專利名稱：激光源的制作方法
技術領域：
本發明涉及激光源。
-泵浦系統，其產生至少一泵浦光束，其發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-光學諧振腔，其給予由此激光應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。
關于泵浦系統的裝置，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，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，當棒比泵浦系統長時，就有必要提供一光學系統使泵浦均勻。這樣的光學系統一般很大。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。在這種情況中，雖然效率可能很高，但是降低了均勻性，因為很難將遠離泵浦系統的那一棒端進行泵浦。
此外，為了使泵浦能量模式(pattern)對稱，實際上一般是將由激光二極管發射的泵浦光束注入到光纖中。在光纖出口處，近場和遠場分布為圓形，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入棒的進入面與出射面之間嚴重地減小。這降低了效率。
本發明涉及一種有可能彌補這些缺點的激光源，即一種既具有高輸出又具有高均勻性泵浦的激光源。
文獻EP-0 404 635公開了一種用于棒激光器的照明結構，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生的熱量，同時仍可獲得滿意的泵浦均勻性。為了做到這一點，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，并且照明結構包括將泵浦光束轉移到棒的光轉移系統。此光轉移系統包括將泵浦光束傳送給棒的反射裝置。
但是，這種公知的照明結構體積相對很大并且效率不是最理想的。
為此目的，根據本發明，所述類型的激光源包括至少泵浦系統(2)，用于產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的延長棒，以便放大激光發射，以及包括至少一個放置在所述棒一側的光學塊，以便向所述棒引導泵浦光線，值得注意的是其中所述的泵浦系統被如此形成，以產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塊的一個進入面，其中光學塊的所述進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所產生的泵浦光線，以便通過折射使所述泵浦光線偏轉，以將它們傳輸給所述棒，并且其中所述進入面的傾斜是這樣的，從而這些光線到達所述棒，使它們分布在其整個長度上。
因此，根據本發明，泵浦光線在棒的整個長度上被均勻地分布，從而泵浦特別均勻。
此外，泵浦光線的偏轉是通過簡單的折射來實現的。因此，為了實現這種偏轉，不需要提供特殊的裝置，如，例如折射裝置，這種裝置有時體積大而且需要附加的、通常是昂貴的并且是耗費時間的處理。
也應注意根據本發明，泵浦光線到光學塊的進入不同于通常的實踐，由此泵浦光線被垂直地發射到光學塊的進入面。
優選地，所述激活元件包括兩個光學塊，它們被放置在所述棒的每一側并且每一光學塊均擁有一個傾斜的進入面，由此在兩側實現棒的泵浦。此外，如果在激活元件和泵浦系統相對于所述棒的縱軸是對稱的，則該泵浦在兩側是一樣的。
因此，根據這此附加的特點，泵浦不僅在棒的整個長度上，而且(處處)遍及其厚度都是均勻的。
眾所周知，事實上泵浦能量一般在穿透到棒的一個短距離內就被高度地吸收掉，因此位于泵浦光束進入所述棒穿透區域對側的棒部分通常被弱泵浦。根據上述的沿兩側的泵浦，這種缺點被彌補并且泵浦在整個棒上做到了均勻(盡管棒的中心比其邊緣要輕微地被弱泵浦)。
此外，根據本發明，泵浦光線必須通過棒，由此有可能獲得高的效率。
有利地泵浦系統包括至少一個激光二極管的線型陣列；和由所述泵浦系統產生的泵浦光線平行于所述棒的縱軸。
此外，有利地，每個進入面的傾斜依賴于棒的長度和形成光學塊的介質相對于其中產生泵浦光線的介質的折射率n。更精確地，以一種有利的方式，傾斜的進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是光學塊在進入面處垂直于所述棒縱軸的寬度。
此外，在一特定的實施例中，每個光學塊在其進入面的相對側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(朝進入面)，產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路徑并因此快速引導。
此外，關于折射率，每個光學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本發明的激光源。
圖2用示意性透視法示明了根據本發明的激活元件。
圖3和圖4是解釋根據本發明的激活元件不同尺寸的計算圖示。
圖5和圖6是根據本發明的激活元件的兩個示意性視圖，分別為平面視圖和側視圖。
根據本發明所述的泵浦系統2被形成以產生(至少一泵浦光束的)多個泵浦光線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，其面對著光學塊5和6中每一個的進入面5A，6A；-所述光學塊5和6中每一個的進入面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被產生使其不垂直于相應的進入面5A，6A，以便通過折射來偏轉；和-每個進入面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，由此后者到達所述棒4，使得在整個長度L上被均勻分布，如圖1所示。
因此，根據本發明泵浦光線F在棒4的整個長度上被均勻分布；和泵浦在棒4的兩側被同樣地實施，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入面5A，6A上被偏轉，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。
所述泵浦系統2包括擁有多個激光二極管8的線型陣列7，例如5毫秒發射100W的陣列并且其具有10mm×1μm的發射面積，擁有25個元激光二極管。
面向進入面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，以獲得想要的發射出的泵浦光線F的均勻分布。
優選但是非排他地，相互平行的泵浦光線F平行于縱軸X-X發射。
但是，應注意，如果泵浦光線被(輕微地)傾斜于軸X-X發射，也可實施本發明。為了獲得上述根據本發明的泵浦的均勻分布，改變進入面5A，6A的角度θ就足夠。
進入面5A，6A優選為平面。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，為了實施本發明，有可能使用標準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。
根據本發明，每個進入面5A，6A的傾斜角度θ依賴于棒4的長度L和形成光學塊5，6的介質(例如玻璃)相對于泵浦光F在到達相應進入面5A，6A之前在其中傳播的介質(例如外部的空氣)的折射率n。
更精確地，根據本發明，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是在進入面(5A，6A)處垂直于棒(4)縱軸(X-X)的光學塊(5，6)的寬度，如圖3所示(其為沒有傾斜的進入面的示意性解釋表示)。
為了進一步解釋上述等式(1)，角度φ表示軸X-X與極端偏折的泵浦光線F之間對應的角度，其允許棒4在面對泵浦系統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。
關于激光源1的一個特定實例的激活元件3的實際尺寸，想要的效率、泵浦光束的能量特性和棒4的泵浦特性應特別加以考慮。
應注意，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；-G表示一個往返行程的增益；和-g0表示小信號增益。
作為一實例，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關于寬度H，其根據激光二極管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。
應注意，實際上激活元件的寬度大于ltot，以便將陣列的發散和位置的容限考慮進去。激活元件的總寬度則變為寬度＝2H+l+2ε，ε是進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。
關于角度θ，利用參數H和因此被確定的L從上述等式(1)獲得。
關于棒4的寬度l，利用通過吸收介質傳輸的公知定律，寫成2e-αl2sinθ=x]]>這里α是介質的吸收系數，x是在棒4中心處的泵浦能量相對于到達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)的這個寬度l、長度L和體積V(V＝l×h×L)來限定，根據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，為了用每個全-功率脈沖發射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。
應注意，在一優選實施例中，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)的整個高度h上，因此泵浦光線F必須通過所述棒4(而不進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致了損耗)。這允許獲得高的效率。
此外，根據本發明，光學塊5和6相對于軸X-X是對稱的，并且所述光學塊5，6中的每一個均在其進入面5A，6A的對面具有傾斜于軸X-X的第二個面5B，6B。所述第二個面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入面5A，6A返回，如圖5的單一光線F所示。在上述優選實例中，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，根據本發明，高度h(如圖2所示，其既相應于棒4的高度也相應于光學塊5和6的高度)小于寬度l的兩倍，并優選接近于所述寬度l，如前面用數值實例進行的說明。如果，激活元件3的高度h遠小于其總寬度ltot。因此，為了減小泵浦光線F的路徑長度，根據本發明，它的整個傳播是沿快速軸被引導的，即從激活元件3的上面S1和下面S2反射，如圖6所示，其相應于圖5的頂視圖。
此外，應注意光學塊5和6以及棒4的材料必須優選具有足夠相似的膨脹系數以允許在這些材料之間產生有效的接合；和關于這些材料的折射率，為了防止泵浦光線F從棒4反射掉，對光學塊5和6優選使用具有低折射率的材料。但是，由于泵浦光線F總是相對地遠離棒，因此，光學塊5和6的折射率可以大出0.01而不會因此妨礙泵浦光線F大于7°的傾斜。
因此，本發明特別具有下列優點良好的縱向和深度方面的泵浦均勻性(在上述實例中，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；當對長度延長(例如25mm)和直徑減小(例如1mm)的激活體積(棒4)進行泵浦時，只借助簡單的陣列7進行泵浦，沒有任何光準直裝置，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。
權利要求
1.激光源，包括至少-用于產生至少一個泵浦光束的泵浦系統；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)的摻雜基質的延長棒(4)，以便放大激光發射，以及包括至少一個放置在所述棒(4)一側的光學塊(5，6)，以便向所述棒(4)引導泵浦光線(F)，其特征在于所述泵浦系統(2)被形成以產生多個相互平行并對所述激活元件(3)橫向分布的泵浦光線(F)，其面向著所述光學塊(5，6)的至少一個進入面(5A，6A)，其中光學塊(5，6)的所述進入面(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(2)產生的泵浦光線(F)，以便通過折射使所述泵浦光線(F)偏轉，以使它們傳輸進入所述棒(4)，并且其中所述進入面(5A，6A)的傾角(θ)是這樣的它使泵浦光線(F)發生偏轉由此這些光線到達所述棒(4)，以使它們被分布在其整個長度(L)上。
2.根據權利要求1的激光源，其特征在于所述激活元件(3)包括兩個光學塊(5，6)，其被放置在所述棒(4)的每一面并且每一光學塊均擁有一傾斜的進入面(5A，6A)。
3.根據權利要求1的激光源，其特征在于所述泵浦系統(2)包括至少一個激光二極管(8)的線型陣列(7)。
4.根據權利要求1的激光源，其特征在于平行于所述棒(4)縱軸(X-X)產生所述泵浦光線(F)。
5.根據權利要求1的激光源，其特征在于每個進入面(5A，6A)的傾角(θ)依賴于棒(4)的長度L和形成光學塊(5，6)的介質相對于在其中產生泵浦光線(F)的介質的折射率n。
6.根據權利要求5的激光源，其特征在于傾斜的進入面(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是光學塊在進入面(5A，6A)處垂直于所述棒(4)縱軸(X-X)的寬度。
7.根據權利要求2的激光源，其特征在于每一光學塊(5，6)在其進入面(5A，6A)的對面具有第二個傾斜的面(5B，6B)，并且其中所述第二個面(5B，6B)的傾角(β)是這樣的它們導致泵浦光線(F)返回，產生至少一個通過所述棒(4)的附加通路。
8.根據權利要求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.根據權利要求1的激光源，其特征在于光學塊(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(2)和激活元件(3),激活元件包括一摻雜的細長棒(4)和至少一用于向棒(4)引導至少一個泵浦光束的泵浦光線(F)的光學塊(5,6)。泵浦系統(2)產生多個平行的泵浦光線(F)。光學塊(5,6)的進入面(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,以使它們傳輸給棒(4),并且進入面(5A,6A)的傾角是這樣的使泵浦光線(F)到達棒(4),以便在分布它的整個長度上。
文檔編號H01S3/0941GK1362764SQ0114329
公開日2002年8月7日 申請日期2001年12月26日 優先權日2000年12月26日
發明者J·－E·蒙塔尼 申請人:塞拉斯激光工業公司