專(zhuān)利名稱(chēng)：泵激各向異性激光晶體的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用一個(gè)非對(duì)稱(chēng)的泵激射線(xiàn)泵激各向異性的激光晶體的裝置，泵激射線(xiàn)橫截面具有相互垂直的不同延伸，并且具有與此不對(duì)稱(chēng)性相適配的激光射線(xiàn)橫截面。
背景技術(shù)：
如果一個(gè)固體激光晶體在一個(gè)激光諧振器中用一個(gè)二極管激光器泵激，為了產(chǎn)生一個(gè)限制衍射的射線(xiàn)質(zhì)量，要求激光射線(xiàn)的延伸適配于泵體中泵激激光射線(xiàn)的延伸。此外為高效所需的固體激光器要求高的泵激功率密度，然而這經(jīng)常受激光晶體的小的強(qiáng)度限制，因?yàn)樗诘偷谋眉すβ拭芏认乱丫哂辛鸭y，并從而會(huì)毀壞。這主要涉及釹摻雜的釔原釩酸鹽晶體(NdYVO4)，它與NdYAG相比具有明顯小的彈性系數(shù)。
按照現(xiàn)有技術(shù)，二極管激光器在相互垂直的方向上具有非常不同的射線(xiàn)性能，這些性能在泵激固體激光器時(shí)被有區(qū)別地對(duì)待。或者是泵激射線(xiàn)有損耗地、復(fù)雜而高成本地適配于諧振器射線(xiàn)，或者是選用以下概念二極管激光器的在快軸和慢軸方向上不同的射線(xiàn)性能被保留，而諧振器射線(xiàn)適配于強(qiáng)非對(duì)稱(chēng)的泵激射線(xiàn)。
對(duì)于利用第一種概念，現(xiàn)有技術(shù)是從二極管激光器的強(qiáng)非對(duì)稱(chēng)射線(xiàn)橫截面出發(fā)，借助于像散的成像透鏡系聚焦泵激射線(xiàn)成為圓的射線(xiàn)橫截面。這種裝置的缺點(diǎn)在于，二極管激光器的可聚焦性在慢軸方向上受到限制，并且在快軸方向上的較好的可聚焦性被“埋沒(méi)”了。
如果單個(gè)發(fā)射器被耦合進(jìn)光纖中并且多根光纖被合成為一根光纖束，則得到更高的光密度，因?yàn)橐赃@種方法射線(xiàn)參數(shù)影響被平均了，并且被照射面不再含有發(fā)射器相互間的距離(US5127068)。
然而伴隨復(fù)雜、昂貴和有損耗地耦合每個(gè)單個(gè)的發(fā)射器到一根光纖中，在泵激各向異性晶體時(shí)減小了吸收效率，因?yàn)樵诠饫w中進(jìn)行了泵激射線(xiàn)的去極化。
在另一個(gè)現(xiàn)有方案中，單個(gè)發(fā)射器的射線(xiàn)借助于階梯鏡(WO96/13884)被變換，從而在相互垂直的方向上得到原來(lái)射線(xiàn)參數(shù)產(chǎn)物(Strahlparameterprodukte)的平均值。這種概念大部分用于光纖耦合，它還實(shí)現(xiàn)射線(xiàn)橫截面上的均勻化。
在上述問(wèn)題中相對(duì)于無(wú)適配措施的二極管激光器存在直至40％的損耗。
這種作為射線(xiàn)對(duì)稱(chēng)化代價(jià)的損耗在上述第二種概念中沒(méi)有被發(fā)現(xiàn)，然而為了激光射線(xiàn)適配于泵激射線(xiàn)在諧振器中需要附加的光學(xué)元件。這已由US5103457以及D.C.Shannon和R.W.Wallace的文章“由一個(gè)連續(xù)波、10mm×1μm孔徑、10W激光二極管泵激的高功率NdYAG激光器”，“光學(xué)通訊”，第16卷，1991年，第318-320頁(yè)公開(kāi)了變形棱鏡的使用。
相反，以下文章中使用圓柱鏡V.N.Bykov等“具有內(nèi)部像散介質(zhì)的圓柱諧振器”，“蘇聯(lián)量子電子學(xué)學(xué)報(bào)”，第14卷，1984年，第483至486頁(yè)；F.Krausz，J.Zehetner，T.Brabec，E.Wintner“用于二極管泵激的激光器的橢圓-模式諧振腔”，“光學(xué)通訊”，第16卷，1991年，第1496-1498頁(yè)；以及D.Kopf等“基于功率可定標(biāo)概念的400mW連續(xù)波二極管泵激的CrLiSAF激光器”，“光學(xué)通訊”，第20卷，1995年，第1782-1784頁(yè)。在極端情況下借助于圓柱鏡，軸比可達(dá)1∶10或更大[WO00/77893及D.Kopf等，“由1cm二極管陣列泵激的1.1w連續(xù)波CrLiSAF激光器”，“光學(xué)通訊”，第22卷，1997年，第99-101頁(yè)]。
在第二種概念中，雖然保持了二極管激光器的光密度，但是必需的諧振器內(nèi)部的像散或變形元件對(duì)過(guò)程有干擾作用。此外在快-軸方向上的強(qiáng)聚焦使得對(duì)于傾斜尤其敏感的諧振器的維護(hù)變得因難。
US5561547中諧振器沒(méi)有其它的像散元件，它控制各向異性激光晶體，如一個(gè)NdYVO4-晶體中被泵激感應(yīng)的熱透鏡的橢率。激光晶體被用一個(gè)光纖耦合的圓的泵激射線(xiàn)端部泵激，并且停留于垂直于晶體的C-軸的相對(duì)面上和被冷卻，同時(shí)垂直于C-軸的相對(duì)面被熱絕緣。因?yàn)榻禍丶夹g(shù)構(gòu)造圓形熱透鏡在各向異性的NdYVO4-晶體中，一個(gè)基本上圓形的輸出射線(xiàn)被產(chǎn)生。
此方案的缺點(diǎn)在于，復(fù)雜的射線(xiàn)成形技術(shù)是必要的，以產(chǎn)生圓形泵激射線(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，減小激光晶體損毀界限對(duì)提高泵激功率密度的影響，從而優(yōu)化射線(xiàn)質(zhì)量并提高二極管泵激的固體激光器的效率。而且泵容積或橫截面在晶體長(zhǎng)度上—它至少近似對(duì)應(yīng)于吸收長(zhǎng)度—的橫截面保持盡可能地小。
按照本發(fā)明，上述任務(wù)由說(shuō)明書(shū)開(kāi)始處所述方式的結(jié)構(gòu)如此完成各向異性激光晶體的結(jié)晶軸中晶體斷裂界限的最大值所在方向上的那個(gè)軸被對(duì)準(zhǔn)沿著最大的、在泵激射線(xiàn)橫截面的較小延伸方向上的溫度梯度。
具有以成對(duì)平行的至少在激光晶體的部分區(qū)域有不同邊長(zhǎng)的晶體邊緣的通過(guò)泵激射線(xiàn)的晶體橫截面的各向異性激光晶體中，一個(gè)定向的熱流被形成，各向異性激光晶體在泵激射線(xiàn)橫截面的較小延伸并且平行于具有較小邊緣長(zhǎng)度的晶體邊緣的方向上具有最大的熱系數(shù)。
在部分保持為取得高的泵激功率密度所需的規(guī)定的泵激射線(xiàn)非對(duì)稱(chēng)性的條件下，為了適配激光射線(xiàn)于此非對(duì)稱(chēng)性，采用完全不同于現(xiàn)有技術(shù)的定向措施。通過(guò)在泵激射線(xiàn)橫截面的較小延伸方向上減小晶體尺寸導(dǎo)致的熱流非對(duì)稱(chēng)性以及由此導(dǎo)致的熱透鏡的非對(duì)稱(chēng)性可以如此適配于諧振器在晶體內(nèi)部實(shí)現(xiàn)一個(gè)非對(duì)稱(chēng)的激光模式，它適配于非對(duì)稱(chēng)的泵激模式，而無(wú)需在諧振器中增添其它的非對(duì)稱(chēng)件，即無(wú)需對(duì)于不同的軸使用不同的射線(xiàn)成形裝置。
此外，可以發(fā)現(xiàn)定向措施和激光晶體的結(jié)構(gòu)特別有利地與形式為改進(jìn)斷裂強(qiáng)度性能的熱彈性性能相聯(lián)系，這樣用于接收相對(duì)于現(xiàn)有泵裝置更高泵激功率密度的激光晶體可被適配。此外在各向異性激光晶體的晶體中央取得了明顯改善的溫度狀況。尤其是那里的最高溫度的下降由于減小了熱負(fù)荷而對(duì)提高激光轉(zhuǎn)換的效率有正面影響。
非對(duì)稱(chēng)的熱透鏡被應(yīng)用，在激光晶體內(nèi)部產(chǎn)生一個(gè)橢圓形激光射線(xiàn)橫截面，其軸比大于1∶1而小于1∶3。借助于激光晶體的一個(gè)布魯斯特切割的射線(xiàn)輸出表面，這個(gè)軸比還可以被增大一個(gè)系數(shù)，它等于激光晶體折射指數(shù)與大氣折射指數(shù)之比。
如果NdYVO4-晶體被用作各向異性晶體，在應(yīng)用本發(fā)明時(shí)它被如此規(guī)定a-軸在泵激射線(xiàn)橫截面的較小延伸方向上(平行于快-軸)，c-軸在泵激射線(xiàn)橫截面的較大延伸方向上(平行于慢-軸)。
與US5561547的降溫方法和優(yōu)化晶體橫截面的方法不同，一個(gè)主要平行于c-軸定向的，用于產(chǎn)生均勻的熱特性的熱流被避免了。代替它，通過(guò)放棄圓形熱透鏡或晶體中輻射對(duì)稱(chēng)的諧振器射線(xiàn)，取得了調(diào)整參數(shù)如晶體定向和晶體形狀時(shí)的更大的自由度。非對(duì)稱(chēng)的晶體特性不是被補(bǔ)償，而是在一個(gè)布魯斯特切割的激光晶體中—其尺寸在泵激射線(xiàn)的較小延伸方向上相對(duì)于與其垂直的方向上被減小—按照本發(fā)明被應(yīng)用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的任務(wù)。
有優(yōu)點(diǎn)的是，為了產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)的泵激射線(xiàn)，可以應(yīng)用一個(gè)具有行形式排列的單個(gè)發(fā)射器和快-和慢-軸-準(zhǔn)直儀的二極管激光器，其中慢-軸-準(zhǔn)直儀由單個(gè)透鏡組成，它們排列在由單個(gè)發(fā)射器發(fā)出的射線(xiàn)束的與射線(xiàn)橫截的平面上。
輸出射線(xiàn)存在的非對(duì)稱(chēng)性可通過(guò)適當(dāng)設(shè)計(jì)諧振器限制到小于10％，和/或通過(guò)在一個(gè)弓形鏡上的離軸-反射被完全補(bǔ)償。


下面借助簡(jiǎn)要附圖詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明。附圖中圖1是本發(fā)明泵激結(jié)構(gòu)的頂視圖，圖2示出激光晶體中的軸取向，圖3是激光晶體中模式橫截面頂視圖，圖4是激光晶體中模式橫截面?zhèn)纫晥D，圖5示出溫度和米賽斯比較應(yīng)力(Mises-Vergleichsspannungen)與晶體高度的關(guān)系曲線(xiàn)，圖6示出一個(gè)用于連續(xù)波激光運(yùn)行或具有300ns以下脈沖的品質(zhì)切換的激光運(yùn)行的諧振器結(jié)構(gòu)。
圖7示出用于在10ps以下的模式耦合的激光運(yùn)行或具有300ns以上脈沖的品質(zhì)切換的激光運(yùn)行的諧振器結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式
圖1中示出的泵結(jié)構(gòu)為了端泵激激光晶體1具有一個(gè)形式為激光二極管棒或一個(gè)激光二極管棒排列的泵激射線(xiàn)源2，其泵激射線(xiàn)3借助于兩個(gè)圓柱透鏡4和5被聚焦對(duì)準(zhǔn)到激光晶體1的射線(xiàn)輸入面6上。泵激射線(xiàn)3在激光晶體1的入口具有相互垂直的不同延伸的橫截面的非對(duì)稱(chēng)性。
為了取得高的泵激射線(xiàn)密度，已證實(shí)為改進(jìn)激光二極管棒的射線(xiàn)特性除準(zhǔn)直快-軸外還以特殊方式準(zhǔn)直慢-軸是有優(yōu)點(diǎn)的。在激光二極管棒中以行方式排列的單個(gè)發(fā)射器通常只需要被提供使用的位置的一部分。其它部分被中間空間，即所謂“間隙(spacings)”占領(lǐng)，它們損害了射線(xiàn)參數(shù)產(chǎn)物，因?yàn)樯涑龅拿娣e圍繞中間空間的不使用位置增大。準(zhǔn)直透鏡在激光射線(xiàn)束的橫截面中的結(jié)構(gòu)消除了死關(guān)系，從而可以改善射線(xiàn)參數(shù)產(chǎn)物約2倍。為此所需的微光系7安置在泵激射線(xiàn)源2之后。
代替應(yīng)用圓柱光系，也可以有意識(shí)地放大快-軸的殘留發(fā)散，并接著用一個(gè)非球面透鏡聚焦，其優(yōu)點(diǎn)在于在慢-軸方向上的非球面成象可獲得更好的準(zhǔn)直，然而它的缺點(diǎn)是快-軸和慢-軸的焦點(diǎn)位于激光晶體1的不同位置上。
在上述例中一個(gè)4×2×6.9mm3大小的NdYVO4-晶體被用作各向異性激光晶體1，它以圖2所示方式對(duì)泵激射線(xiàn)取向，其結(jié)晶的c-軸在較大延伸的方向上，結(jié)晶的a-軸—在此方向上有晶體斷裂界限和熱傳導(dǎo)系數(shù)的最大值—取向于泵激射線(xiàn)橫截面的較小延伸方向上。
如果在a—軸方向上的晶體高度還被減小，并從而增大了溫度梯度，則已表明會(huì)從而導(dǎo)致晶體強(qiáng)度相對(duì)于熱應(yīng)力的明顯提高。這意味著激光晶體1可以在明顯提高的泵激功率和泵激功率密度下運(yùn)行。
由此原因，激光晶體1具有一個(gè)通過(guò)泵激射線(xiàn)3的晶體橫截面，它具有成對(duì)地平行的、不同邊長(zhǎng)的晶體邊緣8、9、10和11，其中晶體邊緣8和9—它們相對(duì)于晶體邊緣10和11有較小的邊長(zhǎng)—在泵激射線(xiàn)橫截面的較小延伸方向上。
當(dāng)然在一個(gè)布魯斯特切割的激光晶體中，有優(yōu)點(diǎn)的邊緣關(guān)系僅出現(xiàn)在部分區(qū)域中，它從射線(xiàn)輸入面6開(kāi)始，并在一個(gè)面E結(jié)束，在結(jié)束面之后作為射線(xiàn)輸出面，相對(duì)諧振器射線(xiàn)傾斜的布魯斯特面12減小了橫截面，并從而也改變了邊緣關(guān)系。
在應(yīng)用940×330μm2的泵激射線(xiàn)橫截面時(shí)轉(zhuǎn)換成熱的泵激功率可達(dá)8瓦，測(cè)量的熱透鏡達(dá)到在水平方向上fx＝600mm，在垂直方向上fy＝200mm。
借助于非對(duì)稱(chēng)透鏡透鏡并由激光晶體1的布魯斯特切割產(chǎn)生的激光射線(xiàn)13的橢圓形模式橫截面在圖3和4中被說(shuō)明，軸比從1∶2調(diào)整到1∶3。
圖5示出變小的晶體高度(晶體邊緣8、9的長(zhǎng)度)與激光晶體中的最大溫度及最大的米賽斯比較應(yīng)力之間的關(guān)系。最大協(xié)約-比較應(yīng)力反映晶體的撕裂。
對(duì)于一個(gè)連續(xù)波激光運(yùn)行或具有300ns以下脈沖的一個(gè)品質(zhì)切換的激光運(yùn)行的圖6所示的直線(xiàn)諧振器結(jié)構(gòu)中，在借助泵激射線(xiàn)源2通過(guò)泵激光系14泵激的NdYVO4-激光晶體1后面設(shè)置一個(gè)轉(zhuǎn)向鏡15，并且它通過(guò)一個(gè)端鏡16耦合出。在諧振器內(nèi)避免了增添非對(duì)稱(chēng)元件。轉(zhuǎn)向鏡15設(shè)計(jì)為球面鏡使得容易用離軸-反射補(bǔ)償(精調(diào)諧)射線(xiàn)非對(duì)稱(chēng)性。
如圖7所示的以可飽和的半導(dǎo)體吸收工作的模式耦合諧振器具有三個(gè)轉(zhuǎn)向鏡17、18和19及一個(gè)端鏡20，其中存在不同的射線(xiàn)輸出耦合可能性。可以在激光晶體1和泵光系14之間設(shè)置例如一個(gè)分光鏡(dichroitis cher Spiegel)。此外也可以借助一個(gè)λ/2-板，一個(gè)λ/4-板和一個(gè)極化射線(xiàn)分配器旋轉(zhuǎn)諧振器射線(xiàn)13的極化，并在射線(xiàn)行程方向上耦合輸出被旋轉(zhuǎn)部分。此外，可從一個(gè)轉(zhuǎn)向鏡中耦合出兩條輸出射線(xiàn)。如果半導(dǎo)體吸收器被用作轉(zhuǎn)向鏡，必須考慮單個(gè)模式相對(duì)于諧振器的終端的變化相移。
權(quán)利要求
1.用非對(duì)稱(chēng)的泵激射線(xiàn)泵激各向異性的激光晶體的裝置，泵激射線(xiàn)的橫截面具有相互垂直的不等延伸，并具有一個(gè)適配于此不對(duì)稱(chēng)性的激光射線(xiàn)橫截面，其特征在于，各向異性激光晶體的結(jié)晶軸中在其方向上有最大的晶體斷裂界限值的那個(gè)軸被對(duì)準(zhǔn)沿著最大的、在泵激射線(xiàn)橫截面的較小延伸方向上的溫度梯度。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，各向異性激光晶體—它具有一個(gè)通過(guò)泵激射線(xiàn)的晶體橫截面，該橫截面具有成對(duì)平行的、至少在激光晶體的部分區(qū)域有不同邊長(zhǎng)的晶體邊緣—在泵激射線(xiàn)橫截面的較小延伸并平行于具有較小邊長(zhǎng)的晶體邊緣的方向上具有其最大的熱傳播系數(shù)。
3.如權(quán)利要求2所述的裝置，其特征在于，在激光晶體中形成一個(gè)在相互垂直方向上有不同強(qiáng)度的非對(duì)稱(chēng)的熱透鏡，其中熱透鏡的強(qiáng)度適配于泵激射線(xiàn)橫截面的延伸的大小。
4.如權(quán)利要求3所述的裝置，其特征在于，通過(guò)熱透鏡的強(qiáng)度與方向有關(guān)的差別，在激光晶體中存在一個(gè)激光射線(xiàn)橫截面，其在相互垂直方向上的軸比大于1∶1，并小于1∶3。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，激光晶體具有一個(gè)作為射線(xiàn)輸出面的布魯斯特面，并且軸比增大一個(gè)倍數(shù)，它等于激光晶體的折射指數(shù)與空氣的折射指數(shù)之比。
6.如權(quán)利要求5所述的裝置，其特征在于，一個(gè)NdYVO4-晶體被用作各向異性激光晶體。
7.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，為了產(chǎn)生非對(duì)稱(chēng)的泵激射線(xiàn)，采用一個(gè)具有行方式排列的單個(gè)發(fā)射器的二極管激光器和快-和慢-軸-準(zhǔn)直儀，并且慢-軸-準(zhǔn)直儀由單個(gè)透鏡組成，它們被安裝在從單個(gè)發(fā)射器發(fā)出的射線(xiàn)束的射線(xiàn)的橫截面中。
8.如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，泵激射線(xiàn)借助于兩個(gè)圓柱透鏡適配于橢圓的射線(xiàn)橫截面。
9.如權(quán)利要求6所述的裝置，其特征在于，泵激射線(xiàn)在快-軸-方向上具有規(guī)定的發(fā)散，并且借助于一個(gè)非球面的透鏡實(shí)現(xiàn)聚焦。
全文摘要
本發(fā)明提出一種用于泵激各向異性激光晶體的裝置，用于解決以下問(wèn)題減小激光晶體的損毀界限對(duì)提高泵激功率密度的影響，并且取得與之相聯(lián)系的射線(xiàn)質(zhì)量的改善和二極管泵激的固體激光器的效率。并且泵容積或在晶體長(zhǎng)度上的橫截面—此長(zhǎng)度至少近似對(duì)應(yīng)于吸收長(zhǎng)度—應(yīng)盡可能保持較小。該結(jié)構(gòu)用一個(gè)非對(duì)稱(chēng)的泵激射線(xiàn)工作，其泵激射線(xiàn)橫截面具有相互垂直的不同延伸，并且結(jié)構(gòu)具有一個(gè)適配于此非對(duì)稱(chēng)性的激光射線(xiàn)橫截面。在各向異性激光晶體的結(jié)晶軸中在其方向上有最大的晶體斷裂界限值的那個(gè)軸被對(duì)準(zhǔn)沿著最大的，在泵激射線(xiàn)橫截面的較小延伸方向上的溫度梯度。
文檔編號(hào)H01S3/0941GK1414669SQ0212618
公開(kāi)日2003年4月30日 申請(qǐng)日期2002年7月18日 優(yōu)先權(quán)日2001年10月26日
發(fā)明者本德·布朗, 格倫特·霍勒曼 申請(qǐng)人:杰諾普蒂克激光光學(xué)系統(tǒng)有限公司