泵浦模塊及具有其的固體激光器的制作方法

文檔序號:18021972發布日期:2019-06-26 01:21
泵浦模塊及具有其的固體激光器的制作方法

本實用新型涉及泵浦及固體激光器技術領域,具體而言,涉及一種泵浦模塊及具有其的固體激光器。



背景技術:

現有的偏振合束技術常應用于光纖耦合半導體激光器模塊中,需要使用光束轉換模塊(BTS)對光束慢軸方向進行旋轉90°,減小慢軸方向的光束參數積(BPP),然后對慢軸方向進行準直,之后才進行偏振合束。

上述方案由于先采用慢軸準直透鏡(SAC)對光束慢軸方向進行準直,再采用偏振合束鏡組(PBC)進行偏振合束,從而能夠實現較少的慢軸方向的光損失和合束轉換效率;然而,這種技術方案需要使用BTS系統,且只能使用發光點數較少的激光巴條(例如19個發光點的1cm巴條),并且由于光學元件較多(一般由FAC/BTS/SAC/PBC構成,其中FAC為快軸準直透鏡),從而需要較大的空間,因此一般多應用于光纖耦合模塊中;難以在對體積要求較為嚴格、需要高可靠性的小型被動調Q固體激光器模塊中使用。

現有的被動調Q固體激光器方案一般采用光纖耦合模塊作為泵浦源,或者采用單個激光巴條出光直接耦合至晶體進行泵浦。

采用光纖耦合模塊作為泵浦源的被動調Q固體激光器,由于光纖耦合模塊和晶體模塊(包括光學、晶體、腔鏡等)分開,因此一般需要這兩個模塊組合在一起才能實現工作,整體結構過于復雜和龐大,在一些需要集成應用、對體積要求嚴格的應用場合(例如車載激光雷達)很難適用。

而采用單個激光巴條出光直接耦合至激光晶體進行端面泵浦的被動固體激光器,由于激光巴條的光束在慢軸方向較長,導致出光具有較大的不對稱性;此外,由于單個激光巴條的某些發光點失效,會引起泵浦光束的不均勻,從而導致固體激光輸出的不均勻。



技術實現要素:

本實用新型的主要目的在于提供一種泵浦模塊及具有其的固體激光器,以解決現有技術中的激光器體積龐大且結構復雜的問題。

為了實現上述目的,根據本實用新型的一個方面,提供了泵浦模塊,包括:泵浦源,泵浦源為兩個且并排設置,用于提供第一激光和第二激光;快軸準直元件,設置于泵浦源的出光側,用于對第一激光和第二激光進行快軸準直;偏振合束元件,設置于快軸準直元件的出光側,用于使快軸準直后的第一激光與第二激光的偏振方向相互垂直并進行合束以得到第三激光;慢軸準直元件,設置于偏振合束元件的出光側,用于對第三激光進行慢軸壓縮和匯聚以得到激勵源。

進一步地,偏振合束元件包括:半波片,設置于快軸準直元件的出光側,用于對快軸準直后的第一激光的偏振方向進行90°旋轉;偏振合束鏡組,設置于半波片的出光側,用于將旋轉后的第一激光與快軸準直后的第二激光進行合束得到第三激光。

進一步地,兩個泵浦源分別為提供第一激光的第一泵浦源以及提供第二激光的第二泵浦源,偏振合束鏡組包括:第一透鏡部,位于第一泵浦源的出光側并與第一泵浦源相對設置;第二透鏡部,位于第二泵浦源的出光側并與第二泵浦源相對設置,第一透鏡部用于將第一激光全部反射至第二透鏡部的位置處,第二透鏡部用于全部反射第一激光并全部透射第二激光。

進一步地,第一泵浦源與第二泵浦源的排列方向為第一方向,在第一方向上,第一泵浦源相對的兩個端面之間的垂直距離為L1,第一透鏡部相對的兩個端部之間的垂直距離為H1,第二泵浦源相對的兩個端面之間的垂直距離為L2,第二透鏡部相對的兩個端部之間的垂直距離為H2,L1<H1,L2<H2;L1的中點為A1,H1的中點為B1,L2的中點為A2,H2的中點為B2,A1與B1的連線垂直于第一方向。

進一步地,泵浦源串聯設置。

進一步地,泵浦源為激光巴條。

進一步地,快軸準直元件為兩個且與泵浦源的出光側一一對應地設置。

進一步地,快軸準直元件和慢軸準直元件獨立地選自柱面鏡、球面鏡和非球面鏡中的任一種。

根據本實用新型的另一方面,提供了一種固體激光器,包括:上述的泵浦模塊,泵浦模塊用于產生實現端面泵浦的激勵源;晶體模塊,設置于泵浦模塊中慢軸準直元件的出光側,用于接收激勵源并產生激光。

進一步地,晶體模塊包括增益介質晶體、飽和吸收晶體和諧振腔,諧振腔設置于慢軸準直元件的出光側,增益介質晶體和飽和吸收晶體設置于諧振腔中;或者,晶體模塊包括增益介質晶體和飽和吸收晶體,增益介質晶體與飽和吸收晶體形成復合晶體,復合晶體設置于慢軸準直元件的出光側,且在慢軸準直元件的出光方向上,復合晶體相對的兩個端面形成諧振腔。

應用本實用新型的技術方案,提供了一種泵浦模塊,采取兩個泵浦源并排設置后進行偏振合束得到單光斑的泵浦光源;在雙泵浦源的條件下,偏振合束元件能夠實現對雙泵浦源輸出光束的重疊,一方面可以提高泵浦光束的慢軸方向光束質量,另一方面雙泵浦源形成相互備份和高性能余量,避免了單個泵浦源發光點隨機失效造成的泵浦源異常或失效,從而能夠滿足高可靠性使用要求。進一步地,本實用新型能夠通過改進PBC結構尺寸以及采用泵浦源與PBC的特殊排布設計,彌補了由于慢軸發散角引起的偏振合束的光通量損失,從而能夠省去現有技術中的光束轉換模塊(BTS);由于未采用BTS,因此可以使用具有較多發光點的泵浦源實現高峰值功率應用需求。

附圖說明

構成本實用新型的一部分的說明書附圖用來提供對本實用新型的進一步理解,本實用新型的示意性實施例及其說明用于解釋本實用新型,并不構成對本實用新型的不當限定。在附圖中:

圖1示出了在本申請實施方式所提供的一種固體激光器的連接關系示意圖;

圖2示出了現有技術中所提供的一種固體激光器中單泵浦源與偏振合束鏡組之間的位置關系以及光路示意圖;

圖3示出了在本申請實施方式所提供的固體激光器中單泵浦源與偏振合束鏡組之間的位置關系以及光路示意圖。

其中,上述附圖包括以下附圖標記:

1'、泵浦源;4'、偏振合束鏡組;1、泵浦源;11、第一泵浦源;12、第二泵浦源;2、快軸準直元件;3、半波片;4、偏振合束鏡組;41、第一透鏡部;42、第二透鏡部;5、慢軸準直元件;6、高反鏡片;7、增益介質晶體;8、飽和吸收晶體;9、部分反射鏡片。

具體實施方式

需要說明的是,在不沖突的情況下,本實用新型中的實施例及實施例中的特征可以相互組合。下面將參考附圖并結合實施例來詳細說明本實用新型。

為了使本技術領域的人員更好地理解本實用新型方案,下面將結合本實用新型實施例中的附圖,對本實用新型實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述,顯然,所描述的實施例僅僅是本實用新型一部分的實施例,而不是全部的實施例。基于本實用新型中的實施例,本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例,都應當屬于本實用新型保護的范圍。

需要說明的是,本實用新型的說明書和權利要求書及上述附圖中的術語“第一”、“第二”等是用于區別類似的對象,而不必用于描述特定的順序或先后次序。應該理解這樣使用的數據在適當情況下可以互換,以便這里描述的本實用新型的實施例。此外,術語“包括”和“具有”以及他們的任何變形,意圖在于覆蓋不排他的包含,例如,包含了一系列步驟或單元的過程、方法、系統、產品或設備不必限于清楚地列出的那些步驟或單元,而是可包括沒有清楚地列出的或對于這些過程、方法、產品或設備固有的其它步驟或單元。

正如背景技術中所介紹的,現有技術中的激光器體積龐大且結構復雜。本實用新型針對上述問題進行研究,提出了一種固體激光器,如圖1所示,包括:泵浦源1,泵浦源1為兩個且并排設置,用于提供第一激光和第二激光;快軸準直元件2,設置于泵浦源1的出光側,用于對第一激光和第二激光進行快軸準直;偏振合束元件,設置于快軸準直元件2的出光側,用于使快軸準直后的第一激光與第二激光的偏振方向相互垂直并進行合束以得到第三激光;慢軸準直元件5,設置于偏振合束元件的出光側,用于對第三激光進行慢軸壓縮和匯聚以得到激勵源。

上述泵浦模塊中由于采取兩個泵浦源并排設置后進行偏振合束得到單光斑的泵浦光源;在雙泵浦源的條件下,偏振合束元件能夠實現對雙泵浦源輸出光束的重疊,一方面可以提高泵浦光束的慢軸方向光束質量,另一方面雙泵浦源形成相互備份和高性能余量,避免了單個泵浦源發光點隨機失效造成的泵浦源異常或失效,從而能夠滿足高可靠性使用要求。進一步地,本實用新型能夠通過改進偏振合束元件中偏振合束鏡組(PBC)結構尺寸以及采用泵浦源與PBC的特殊排布設計,彌補了由于慢軸發散角引起的偏振合束的光通量損失,從而能夠省去現有技術中的光束轉換模塊(BTS);由于未采用BTS,因此可以使用具有較多發光點的泵浦源實現高峰值功率應用需求。

在一種優選的實施方式中,如圖1所示,本實用新型的上述偏振合束元件包括半波片3和偏振合束鏡組4,半波片3設置于快軸準直元件2的出光側,用于對快軸準直后的第一激光的偏振方向進行90°旋轉;偏振合束鏡組4設置于半波片3的出光側,用于將旋轉后的第一激光與快軸準直后的第二激光進行合束得到第三激光。

上述兩個泵浦源分別為提供第一激光的第一泵浦源11以及提供第二激光的第二泵浦源12,優選地,上述偏振合束鏡組4包括第一透鏡部41和第二透鏡部42,第一透鏡部41位于第一泵浦源11的出光側并與第一泵浦源11相對設置,用于將第一激光全部反射至第二透鏡部42的位置處;第二透鏡部42位于第二泵浦源12的出光側并與第二泵浦源12相對設置,用于全部反射第一激光并全部透射第二激光,如圖3所示。

上述偏振合束鏡組4包括的第一透鏡部41和第二透鏡部42為本實用新型的關鍵技術功能部分,偏振合束鏡組4的其他部分的結構和光學性能可參照現有結構進行適應性設計,在保證本實用新型技術方案和技術目的能夠實現的情況下,滿足相應的反射或透射或其他相關條件即可。

在上述優選的實施方式中,以上述第一泵浦源11與上述第二泵浦源12的排列方向為第一方向,兩個泵浦源與PBC的特殊排布設計可以為:如圖3所示,在上述第一方向上,第一泵浦源11相對的兩個端面之間的垂直距離為L1,第一透鏡部41相對的兩個端部之間的垂直距離為H1,第二泵浦源12相對的兩個端面之間的垂直距離為L2,第二透鏡部42相對的兩個端部之間的垂直距離為H2,L1<H1,L2<H2;L1的中點為A1,H1的中點為B1,L2的中點為A2,H2的中點為B2,A1與B1的連線垂直于第一方向。此時,PBC兩端留有的余量分別為(H1-L1)/2,以上兩個泵浦源與PBC的對稱式的排布及余量設計,使得兩個泵浦源的光束雖然光程不同,但發散角不會發生變化,從PBC出射的光路能夠相互重合,使得輸出的光斑沒有錯位。

本實用新型實施例中,并不明確嚴格限制L1與L2的關系,為了方便設計與生產,使本實用新型的技術目的和技術效果更佳,可以使L1=L2,H1=H2;當然,在某些對技術效果要求不嚴格的一些應用場景中,L1≠L2,H1≠H2也是允許的。

由于現有技術中通常采用單一泵浦源(例如一個fullbar),通常為了實現光束全部進入器件,需要偏振合束鏡組4'的尺寸與該泵浦源1'的尺寸完全對應,而圖2所示的單一泵浦源由于尺寸不對應,使得出射后的光束出現錯位,具體見圖2所示的出射光的箭頭。而本實用新型在采用雙泵浦源的情況下,如圖3所示,通過設計偏振合束鏡組4的結構尺寸使其兩端相較于泵浦源1留有余量,具體為:偏振合束鏡組分別與雙泵浦源其一對應的部分,上下分別留有余量,并且雙泵源分別與偏振合束鏡組對應的部分的中心對齊設置,而光束慢軸發散角的全角一般為10°左右,留有余量的設計從而能夠在不使用光束轉換模塊(BTS)的情況下,仍然可以使所有的光束進入PBC中進行合束,并且可以使PBC輸出的光斑無錯位。

在本實用新型的上述泵浦模塊中,泵浦源1為可以采用激光巴條。優選地,兩個泵浦源1之間串聯設置。即一個泵浦源1的負極連接另一個泵浦源1的正極,而兩個泵浦源1上未連接的正極與負極分別與電源連接。兩個串聯的泵浦源1僅需要較小的驅動電流就可以實現較大的出光功率,大大降低了對電源的要求,并且還會減小系統中的熱負載。

并且,由于傳統的光纖耦合半導體激光器模塊中,需要使用BTS(光束轉換模塊)對光束慢軸方向進行旋轉90°,減小慢軸方向的光束參數積(BPP),然后對慢軸方向進行準直,之后才進行偏振合束,而這種技術方案需要使用BTS系統,且由于巴條的每個發光點需要與BTS中的每個單元一一對應,因此只能使用具有較少發光點的巴條/單管芯片(例如常用的有19個發光點)。而采用本實用新型的上述泵浦模塊,由于可以不采用BTS,從而克服了傳統偏振合束方案只能使用較少發光點的巴條的缺點,能夠使泵浦源1的發光點不受結構本身限制,使偏振合束技術能夠應用于一些需要高峰值功率、準連續(QCW)工作的具有較多發光點的巴條激光器中。

在本實用新型的上述泵浦模塊中,快軸準直元件2可以為位于兩個泵浦源1的出光側的一個,還可以為兩個并與泵浦源1的出光側一一對應地設置,如圖1所示。上述快軸準直元件2與慢軸準直元件5獨立地選自柱面鏡、球面鏡和非球面鏡中的任一種。

本實用新型的上述泵浦模塊,具體可以用于產生實現端面泵浦的激勵源。

根據本實用新型的另一方面,還提供了一種固體激光器,如圖1所示,包括上述的泵浦模塊以及晶體模塊,泵浦模塊用于產生實現端面泵浦的激勵源,晶體模塊設置于泵浦模塊中慢軸準直元件5的出光側,用于接收激勵源并產生激光。在上述固體激光器中,通過PBC對兩個泵浦源的光束進行合束之后,再使用一個慢軸準直元件5對慢軸方向進行匯聚,使光束匯聚進入晶體模塊,實現高效率的泵浦。

本實用新型的上述固體激光器可以為被動調Q端面泵浦固體激光器。由于現有的被動調Q端面泵浦固體激光器方案一般采用光纖耦合模塊作為泵浦源,或者采用單個巴條出光直接耦合至晶體進行泵浦,從而易導致體積龐大以及出光不均勻的問題。而本實用新型的上述泵浦模塊中采用了改進的偏振合束技術,解決了傳統偏振合束方案只能使用較少發光點的巴條、需要使用BTS導致光學系統復雜龐大的缺點,使得改進后的偏振合束方案體積緊湊、光通量損失小,可應用于對體積和效率要求嚴格的小型被動調Q固體激光器中。

并且,在本實用新型的上述動調Q固體激光器中,可以采用PBC對未經過慢軸方向準直的光束直接合束,通過改進PBC的結構尺寸以及采用雙泵浦源與PBC的特殊排布設計,彌補了由于慢軸發散角引起的偏振合束的光通量損失;由于未采用BTS,因此可以使用具有較多發光點的芯片實現高峰值功率應用需求。

同時,本方案中采取兩個巴條并排設置(還以進一步串聯設置)進行偏振合束實現了單光斑的泵浦光源;在雙泵源的條件下,PBC可以實現對雙泵浦源光束的重疊,一方面可以提高泵浦光束的慢軸方向光束質量,另一方面雙泵浦源形成相互備份和高性能余量,避免單個巴條發光點隨機失效造成的泵浦異常或失效,解決了采用單個巴條直接耦合的被動調Q固體激光器光束對稱性差和可靠性差的問題,滿足了高可靠性使用要求。

泵浦模塊產生的用于端面泵浦的激勵源可入射至晶體模塊的左右兩側端面中靠近激勵源的一端,以實現端面泵浦的固體激光器,具體的:

在一種優選的實施方式中,上述晶體模塊包括增益介質晶體7、飽和吸收晶體8和諧振腔,諧振腔設置于慢軸準直元件5的出光側,增益介質晶體7和飽和吸收晶體8設置于諧振腔中。本領域技術人員可以根據現有技術對上述增益介質晶體7、飽和吸收晶體8的種類進行合理選取,在此不再贅述。

在另一種優選的實施方式中,上述晶體模塊包括增益介質晶體7和飽和吸收晶體8,增益介質晶體7與飽和吸收晶體8形成復合晶體,復合晶體設置于慢軸準直元件5的出光側,且在慢軸準直元件5的出光方向上,上述復合晶體相對的兩個端面形成諧振腔。此時,利用晶體本身的結構形成諧振腔,無需再另外設置諧振腔鏡,使激光器的結構更為簡單、緊湊。

本實用新型的諧振腔可以是兩個獨立的腔鏡組成(高反鏡片6和部分反射鏡片9),在能夠實現類似目的的情況下,高反鏡片6和部分反射鏡片9也可以由晶體的兩個端面形成,只要這兩個端面滿足反射率的條件即可。

下面將結合實施例進一步說明本實用新型的上述泵浦模塊及具有其的固體激光器。

實施例1

本實施例采用如圖1所示的固體激光器,方案主要包括:

作為雙泵浦源1的兩個半導體激光器巴條、快軸準直元件2為兩個快軸準直透鏡、半波片3、偏振合束鏡組4、慢軸準直元件5為柱面鏡、增益介質晶體7、飽和吸收晶體8以及由高反鏡片6和部分反射鏡片9組成的諧振腔鏡。其中,兩個巴條并排放置,分別由快軸準直透鏡進行光束的快軸準直;半波片放置在其中一個巴條前端,對該巴條的光束偏振方向實現90°的旋轉;偏振度經過90度旋轉的光束與另一個巴條的光束通過偏振合束鏡組,合成為同一光束;合成后的光束經過柱面鏡進行慢軸方向的壓縮匯聚后入射到增益介質晶體端面進行泵浦作用。

上述兩個巴條并排放置,且兩個巴條在電連接上是串聯連接。兩個串聯的巴條相比一個較長的單個巴條或者兩個并聯的巴條,一方面需要更小的驅動電流可以實現較大的出光功率,另一方面會減小系統中的熱負載。

并且,上述偏振合束鏡組(PBC)可以實現對作為雙泵浦源的兩個巴條光束的重疊,一方面可以提高泵浦光束的慢軸方向光束質量,另一方面雙泵浦源形成相互備份和高性能余量,避免單個巴條發光點隨機失效造成的泵浦異常或失效,可以滿足高可靠性使用要求。

從以上的描述中,可以看出,本實用新型上述的實施例實現了如下技術效果:

1、上述泵浦模塊中由于采取兩個泵浦源并排設置后進行偏振合束得到單光斑的泵浦光源;在雙泵浦源的條件下,偏振合束元件能夠實現對雙泵浦源輸出光束的重疊,一方面可以提高泵浦光束的慢軸方向光束質量,另一方面雙泵浦源形成相互備份和高性能余量,避免了單個泵浦源發光點隨機失效造成的泵浦源異常或失效,從而能夠滿足高可靠性使用要求;

2、通過改進慢軸準直元件中偏振合束鏡組(PBC)結構尺寸以及采用泵浦源與PBC的特殊排布設計,彌補了由于慢軸發散角引起的偏振合束的光通量損失,從而能夠省去現有技術中的光束轉換模塊(BTS);由于未采用BTS,因此可以使用具有較多發光點的泵浦源實現高峰值功率應用需求;

3、由于現有的被動調Q固體激光器方案一般采用光纖耦合模塊作為泵浦源,或者采用單個巴條出光直接耦合至晶體進行泵浦,從而易導致體積龐大以及出光不均勻的問題。而本實用新型的上述泵浦模塊中采用了改進的偏振合束技術,解決了傳統偏振合束方案只能使用較少發光點的巴條、需要使用BTS導致光學系統復雜龐大的缺點,使得改進后的偏振合束方案體積緊湊、光通量損失小,可應用于對體積和效率要求嚴格的小型被動調Q端面泵浦固體激光器中。

以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已,并不用于限制本實用新型,對于本領域的技術人員來說,本實用新型可以有各種更改和變化。凡在本實用新型的精神和原則之內,所作的任何修改、等同替換、改進等,均應包含在本實用新型的保護范圍之內。

再多了解一些
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