一種全固態雷射器用的雷射頭的製作方法

2023-06-12 02:16:31 2

專利名稱：一種全固態雷射器用的雷射頭的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種全固態雷射頭，特別涉及一種全固態雷射器用的微型雷射頭。
背景技術：
目前半導體雷射器的發展情況，綠光半導體雷射器和藍光半導體雷射器的輸出應用停 留在低功率水平，紅光半導體雷射器雖然功率水平上相對較高，但是波段較為單一。儘管 半導體雷射器體積小、集成度高，但是光束質量較差，無法獲得大功率的輸出，同時在光 譜覆蓋程度上也還需要進一步的擴展，與實際應用還有一定的差距。
由於全固態雷射器單束雷射輸出功率提高的困難以及單束光束功率密度過高帶來的晶 體散熱困難，為了滿足全固態雷射器大功率輸出的需求，目前有採用半導體雷射器列陣泵 浦全固態雷射器的方式，用以提高總輸出功率和改善晶體熱效應問題。現有技術中有幾種採 用半導體雷射器列陣泵浦全固態雷射器的情況，其中一種以垂直腔面發射的半導體雷射列 陣泵浦的全固態雷射器，如在專利號為ZL02121545. 6的中國專利中介紹的那樣，它是一種 垂直腔面發射的半導體雷射列陣作為泵浦源並採用腔內倍頻的雷射器技術。但是由於其為 垂直腔面發射，雖然其具有較好的光束質量，其發射形式卻很大程度上限制了輸出功率的 提高。另一種現有技術如專利號為US5351259的美國專利，採用bar條形式的半導體雷射 器列陣作為全固態雷射器的泵浦源，泵浦片狀雷射晶體，再通過非線性光學晶體變頻輸出。 由於bar條的生長方式決定了 bar條內部的半導體雷射器發光元之間為並聯連接，其並聯 結構造成了半導體雷射器列陣所需要的總工作電流較大。以含有19個半導體雷射器發光元的bar條為例，由於該19個半導體雷射器發光元為並聯結構，例如bar條上的一個半導體 雷射器發光元的工作電流為1A,整個bar條的總工作電流就為19A,如此高的工作電流會產 生大量焦耳熱，這樣一來電源和電線尺寸需要很大，因此導致供電設備笨重且昂貴。此外， 半導體雷射器泵浦的大功率全固態雷射器因為材料、散熱等相關因素的制約，雷射電光轉 換效率不高，而且現有的大功率全固態雷射器體積較大，實現微型化尚有一定的技術困難。
發明內容
本實用新型的目的在於針對現有技術的不足，為了減小全固態雷射器的體積和減少 電源傳輸損耗，同時還要提高採用半導體雷射器列陣泵浦的大功率全固態雷射器的電光轉 換效率和穩定性，從而提供一種使用串聯結構的半導體雷射器列陣作為泵浦源的全固態激 光器用的雷射頭。
本實用新型的目的是這樣實現的
本實用新型提供一種全固態雷射器用的雷射頭，包括半導體雷射器列陣、光學耦合器 件和由光學部件組成的諧振腔；其中所述半導體雷射器列陣輸出光路上設置所述光學耦合 器件和所述諧振腔；其特徵在於，還包括片狀雷射晶體；
所述半導體雷射器列陣由一個半導體雷射器列陣模塊或者兩個或兩個以上串聯的半導 體雷射器列陣模塊構成；
所述半導體雷射器列陣模塊包括兩個或兩個以上串聯的半導體雷射器發光元；
相鄰的所述半導體雷射器發光元的最小間距與一個所述半導體雷射器發光元的發光面 在所述半導體雷射器發光元的線陣排列方向上的寬度的比值大於5。上述技術方案中，相鄰的所述半導體雷射器發光元的最小間距與一個所述半導體雷射 器發光元在所述半導體雷射器發光元的線陣排列方向上的寬度的比值優選為從6到15。
上述技術方案中，所述光學耦合器件為由兩個或兩個以上單個耦合元件組成的列陣， 其中所述耦合元件的數目與所述半導體雷射器發光元的數目相同，且所述耦合元件與所述 半導體雷射器發光元出射的雷射一一對應。
上述技術方案中，所述耦合元件的入射面和出射面均鍍有對所述半導體雷射器列陣輸 出波長的增透膜。
上述技術方案中，所述耦合元件為自聚焦透鏡、柱狀透鏡、非球面透鏡或耦合透鏡組。
上述技術方案中，所述片狀雷射晶體包括一片或一片以上的薄片雷射晶體，其中所述 薄片雷射晶體的厚度為0. lmm到3mm。
上述技術方案中，還包括用於進行雷射頻率轉換的非線性光學晶體，所述非線性光學 晶體放置於所述片狀雷射晶體的輸出光路上。
上述技術方案中，所述片狀雷射晶體和所述非線性光學晶體可以通過粘接、光膠或離 子鍵合結合成一體，形成一塊晶體塊。
上述技術方案中，還包括輸出鏡，其中所述輸出鏡為平面鏡、球面鏡列陣或體布拉格 光柵。
採用本實用新型的技術方案，具有以下明顯的有益效果
1.半導體雷射器列陣採用串聯的方式可以將傳統bar條的並聯形式下的低壓大電流電 源改為使用高壓小電流電源，有效地避免了高工作電流產生的大量焦耳熱，從而減小了電 源和電線的尺寸，使得供電設備成本降低，體積減小，提高了半導體雷射器列陣泵浦的全固態雷射器的抗災變能力和系統的穩定性，並減少了電源傳輸損耗。
2. 本實用新型的半導體雷射器列陣模塊由傳統bar條改制而得，和單管半導體雷射器 列陣的結構相比，本實用新型的半導體雷射器列陣模塊對位精度更高、光束空間指向一致 性更好，結構更為緊湊，更有利於雷射器列陣的小型化，成本更為低廉；和傳統bar條相 比，本實用新型半導體雷射器列陣模塊的新結構降低了雷射的功率密度，較好地實現了熱 力分散，減小了雷射晶體熱負載密度，有效地解決了 bar條存在的功率密度過大而引起的 雷射晶體熱效應的問題，從而顯著地提高了半導體雷射器列陣泵浦的大功率全固態雷射器 的電光轉換效率，提高了光束質量和系統穩定性。
3. 本實用新型的半導體雷射器列陣模塊由於是從傳統bar條改制而來，所以引線比單 管半導體雷射器列陣的引線要短，而且本實用新型的引線為銀焊，和單管半導體雷射器列 陣引線的錫焊相比，銀焊的接觸電阻要小於錫焊的接觸電阻，由於引線較短和接觸電阻較 小，所以本實用新型引線的損耗更小，連線可靠性更高。
4. 本實用新型可以根據半導體雷射器列陣的功率和半導體雷射器發光元的發光面的寬 度以及片狀雷射晶體的材料、摻雜濃度和幾何形狀等具體情況，適當地設置半導體雷射器 發光元之間的距離，使雷射功率密度調整到片狀雷射晶體能達到較好散熱效果的範圍，同 時結合利用由於片狀雷射晶體因其表面積與體積比值較大而具有較好散熱效果的特點，從 而較好地解決了大功率全固態雷射器的晶體熱效應問題，更好地平衡了雷射輸出功率與激 光效率之間的關係，有效地提高了全固態雷射器的電光轉換效率。由於晶體熱效應的較好 解決，全固態雷射器可以選擇使用體積更小的雷射晶體和非線性光學晶體。此外，半導體 雷射器列陣和片狀雷射晶體的結合，顯著地縮小了大功率全固態雷射器的體積，從直觀上將全固態雷射器的體積縮小了十倍以上，實現了全固態雷射器的微型化，將大功率全固態 雷射器拓展到以前由於體積大而無法應用的全新領域，對大功率全固態雷射器的技術拓展 與進步具有巨大意義。
5.在全固態雷射器需要頻率轉換的情況下，由於熱效應的有效解決，光束質量得到了 提高，而光束質量的提高有利於提高非線性光學晶體的轉換效率，因此使得全固態雷射器 的輸出效率得到了提高，而且由於非線性轉換效率的提高，可不必再通過增加非線性光學 晶體的長度來提高非線性轉換效率，從而達到進一步縮小全固態雷射器體積的顯著效果。
綜上所述，本實用新型採用串聯的半導體雷射器列陣作為泵浦源，以半導體雷射器發 光元的間距和半導體雷射器發光元的發光面的寬度的一定比例關係來結合片狀雷射晶體使 用，不僅有效地解決了大功率全固態雷射器的晶體熱效應問題，大幅度地提高了電光轉換 效率，並提高了全固態雷射器的穩定可靠性，而且還實現了大功率全固態雷射器的緊湊設 計，縮小了體積，實現了全固態雷射器的微型化。本實用新型在雷射照明和雷射顯示應用 領域具有很高的實用價值，同時也可應用於雷達多點探測、非相干照明、生物學檢測、化 學研究、表面多點分析等領域。


圖1A為一種傳統bar條的側視圖； 圖1B為圖1A的A-A'剖面圖2A為一種具有7個等間距半導體雷射器發光元的半導體雷射器列陣模塊的側視圖； 圖2B為圖2A的A-A'剖面8圖3為一種具有5個等間距半導體雷射器發光元的半導體雷射器列陣模塊的側視圖； 圖4為一種具有6個間距不完全相等的半導體雷射器發光元的半導體雷射器列陣模塊 的側視圖5為一種線陣的倍頻輸出的全固態雷射頭的俯^L圖； 圖6為圖5的立體圖7為一種線陣的基頻輸出的全固態雷射頭的俯視圖； 圖8為另一種線陣的倍頻輸出的全固態雷射頭的俯視圖； 圖9為一種面陣輸出的全固態雷射頭的立體圖； 圖10為另一種面陣輸出的全固態雷射頭的立體圖； 圖11為一種平凹腔輸出的全固態雷射頭的俯視圖。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型進行詳細描述，但不作為對本實用新型的限定。
參考圖1A和圖1B,為一種傳統bar條的結構示意圖，包括有源區102、無源區l(B和 襯底IOI,其中有源區102和無源區103集成或焊在襯底101上。有源區102含有19個半 導體雷射器發光元104。有源區102和無源區103由半導體量子阱材料製成，有源區102 位於襯底101上，無源區103包圍在有源區102之外。有源區102的出光面鍍有針對輸出 波長的部分反射膜，另一面鍍有針對輸出波長的反射膜。通常半導體雷射器發光元l(H的 間距(本實用新型所提到的間距均為半導體雷射器發光元的中心間距)為500微米，每個
9半導體雷射器發光元的發光面的寬度(半導體雷射器發光元的發光面的寬度定義為圖1A中 半導體雷射器發光元沿水平方向AA，上的長度)通常為100微米到300微米。傳統bar條的
實施例1
參考圖2A和圖2B,本實施例為從圖1A和圖1B所示的傳統bar條改制出的一種半導 體雷射器列陣模塊的示意圖，包括7個半導體雷射器發光元104、無源區103和襯底101, 其中7個半導體雷射器發光元104和無源區103集成或焊在襯底101上。本實施例的半導 體雷射器列陣模塊有7個等間距的半導體雷射器發光元。本實施例所採用的被改制的傳統 bar條(圖1A和圖IB所示)有19個半導體雷射器發光元，且半導體雷射器發光元的間距 為500微米，半導體雷射器發光元的發光面的寬度為15(M效米。如圖2A所示，從左至右依 次排序，左數第一個半導體雷射器發光元為第一個半導體雷射器發光元，最右端的半導體 雷射器發光元為第十九個半導體雷射器發光元。本實施例改制的方法為，留下第一個半導 體雷射器發光元，去掉第二個和第三個半導體雷射器發光元，留下第四個半導體雷射器發 光元，去掉第五個和第六個半導體雷射器發光元，以此類推，從左端起，每三個半導體激 光器發光元去掉相鄰的後兩個半導體雷射器發光元，直到最後不足三個只剩一個半導體激 光器發光元，則留餘下第十九個半導體雷射器發光元，最終傳統bar條被改制為具有相同 間距的7個半導體雷射器發光元的半導體雷射器列陣模塊，且相鄰兩個半導體雷射器發光 元的間距為1. 5毫米。上迷7個半導體雷射器發光元處於同一個襯底101上且彼此絕緣， 然後各自外接引線為串聯，且引線為銀焊。
上述半導體雷射器發光元的間距為1. 5毫米，傳統bar條的半導體雷射器發光元的間距為500微米，本實施例的半導體雷射器列陣模塊的半導體雷射器發光元的間距為傳統bar 條的3倍。顯而易見，半導體雷射器發光元的間距增大，雷射在雷射晶體上的功率密度必 然隨之減少，雷射晶體上的散熱面積增大，從而散熱面積和熱源(熱源為半導體雷射器發 光元在雷射晶體上形成的光斑)的比值也增大，即散熱越好。通常將雷射束腰位置置於激 光晶體入射面的附近， 一個半導體雷射器發光元在雷射晶體上形成的光斑的直徑大約為半 導體雷射器發光元的發光面的寬度的1. 2到1. 5倍，因此半導體雷射器發光元的間距與半 導體雷射器發光元的發光面的寬度的比值一定比例地反映了雷射晶體上的散熱面積和熱源 的比值，所以半導體雷射器發光元的間距與半導體雷射器發光元的發光面的寬度的比值同 樣可以反映雷射晶體的散熱情況。而當光斑的直徑與半導體雷射器發光元的發光面的寬度 的比值過大時，例如3倍，則輸出雷射的質量太差，通常不採用。本實施例的半導體雷射 器列陣模塊中的半導體雷射器發光元的間距與半導體雷射器發光元的發光面的寬度的比值 為10 ( 1. 5毫米/150微米)，是傳統bar條的比值3. 33 ( 500微米/150微米)的3倍，因 此雷射晶體的散熱效果也顯然得到了提高。
其次，由於本實施例中的半導體雷射器列陣模塊是從傳統bar條改制而成，半導體激 光器列陣模塊和單管半導體雷射器列陣的結構相比，比單管半導體雷射器列陣對位精度更
高，光束空間指向一致性更好，結構更為緊湊，更有利於雷射器列陣的小型化，成本更為 低廉。而且，由於從傳統bar條改制而成，本實施例的半導體雷射器列陣模塊的引線比單 管半導體雷射器列陣的引線要短，而且半導體雷射器列陣模塊的引線為銀焊，和單管半導 體雷射器列陣引線的錫焊相比，銀焊的接觸電阻要小於錫焊的接觸電阻，由於引線較短和 接觸電阻較小，所以半導體雷射器列陣模塊引線的損耗更小，連線可靠性更高。此外，半導體雷射器列陣模塊採用串聯的方式可以將傳統bar條的並聯形式下的低壓 大電流電源改為使用高壓小電流電源，有效地避免了高工作電流產生的大量焦耳熱，從而 減小了電源和電線的尺寸，使得供電設備成本降低，體積減小，提高了半導體雷射器列陣 泵浦的全固態雷射器的抗災變能力和系統的穩定性，並減少了電源傳輸損耗。 實施例2
參考圖3,本實施例為一種具有5個等間距的半導體雷射器發光元的半導體雷射器列 陣模塊。其從具有19個半導體雷射器發光元的傳統bar條上改制的方式為，從左端起，每 四個半導體雷射器發光元去除相鄰的後三個半導體雷射器發光元，以此類推，直到最後不 足四個半導體雷射器發光元，則留餘第十七個半導體雷射器發光元，切除最後兩個半導體 雷射器發光元。本實施例中採用的傳統bar條的半導體雷射器發光元的間距為500微米， 半導體雷射器發光元的發光面的寬度為250微米，經上述方法改制後，得到半導體雷射器 發光元的間距為2毫米的具有5個半導體雷射器發光元的半導體雷射器列陣模塊，上述5 個半導體雷射器發光元在同一個襯底上且彼此絕緣，然後引線接為串聯，且引線為銀焊。
本實施例採用的傳統bar條的半導體雷射器發光元的間距和半導體雷射器發光元的 發光面的寬度的比值為2 ( 500微米/250微米)，而半導體雷射器列陣模塊的半導體雷射 器發光元的間距和半導體雷射器發光元的發光面的寬度的比值則增至8( 2毫米/250微米)， 是傳統bar條的4倍，因此雷射晶體上的散熱面積和熱源的比值也得到了顯著提高，雷射 晶體的散熱效果也顯然得到了極大改善。此外，本實施例同樣具有實施例l中所述的優點。
實施例3
參考圖4，本實施例為一種具有6個半導體雷射器發光元的半導體雷射器列陣模塊。其從具有19個半導體雷射器發光元的傳統bar條上改制的方式為，從左端起，留下第一個 半導體雷射器發光元，去掉第二個、第三個和第四個半導體雷射器發光元，留下第五個半 導體雷射器發光元，去掉第六個和第七個半導體雷射器發光元，留下第八個半導體雷射器 發光元，去掉第九個、第十個和第十一個半導體雷射器發光元，留下第十二個半導體雷射 器發光元，去掉第十三個和第十四個半導體雷射器發光元，留下第十五個半導體雷射器發 光元，去掉第十六個、第十七個和第十八個半導體雷射器發光元，留下第十九個半導體激 光器發光元。本實施例釆用的傳統bar條的半導體雷射器發光元的間距為500微米，半導 體雷射器發光元的發光面的寬度為200微米，改制後的半導體雷射器列陣模塊的第一個半 導體雷射器發光元和第二個半導體雷射器發光元的間距為2毫米，第二個半導體雷射器發 光元和第三個半導體雷射器發光元的間距為1.5毫米，第三個半導體雷射器發光元和第四 個半導體雷射器發光元的間距為2毫米，第四個半導體雷射器發光元和第五個半導體雷射 器發光元的間距為1.5毫米，第五個半導體雷射器發光元和第六個半導體雷射器發光元的 間距為2毫米，2毫米和1.5毫米這兩種間距交替出現，從而得到有一定規律的間距不完 全相同的半導體雷射器列陣模塊，上述6個半導體雷射器發光元在同一個襯底上且彼此絕 緣，然後引線接為串聯，且引線為銀焊。
本實施例的半導體雷射器列陣模塊的半導體雷射器發光元的間距為1.5毫米和2毫 米，選擇最小的半導體雷射器發光元的間距來考慮散熱效果，即選擇間距1.5毫米進行比 值計算，則半導體雷射器發光元的最小間距與半導體雷射器發光元的發光面的寬度的比值 為7. 5 ( 1. 5毫米/200微米)，與本實施例採用的傳統bar條的半導體雷射器發光元的間 距和半導體雷射器發光元的發光面的寬度的比值2.5 ( 500微米/200微米)相比，是傳統bar條的3倍，因此雷射晶體的散熱效果顯然得到了提高。此外，本實施例除了具有實施 例1中所述的優點外，從本實施例中還可以看出本實用新型具有很大的靈活性，可根據具 體需要及特殊要求，自由地設計半導體雷射器發光元的位置。但是規則的等間距的半導體 雷射器列陣模塊比不規則半導體雷射器列陣模塊更具有普遍性。
半導體雷射器列陣模塊的製成不僅限於上述所述的幾種方式，在製作半導體雷射器列 陣模塊時，可以根據雷射器具體雷射功率、功率密度的不同要求並結合考慮後續光路上激 光晶體的材料、形狀及其特性(例如摻雜濃度)對半導體雷射器列陣的不同要求，來決定 半導體雷射器發光元的數量、位置及其間距，考慮如何從傳統bar條改制為所需的半導體 雷射器列陣模塊，例如被保留和被去除的半導體雷射器發光元的數量及其去除位置等，使 得雷射功率密度減小到合適的範圍。改制方法可以為規則的形式，如實施例1和實施例2 所示，構成等間距的半導體雷射器列陣模塊，也可以為不規則的形式，構成不同間距的半 導體雷射器列陣;漠塊，例如實施例3所示，當然，也可以根據具體需要，構成間距完全不 同的半導體雷射器列陣模塊。
傳統bar條的半導體雷射器發光元的間距與半導體雷射器發光元的發光面的寬度的比 值小於等於5，此比值不足以較好地實現雷射晶體的散熱，本實用新型適當地增大此比值， 提高了雷射晶體的散熱效果。但半導體雷射器發光元的間距與半導體雷射器發光元的發光 面的寬度的比值不宜過大，因為在已達到充分散熱的前提下，再增大此比值，也不會達到 提高散熱效果的目的，反而只會造成體積的增大和晶體材料的浪費。
此外，半導體雷射器列陣模塊可以從傳統ba r條中切割生成，也可以從晶圓上通過光 刻獲得或者在沉積過程中通過掩膜技術外延生成。另外，除了使用整條傳統bar條進行改制外，還可以在去除一段bar條後用部分bar條改制。還有改制時不僅可以從bar條兩端 的任一端開始改制，還可以從bar條中間的任一半導體雷射器發光元開始改制，當然根據 具體應用要求還可以有其他各種改制方式。另外，本方法也同樣適用於除傳統bar條外的 任意其他bar條，這樣半導體雷射器發光元的間距可以有更多的選擇，例如半導體雷射器 發光元的間距設置為1.2毫米，半導體雷射器發光元的發光面的寬度為150微米，兩者的 比值為8,既較好地實現了散熱效果，同時又不會造成體積較大和晶體材料的浪費。又例 如半導體雷射器發光元的間距設置為4. 5毫米，半導體雷射器發光元的發光面的寬度為300 微米，兩者的比值為15,雷射晶體可以得到充分的散熱。還例如半導體雷射器發光元的間 距設置為0.9毫米，半導體雷射器發光元的發光面的寬度為150微米，兩者的比值為6, 其散熱效果也比傳統技術有較好的提高。無論如何選擇半導體雷射器發光元的間距和半導 體雷射器發光元的發光面的寬度，只要使半導體雷射器發光元的間距和半導體雷射器發光 元的發光面的寬度的比值大於5,都不脫離本實用新型的發明精神，這是本領域技術人員 可以理解的。 實施例4
參考圖5和圖6，為本實用新型的一種線陣倍頻輸出的全固態雷射頭，包括半導體激 光器列陣501、光學耦合器件502、片狀雷射晶體503、非線性光學晶體504和輸出鏡505。 本實施例中半導體雷射器列陣501釆用 一個如實施例1 (圖2A和圖2B)所示的半導體雷射器 列陣模塊，其含有7個等間距的半導體雷射器發光元，且7個半導體雷射器發光元的電連 接為串聯，其中半導體雷射器發光元的間距為1.5毫米，半導體雷射器發光元的發光面的 寬度為150微米，半導體雷射器發光元的輸出波長均為808nm。光學耦合器件502採用7
15個自聚焦透鏡組成的自聚焦透鏡列陣，7個自聚焦透鏡分別放置於7個半導體雷射器發光 元的輸出光路上且與7束半導體雷射一一對應，光學耦合器件502的輸出光路上依次設置 片狀雷射晶體503、非線性光學晶體504和輸出鏡505。片狀雷射晶體503採用一片薄片激 光晶體，為3x20x3mi^的Nd: YAG晶體(如圖6中的空間直角坐標系所示，本實用新型的實 施例中的方向定義為，沿X軸方向為長度，Y軸方向為寬度，Z軸方向為厚度)，Nd: YAG晶 體的長度為3mm,寬度為20mm,厚度為3mm。(本實用新型所定義的片狀雷射晶體為一片 或至少兩片的厚度在0. lmra到3mm的薄片雷射晶體，如果由於雷射晶體長度上的縮小，而 造成片狀在外觀形狀上的改變，在本實用新型中仍屬於薄片雷射晶體的定義範圍之內，仍 然不脫離本實用新型的發明內容，這是本領域技術人員可以理解的。此處的Nd:YAG晶體的 長度與厚度相同，此特殊情況下的塊狀外形的雷射晶體，仍屬於本實用新型薄片雷射晶體 和片狀雷射晶體的定義範圍內。)非線性光學晶體504採用一塊2x20xl0mm3的KTP倍頻晶 體，其長度為IO隱，寬度為20ram,厚度為2mm。本實施例中的輸出鏡505採用4x20x5mm3 的平面鏡(長度為4mm，寬度為20mm，厚度為5mm )，自聚焦透鏡採用01. 8x5. 5tnin(直徑 為l. 8mm,長度為5. 5mm)。其中，光學耦合器件502中的每個自聚焦透鏡的入射面和出射 面均鍍有808nm的增透膜(透過率大於99. 8% ) , Nd: YAG晶體的入射面鍍有808nm的增透 膜(透過率大於95% )和1064nm的反射膜(反射率大於99. 8% )，出射面鍍有808咖的 反射膜(反射率大於80% )和1064咖的增透膜(透過率大於99. 8% ) , KTP倍頻晶體入 射面鍍有1064nm增透膜(透過率大於99. 8% )和532nm的反射膜(反射率大於95% )， 出射面鍍有532nm增透膜(透過率大於99. 5 % )和1064nm增透膜(透過率大於99. 8 % )。 平面鏡入射面鍍有1064nm反射膜(反射率大於99. 8% )和532nm增透膜(透過率大於95% )，出射面鍍有532nm增透膜(透過率大於99. 8% )。其中，Nd: YAG晶體的出射面也可 以選擇不鍍808nm的反射膜，只鍍1064nm的增透膜；或者Nd: YAG晶體的出射面改為鍍532nm 的反射膜和1064nm的增透膜，相應地，KTP倍頻晶體的入射面改為鍍532mn的增透膜和 1064皿的增透膜。平面鏡505的出射面也可以選擇不鍍膜。
半導體雷射器列陣;漢塊輸出7束並行的808nm半導體雷射，分別經過7個自聚焦透鏡 後，端面泵浦於Nd: YAG晶體，產生波長為1064nm的基頻光，從Nd: YAG晶體出射的基頻光 經過OT倍頻晶體進行倍頻轉化為532nm的雷射並經過平面鏡輸出。其中，半導體雷射器 列陣模塊的外部包有熱沉，包有熱沉的半導體雷射器列陣模塊的長度約為IO咖，其與自聚 焦透鏡列陣間的距離設置為2mm,自聚焦透鏡列陣的輸出光路上以lmm的間隔放置Nd: YAG 晶體，其中Nd: YAG晶體的入射面和平面鏡的入射面形成雷射諧振腔，此諧振腔為平平腔， 腔長為22mm。以上結構構成了本實施例的倍頻輸出的全固態雷射頭。本實用新型中的全固 態雷射頭定義為通過泵浦源泵浦輸出全固態雷射的裝置。全固態雷射頭再與各種形式的熱 沉、TEC和/或散熱系統結合便構成了全固態雷射器。
採用上述結構的全固態雷射頭，工作電流設置為4A、電輸出功率設置為21W時，全固 態雷射頭的雷射總輸出功率可達到5. 5W到6W,電光轉換效率約為25%以上，與相同電功 率的傳統全固態雷射器的電光轉換效率不足10%的情況相比，電光轉換效率提高了 一倍之 多。這是由於本實施例中的半導體雷射器列陣模塊中相鄰的半導體雷射器發光元的間距增 至1. 5毫米，與半導體雷射器發光元間距500微米的傳統bar條相比，是其3倍，而每個 808nra半導體雷射器發光元為3W功率輸出時，泵浦光在Nd: YAG晶體上產生的光斑的直徑 約為200微米，約為半導體雷射器發光元的發光面的寬度的150微米的1. 33倍，半導體雷射器發光元的間距和一個半導體雷射器發光元的發光面的寬度的比值為10 (1.5毫米/150 微米)，為採用相同半導體雷射器發光元的發光面寬度的傳統bar條的3倍，因此Nd:YAG 晶體上散熱面積與熱源(熱源即雷射晶體上的光斑直徑)的比值也由傳統bar條的2. 5( 500 微米/200微米)提高到7.5 (1.5毫米/200微米)。因此，雷射輸出功率與雷射效率之間的 關係得到了更好的平衡，更好地實現了熱力分散，減小了晶體熱負載密度，解決了傳統光 路中由於雷射功率密度過高和熱密度過大產生的晶體熱效應問題。由於雷射晶體的表面積 與體積比值越大，其散熱效果越好，因此片狀雷射晶體具備很好的散熱效果，上述半導體 雷射器列陣模塊再與片狀雷射晶體結合使用，更好地解決了大功率全固態雷射器的晶體熱 效應問題，有效地提高了全固態雷射器的電光轉換效率，提高了光束質量，而且熱效應的 解決同樣使得光路中的雷射晶體的體積和光路得以更大的縮小，因此顯著地縮小了大功率 全固態雷射器的體積。此外，由於熱效應的有效解決，光束質量得到了提高，而光束質量 的提高有利於提高非線性光學晶體的轉換效率，因此使得全固態雷射器的效率得到了提高， 而且由於非線性轉換效率的提高，可不必再通過增加非線性光學晶體的長度來提高非線性 轉換效率，從而達到進一步縮小全固態雷射器體積的顯著效果。本實施例中的光路上的光 學元件經固定後，再包以保護性的金屬外殼，最後全固態雷射頭的體積大約為20x50x90imi3 (長度9(km,寬度50mm,厚度20咖)，比相同功率的傳統全固態雷射頭縮小了十倍以上， 使得全固態雷射器的^L型化得以實現。
此外，本實施例由於採用實施例1而具有的其他優點，在這裡不再贅述。
實施例5
參考圖7，為本實用新型的一種線陣的基頻輸出的全固態雷射頭，包括半導體雷射器列陣501、光學耦合器件502、片狀雷射晶體503和輸出鏡505。本實施例中半導體雷射器列 陣501採用一個結構如實施例1 (圖2A和圖2B)所示的半導體雷射器列陣模塊，其含有7個 等間距的半導體雷射器發光元，且7個半導體雷射器發光元的電連接為串聯，7個半導體 雷射器發光元均為1.5mm間隔，只是本實施例中的半導體雷射器發光元的發光面的寬度為 200微米，不同於實施例1。半導體雷射器發光元的輸出波長為808nm。光學耦合器件502 採用7個自聚焦透鏡組成的自聚焦透鏡列陣，7個自聚焦透鏡分別放置於7個半導體雷射 器發光元的輸出光路上且與7束半導體雷射一一對應，光學耦合器件502的輸出光路上依 次設置片狀雷射晶體503和輸出鏡505。其中，片狀雷射晶體503採用一片薄片雷射晶體 Nd: YAG晶體。輸出鏡505採用平面鏡。光學耦合器件502中的每個自聚焦透鏡的入射面和 出射面均鍍有808nm的增透膜(透過率大於99. 8% ) , Nd: YAG晶體的入射面鍍有808nm的 增透膜(透過率大於95% )和1064咖的反射膜(反射率大於99. 8% )，出射面鍍有808nm 反射膜(反射率大於97% )和1064nm的增透膜(透過率大於99. 8% )，平面鏡的入射面 鍍1064nm部分透過膜(透過率為8% ),出射面鍍1064nm增透膜(透過率大於99. 8% )。 其中，Nd: YAG晶體的出射面也可以選擇不鍍808nm的反射膜，只鍍1064nm的增透膜。平 面鏡的出射面也可以選擇不鍍膜。
半導體雷射器列陣;漠塊輸出7束並行的808nm半導體雷射，7束半導體雷射分別經過各 自對應的自聚焦透鏡後，端面泵浦於Nd: YAG晶體上，產生波長為1064nm的基頻光，並通 過平面鏡輸出。其中，Nd: YAG晶體的入射面和平面鏡的入射面形成了雷射諧振腔，此諧振 腔為平平腔。以上結構構成了 一種基頻輸出的全固態雷射頭。
本實施例中的半導體雷射器列陣模塊中相鄰的半導體雷射器發光元的間距為1. 5毫米，
19與半導體雷射器發光元間距500微米的傳統bar條相比，是其3倍，半導體雷射器發光元 的發光面的寬度為200微米，相鄰半導體雷射器發光元的間距和一個半導體雷射器發光元 的發光面的寬度的比值為7.5 (1.5毫米/200微米)，為採用相同半導體雷射器發光元的 發光面寬度的傳統bar條的3倍，晶體散熱效果得到了明顯地提高。
本實施例中採用了輸出鏡5 05形成諧振腔輸出，當然還可以去除輸出鏡5 05,改為在 片狀雷射晶體503的出射面上用鍍膜實現諧振腔。相應地，片狀雷射晶體503的鍍膜改為 入射面鍍有S08nm的增透膜(透過率大於95% )和1064nm的反射膜(反射率大於99. 8% ), 出射面鍍有808nm反射膜(反射率大於97% )和1064nm的部分透過膜(透過率為8% ), 片狀雷射晶體的入射面和出射面構成諧振腔。
實施例6
參考圖8,為本實用新型的一種線陣倍頻輸出的全固態雷射頭，包括半導體雷射器列陣 501、光學耦合器件502、片狀雷射晶體503和非線性光學晶體504。所述的片狀雷射晶體 503和非線性光學晶體504通過粘接、光膠或離子鍵合結合成一體，形成一塊晶體塊。本 實施例中半導體雷射器列陣採用結構如實施例2(圖3)所示的一個半導體雷射器列陣模塊， 其含有5個等間距的發射波長為808nm的半導體雷射器發光元，5個半導體雷射器發光元 的電連接為串聯，且半導體雷射器發光元的間隔為2mm,只是半導體雷射器發光元的寬度 與實施例2不同，為250微米。光學耦合器件502採用5個自聚焦透鏡組成的自聚焦透鏡 列陣。組成晶體塊的片狀雷射晶體503採用一片薄片雷射晶體，為3xl8xlmm3的Nd: YVO,晶 體(長度為3mm,寬度為18mm,厚度為lmm),非線性光學晶體504採用 一片2xl8xlmm3的 PPLN倍頻晶體(長度為2mm,寬度為18mm,厚度為lmm) , Nd: YV04晶體和PPLN倍頻晶體的厚度均為lmm,故而晶體塊的厚度也為lmm。其中，光學耦合器件502的每個自聚焦透鏡 的入射面和出射面均鍍有808nm的增透膜(透過率大於99. 8% ),晶體塊的入射面鍍有808nm 的增透膜(透過率大於95% ) 、 1064nm的反射膜(反射率大於99. 8% )和532nm的反射 膜(反射率大於95% ),出射面鍍有1064nm的反射膜(反射率大於99. 8% ) 、 808nm的 反射膜(反射率大於90% )及532nm的增透膜(透過率大於95% )。晶體塊的出射面也可 以選擇不鍍808腿的反射膜。
半導體雷射器列陣^t塊輸出5束並行的808nm的泵浦光，5束泵浦光各自入射到與其對 應的自聚焦透鏡，再耦合入射到晶體塊(片狀雷射晶體503和非線性光學晶體504結合的 一體)上，泵浦光經過晶體塊後輸出532nm的雷射。其中，晶體塊的入射面和出射面構成 諧振腔。由於此結構將片狀雷射晶體503和非線性光學晶體504集成使用，同時通過在晶 體塊的出射面上鍍膜省卻了輸出鏡，從而使得全固態雷射頭的體積得以進一步的縮小。本 實施例中的半導體雷射器列陣模塊中相鄰的半導體雷射器發光元的間距為2毫米，與半導 體雷射器發光元間距500微米的傳統bar條相比，是其4倍，半導體雷射器發光元的發光 面的寬度為250微米，相鄰半導體雷射器發光元的間距和一個半導體雷射器發光元的發光 面的寬度的比值為8 (2毫米/250微米)，為採用相同半導體雷射器發光元的發光面寬度 的傳統bar條的4倍，晶體散熱效果得到了明顯地提高。
當然，本實施例中組成晶體塊的片狀雷射晶體503和非線性光學晶體504也可以分開 放置，相當於實施例4去除輸出鏡的情況，此種情況下，與實施例4的鍍膜情況相比較， 片狀雷射晶體503上的鍍膜可以不改，相應地非線性光學晶體504上的鍍膜發生改變，即 非線性光學晶體504的入射面鍍有1064nm增透膜(透過率大於99. 8% )和532nm的反射膜(反射率大於95% )，出射面鍍有532nm的增透膜(透過率大於95% )和1064nm反射 膜(反射率大於99. 8% ),由片狀雷射晶體503的入射面和非線性光學晶體504的出射面 形成諧振腔。
此外，光路還可以採用在晶體塊的輸出光路上加置輸出鏡的方案，鍍膜情況具體為晶 體塊的入射面鍍有808咖的增透膜(透過率大於95% ) 、 1064nm的反射膜(反射率大於 99. 8% )和532mn的反射膜(反射率大於95% ),出射面鍍有1064nm增透膜(透過率大 於99. 8% )和532nm的增透膜(透過率大於99. 5% ),輸出鏡的入射面鍍有1064nm反射 膜(反射率大於99.8% )和532nm的增透膜(透過率大於95% ),輸出鏡的出射面鍍有 532腿的增透膜(透過率大於99. 8% ),由晶體塊的入射面和輸出鏡的入射面形成諧振腔。 其中，輸出鏡的出射面也可以選擇不鍍膜。
實施例7
參考圖9,本實施例為一種面陣輸出的全固態雷射頭。半導體雷射器列陣501由含有4 個等間距的半導體雷射器發光元的4個半導體雷射器列陣模塊組成，其中4個半導體雷射 器列陣模塊之間為串聯結構，每個半導體雷射器列陣模塊含有的4個半導體雷射器發光元 之間也為串聯連接，其中半導體雷射器發光元的間距為1毫米，半導體雷射器發光元的發 光面的寬度為100微米。光學耦合器件502為4x4的自聚焦透鏡面陣，其中面陣中的自聚 焦透鏡與半導體雷射器列陣輸出的雷射一一對應，片狀雷射晶體503為四片彼此平行設置 的薄片雷射晶體，非線性光學晶體504為一塊倍頻晶體，輸出鏡505為一塊平面鏡。4個 半導體雷射器列陣模塊輸出4x4面陣的泵浦光，16束泵浦光經過與其一一對應的自聚焦透 鏡耦合入射到彼此平行放置且與4個半導體雷射器列陣模塊一一對應的四片薄片雷射晶體上，經過倍頻晶體的倍頻後最後經過平面鏡輸出，其光路結構和鍍膜原則與實施例4 (圖5 和圖6所示)基本類似。 實施例8
參考圖10,本實施例為將實施例7 (如圖9所示)所述的含有4個等間距的半導體激 光器發光元的4個半導體雷射器列陣模塊重新排列的另外一種面陣輸出的全固態雷射頭， 其半導體雷射器列陣501如圖10所示，構成2x8面陣，與實施例7不同的還有本實施例的 片狀雷射晶體503採用兩片平行設置的薄片雷射晶體，當然，光學耦合器件502的自聚焦 透鏡面陣相應的也改為2x8面陣，其他結構與實施例7基本相似。
本領域技術人員可以理解，面陣的排列不僅限於實施例7和8所述的方式，可根據具 體情況設置任何不同的面陣排列。而且，薄片雷射晶體的個數可以根據具體情況而定，非 線性光學晶體504和輸出鏡505當然也可以根據具體情況採用多個。面陣輸出的全固態激 光頭的具體光路設置也同樣可以省卻輸出鏡或者採用晶體塊等各種線陣可以採用的光路形 式。而半導體雷射器列陣模塊所採用的數目不僅限於上述實施例所舉的個數，三個、五個、 十個等各種大於2個半導體雷射器列陣模塊的情況也是同樣適用於本實用新型的，這是可 以被本領域技術人員所理解的。而多個半導體雷射器列陣模塊之間均為串聯連接。
實施例4至實施例8中，片狀雷射晶體503除了實施例中所提到的雷射晶體外，還可 以採用Nd: YLF, Nd: GdV04, Yb: YAG等其他晶體或塊狀陶資材料；非線性光學晶體5(M還可 以使用PPMgOLN、 LBO、 BBO、 BiBO、 PPKTP、 KTA、 CBO、 CLBO、 PPLN、 KN03、 LN、 KN、 Lil 及半導體材料等。組成光學耦合器件502的單個耦合元件，除了自聚焦透鏡，還可以為柱 狀透鏡、非球面透鏡、耦合透鏡組或其他具有會聚作用的光學元件。光學耦合器件502可以為和半導體雷射器列陣的輸出雷射一""對應的耦合元件列陣，也可以將耦合元件列陣集 成為一個耦合部件。而輸出鏡505除了可以採用平面鏡外，還可以採用球面鏡列陣，從而 形成平凹腔，如圖ll所示。此外還可以採用體布拉格光柵，或者使用在相應晶體上鍍膜來 代替輸出鏡形成諧振腔。
光路中片狀雷射晶體503和非線性光學晶體504的鍍膜情況在保證雷射諧振腔輸出的 前提下，可以根據具體情況對鍍膜進行適當刪減或增添，且透過率或反射率的百分比可以 在適當範圍內進行調整。此外，諧振腔的腔長也可以根據具體情況適當調整，其在20誦 到8 0腿之間都是可以實現的。以上是本領域技術人員可以理解的。
另外，本實用新型不僅可以用於基頻光和二倍頻光，也可以產生三倍頻、四倍頻雷射 等，同時還可以用於差頻光路、和頻光路和參量振蕩光路，當然其光路和鍍膜也會根據具 體情況的不同而相應地有所改變，這是本領域技術人員可以理解的。
以上述實施例為例與傳統bar條對比進行解釋說明，現有傳統bar條中半導體雷射器 發光元的間距通常為500微米，半導體雷射器發光元的發光面的寬度為100微米到300微
5。傳統條件下的半導體雷射器列陣無法較好地解決雷射晶體熱效應問題，而本實用新型通 過增大半導體雷射器發光元之間的間距，來解決雷射晶體熱效應問題。本實用新型的半導 體雷射器列陣模塊可以根據雷射具體功率需要並結合考慮片狀雷射晶體的材料、摻雜濃度 以及幾何形狀，計算設置半導體雷射器發光元的數量、位置及其間距，使得雷射功率密度 減少到合適的範圍，通常相鄰的半導體雷射器發光元的間距與一個半導體雷射器發光元的 發光面的寬度的比值至少大於5。因為上述比值過小無法較好實現散熱，比值過大則會造成相應體積較大和晶體材料的浪費。以散熱效果的最差情況作為考慮，即當半導體雷射器 發光元的間距不相等時，以半導體雷射器發光元的最小間距作為比值計算的數值。由於半 導體雷射器的功率選擇有所不同，其散熱情況也所有不同，但通常情況下，半導體雷射器 發光元的間距與一個半導體雷射器發光元的發光面的寬度的比值為15時，已經可以充分地 進行散熱。所以綜合考慮全固態雷射頭的散熱效果和體積，半導體雷射器發光元之間的最 小間距與一個半導體雷射器發光元的發光面的寬度的比值優選為從6到15。
本實用新型實施例中所舉出的片狀雷射晶體的厚度為3毫米和1毫米，這僅是作為實 例說明，考慮到雷射晶體表面積與體積比值越大散熱效果越好的情況，薄片雷射晶體越薄 越利於散熱，但是薄片雷射晶體的厚度也需根據雷射功率、光斑大小和雷射晶體材料等具 體情況進行適當選擇，通常組成片狀雷射晶體的每片薄片雷射晶體的厚度從0. lmm到3mm 均可以較好實現散熱。
本實用新型的具體實施例中採用平平腔作為實例，並且介紹了平凹腔的情況，但是本 領域技術人員應該可以理解其他形式的穩定腔或 一一穩腔的情況也同樣適用於本實用新型。
此外，本實用新型的全固態雷射頭的後續光路中，還可以根據最終雷射密度輸出的具 體需要再將多束平行輸出的雷射通過光纖、耦合透鏡或耦合透鏡組進行耦合輸出。
本實用新型的具體實施例中採用了端面泵浦，但是本實用新型同樣也適用於側面泵浦 的形式。
此外，當採用多個半導體雷射器列陣模塊作為泵浦源時，可以如實施例中所示的採用 相同的半導體雷射器列陣模塊，也可以採用不同結構的半導體雷射器列陣模塊。
還有，本實用新型所舉實施例中的半導體雷射器發光元的發光面的寬度為100微米到300微米，本領域技術人員可以理解，當半導體雷射器發光元的發光面的寬度隨著技術發 展範圍擴大時，仍適用於本實用新型，並屬於本實用新型的技術方案。
最後應說明的是，以上各附圖中的實施例僅用以說明本實用新型的全固態雷射頭的結 構和技術方案，但非限制。儘管參照實施例對本實用新型進行了詳細說明，本領域的普通 技術人員應當理解，對本實用新型的技術方案進行修改或者等同替換，都不脫離本實用新 型技術方案的精神和範圍，其均應涵蓋在本實用新型的權利要求.範圍當中。
權利要求1.一種全固態雷射器用的雷射頭，包括半導體雷射器列陣、光學耦合器件和由光學部件組成的諧振腔；其中所述半導體雷射器列陣輸出光路上設置所述光學耦合器件和所述諧振腔；其特徵在於，還包括片狀雷射晶體；所述半導體雷射器列陣由一個半導體雷射器列陣模塊或者兩個或兩個以上串聯的半導體雷射器列陣模塊構成；所述半導體雷射器列陣模塊包括兩個或兩個以上串聯的半導體雷射器發光元；相鄰的所述半導體雷射器發光元的最小間距與一個所述半導體雷射器發光元的發光面在所述半導體雷射器發光元的線陣排列方向上的寬度的比值大於5。
2. 根據權利要求1所述的全固態雷射器用的雷射頭，其特徵在於，相鄰的所述半導體雷射器發光元的最小間距與一個所述半導體雷射器發光元的發光面在所述半導體雷射器發光元的線陣排列方向上的寬度的比值為從6到15。
3. 根據權利要求1所述的全固態雷射器用的雷射頭，其特徵在於，所述光學耦合器件為由兩個或兩個以上單個耦合元件組成的列陣，其中所述耦合元件的數目與所述半導體雷射器發光元的數目相同，且所述耦合元件與所述半導體雷射器發光元出射的雷射——對應。
4. 根據權利要求3所述的全固態雷射器用的雷射頭，其特徵在於，所述耦合元件的入射面和出射面均鍍有對所述半導體雷射器列陣輸出波長的增透膜。
5. 根據權利要求3所述的全固態雷射器用的雷射頭，其特徵在於，所述耦合元件為自聚焦透鏡、柱狀透鏡、非^^面透鏡或耦合透鏡組。
6. 根據權利要求1所述的全固態雷射器用的雷射頭，其特徵在於，所述片狀雷射晶體包括一片或一片以上的薄片雷射晶體。
7. 根據權利要求6所述的全固態雷射器用的雷射頭，其特徵在於，所述薄片雷射晶體的厚度為,人0. lmm到3mm。
8. 根據權利要求1所述的全固態雷射器用的雷射頭，其特徵在於，還包括用於進行雷射頻率轉換的非線性光學晶體，所述非線性光學晶體放置於所述片狀雷射晶體的輸出光路上。
9. 根據權利要求8所述的全固態雷射器用的雷射頭，其特徵在於，所述片狀雷射晶體和所述非線性光學晶體可以通過粘接、光膠或離子鍵合結合成一體，形成一塊晶體塊。
10. 根據權利要求1或8或9所述的全固態雷射器用的雷射頭，其特徵在於，還包括輸出鏡。
11.根據權利要求10所述的全固態雷射器用的雷射頭，其特徵在於，輸出鏡為平面鏡、球面鏡列陣或體布拉格光柵。
專利摘要本實用新型涉及一種全固態雷射器用的雷射頭，包括半導體雷射器列陣、光學耦合器件和由光學部件組成的諧振腔，其中半導體雷射器列陣輸出光路上順序設置光學耦合器件和片狀雷射晶體，半導體雷射器列陣由一個半導體雷射器列陣模塊或兩個或兩個以上串聯的半導體雷射器列陣模塊構成，且半導體雷射器列陣模塊包括兩個或兩個以上串聯的半導體雷射器發光元，半導體雷射器列陣模塊中相鄰的半導體雷射器發光元的最小間距與半導體雷射器發光元的發光面在線陣排列方向上的寬度的比值大於5。本實用新型解決了大功率全固態雷射器的晶體熱效應問題，提高了電光轉換效率，縮小了全固態雷射器體積，實現了固體雷射器的微型化，在雷射照明和顯示領域具有很高實用價值。
文檔編號H01S3/0941GK201303202SQ20082012279
公開日2009年9月2日 申請日期2008年10月10日 優先權日2008年10月10日
發明者馮美巖, 宮武鵬, 勇 畢, 斌 王, 賈中達, 趙江山, 顏博霞 申請人:北京中視中科光電技術有限公司;中國科學院光電研究院