專利名稱：激光源的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光源。
-泵浦系統(tǒng)，其產(chǎn)生至少一泵浦光束，其發(fā)射到所述激活元件中以便為所述激光放大提供所需能量；和-光學(xué)諧振腔，其給予由此激光應(yīng)用所獲得的激光束以方向性和幾何特性。
為了獲得滿意的泵浦，眾所周知后者必需具有高效率和高均勻性(在激活元件的摻雜棒上)，特別是在三能級激光的情況中。
關(guān)于泵浦系統(tǒng)的裝置，第一種類型的泵浦是公知的，稱為橫向泵浦，其包括將所述泵浦系統(tǒng)，一般為激光二極管，與待泵浦的棒垂直放置。在此情況中，只要棒不太長，就有可能沿后者的縱軸獲得良好的均勻性。盡管如此，效率通常是低的。此外，當(dāng)棒比泵浦系統(tǒng)長時(shí)，就有必要提供一光學(xué)系統(tǒng)使泵浦均勻。這樣的光學(xué)系統(tǒng)一般很大。無論如何，效率也仍然很低。
為了提高效率，有可能利用第二種類型的泵浦，稱為縱向泵浦，其包括沿激光器棒的軸放置泵浦系統(tǒng)。在這種情況中，雖然效率可能很高，但是降低了均勻性，因?yàn)楹茈y將遠(yuǎn)離泵浦系統(tǒng)的那一棒端進(jìn)行泵浦。
此外，為了使泵浦能量模式(pattern)對稱，實(shí)際上一般是將由激光二極管發(fā)射的泵浦光束注入到光纖中。在光纖出口處，近場和遠(yuǎn)場分布為圓形，這對泵浦有利。但是，這種類型的光纖耦合激光二極管非常昂貴。此外，獲得的能量沉積在泵浦光束進(jìn)入棒的進(jìn)入面與出射面之間嚴(yán)重地減小。這降低了效率。
本發(fā)明涉及一種有可能彌補(bǔ)這些缺點(diǎn)的激光源，即一種既具有高輸出又具有高均勻性泵浦的激光源。
文獻(xiàn)EP-0 404 635公開了一種用于棒激光器的照明結(jié)構(gòu)，其具有不受位置限制(delocalized)的光源，其能夠有效地去除光泵浦源所產(chǎn)生的熱量，同時(shí)仍可獲得滿意的泵浦均勻性。為了做到這一點(diǎn)，光源被放置在相同的不受位置(delocalized)限制的支座上，其擁有散熱裝置，并且照明結(jié)構(gòu)包括將泵浦光束轉(zhuǎn)移到棒的光轉(zhuǎn)移系統(tǒng)。此光轉(zhuǎn)移系統(tǒng)包括將泵浦光束傳送給棒的反射裝置。
但是，這種公知的照明結(jié)構(gòu)體積相對很大并且效率不是最理想的。
為此目的，根據(jù)本發(fā)明，所述類型的激光源包括至少泵浦系統(tǒng)(2)，用于產(chǎn)生至少一束泵浦光束；以及激活元件，其包括一擁有能夠吸收所述泵浦光束的泵浦光線的摻雜基質(zhì)的延長棒，以便放大激光發(fā)射，以及包括至少一個(gè)放置在所述棒一側(cè)的光學(xué)塊，以便向所述棒引導(dǎo)泵浦光線，值得注意的是其中所述的泵浦系統(tǒng)被如此形成，以產(chǎn)生多束相互平行并對所述激活元件橫向布的泵浦光線，其面對至少所述光學(xué)塊的一個(gè)進(jìn)入面，其中光學(xué)塊的所述進(jìn)入面至少部分地相對于所述棒的縱軸是傾斜的，并且至少部分地不垂直于泵浦系統(tǒng)所產(chǎn)生的泵浦光線，以便通過折射使所述泵浦光線偏轉(zhuǎn)，以將它們傳輸給所述棒，并且其中所述進(jìn)入面的傾斜是這樣的，從而這些光線到達(dá)所述棒，使它們分布在其整個(gè)長度上。
因此，根據(jù)本發(fā)明，泵浦光線在棒的整個(gè)長度上被均勻地分布，從而泵浦特別均勻。
此外，泵浦光線的偏轉(zhuǎn)是通過簡單的折射來實(shí)現(xiàn)的。因此，為了實(shí)現(xiàn)這種偏轉(zhuǎn)，不需要提供特殊的裝置，如，例如折射裝置，這種裝置有時(shí)體積大而且需要附加的、通常是昂貴的并且是耗費(fèi)時(shí)間的處理。
也應(yīng)注意根據(jù)本發(fā)明，泵浦光線到光學(xué)塊的進(jìn)入不同于通常的實(shí)踐，由此泵浦光線被垂直地發(fā)射到光學(xué)塊的進(jìn)入面。
優(yōu)選地，所述激活元件包括兩個(gè)光學(xué)塊，它們被放置在所述棒的每一側(cè)并且每一光學(xué)塊均擁有一個(gè)傾斜的進(jìn)入面，由此在兩側(cè)實(shí)現(xiàn)棒的泵浦。此外，如果在激活元件和泵浦系統(tǒng)相對于所述棒的縱軸是對稱的，則該泵浦在兩側(cè)是一樣的。
因此，根據(jù)這此附加的特點(diǎn)，泵浦不僅在棒的整個(gè)長度上，而且(處處)遍及其厚度都是均勻的。
眾所周知，事實(shí)上泵浦能量一般在穿透到棒的一個(gè)短距離內(nèi)就被高度地吸收掉，因此位于泵浦光束進(jìn)入所述棒穿透區(qū)域?qū)?cè)的棒部分通常被弱泵浦。根據(jù)上述的沿兩側(cè)的泵浦，這種缺點(diǎn)被彌補(bǔ)并且泵浦在整個(gè)棒上做到了均勻(盡管棒的中心比其邊緣要輕微地被弱泵浦)。
此外，根據(jù)本發(fā)明，泵浦光線必須通過棒，由此有可能獲得高的效率。
有利地泵浦系統(tǒng)包括至少一個(gè)激光二極管的線型陣列；和由所述泵浦系統(tǒng)產(chǎn)生的泵浦光線平行于所述棒的縱軸。
此外，有利地，每個(gè)進(jìn)入面的傾斜依賴于棒的長度和形成光學(xué)塊的介質(zhì)相對于其中產(chǎn)生泵浦光線的介質(zhì)的折射率n。更精確地，以一種有利的方式，傾斜的進(jìn)入面和棒縱軸之間的傾斜角度(θ)近似滿足下列等式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是光學(xué)塊在進(jìn)入面處垂直于所述棒縱軸的寬度。
此外，在一特定的實(shí)施例中，每個(gè)光學(xué)塊在其進(jìn)入面的相對側(cè)均具有第二傾斜的面并且所述第二面的傾斜是這樣的它們使泵浦光線返回(朝進(jìn)入面)，產(chǎn)生至少一條通過所述棒的附加通路。這樣，對相同的泵浦光線就增加了通過棒的通路數(shù)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，其兩相鄰邊分別限定了棒的寬度和高度，所述高度對應(yīng)于激活元件的高度，激活元件的寬度包括所述棒的所述寬度以及光學(xué)塊的寬度，并且激活元件的高度小于棒寬度的兩倍。由于與其寬度相比激活元件的這種減小的高度(上面和下面之間)，有可能引導(dǎo)泵浦光線，使得它們從所述上面和下面被反射。這有可能限定短的引導(dǎo)路徑并因此快速引導(dǎo)。
此外，關(guān)于折射率，每個(gè)光學(xué)塊的折射率均有利地小于棒的折射率。因此，防止了泵浦光線被棒反射，而是通過棒。


圖1示意性地示明了根據(jù)本發(fā)明的激光源。
圖2用示意性透視法示明了根據(jù)本發(fā)明的激活元件。
圖3和圖4是解釋根據(jù)本發(fā)明的激活元件不同尺寸的計(jì)算圖示。
圖5和圖6是根據(jù)本發(fā)明的激活元件的兩個(gè)示意性視圖，分別為平面視圖和側(cè)視圖。
根據(jù)本發(fā)明所述的泵浦系統(tǒng)2被形成以產(chǎn)生(至少一泵浦光束的)多個(gè)泵浦光線F，該光線相互平行并且對所述激活元件3(均勻地)橫向分布，其面對著光學(xué)塊5和6中每一個(gè)的進(jìn)入面5A，6A；-所述光學(xué)塊5和6中每一個(gè)的進(jìn)入面5A和6A以角度θ傾斜于棒4的縱軸X-X，該角度θ不同于90°(圖2)；-泵浦光線F被產(chǎn)生使其不垂直于相應(yīng)的進(jìn)入面5A，6A，以便通過折射來偏轉(zhuǎn)；和-每個(gè)進(jìn)入面5A，6A的傾角(角度θ)是這樣的它使通過它的泵浦光線F偏轉(zhuǎn)，由此后者到達(dá)所述棒4，使得在整個(gè)長度L上被均勻分布，如圖1所示。
因此，根據(jù)本發(fā)明泵浦光線F在棒4的整個(gè)長度上被均勻分布；和泵浦在棒4的兩側(cè)被同樣地實(shí)施，由此泵浦特別均勻并具有高的效率。
此外，泵浦光線F通過簡單的折射在進(jìn)入面5A，6A上被偏轉(zhuǎn)，沒有附加的裝置，特別是沒有折射裝置。這種解決方案簡單、緊湊而且廉價(jià)。
所述泵浦系統(tǒng)2包括擁有多個(gè)激光二極管8的線型陣列7，例如5毫秒發(fā)射100W的陣列并且其具有10mm×1μm的發(fā)射面積，擁有25個(gè)元激光二極管。
面向進(jìn)入面5A和6A的陣列的那些部分的激光二極管8是沿陣列7被均勻地分布的，以獲得想要的發(fā)射出的泵浦光線F的均勻分布。
優(yōu)選但是非排他地，相互平行的泵浦光線F平行于縱軸X-X發(fā)射。
但是，應(yīng)注意，如果泵浦光線被(輕微地)傾斜于軸X-X發(fā)射，也可實(shí)施本發(fā)明。為了獲得上述根據(jù)本發(fā)明的泵浦的均勻分布，改變進(jìn)入面5A，6A的角度θ就足夠。
進(jìn)入面5A，6A優(yōu)選為平面。但是，它也可被輕微地彎曲(則傾斜的角度不為定值，而是輕微地變化)。
因此，為了實(shí)施本發(fā)明，有可能使用標(biāo)準(zhǔn)的低成本的激光二極管8。特別地，無需使用昂貴的光纖耦合激光二極管。
根據(jù)本發(fā)明，每個(gè)進(jìn)入面5A，6A的傾斜角度θ依賴于棒4的長度L和形成光學(xué)塊5，6的介質(zhì)(例如玻璃)相對于泵浦光F在到達(dá)相應(yīng)進(jìn)入面5A，6A之前在其中傳播的介質(zhì)(例如外部的空氣)的折射率n。
更精確地，根據(jù)本發(fā)明，所述傾斜角度θ近似滿足下列等式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是在進(jìn)入面(5A，6A)處垂直于棒(4)縱軸(X-X)的光學(xué)塊(5，6)的寬度，如圖3所示(其為沒有傾斜的進(jìn)入面的示意性解釋表示)。
為了進(jìn)一步解釋上述等式(1)，角度φ表示軸X-X與極端偏折的泵浦光線F之間對應(yīng)的角度，其允許棒4在面對泵浦系統(tǒng)2的4B對面端部4A處被泵浦。
該角度φ近似滿足等式(圖3)φ＝arctan(H/L) (2)此外，對通過進(jìn)入面5A，6A的光線的折射定律可寫為(見圖4)sin(π2-θ)=n.sin(π2-(Θ+θ))]]>即cosθ＝n.cos(θ+φ) (3)上述等式(1)從所述等式(2)和(3)得到。
關(guān)于激光源1的一個(gè)特定實(shí)例的激活元件3的實(shí)際尺寸，想要的效率、泵浦光束的能量特性和棒4的泵浦特性應(yīng)特別加以考慮。
應(yīng)注意，棒4的長度L可從下列等式獲得L=Ln(G)g0]]>其中-ln表示自然對數(shù)；-G表示一個(gè)往返行程的增益；和-g0表示小信號(hào)增益。
作為一實(shí)例，使用下列值，其給出了大約平均為12J/cm3的沉積密度G＝1.8g0＝0.11cm-1長度L取值
L＝25mm關(guān)于寬度H，其根據(jù)激光二極管8的陣列7的長度ltot來限定，即近似ltot＝2H+l，l為棒4的寬度。
寬度H的值因此由等式獲得H＝(ltot-l)/2。
應(yīng)注意，實(shí)際上激活元件的寬度大于ltot，以便將陣列的發(fā)散和位置的容限考慮進(jìn)去。激活元件的總寬度則變?yōu)閷挾龋?H+l+2ε，ε是進(jìn)入面的光束的半展寬和激活元件相對于激光二極管的相對定位的半容限的和。
關(guān)于角度θ，利用參數(shù)H和因此被確定的L從上述等式(1)獲得。
關(guān)于棒4的寬度l，利用通過吸收介質(zhì)傳輸?shù)墓桑瑢懗?e-αl2sinθ=x]]>這里α是介質(zhì)的吸收系數(shù)，x是在棒4中心處的泵浦能量相對于到達(dá)表面的能量的期望的百分比。
該定律允許寬度l被確定。
此外，高度h由棒4(圖2)的這個(gè)寬度l、長度L和體積V(V＝l×h×L)來限定，根據(jù)泵浦光束或光束的能量，需要它來獲得想要的平均能量沉積。
因此，為了用每個(gè)全-功率脈沖發(fā)射0.5J的激光二極管8獲得例如12J/cm3的平均沉積，其中0.45J為有用能量，棒4的體積V必須近似為V＝0.45/12＝0.0375cm3＝37.5mm3。
應(yīng)注意，在一優(yōu)選實(shí)施例中，激活元件3具有下列尺寸L＝25.7mmφ＝12.5°θ＝57.3°l＝1.1mm
h＝1.3mm由于棒4置于激活元件3(圖2)的整個(gè)高度h上，因此泵浦光線F必須通過所述棒4(而不進(jìn)行如在某種公知類型的激活元件的激活元件面的多次反射，其在最終通過棒之前導(dǎo)致了損耗)。這允許獲得高的效率。
此外，根據(jù)本發(fā)明，光學(xué)塊5和6相對于軸X-X是對稱的，并且所述光學(xué)塊5，6中的每一個(gè)均在其進(jìn)入面5A，6A的對面具有傾斜于軸X-X的第二個(gè)面5B，6B。所述第二個(gè)面5B，6B的傾角β用通常的方式來選取，使它們引起泵浦光線朝進(jìn)入面5A，6A返回，如圖5的單一光線F所示。在上述優(yōu)選實(shí)例中，角度β近似等于38.75°。
這有可能增加泵浦光線F通過棒4的通路數(shù)目，并因此增加泵浦的效率以及因此增加激光源1的效率。
光學(xué)塊5，6的傾斜的面5A和5B、6A和6B連接在平行于軸X-X的面5C，6C上。
此外，根據(jù)本發(fā)明，高度h(如圖2所示，其既相應(yīng)于棒4的高度也相應(yīng)于光學(xué)塊5和6的高度)小于寬度l的兩倍，并優(yōu)選接近于所述寬度l，如前面用數(shù)值實(shí)例進(jìn)行的說明。如果，激活元件3的高度h遠(yuǎn)小于其總寬度ltot。因此，為了減小泵浦光線F的路徑長度，根據(jù)本發(fā)明，它的整個(gè)傳播是沿快速軸被引導(dǎo)的，即從激活元件3的上面S1和下面S2反射，如圖6所示，其相應(yīng)于圖5的頂視圖。
此外，應(yīng)注意光學(xué)塊5和6以及棒4的材料必須優(yōu)選具有足夠相似的膨脹系數(shù)以允許在這些材料之間產(chǎn)生有效的接合；和關(guān)于這些材料的折射率，為了防止泵浦光線F從棒4反射掉，對光學(xué)塊5和6優(yōu)選使用具有低折射率的材料。但是，由于泵浦光線F總是相對地遠(yuǎn)離棒，因此，光學(xué)塊5和6的折射率可以大出0.01而不會(huì)因此妨礙泵浦光線F大于7°的傾斜。
因此，本發(fā)明特別具有下列優(yōu)點(diǎn)良好的縱向和深度方面的泵浦均勻性(在上述實(shí)例中，8.5到13J/cm3之間)；直接泵浦，沒有光纖耦合激光二極管，即使是對小直徑的棒4；當(dāng)對長度延長(例如25mm)和直徑減小(例如1mm)的激活體積(棒4)進(jìn)行泵浦時(shí)，只借助簡單的陣列7進(jìn)行泵浦，沒有任何光準(zhǔn)直裝置，和無論工作溫度如何和使用何種材料(玻璃)，都有高的效率(近似90°)和良好的均勻性。
權(quán)利要求
1.激光源，包括至少-用于產(chǎn)生至少一個(gè)泵浦光束的泵浦系統(tǒng)；和-激活元件(3)，其包括一擁有能夠吸收所述泵浦光束的泵浦光線(F)的摻雜基質(zhì)的延長棒(4)，以便放大激光發(fā)射，以及包括至少一個(gè)放置在所述棒(4)一側(cè)的光學(xué)塊(5，6)，以便向所述棒(4)引導(dǎo)泵浦光線(F)，其特征在于所述泵浦系統(tǒng)(2)被形成以產(chǎn)生多個(gè)相互平行并對所述激活元件(3)橫向分布的泵浦光線(F)，其面向著所述光學(xué)塊(5，6)的至少一個(gè)進(jìn)入面(5A，6A)，其中光學(xué)塊(5，6)的所述進(jìn)入面(5A，6A)至少部分地相對于所述棒(4)的縱軸(X-X)是傾斜的，并且至少部分地不垂直于泵浦系統(tǒng)(2)產(chǎn)生的泵浦光線(F)，以便通過折射使所述泵浦光線(F)偏轉(zhuǎn)，以使它們傳輸進(jìn)入所述棒(4)，并且其中所述進(jìn)入面(5A，6A)的傾角(θ)是這樣的它使泵浦光線(F)發(fā)生偏轉(zhuǎn)由此這些光線到達(dá)所述棒(4)，以使它們被分布在其整個(gè)長度(L)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的激光源，其特征在于所述激活元件(3)包括兩個(gè)光學(xué)塊(5，6)，其被放置在所述棒(4)的每一面并且每一光學(xué)塊均擁有一傾斜的進(jìn)入面(5A，6A)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的激光源，其特征在于所述泵浦系統(tǒng)(2)包括至少一個(gè)激光二極管(8)的線型陣列(7)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1的激光源，其特征在于平行于所述棒(4)縱軸(X-X)產(chǎn)生所述泵浦光線(F)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1的激光源，其特征在于每個(gè)進(jìn)入面(5A，6A)的傾角(θ)依賴于棒(4)的長度L和形成光學(xué)塊(5，6)的介質(zhì)相對于在其中產(chǎn)生泵浦光線(F)的介質(zhì)的折射率n。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的激光源，其特征在于傾斜的進(jìn)入面(5A，6A)和棒(4)的縱軸(X-X)之間的傾斜角度θ近似滿足下列等式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是光學(xué)塊在進(jìn)入面(5A，6A)處垂直于所述棒(4)縱軸(X-X)的寬度。
7.根據(jù)權(quán)利要求2的激光源，其特征在于每一光學(xué)塊(5，6)在其進(jìn)入面(5A，6A)的對面具有第二個(gè)傾斜的面(5B，6B)，并且其中所述第二個(gè)面(5B，6B)的傾角(β)是這樣的它們導(dǎo)致泵浦光線(F)返回，產(chǎn)生至少一個(gè)通過所述棒(4)的附加通路。
8.根據(jù)權(quán)利要求2的激光源，其特征在于棒(4)具有矩形橫截面，其兩相鄰側(cè)面分別限定了棒(4)的寬度(l)和高度(h)，其中所述高度(h)相應(yīng)于激活元件(3)的高度，其中激活元件(3)的寬度(ltot)包括所述棒(4)的所述寬度(L)和光學(xué)塊(5，6)的寬度(H)，并且其中激活元件(3)的高度(h)小于棒(4)寬度(l)的兩倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求1的激光源，其特征在于光學(xué)塊(5，6)的折射率小于棒(4)的折射率。
全文摘要
激光源(1)包括泵浦系統(tǒng)(2)和激活元件(3),激活元件包括一摻雜的細(xì)長棒(4)和至少一用于向棒(4)引導(dǎo)至少一個(gè)泵浦光束的泵浦光線(F)的光學(xué)塊(5,6)。泵浦系統(tǒng)(2)產(chǎn)生多個(gè)平行的泵浦光線(F)。光學(xué)塊(5,6)的進(jìn)入面(5A,6A)傾斜于棒(4)的縱軸(X－X)而不垂直于泵浦光線(F),以便通過折射來使泵浦光線(F)偏轉(zhuǎn),以使它們傳輸給棒(4),并且進(jìn)入面(5A,6A)的傾角是這樣的使泵浦光線(F)到達(dá)棒(4),以便在分布它的整個(gè)長度上。
文檔編號(hào)H01S3/0941GK1362764SQ0114329
公開日2002年8月7日 申請日期2001年12月26日 優(yōu)先權(quán)日2000年12月26日
發(fā)明者J·－E·蒙塔尼 申請人:塞拉斯激光工業(yè)公司