專利名稱：集成式激光二極管腔內泵浦的全固態激光器的制作方法
技術領域：
本發明涉及全固態激光器，特別是一種集成式激光二極管腔內泵浦的全固態激光
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背景技術：
傳統上，激光二極管泵浦的全固態激光器都采用分立式的結構，激光二極管(或 激光二極管列陣)組成一個模塊，包含有激光芯片、熱沉、電極和光學準直系統等，而固態 激光器以激光激活介質為主要組成又構成一個模塊，包括晶體(或光纖)、冷卻系統、光學 系統、調Q和鎖模系統和機械結構等，由此導致整個固體激光器體積龐大、電光轉換效率 低、無法滿足現代應用對單位功率重量比(即獲得1瓦激光輸出所需的激光器重量)和節 能的需求，使全固態激光器的使用范圍只能限制在相對傳統的行業應用中，無法廣泛應用 在精細機械加工、航空航天和手持加工設備等日益重要的行業中。
發明內容
為了將現有的激光二極管泵浦的全固態激光器的體積減小到可以用于苛刻環境， 進一步提高激光二極管泵浦的全固態激光器的電光轉換效率，本發明提出一種集成式激光 二極管腔內泵浦的全固態激光器，該激光器不僅極大的降低了全固態激光器的單位功率重 量比，而且可以將目前全固態激光器的電光轉換效率(及插頭效率)由目前的不超過25% 增加到35%以上。本發明的技術解決方案如下一種集成式激光二極管腔內泵浦的全固態激光器，其特點是在L型在下熱沉上分 別采用銦焊接或導熱硅膠膠合的方法將激光二極管芯片、微光學整形器(105)和固體激光 介質的位置依次固定，兩端添加填充材料，將與所述的下熱沉對稱的L型上熱沉對稱地覆 蓋后，通過螺絲緊固集成為一個整體，所述的激光二極管芯片鍍全反膜的后端面和固體激 光介質的鍍對泵浦光的全反膜的左側面構成激光二極管的諧振腔，所述的激光二極管芯 片、微光學整形器和固體激光介質之間的自然面分別鍍對泵浦光的減反膜，所述的固體激 光介質兩端的諧振腔鏡構成固體激光器的諧振腔，所述的激光二極管芯片的陽極和陰極分 別從所述的下熱沉和上熱沉弓I出。所述的固體激光介質為薄板條形的激光晶體、激光陶瓷或光纖陣列。所述的固體激光諧振腔由激光介質的兩個端面鍍反射膜、或刻蝕光柵、或利用環 形耦合器、或外部的反射鏡構成。本發明的優點是1、本發明是集成化的、微型的、高效率和高光束質量的大功率輸出的全固態激光
o2、極大地降低了目前激光二極管泵浦的全固態激光器的單位功率重量比，同時電 光轉換效率獲得了很大的提高，相比于傳統全固態激光器，電光轉換效率由不到25%，提高到35%以上;3、由于與激光二極管的封裝工藝結合到一起，增加了整個系統的穩定性和可靠 性，具備標準化大規模批量生產的可能。
圖1是本發明集成式激光二極管腔內泵浦的全固態激光器的結構示意圖。圖2是本發明激光晶體和二極管芯片中的泵浦光和激光的光束尺寸分布圖。圖3是本發明的第_實施例光路示意圖。圖4是本發明的第二實施例光路示意圖。圖5是本發明的第三實施例光路示意圖。
具體實施例方式下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。先請參閱圖1，圖1是本發明集成式激光二極管腔內泵浦的全固態激光器的結構 示意圖。由圖可見，本發明集成式激光二極管腔內泵浦的全固態激光器，其構成是在L型在 下熱沉103上分別采用銦焊接或導熱硅膠膠合的方法將激光二極管芯片104、微光學整形 器105和固體激光介質106的位置依次固定，兩端添加填充材料102、108，將與所述的下熱 沉103對稱的L型上熱沉101覆蓋，通過螺絲緊固集成為一個整體，所述的激光二極管芯片 104鍍全反膜的后端面111和固體激光介質106的鍍對泵浦光的全反膜的左側面115構成 激光二極管的諧振腔，所述的激光二極管芯片104、微光學整形器105和固體激光介質106 之間的自然面分別鍍對泵浦光的減反膜110、112和113，所述的固體激光介質106兩端的諧 振腔鏡114和諧振腔鏡116構成固體激光器的諧振腔，所述的激光二極管芯片104的陽極 107和陰極109分別從所述的下熱沉103和上熱沉101引出。所述的激光二極管芯片104的后端為對泵浦波長高反射的多層介質膜111 (或其 它具有反射功能的結構)，另一端為對泵浦波長減反的多層介質膜110，激光二極管的陰極 109從可導電的上熱沉101的表面引出，陽極107由可導電的下熱沉103上引出。所述的激光介質106為薄板條形狀的激光介質，激活介質106可以是板條狀的激 光晶體、激光陶瓷、或者板條狀的光纖陣列等。在激光介質的兩端114和116由鍍膜鏡(或 光柵、或環形耦合器)構成固體激光器的諧振腔。在激光介質的一個側端面113為對泵浦 波長減反的多層介質膜，另一個側端面115為對泵浦波長高反射的多層介質膜。激光介質 與激光二極管芯片形成腔內泵浦的結構。所述的微光學整形器105可以是微柱面鏡、微棱鏡或微非球面鏡，功能為將激光 二極管出射的泵浦光的光束尺寸與激光介質中激光的光束尺寸匹配起來，增大輸出激光的 光束尺寸，減少發散角。在激光介質106和激光二極管芯片104中激光光束和泵浦光束的 光場分布如圖2所示，泵浦光201通過微光學整形器105后在激光介質106中與激光束202 完全重合，有效地提高了激光轉換效率。所述的固體激光諧振腔由在激光介質106的兩個出光面114和116鍍反射膜、或 刻蝕光柵、或利用環形耦合器、或外部的反射鏡構成。
實施例1如圖3所示，激光介質106由Nd: YAG晶體板條301構成，晶體板條301的尺寸為 1mm厚，8mm寬，10mm長，Nd離子的摻雜濃度為1%，在晶體板條301的一個端面116鍍有對 波長1064nm反射率大于99. 7%的反射膜，在晶體板條301的另一個端面114鍍有對波長 1064nm反射率為75%的部分反射膜，在晶體板條301的一個側端面113鍍有對808nm發射 率小于0. 2%的減反膜，在晶體板條301的另一個側面115鍍有對808nm發射率大于99. 7% 的全反膜。激光二極管芯片104為AsGaAl多層量子阱結構的芯片，激光二極管芯片的工作 中心波長為808nm，發光區域寬度為0. 2mm,發光區域間距0. 5mm,共有19個發光區分布在 10mm長的巴條上。泵浦光在激光二極管芯片104和晶體板條301之間往返振蕩如箭頭302 所示，輸出激光的傳輸方向如箭頭303所示。當在陽極107和陰極109之間加上1. 7V，16A 電流時，測試表明，本發明激光器的輸出功率為10W，電光轉換效率為36. 7%。實施例2如圖4所示，實施例2中激光介質106由光纖陣列403組成，光纖陣列403由4根 去掉外包層的摻鐿雙包層石英光纖并排熔接而成，光纖的內包層直徑500微米，內包層數 值孔徑為0. 46，摻鐿雙包層光纖的纖芯直徑20微米，數值孔徑為0. 07，纖芯中的三價鐿離 子的摻雜濃度為4000ppm。4根雙包層石英光纖由平行熔融拉錐的方法，形成漸變的光纖波 導光錐，當在陽極107和陰極109之間加上1. 7V，16A電流時，測試結果是，本實施例激光器 的輸出功率為12W，輸出波長llOOnm，電光轉換效率為44%。實施例3利用串接的方法將多個模塊連接起來獲得更高的功率輸出。如圖5所示，本實施 例中將3個光纖模塊501利用光纖熔接的方式串接起來，光纖模塊501的結構如圖4所示。 光纖熔接點502的光纖芯徑和數值孔徑一致，插入損耗小于0. ldB。每個模塊的輸出功率為 12W，3個串連的模塊總輸出功率為36W，電光轉換效率仍為44%。綜上所述，本發明是集成化的、微型的、高效率和高光束質量的大功率輸出的全固 態激光器。極大地降低了目前激光二極管泵浦的全固態激光器的單位功率重量比，同時電 光轉換效率獲得了很大的提高，相比于傳統全固態激光器，電光轉換效率由不到25%，提高 到35%以上；由于與激光二極管的封裝工藝結合到一起，增加了整個系統的穩定性和可靠 性，具備標準化大規模批量生產的可能。本發明還具有多個模塊串連的擴展性。
權利要求
一種集成式激光二極管腔內泵浦的全固態激光器，其特征是在L型下熱沉(103)上分別采用銦焊接或導熱硅膠膠合的方法將激光二極管芯片(104)、微光學整形器(105)和固體激光介質(106)的位置依次固定，兩端添加填充材料(102、108)，將與所述的下熱沉(103)對稱的L型上熱沉(101)覆蓋后，通過螺絲緊固集成為一個整體，在所述的激光二極管芯片(104)鍍全反膜的后端面(111)和固體激光介質(106)的鍍對泵浦光的全反膜的左側面(115)構成激光二極管的諧振腔，所述的激光二極管芯片(104)、微光學整形器(105)和固體激光介質(106)之間的自然面分別鍍對泵浦光的減反膜(110)、(112)和(113)，所述的固體激光介質(106)兩端的諧振腔鏡(114)和諧振腔鏡(116)構成固體激光器的諧振腔，所述的激光二極管芯片(104)的陽極(107)和陰極(109)分別從所述的下熱沉(103)和上熱沉(101)引出。
2.根據權利要求1所述的集成式激光二極管腔內泵浦的全固態激光器，其特征在于所 述的固體激光介質(106)為薄板條形狀的激光晶體、激光陶瓷或光纖陣列。
3.根據權利要求1所述的集成式激光二極管腔內泵浦的全固態激光器，其特征在于所 述的固體激光諧振腔由激光介質(106)的兩個端面鍍反射膜、或刻蝕光柵、或利用環形耦 合器、或外部的反射鏡構成。
4.根據權利要求1所述的集成式激光二極管腔內泵浦的全固態激光器，其特征在于所 述的微光學整形器(105)是微柱面鏡、微棱鏡或微非球面鏡。
全文摘要
一種集成式激光二極管腔內泵浦的全固態激光器，其特點是在下熱沉和上熱沉之間的內部依次集成有激光二極管芯片、微光學整形器和固體激光介質，在所述的激光二極管芯片鍍對泵浦光的全反膜的后端面和固體激光介質的鍍對泵浦光的全反膜的左側面構成激光二極管的諧振腔，所述的激光二極管芯片、微光學整形器和固體激光介質之間的自然面分別鍍對泵浦光的減反膜，所述的固體激光介質兩端的諧振腔鏡構成固體激光器的諧振腔，所述的激光二極管芯片的陽極和陰極分別從所述的下熱沉和上熱沉引出。本發明極大地降低了全固態激光器單位功率重量比；將全固態激光器的電光轉換效率增加到35％以上；具有多模塊串連的擴展性；可大批量標準化生產。
文檔編號H01S3/04GK101854026SQ20101017773
公開日2010年10月6日 申請日期2010年5月18日 優先權日2010年5月18日
發明者徐劍秋, 陳凡 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所