样的，它们导致泵浦光线(F)返回，产生一个或多个通过所述延长棒(4)的附加通路。
8.根据权利要求2的激光源，
其特征在于，所述延长棒(4)具有矩形横截面，其两相邻侧面分别限定了延长棒(4)的宽度(l)和高度(h)，其中所述高度(h)相应于激活元件(3)的高度，其中激活元件(3)的宽度(ltot)为所述延长棒(4)的所述宽度(l)和光学块(5，6)的宽度(2H)之和，并且其中激活元件(3)的高度(h)小于所述延长棒(4)宽度(l) 的两倍。
9.根据权利要求1的激光源，
其特征在于，光学块(5，6)的折射率小于所述延长棒(4)的折射率。

说明书全文

技术领域

本发明涉及激光源。

背景技术

众所周知激光源一般包括，至少：
-激活元件，其包括至少一掺杂棒，其中产生受激放大(激光)现象。
-泵浦系统，其产生至少一泵浦光束，其发射到所述激活元件中以便为所述激光放大提供所需能量；和
-光学谐振腔，其给予由此激光应用所获得的激光束以方向性和几何特性。
为了获得满意的泵浦，众所周知后者必需具有高效率和高均匀性 (在激活元件的掺杂棒上)，特别是在三能级激光的情况中。
关于泵浦系统的装置，第一种类型的泵浦是公知的，称为横向泵浦，其包括将所述泵浦系统，一般为激光二极管，与待泵浦的棒垂直放置。在此情况中，只要棒不太长，就有可能沿后者的纵轴获得良好的均匀性。尽管如此，效率通常是低的。此外，当棒比泵浦系统长时，就有必要提供一光学系统使泵浦均匀。这样的光学系统一般很大。无论如何，效率也仍然很低。
为了提高效率，有可能利用第二种类型的泵浦，称为纵向泵浦，其包括沿激光器棒的轴放置泵浦系统。在这种情况中，虽然效率可能很高，但是降低了均匀性，因为很难将远离泵浦系统的那一棒端进行泵浦。
此外，为了使泵浦能量模式(pattern)对称，实际上一般是将由激光二极管发射的泵浦光束注入到光纤中。在光纤出口处，近场和远场分布为圆形，这对泵浦有利。但是，这种类型的光纤耦合激光二极管非常昂贵。此外，获得的能量沉积在泵浦光束进入棒的进入面与出射面之间严重地减小。这降低了效率。
本发明涉及一种有可能弥补这些缺点的激光源，即一种既具有高输出又具有高均匀性泵浦的激光源。
文献EP-0 404 635公开了一种用于棒激光器的照明结构，其具有不受位置限制(delocalized)的光源，其能够有效地去除光泵浦源所产生的热量，同时仍可获得满意的泵浦均匀性。为了做到这一点，光源被放置在相同的不受位置(delocalized)限制的支座上，其拥有散热装置，并且照明结构包括将泵浦光束转移到棒的光转移系统。此光转移系统包括将泵浦光束传送给棒的反射装置。
但是，这种公知的照明结构体积相对很大并且效率不是最理想的。

发明内容

本发明的一个目的就是弥补这些缺点。它涉及小型的激光源，特别是其泵浦是非常均匀的并具有高的效率。
为此目的，根据本发明，所述类型的激光源包括至少：
泵浦系统(2)，用于产生至少一束泵浦光束；以及
激活元件，其包括一拥有能够吸收所述泵浦光束的泵浦光线的掺杂基质的延长棒，以便放大激光发射，以及包括至少一个放置在所述棒一侧的光学块，以便向所述棒引导泵浦光线，值得注意的是其中所述的泵浦系统被如此形成，以产生多束相互平行并对所述激活元件横向布的泵浦光线，其面对至少所述光学块的一个进入面，其中光学块的所述进入面至少部分地相对于所述棒的纵轴是倾斜的，并且至少部分地不垂直于泵浦系统所产生的泵浦光线，以便通过折射使所述泵浦光线偏转，以将它们传输给所述棒，并且其中所述进入面的倾斜是这样的，从而这些光线到达所述棒，使它们分布在其整个长度上。
因此，根据本发明，泵浦光线在棒的整个长度上被均匀地分布，从而泵浦特别均匀。
此外，泵浦光线的偏转是通过简单的折射来实现的。因此，为了实现这种偏转，不需要提供特殊的装置，如，例如折射装置，这种装置有时体积大而且需要附加的、通常是昂贵的并且是耗费时间的处理。
也应注意根据本发明，泵浦光线到光学块的进入不同于通常的实践，由此泵浦光线被垂直地发射到光学块的进入面。
优选地，所述激活元件包括两个光学块，它们被放置在所述棒的每一侧并且每一光学块均拥有一个倾斜的进入面，由此在两侧实现棒的泵浦。此外，如果在激活元件和泵浦系统相对于所述棒的纵轴是对称的，则该泵浦在两侧是一样的。
因此，根据这此附加的特点，泵浦不仅在棒的整个长度上，而且 (处处)遍及其厚度都是均匀的。
众所周知，事实上泵浦能量一般在穿透到棒的一个短距离内就被高度地吸收掉，因此位于泵浦光束进入所述棒穿透区域对侧的棒部分通常被弱泵浦。根据上述的沿两侧的泵浦，这种缺点被弥补并且泵浦在整个棒上做到了均匀(尽管棒的中心比其边缘要轻微地被弱泵浦)。
此外，根据本发明，泵浦光线必须通过棒，由此有可能获得高的效率。
有利地：
泵浦系统包括至少一个激光二极管的线型阵列；和
由所述泵浦系统产生的泵浦光线平行于所述棒的纵轴。
此外，有利地，每个进入面的倾斜依赖于棒的长度和形成光学块的介质相对于其中产生泵浦光线的介质的折射率n。更精确地，以一种有利的方式，倾斜的进入面和棒纵轴之间的倾斜角度(θ)近似满足下列等式：
cosθ＝n·cos(θ+arctan(H/L))
其中：
cosθ表示θ的余弦；
arctan(H/L)表示H/L的反正切；和
H是光学块在进入面处垂直于所述棒纵轴的宽度。
此外，在一特定的实施例中，每个光学块在其进入面的相对侧均具有第二倾斜的面并且所述第二面的倾斜是这样的它们使泵浦光线返回(朝进入面)，产生至少一条通过所述棒的附加通路。这样，对相同的泵浦光线就增加了通过棒的通路数目，因此增加了泵浦的效率。
此外，以有利的方式，棒具有矩形截面，其两相邻边分别限定了棒的宽度和高度，所述高度对应于激活元件的高度，激活元件的宽度包括所述棒的所述宽度以及光学块的宽度，并且激活元件的高度小于棒宽度的两倍。由于与其宽度相比激活元件的这种减小的高度(上面和下面之间)，有可能引导泵浦光线，使得它们从所述上面和下面被反射。运有可能限定短的引导路径并因此快速引导。
此外，关于折射率，每个光学块的折射率均有利地小于棒的折射率。因此，防止了泵浦光线被棒反射，而是通过棒。
附图说明
附图的图形将明晰地使人知道如何实现本发明。在这些图中，同一参考数字表示相似的元件。
图1示意性地示明了根据本发明的激光源。
图2用示意性透视法示明了根据本发明的激活元件。
图3和图4是解释根据本发明的激活元件不同尺寸的计算图示。
图5和图6是根据本发明的激活元件的两个示意性视图，分别为平面视图和侧视图。

具体实施方式

根据本发明的激光源1，其示意性地和部分示于图1中，其以一种公知的方式包括：
泵浦系统2，下面将详细描述，用于产生至少一个由泵浦光线F形成的一个泵浦光束；
激活元件3，其包括：
一个X-X轴向的具有矩形横截面的延长棒4，其拥有通常的掺杂基质(例如饵-镱掺杂)，以便接收泵浦光束F来放大激光束和
两个光学块(5，6)，例如由玻璃、镱铝石榴石(YAG)或者镱钒酸盐制成，其在所述棒4的每一面上被固定在一起，特别是采用接合，以便将泵浦光线F引向后者；和
未示出的公知光学谐振腔，其给予激光束以方向性和几何特性。
根据本发明：
所述的泵浦系统2被形成以产生(至少一泵浦光束的)多个泵浦光线F，该光线相互平行并且对所述激活元件3(均匀地)横向分布，其面对着光学块5和6中每一个的进入面5A，6A；
-所述光学块5和6中每一个的进入面5A和6A以角度θ倾斜于棒 4的纵轴X-X，该角度θ不同于90°(图2)；
-泵浦光线F被产生使其不垂直于相应的进入面5A，6A，以便通过折射来偏转；和
-每个进入面5A，6A的倾角(角度θ)是这样的它使通过它的泵浦光线F偏转，由此后者到达所述棒4，使得在整个长度L上被均匀分布，如图1所示。
因此，根据本发明：
泵浦光线F在棒4的整个长度上被均匀分布；和
泵浦在棒4的两侧被同样地实施，由此泵浦特别均匀并具有高的效率。
此外，泵浦光线F通过简单的折射在进入面5A，6A上被偏转，没有附加的装置，特别是没有折射装置。这种解决方案简单、紧凑而且廉价。
所述泵浦系统2包括拥有多个激光二极管8的线型阵列7，例如5 毫秒发射100W的阵列并且其具有10m×1μm的发射面积，拥有25个元激光二极管。
面向进入面5A和6A的阵列的那些部分的激光二极管8是沿阵列7 被均匀地分布的，以获得想要的发射出的泵浦光线F的均匀分布。
优选但是非排他地，相互平行的泵浦光线F平行于纵轴X-X发射。
但是，应注意，如果泵浦光线被(轻微地)倾斜于轴X-X发射，也可实施本发明。为了获得上述根据本发明的泵浦的均匀分布，改变进入面5A，6A的角度θ就足够。
进入面5A，6A优选为平面。但是，它也可被轻微地弯曲(则倾斜的角度不为定值，而是轻微地变化)。
因此，为了实施本发明，有可能使用标准的低成本的激光二极管 8。特别地，无需使用昂贵的光纤耦合激光二极管。
根据本发明，每个进入面5A，6A的倾斜角度θ依赖于棒4的长度 L和形成光学块5，6的介质(例如玻璃)相对于泵浦光F在到达相应进入面5A，6A之前在其中传播的介质(例如外部的空气)的折射率n。
更精确地，根据本发明，所述倾斜角度θ近似满足下列等式：
cosθ＝n.cos(θ+arctan(H/L)) (1)
其中：
-cosθ表示θ的余弦；
-arctan(H/L)表示H/L的反正切；和
-H是在进入面(5A，6A)处垂直于棒(4)纵轴(X-X)的光学块(5，6)的宽度，如图3所示(其为没有倾斜的进入面的示意性解释表示)。
为了进一步解释上述等式(1)，角度φ表示轴X-X与极端偏折的泵浦光线F之间对应的角度，其允许棒4在面对泵浦系统2的4B对面端部4A处被泵浦。
该角度φ近似满足等式(图3)：
φ＝arctan(H/L) (2)
此外，对通过进入面5A，6A的光线的折射定律可写为(见图4)：

\sin (\frac{π}{2} - θ) = n . \sin (\frac{π}{2} - (φ + θ))

即：
cosθ＝n.cos(θ+φ) (3)
上述等式(1)从所述等式(2)和(3)得到。
关于激光源1的一个特定实例的激活元件3的实际尺寸，想要的效率、泵浦光束的能量特性和棒4的泵浦特性应特别加以考虑。
应注意，棒4的长度L可从下列等式获得：

L = \frac{Ln (\sqrt{G)})}{g_{0}}

其中：
-ln表示自然对数；
-G表示一个往返行程的增益；和
-g0表示小信号增益。
作为一实例，使用下列值，其给出了大约平均为12J/cm3的沉积密度：
G＝1.8
g0＝0.11cm-1
长度L取值：
L＝25mm
关于宽度H，其根据激光二极管8的阵列7的长度ltot来限定，即近似：
ltot＝2H+1，
l为棒4的宽度。
宽度H的值因此由等式获得：
H＝(ltot-1)/2。
应注意，实际上激活元件的宽度大于ltot，以便将阵列的发散和位置的容限考虑进去。激活元件的总宽度则变为宽度＝2H+1+2ε，ε是进入面的光束的半展宽和激活元件相对于激光二极管的相对定位的半容限的和。
关于角度θ，利用参数H和因此被确定的L从上述等式(1)获得。
关于棒4的宽度l，利用通过吸收介质传输的公知定律，写成：

2 e \frac{- αl}{2 \sin θ} = x

这里α是介质的吸收系数，x是在棒4中心处的泵浦能量相对于到达表面的能量的期望的百分比。
该定律允许宽度l被确定。
此外，高度h由棒4(图2)的这个宽度l、长度L和体积V (V＝l×h×L)来限定，根据泵浦光束或光束的能量，需要它来获得想要的平均能量沉积。
因此，为了用每个全-功率脉冲发射0.5J的激光二极管8获得例如12J/cm3的平均沉积，其中0.45J为有用能量，棒4的体积V必须近似为：
V＝0.45/12＝0.0375cm3＝37.5mm3。
应注意，在一优选实施例中，激活元件3具有下列尺寸：
L＝25.7mm
φ＝12.5°
θ＝57.3°
l＝1.1mm
h＝1.3mm
由于棒4置于激活元件3(图2)的整个高度h上，因此泵浦光线 F必须通过所述棒4(而不进行如在某种公知类型的激活元件的激活元件面的多次反射，其在最终通过棒之前导致了损耗)。这允许获得高的效率。
此外，根据本发明，光学块5和6相对于轴X-X是对称的，并且所述光学块5，6中的每一个均在其进入面5A，6A的对面具有倾斜于轴X-X的第二个面5B，6B。所述第二个面5B，6B的倾角β用通常的方式来选取，使它们引起泵浦光线朝进入面5A，6A返回，如图5的单一光线F所示。在上述优选实例中，角度β近似等于38.75°。
这有可能增加泵浦光线F通过棒4的通路数目，并因此增加泵浦的效率以及因此增加激光源1的效率。
光学块5，6的倾斜的面5A和5B、6A和6B连接在平行于轴X-X 的面5C，6C上。
此外，根据本发明，高度h(如图2所示，其既相应于棒4的高度也相应于光学块5和6的高度)小于宽度l的两倍，并优选接近于所述宽度l，如前面用数值实例进行的说明。如果，激活元件3的高度h远小于其总宽度ltot。因此，为了减小泵浦光线F的路径长度，根据本发明，它的整个传播是沿快速轴被引导的，即从激活元件3的上面S1和下面S2反射，如图6所示，其相应于图5的顶视图。
此外，应注意：
光学块5和6以及棒4的材料必须优选具有足够相似的膨胀系数以允许在这些材料之间产生有效的接合；和
关于这些材料的折射率，为了防止泵浦光线F从棒4反射掉，对光学块5和6优选使用具有低折射率的材料。但是，由于泵浦光线F 总是相对地远离棒，因此，光学块5和6的折射率可以大出0.01而不会因此妨碍泵浦光线F大于7°的倾斜。
因此，本发明特别具有下列优点：
良好的纵向和深度方面的泵浦均匀性(在上述实例中，8.5到 13J/cm3之间)；
直接泵浦，没有光纤耦合激光二极管，即使是对小直径的棒4；
当对长度延长(例如25mm)和直径减小(例如1mm)的激活体积 (棒4)进行泵浦时，只借助简单的阵列7进行泵浦，没有任何光准直装置，和
无论工作温度如何和使用何种材料(玻璃)，都有高的效率(近似90°)和良好的均匀性。

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