CN118315911A - 一种沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器，包括：薄片激光晶体；热沉，一层或多层边发射半导体激光器阵列，每一层边发射半导体激光器阵列包括多个边发射半导体激光器阵列，其出光面沿球面与平面的截交线均匀分布；并且各个边发射半导体激光器的出光方向均指向球面的球心；以及耦合输出镜，设置在薄片激光晶体的中心轴线上，并且与高反表面平行，其中，薄片激光晶体的高反表面镀有对输出激光和泵浦激光两种波长的光束均反射的高反膜，以与耦合输出镜形成激光谐振腔；球心为薄片激光晶体的中心，平面平行于高反表面；截交线的直径大于耦合输出镜片的直径。

Description

一种沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器

技术领域

本发明涉及一种沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器，属于半导体激光器技术领域。

背景技术

边发射半导体激光器(简称为EEL)是一种常用的高功率固体激光器泵浦源，用于照射和激发激光晶体中的下能级粒子到上能级，最终实现粒子数翻转和激光输出。如图5所示，边发射半导体激光器是一种由一个或多个发光点水平排列构成的线状高功率半导体激光光源。其中，单个管芯的边发射半导体激光器称为边发射单管芯，而多个管芯阵列常被称为激光巴条。边发射半导体激光器具有垂直方向和水平方向两个不同的发散角，分别称为快轴和慢轴。快轴发散角半高宽约为30～40度，而慢轴发散角半高宽约为6～10度。一般的边发射半导体激光器整体宽度约为10mm，但也有其他不同的宽度可选。由于快轴方向上发散角较大，一般采用非球面柱透镜(又称快轴压缩透镜)进行压缩，压缩后发散角可以小于0.5度甚至更低。慢轴方向的发散角也可以进一步压缩，一般采用一一对应的非球面柱透镜阵列进行压缩(又称慢轴压缩透镜)。由于每个管芯在水平方向上的条宽一般几十微米到几百微米，因此在慢轴方向上发散角压缩倍率较低。

常用的固体激光泵浦结构包括从激光晶体侧面(相对激光振荡方向)进行泵浦，或从激光晶体端面进行泵浦，分别被称为侧面泵浦结构和端面泵浦结构。其中，出光面泵浦是更为常见的泵浦方式，尤其适合吸收系数较大的薄片激光晶体。针对端面泵浦结构，在专利号为ZL 202020592548.0的中国实用新型中，公开了一种LD直接泵浦频率变换半导体薄片激光器。该半导体薄片激光器包括泵浦模块、光学准直聚焦系统、量子增益薄片、非线性频率变换晶体、耦合输出腔镜；光学准直聚焦系统将LD泵浦模块发出的光束投射到量子增益薄片上；非线性频率变换晶体将量子增益薄片发出的基频激光进行频率变换，并通过耦合输出腔镜输出频率范围覆盖了从紫外到近红外波段的激光光束；通过光学准直聚焦系统，用LD(激光二极管)直接泵浦，可以省略掉光纤耦合输出泵浦中比较复杂的光纤耦合，同时使得投射到量子增益薄片上的泵浦光斑的形状和大小都可以根据实际需要进行灵活的调节，提高光束质量，同时大幅度节约激光器的空间，便于激光器的集成和小型化。然而在该类设计中，泵浦源数量少，无法满足高功率激光器。

另外，如前述，边发射半导体激光器及其组成的阵列的出光不是圆斑(条状出光)，但是薄片激光晶体多采用圆对称结构(如圆片或正多边形)，因此两者之间存在匹配困难。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器。

为实现上述技术目的，本发明采用以下的技术方案：

一种沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器，包括：

薄片激光晶体，受到光学泵浦激发而产生激光增益；

热沉，与所述薄片激光晶体的高反表面焊接或压接在一起，以提供散热，

一层或多层边发射半导体激光器阵列，每一层边发射半导体激光器阵列包括多个边发射半导体激光器阵列，同一层的所述边发射半导体激光器阵列的出光面沿球面与平面的截交线均匀分布；并且所述边发射半导体激光器阵列包括多个边发射半导体激光器，各个边发射半导体激光器的出光方向均指向所述球面的球心；以及

耦合输出镜，设置在所述薄片激光晶体的中心轴线上，并且与所述高反表面平行，

其中，所述薄片激光晶体的高反表面镀有对输出激光和泵浦激光两种波长的光束均反射的高反膜，以与所述耦合输出镜形成激光谐振腔；

所述球心为所述薄片激光晶体的中心，所述平面平行于所述高反表面；

所述截交线的直径大于所述耦合输出镜片的直径。

其中较优地，所述边发射半导体激光器阵列，包括第一层边发射半导体激光器阵列和第二层边发射半导体激光器阵列，

所述第一层边发射半导体激光器阵列和第二层边发射半导体激光器阵列位于不同平面与所述球面的截交线上。

其中较优地，所述第一层边发射半导体激光器阵列中的各个边发射半导体激光器相同；

所述第二层边发射半导体激光器阵列中的各个边发射半导体激光器相同，

所述第一层边发射半导体激光器阵列中的边发射半导体激光器，不同于所述第二层边发射半导体激光器阵列中的边发射半导体激光器。

其中较优地，所述第一层边发射半导体激光器阵列中的边发射半导体激光器，放置方式是慢轴与边发射半导体激光器阵列的排列方向相同；

所述第二层边发射半导体激光器阵列中的边发射半导体激光器，放置方式是快轴与边发射半导体激光器阵列的排列方向相同。

其中较优地，所述同一层的边发射半导体激光器阵列，以薄片激光晶体的中心点为中心，形成中心强、边缘弱的辐射对称的泵浦吸收分布。

其中较优地，所述同一层的边发射半导体激光器阵列中，各个边发射半导体激光器阵列均为直线排列，在排列方向的宽带为L，在排列方向上的快轴或慢轴的发散半角为θ,球面半径为R，激光晶体薄片的直径为D，则满足D≥N且N＝L+2*R*tan(θ)。

其中较优地，每个所述边发射半导体激光器均利用快轴压缩透镜进行快轴压缩，并且保持发散角和初始光斑尺寸一致。

其中较优地，在薄片激光晶体的出光表面镀有对输出激光和泵浦激光的增透膜。

其中较优地，所述耦合输出镜上形成镀膜，以增强输出光束的中心强、边缘弱的功率密度分布强度。

其中较优地，所述耦合输出镜上形成镀膜，使透过率从中心到边缘渐变，以获得光强为平顶的输出光斑。

与现有技术相比较，本发明通过球面对称的分布的多层边发射半导体激光器阵列作为泵浦源，以实现高功率激光器；而且因为是球面对称的泵浦源，提高条状出光泵浦光斑和圆形薄片的匹配性，所以能够实现近似圆形辐射对称的中间强周边弱的均匀光斑；还能利用不同层的边发射半导体激光器的设计来实现各种输出光束，扩大应用范围。

附图说明

图1为本发明第一实施例中，沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器的光路结构示意图；

图2为图1中的薄片激光晶体的放大示意图；

图3A为本发明第一实施例中，同一层边发射半导体激光器阵列的分布的侧视图；

图3B为本发明第一实施例中，同一层边发射半导体激光器阵列的分布的俯视图；

图3C为本发明第一实施例中，一个边发射半导体激光器阵列的光束投影示意图；

图4A为本发明第二实施例中，同一层边发射半导体激光器阵列的分布的侧视图；

图4B为本发明第二实施例中，同一层边发射半导体激光器阵列的分布的俯视图；

图4C为本发明第二实施例中，一个边发射半导体激光器阵列的光束投影示意图；

图5为现有技术中，一个边发射半导体激光器的出光快轴和慢轴示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。

本发明实施例中的技术构思是利用球面对称的分布的多层边发射半导体激光器阵列作为泵浦源，以实现高功率激光器。而且，因为是球面对称的泵浦源，所以能够实现近似圆形(多花瓣形)的中间强周边弱的均匀光斑。此外，还利用泵浦光斑在薄片激光晶体上的投影关系，提高条状出光泵浦光斑和圆形薄片的匹配性。

第一实施例

如图1所示，本发明第一实施例提供的沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器，包括薄片激光晶体10、用于对薄片激光晶体散热的热沉11、多层边发射半导体激光器阵列以及耦合输出镜5。沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器和热沉一起封装在基板12上。

结合图1和图2所示，薄片激光晶体10整体为圆形或正多边形(例如正五边形、正六边形或正八边形)，厚度通常在几百微米到几毫米左右。薄片激光晶体常用掺钕、掺镱的YAG晶体或陶瓷材料制成，受到光学泵浦激发后可以产生激光增益，配合谐振腔形成固体激光激射。薄片激光晶体靠近热沉一侧镀有高反膜(HR膜15)，靠近泵浦一侧镀有增透膜(AR膜14)。在薄片固体激光器中，边发射半导体激光器阵列(EEL)是常用的泵浦源，用于激励激光晶体。

薄片激光晶体10，其与热沉11良好焊接或压接以通过热沉11散热。在薄片激光晶体10朝向热沉11的高反表面101，镀有对输出激光和泵浦激光两种波长的光束均反射的高反膜(HR膜15)；在薄片激光晶体10的另一表面(出光表面)镀有对输出激光和泵浦激光的增透膜(AR膜14)。

在薄片激光晶体10的出光方向上，与其相距预设距离的位置，设置有耦合输出镜5。耦合输出镜5位于薄片激光晶体10的轴心上并于薄片激光晶体10的高反表面平行，以与HR膜15形成激光谐振腔。

本发明实施例提供的一层或多层边发射半导体激光器阵列，在图1中以第一层边发射半导体激光器阵列1(以下简称EEL 1)和第二层边发射半导体激光器阵列2(以下简称EEL2)为例进行说明，但这并不构成对本发明的限制。例如，理论上，一层或多层边发射半导体激光器，可以是边发射单管芯，也可以边发射半导体激光器阵列(激光巴条)。

其中，各个EEL 1的出光面均匀分布于第一平面C与球面的截交线100上；各个EEL2的出光面均匀分布于第二平面B与球面的截交线100上。即同一层的边发射半导体激光器阵列的出光面均匀分布于同一平面与球面的截交线100上，并且该平面平行于薄片激光晶体10的高反平面101，球面的球心为薄片激光晶体10的中心点。

具体而言，图1中虚线圆表示球面，其球心为薄片激光晶体10的中心点；虚线A表示平面A，其代表高反平面101；虚线B表示第二平面B，虚线C表示第一平面C，第一平面C和第二平面B均平行于平面A。图中多个EEL 1的出光面位于图中虚线C与虚线圆的交点，即第一平面C与球面的截交线100上。类似的，多个EEL2的出光面位于图中虚线B与虚线圆的交点，即第二平面B与球面的截交线100上。这样的设计保证同一层的所有边发射半导体激光器的出光面到薄片激光晶体10的中心点的距离相等，再加上同一层的边发射半导体激光器在环形的截交线100上均匀分布，所以同一层的所有边发射半导体激光器的光束入射到薄片激光晶体10所形成的均匀光斑，以薄片激光晶体10的中心点为中心呈现辐射对称。即，具有光斑一致性和中心对称性。

此外，EEL 1和EEL2位于不同层，其光束入射到薄片激光晶体10，形成的光斑不完全相同。如果EEL 1和EEL2为相同规格的边发射半导体激光器且设置方式相同，由于两者所处的球面纬度不同(即第一平面C和第二平面B到平面A的距离不同)，EEL 1的光束入射到薄片激光晶体10的光斑直径，小于EEL2的光束入射到薄片激光晶体10的光斑直径，但是EEL 1的光斑和EEL2的光斑均以薄片激光晶体10的中心点为中心，因此EEL 1的光斑和EEL2的光斑叠加的效果呈现：靠近薄片激光晶体10的中心点的位置，形成圆形的功率密度大的光斑，在外周形成功率密度相对小的光斑。换言之，以薄片激光晶体10的中心点为中心，形成中心强、边缘弱的泵浦吸收分布。

在本发明的一个实施例中，如图3A至图3C所示，在同一层中的每一个边发射半导体激光器的设置方式为：每个边发射半导体激光器均利用快轴压缩透镜进行快轴压缩，并且保持发散角和初始光斑尺寸一致；并且慢轴可以根据薄片激光晶体尺寸和泵浦距离选择压缩或者不压缩，只需保证压缩后的边发射半导体激光器的光束方向，指向薄片激光晶体10的中心点，快轴或慢轴的发散角均为预设的角度。

具体而言，在薄片激光晶体10的出光表面这一侧，设置多层边发射半导体激光器；每一层的多个边发射半导体激光器均匀分布在环形截交线100上，并且出光的光束中心指向薄片激光晶体10的中心点；同一层的多个边发射半导体激光器的慢轴与边发射半导体激光器阵列(巴条)的直线排列方向一致(巴条是水平方向直线排列，慢轴也是水平方向)。

基于前述的边发射半导体激光器的放置方式，下面介绍如何计算边发射半导体激光器的投影。

同一层的边发射半导体激光器阵列中，各个边发射半导体激光器阵列均为直线排列，在排列方向的宽带为L，在排列方向上的快轴或慢轴的发散半角为θ,球面半径为R，激光晶体薄片的直径为D，则满足D≥N且N＝L+2*R*tan(θ)。

以图3C的放置方式为例，在垂直于出光表面的方向(从图1中由上往下看的方向上)，直线排列的边发射半导体激光器阵列的宽带为L，慢轴发散半角为θ1,球面半径为R，激光晶体薄片10(图中圆形)的直径为D，则满足D≥M且M＝L+2*R*tan(θ1)(1)。

由于快轴方向与慢轴垂直，即垂直于边发射半导体激光器阵列的排列方向，并且快轴经过快轴压缩透镜压缩，所以一个边发射半导体激光器阵列的快轴方向上的光束的投影(图3A所示)小于慢轴方向上的光束的投影(图3B所示)。因此，保证激光晶体薄片10的直径满足式1，则能保证激光晶体薄片10的直径D一定大于快轴上的光束的投影区域。在此不详细讨论。

耦合输出镜片5被设置在薄片激光晶体10的中心轴线上。耦合输出镜片5与高反表面101平行，并且对薄片激光晶体10出射的光束部分反射部分输出，从而与高反膜(HR膜15)构成激光谐振腔。需要说明的是，截交线的直径大于耦合输出镜片5的直径，以避免任何一个边发射半导体激光器影响出光。

较优的，为了形成高斯分布的激光输出，该耦合输出镜5镀均匀的增透膜，则为中心强、边缘弱的输出光束。

较优的，对于期望得到近似平顶分布的固体激光输出的场合，可以采用透过率渐变设计的耦合输出镜(又称高斯镜)，进而将中心强边缘弱的光强分布，修正为光强近似平顶的输出光斑。

本领域技术人员可以理解，还可以在中心强、边缘弱的泵浦吸收分布的基础上，根据需要也可以对耦合输出镜5镀膜，对输出光束进行其他调整。

综上所述，本发明实施例提供的沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器，具有以下技术效果：

1)通过设置多层边发射半导体激光器阵列，能够增大输出光束的功率，提供高功率激光器；而且层数越多，功率越大；

2)由于每一层的边发射半导体激光器阵列在环形的截交线上均匀分布，解决了条状出光泵浦光斑和圆形薄片的匹配性问题，因此可以形成辐射状对称的泵浦光，以保证输出光束的均匀性；

3)利用不同层的边发射半导体激光器阵列的投影叠加，提供中心强、边缘弱的泵浦光源；还可以结合耦合输出镜的镀膜，进一步增强输出光束的中心强、边缘弱的功率密度分布强度。换言之，根据实际应用需要的输出光束功率密度分布，可以选择合适的层数，边发射半导体激光器阵列的规格、镀膜的规格，这就为实现或调整各种输出光束功率密度分布或光束质量等提供了更多设计空间，以满足各式各样的实际需求；

4)采用透过率渐变设计的耦合输出镜，获得光强近似平顶的输出光斑。

第二实施例

本实施例与第一实施例的不同点在于，边发射半导体激光器阵列的设置方式不同，其余相同部分则不再赘述。

在本实施例中，如图4A和图4B所示，直线排列的边发射半导体激光器阵列，快轴方向与排列方向相同(第一实施例中是慢轴方向与排列方向相同)。

如前述，就一个边发射半导体激光器阵列而言，经过快轴压缩透镜的快轴方向的出光，已被压缩，在薄片激光晶体10上的投影满足：

参考图4C，直线排列的边发射半导体激光器阵列的宽带为L，快轴发散半角为θ2,球面半径为R，激光晶体薄片10(图中圆形)的直径为D，则满足D≥N且N＝L+2*R*tan(θ2)(2)。

本实施例中这样设置的边发射半导体激光器阵列，也可以用于本发明实施例提供的沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器。

因此，本发明实施例提供的沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器中，第一层边发射半导体激光器阵列中的各个边发射半导体激光器相同；第二层边发射半导体激光器阵列中的各个边发射半导体激光器相同，但是，第一层边发射半导体激光器阵列中的边发射半导体激光器，不同于第二层边发射半导体激光器阵列中的边发射半导体激光器。

例如，第一层边发射半导体激光器阵列中的边发射半导体激光器的放置方式是慢轴与边发射半导体激光器阵列的排列方向相同。但是，第二层边发射半导体激光器阵列中的边发射半导体激光器，放置方式是快轴与边发射半导体激光器阵列的排列方向相同，反之亦然。

再例如，第一层边发射半导体激光器阵列中的边发射半导体激光器的输出功率不同于第二层边发射半导体激光器阵列中的边发射半导体激光器的输出功率。

需要说明的是，上述多个实施例只是举例，各个实施例的技术方案之间可以进行组合，均在本发明的保护范围内。例如，第一层边发射半导体激光阵列采用第一实施例的设置方式(慢轴与阵列排列方向相同)；第二层发射半导体激光阵列采用第二实施例的设置方式(快轴与阵列排列方向相同)，这样可以调整光班的功率密度分布或者适于不同光斑的应用场景。

上面对本发明提供的沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。

Claims (10)

1.一种沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器，其特征在于包括：

薄片激光晶体，受到光学泵浦激发而产生激光增益；

热沉，与所述薄片激光晶体的高反表面焊接或压接在一起，以提供散热，

一层或多层边发射半导体激光器阵列，每一层边发射半导体激光器阵列包括多个边发射半导体激光器阵列，同一层的所述边发射半导体激光器阵列的出光面沿球面与平面的截交线均匀分布；并且所述边发射半导体激光器阵列包括多个边发射半导体激光器，各个边发射半导体激光器的出光方向均指向所述球面的球心；以及

耦合输出镜，设置在所述薄片激光晶体的中心轴线上，并且与所述高反表面平行，

其中，所述薄片激光晶体的高反表面镀有对输出激光和泵浦激光两种波长的光束均反射的高反膜，以与所述耦合输出镜形成激光谐振腔；

所述球心为所述薄片激光晶体的中心，所述平面平行于所述高反表面；

所述截交线的直径大于所述耦合输出镜片的直径。

2.如权利要求1所述的沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器，其特征在于：

所述边发射半导体激光器阵列，包括第一层边发射半导体激光器阵列和第二层边发射半导体激光器阵列，

所述第一层边发射半导体激光器阵列和第二层边发射半导体激光器阵列位于不同平面与所述球面的截交线上。

3.如权利要求2所述的沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器，其特征在于：

所述第一层边发射半导体激光器阵列中的各个边发射半导体激光器相同；

所述第二层边发射半导体激光器阵列中的各个边发射半导体激光器相同，

所述第一层边发射半导体激光器阵列中的边发射半导体激光器，不同于所述第二层边发射半导体激光器阵列中的边发射半导体激光器。

4.如权利要求3所述的沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器，其特征在于：

所述第一层边发射半导体激光器阵列中的边发射半导体激光器，放置方式是慢轴与边发射半导体激光器阵列的排列方向相同；

所述第二层边发射半导体激光器阵列中的边发射半导体激光器，放置方式是快轴与边发射半导体激光器阵列的排列方向相同。

5.如权利要求1～4中任意一项所述的沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器，其特征在于：

所述同一层的边发射半导体激光器阵列，以薄片激光晶体的中心点为中心，形成中心强、边缘弱的辐射对称的泵浦吸收分布。

6.如权利要求5所述的沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器，其特征在于：

所述同一层的边发射半导体激光器阵列中，各个边发射半导体激光器阵列均为直线排列，在排列方向的宽带为L，在排列方向上的快轴或慢轴的发散半角为θ,球面半径为R，激光晶体薄片的直径为D，则满足D≥N且N＝L+2*R*tan(θ)。

7.如权利要求6所述的沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器，其特征在于：

每个所述边发射半导体激光器均利用快轴压缩透镜进行快轴压缩，并且保持发散角和初始光斑尺寸一致。

8.如权利要求6所述的沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器，其特征在于：

在薄片激光晶体的出光表面镀有对输出激光和泵浦激光的增透膜。

9.如权利要求6所述的沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器，其特征在于：

所述耦合输出镜上形成镀膜，以增强输出光束的中心强、边缘弱的功率密度分布强度。

10.如权利要求6所述的沿空间球面分布的半导体泵浦薄片激光器，其特征在于：

所述耦合输出镜上形成镀膜，使透过率从中心到边缘渐变，以获得光强为平顶的输出光斑。