CN107147001A - 旋转半导体侧泵光泵浦棒状晶体的激光模块及激光器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种旋转半导体侧泵光泵浦棒状晶体的激光模块，包括晶体棒；及泵源组，包括九个半导体激光一维线阵泵源，每个半导体激光一维线阵泵源包括多个芭条，相邻芭条之间具有一间距；九个半导体激光一维线阵泵源根据芭条排布类型的不同分为三类泵源，即第一类、第二类以及第三类半导体激光一维线阵泵源；该九个半导体激光一维线阵泵源按照第一类‑第二类‑第三类‑第一类‑第二类‑第三类‑第一类‑第二类‑第三类的顺序均匀环绕所述晶体棒以进行泵浦。本公开还提供了一种激光器。本公开激光模块及激光器降低了全固态激光模块在高维度泵浦时激光晶体棒的热效应，消除了晶体棒轴向上的泵浦暗区，提高了半导体泵源与激光晶体棒的利用率。

Description

旋转半导体侧泵光泵浦棒状晶体的激光模块及激光器

技术领域

本公开涉及高功率全固态激光技术领域，尤其涉及一种旋转半导体侧泵光泵浦棒状晶体的激光模块及激光器。

背景技术

全固态激光器具有效率高、寿命长、光束质量好、体积适中、可柔性传输等优点，是目前较成熟的激光技术之一。高功率全固态激光器通常由若干个半导体激光侧面泵浦的全固态激光模块通过谐振与放大的串接模式实现，因此，激光模块是构成高功率全固态激光器的核心器件，它的性能直接决定激光器整机的品质。

目前，激光模块一般采用三维、五维或者七维的泵浦源环绕晶体棒进行泵浦，此处的维指的是半导体泵源对晶体棒的泵浦方向，在每一个方向上都有一个半导体激光一维线阵泵源，可由3～15个40W的半导体芭条构成。理论上晶体棒的直径越大、泵浦的维数越多，晶体棒的径向上就越可以获得更好的泵浦均匀性，激光模块也能获得更高的输出功率。实际上，泵源的维数不是越高越好，在七维泵浦时晶体棒的热效应就会变的非常严重，40W的半导体芭条一般只能工作在30W以下，泵源不能被充分利用，激光模块的输出功率受到限制。另外，半导体激光一维线阵在封装时，芭条与芭条之间会留有约1～2mm的缝隙，在晶体棒泵浦区的长度范围内存在10％以上的暗区，在晶体棒上形成了周期性的结构，不仅减少了芭条在轴向的数量同时也增大了晶体棒在轴向上的泵浦不均匀性，将激光模块的输出功率限制在千瓦以下。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本公开提供了一种旋转半导体侧泵光泵浦棒状晶体的激光模块及激光器，有效解决了半导体激光侧泵的全固态激光模块在高维度泵浦时激光晶体棒热效应严重的技术难题，消除晶体棒轴向上的泵浦暗区，提高晶体棒轴向上的泵浦均匀性，利用晶体棒有限的泵浦长度获得了最大的输出功率。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种旋转半导体侧泵光泵浦棒状晶体的激光模块，包括

晶体棒；以及

泵源组，包括九个半导体激光一维线阵泵源，每个半导体激光一维线阵泵源包括多个芭条，相邻芭条之间具有一间距；

其中，该九个半导体激光一维线阵泵源根据芭条排布类型的不同分为三类泵源，即第一类、第二类以及第三类半导体激光一维线阵泵源；在泵浦棒状晶体时，该九个半导体激光一维线阵泵源按照第一类-第二类-第三类-第一类-第二类-第三类-第一类-第二类-第三类的顺序均匀环绕所述晶体棒以进行泵浦。

在本公开一些实施例中，沿所述晶体棒轴线方向，所述第二类半导体激光一维线阵泵源的首个芭条相比所述第一类半导体激光一维线阵泵源的首个芭条具有一缩进距离，所述第三类半导体激光一维线阵泵源的首个芭条相比所述第二类半导体激光一维线阵泵源的首个芭条具有一缩进距离。

在本公开一些实施例中，其中，第一类半导体激光一维线阵泵源的相邻芭条之间的间距为5mm；第二类半导体激光一维线阵泵源的首个芭条比第一类半导体激光一维线阵泵源的首个芭条缩进5mm，其相邻芭条的间距为5mm；第三类半导体激光一维线阵泵源的首个芭条又比第二类半导体激光一维线阵泵源的首个芭条缩进5mm，其相邻芭条的间距为5mm。

在本公开一些实施例中，所述半导体激光一维线阵泵源包括5～15个半导体激光芭条，各芭条均沿着芭条的慢轴方向排成一排封装到热沉上，芭条长度均为10mm。

在本公开一些实施例中，相邻线阵泵源与晶体棒中心的夹角为40°，在晶体棒泵浦区两端5mm的范围内形成三维泵浦结构，在其余的泵浦区形成六维泵浦结构。

在本公开一些实施例中，所述晶体棒为Nd:YAG激光晶体，掺杂Nd⁺³离子的原子百分比浓度为0.3％～1.3％。

在本公开一些实施例中，所述晶体棒的长度为110mm～230mm，直径为4mm～12mm。

在本公开一些实施例中，还包括：

玻璃管，位于所述泵源组与晶体棒之间，用于提供冷却流体通道以对所述晶体棒进行冷却。

在本公开一些实施例中，所述玻璃管为石英玻璃管，其内壁与所述晶体棒的表面间隔1～2mm，玻璃管壁厚1～2mm。

根据本公开的另一个方面，还提供了一种旋转半导体侧泵光泵浦棒状晶体的激光器，其包括所述的激光模块。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开旋转半导体侧泵光泵浦棒状晶体的激光模块及激光器至少具有以下有益效果其中之一：

(1)本公开采用九维泵浦的机械结构实现六维的光学泵浦结构，可降低晶体棒的热效应，使得半导体芭条工作在额定输出状态下获得最大的利用效率，同时消除了晶体棒轴向上的泵浦暗区，提高了晶体的利用率。

(2)本公开采用九维泵浦的机械结构实现六维的光学泵浦结构，通过对线阵泵源的结构设置，六维的光学泵浦结构在晶体棒的泵浦区每经过5mm会旋转40°，降低了晶体棒的热致双折射对激光输出的负面影响。

附图说明

通过附图所示，本公开的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的装置。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本公开的主旨。

图1为依据本公开实施例三类半导体激光一维线阵泵浦棒状晶体的激光模块示意图。

图2为依据本公开实施例九个半导体激光一维线阵上芭条的排布示意图。

图3为依据本公开实施例晶体棒泵浦区两端5mm范围内的泵光示意图。

图4为依据本公开实施例晶体棒泵浦区(除去两端5mm的范围)截面上的泵光示意图。

<符号说明>

1-第一类半导体激光一维线阵泵源、2-第二类半导体激光一维线阵泵源、3-第三类半导体激光一维线阵泵源、4-芭条、5-晶体棒、6-玻璃管、7-单个芭条发出的光束。

具体实施方式

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本公开的保护范围。

本公开提供了一种旋转半导体侧泵光泵浦棒状晶体的激光模块及激光器。所述激光模块包括：

晶体棒；以及

泵源组，包括九个半导体激光一维线阵泵源，每个半导体激光一维线阵泵源分别可包括多个芭条，相邻芭条之间应具有一间距；

其中，该九个半导体激光一维线阵泵源根据芭条排布类型的不同分为三类泵源，即第一类、第二类以及第三类半导体激光一维线阵泵源；在泵浦棒状晶体时，该九个半导体激光一维线阵泵源按照第一类-第二类-第三类-第一类-第二类-第三类-第一类-第二类-第三类的顺序均匀环绕所述晶体棒以进行泵浦。

所述芭条排布类型的不同具体可以是，半导体激光一维线阵泵源上的芭条按照以下三种排布类型进行封装，例如沿所述晶体棒轴线方向，所述第二类半导体激光一维线阵泵源的首个芭条相比所述第一类半导体激光一维线阵泵源的首个芭条具有一缩进距离，所述第三类半导体激光一维线阵泵源的首个芭条相比所述第二类半导体激光一维线阵泵源的首个芭条具有一缩进距离。

本公开还提供了一种激光器，其包括所述激光模块。

在本公开的一个优选实施例中，请参照图1所示，激光模块包括：

晶体棒5；

九个半导体激光一维线阵泵源1、2、3，顺序均匀环绕激光晶体棒进行泵浦，其中线阵泵源1为第一类半导体激光一维线阵泵源，线阵泵源2为第二类半导体激光一维线阵泵源，线阵泵源3为第三类半导体激光一维线阵泵源。该九个半导体激光一维线阵泵源在泵浦棒状晶体时，按照第一类、第二类、第三类，第一类、第二类、第三类，第一类、第二类、第三类的顺序将该九个半导体激光一维线阵泵源均匀环绕激光晶体棒进行泵浦。

九个半导体激光一维线阵泵源均匀环绕激光晶体棒进行泵浦，在泵源与晶体棒5之间设有玻璃管6，玻璃管与晶体棒之间有冷却水流过冷却晶体棒，泵浦光穿过玻璃管与冷却水到达晶体棒进行泵浦。

所述半导体激光一维线阵泵源1、2、3是在热沉上封装5～15个半导体激光芭条，芭条沿芭条的慢轴方向排成一排封装到热沉上，芭条为商用标准芭条，长度为10mm，芭条与芭条之间的间隙是5mm。

所述晶体棒5为Nd:YAG激光晶体，掺杂Nd⁺³离子的原子百分比浓度为0.3％～1.3％，其长度为110mm～230mm，直径为4mm～12mm。

所述玻璃管6为高纯度石英玻璃管，其内壁与晶体棒的表面间隔1～2mm，壁厚1～2mm。

在本实施例中，作为泵源的9个半导体激光一维线阵上的芭条封装排布分成三个类型，以每个线阵上包括5个芭条4为例，其上面的芭条排布如图2所示。具体的，所述第一类半导体激光一维线阵泵源1的相邻芭条之间的间距为5mm；第二类半导体激光一维线阵泵源2的首个芭条比第一类半导体激光一维线阵泵源1的首个芭条缩进5mm，相邻芭条的间距为5mm；第三类半导体激光一维线阵泵源3的首个芭条又比第二类半导体激光一维线阵泵源2的首个芭条缩进5mm，芭条间的间距为5mm。半导体激光芭条4的输出功率为40W的。泵浦晶体棒时，将封装好的9个半导体激光一维线阵按照图2的顺序依次排放并环绕激光晶体棒(图2即为图1中九个半导体激光一维线阵泵源的展开平铺示意图)，相邻线阵与晶体棒中心的夹角为40°，如图1所示。

由图1中芭条的分布可知，在晶体棒泵浦区两端5mm的范围内会形成如图3所示的三维泵浦结构，其余的泵浦区会形成如图4所示的六维泵浦结构，且该六维泵浦结构在晶体棒的泵浦区每经过5mm会旋转40°。从晶体棒的泵浦截面看，属于六维泵浦，且泵浦区的旋转可降低晶体棒的热致双折射对激光输出的负面影响。本公开激光模块及激光器可降低晶体棒的热效应，使得半导体激光芭条工作在额定功率下获得最大的利用效率，沿晶体棒的轴向看，泵源连续、消除了传统泵源的暗区，提高了晶体的利用率，可进一步提高全固态激光模块的输出功率。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行更改或替换。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种旋转半导体侧泵光泵浦棒状晶体的激光模块，包括

晶体棒；以及

泵源组，包括九个半导体激光一维线阵泵源，每个半导体激光一维线阵泵源包括多个芭条，相邻芭条之间具有一间距；

其中，该九个半导体激光一维线阵泵源根据芭条排布类型的不同分为三类泵源，即第一类、第二类以及第三类半导体激光一维线阵泵源；在泵浦棒状晶体时，该九个半导体激光一维线阵泵源按照第一类-第二类-第三类-第一类-第二类-第三类-第一类-第二类-第三类的顺序均匀环绕所述晶体棒以进行泵浦。

2.如权利要求1所述的旋转半导体侧泵光泵浦棒状晶体的激光模块，其中，沿所述晶体棒轴线方向，所述第二类半导体激光一维线阵泵源的首个芭条相比所述第一类半导体激光一维线阵泵源的首个芭条具有一缩进距离，所述第三类半导体激光一维线阵泵源的首个芭条相比所述第二类半导体激光一维线阵泵源的首个芭条具有一缩进距离。

3.如权利要求2所述的旋转半导体侧泵光泵浦棒状晶体的激光模块，其中，第一类半导体激光一维线阵泵源的相邻芭条之间的间距为5mm；第二类半导体激光一维线阵泵源的首个芭条比第一类半导体激光一维线阵泵源的首个芭条缩进5mm，其相邻芭条的间距为5mm；第三类半导体激光一维线阵泵源的首个芭条又比第二类半导体激光一维线阵泵源的首个芭条缩进5mm，其相邻芭条的间距为5mm。

4.如权利要求3所述的旋转半导体侧泵光泵浦棒状晶体的激光模块，其中，所述半导体激光一维线阵泵源包括5～15个半导体激光芭条，各芭条均沿着芭条的慢轴方向排成一排封装到热沉上，芭条长度均为10mm。

5.如权利要求3所述的旋转半导体侧泵光泵浦棒状晶体的激光模块，其中，相邻线阵泵源与晶体棒中心的夹角为40°，在晶体棒泵浦区两端5mm的范围内形成三维泵浦结构，在其余的泵浦区形成六维泵浦结构。

6.如权利要求1所述的旋转半导体侧泵光泵浦棒状晶体的激光模块，其中，所述晶体棒为Nd:YAG激光晶体，掺杂Nd⁺³离子的原子百分比浓度为0.3％～1.3％。

7.根据权利要求1所述的旋转半导体侧泵光泵浦棒状晶体的激光模块，其中，所述晶体棒的长度为110mm～230mm，直径为4mm～12mm。

8.根据权利要求1所述的旋转半导体侧泵光泵浦棒状晶体的激光模块，还包括：

玻璃管，位于所述泵源组与晶体棒之间，用于提供冷却流体通道以对所述晶体棒进行冷却。

9.如权利要求8所述的旋转半导体侧泵光泵浦棒状晶体的激光模块，其中，所述玻璃管为石英玻璃管，其内壁与所述晶体棒的表面间隔1～2mm，玻璃管壁厚1～2mm。

10.一种旋转半导体侧泵光泵浦棒状晶体的激光器，其包括如权利要求1至9中任一项所述的激光模块。