專利名稱：光泵浦結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的領(lǐng)域是用于激光器的光泵浦領(lǐng)域，更具體而言，是二極管泵浦領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光泵浦結(jié)構(gòu)對(duì)于激光器性能而言是非常關(guān)鍵的組件。光泵浦結(jié)構(gòu)需要良好地吸取耗散到激活介質(zhì)中的熱功率，但也需要所使用的泵浦二極管具有良好的溫度均勻性，以便在脈沖激光器的情況下，在發(fā)射序列(firing sequence)中以及兩個(gè)連續(xù)脈沖之間的不同頻率處確保激光器增益的均勻分布。回想一下， 對(duì)于脈沖激光器，下面的關(guān)系式給出了結(jié)構(gòu)所耗散的平均功率Pavg Pavg = PdiodesXnb 二極管X泵浦時(shí)間X脈沖頻率Pdiodes為每組泵浦二極管的功率。因此，與發(fā)射序列的持續(xù)時(shí)間有關(guān)的泵浦的頻率和持續(xù)時(shí)間會(huì)改變耗散功率，這會(huì)對(duì)光學(xué)性能造成影響。目前存在具有矩形配置的泵浦結(jié)構(gòu)，圖加中顯示了其剖面圖。這種結(jié)構(gòu)包括用作激活介質(zhì)的具有正方形橫截面的縱向棒1 ；其由沿著棒和相對(duì)的兩個(gè)平行表面設(shè)置的兩組二極管2泵浦，棒的另外兩個(gè)表面與通過傳導(dǎo)吸取熱量的元件3相接觸。雖然這種配置能夠有效散熱，但對(duì)于在輸出端獲得的光束質(zhì)量則沒什么效果圖2b的剖面圖所示的用剖面的形狀來表示的輸出光束10的圖形不是圓形的。另一種方案涉及使用具有圓形配置的泵浦結(jié)構(gòu)，即包括具有圓形橫截面的棒1 ； 圖Ia中顯示了剖面圖。圖Ib顯示的用剖面的形狀表示的輸出光束10的圖形則是圓形的， 這確保了良好的光束品質(zhì)。圍繞棒1按照星形設(shè)置多組泵浦二極管2，例如三組。鋁環(huán)4形式的散熱元件夾住棒1的端部，如圖Ic所示；還通過使用連接所述多組二極管2的液體循環(huán)的冷卻裝置3來提供散熱，如圖Ia的剖面圖所示。美國(guó)專利6 101 208中介紹了這種使用液體冷卻并且包括按照星形設(shè)置的四組二極管的泵浦結(jié)構(gòu)的示例，并且還指出通過傳導(dǎo)冷卻不能令人滿意。在這種情況下，獲得光束的優(yōu)良品質(zhì)的不利代價(jià)是龐大的體積和冷卻劑的使用。在最小的體積中使用氣體(例如空氣)代替液體的有效冷卻是主要的問題。因此，至今仍需要一種泵浦結(jié)構(gòu)來同時(shí)滿足所有上述需求，即通過氣體冷卻、耗散到激活介質(zhì)中的熱功率的良好吸取(溫度以及軸向和縱向的內(nèi)部熱梯度降低)、所使用的泵浦二極管的溫度的良好的均勻性、最小的體積和良好的光束質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
更具體而言，本發(fā)明的主題是一種用于激光器的光泵浦結(jié)構(gòu)，包括具有圓形橫截面的圓柱形棒形式的激活介質(zhì)，所述棒的端部嵌在由導(dǎo)熱材料制成的兩個(gè)環(huán)中；至少三個(gè)泵浦二極管條的疊層，圍繞棒按照星形設(shè)置；支撐件，其溫度由珀耳帖效應(yīng)模塊調(diào)節(jié)。其主要特征在于，所述環(huán)與所述支撐件相接觸，被稱為底部疊層的二極管疊層位于所述棒和所
3述支撐件之間，對(duì)于每個(gè)其他疊層，該結(jié)構(gòu)包括構(gòu)成對(duì)所述疊層的支撐的導(dǎo)熱塊，這些塊安裝在被冷卻的支撐件上，但彼此之間或與所述環(huán)不接觸。該光泵浦結(jié)構(gòu)還有利地包括由導(dǎo)熱材料制成的墊片，所述墊片位于所述底部疊層下方以調(diào)節(jié)該疊層及其支撐件之間的熱阻。根據(jù)本發(fā)明的特征，所述墊片包括至少一個(gè)孔，所述孔中可以填充有不同于所述墊片的導(dǎo)熱材料。根據(jù)本發(fā)明的另一特征，所述環(huán)通過柔性凸緣固定在支撐件上，所述柔性凸緣可以吸收所述棒及其支撐件(即所述環(huán))之間的不同熱膨脹。


通過閱讀接下來參考附圖作為非限制性示例給出的具體描述，將顯現(xiàn)本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點(diǎn)，其中上文已描述過的圖1示意性地表示從正面(圖la)和側(cè)面(圖Ic)所見的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有圓形橫截面的圓柱形棒的光泵浦結(jié)構(gòu)的剖面圖以及所產(chǎn)生的光束形狀(圖 lb),上文已描述過的圖2示意性地表示從正面(圖2a)所見的根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的具有正方形橫截面的圓柱形棒的光泵浦結(jié)構(gòu)的剖面圖以及所產(chǎn)生的光束形狀(圖2b)，圖3表示根據(jù)本發(fā)明的具有圓形橫截面的圓柱形棒的光泵浦結(jié)構(gòu)的裝配中的連續(xù)步驟。在各個(gè)圖中，相同的元件用相同的附圖標(biāo)記表示。
具體實(shí)施例方式結(jié)合圖3描述當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的示意性光泵浦結(jié)構(gòu)被裝配時(shí)該結(jié)構(gòu)的各個(gè)元件。該結(jié)構(gòu)包括作為熱分配器的支撐件5，其上安放有裝在底板211上的被稱為底部疊層21的泵浦二極管的疊層。該支撐件5是由諸如銅或鋁合金的導(dǎo)熱材料制成。激活介質(zhì)是具有圓形橫截面的圓柱形棒1 ；其端部嵌在兩個(gè)環(huán)11中，環(huán)11是由銅或鋁合金制成的，可以在所述端部通過傳導(dǎo)對(duì)稱地吸取耗散到棒中的熱功率。將這個(gè)帶有兩個(gè)環(huán)的棒安裝到支撐件5上，使環(huán)11與所述支撐件5接觸；其例如通過凸緣6固定到支撐件5上，凸緣6具有充分的柔性以保持棒，同時(shí)可以吸收棒1及其支撐件(即環(huán)11)之間的不同熱膨脹。棒被安裝在二極管疊層21的上方，使得該疊層21沿著被環(huán)留出的棒的中間部分設(shè)置，離環(huán)稍遠(yuǎn)。同樣安裝在底板221上的被稱為側(cè)部疊層22的泵浦二極管的第二疊層被固定在構(gòu)成對(duì)該疊層22的支撐的導(dǎo)熱塊7上；該支撐塊7安裝在支撐件5上，以使疊層沿著前述被環(huán)留出的棒1的中間部分設(shè)置。支撐塊7由銅或鋁合金制成并與支撐件5部分地接觸。類似于第二疊層，固定在形成支撐的導(dǎo)熱塊7上的同樣被稱為側(cè)部疊層22的泵浦二極管的第三疊層安裝在支撐件5上。該塊7也是由銅或鋁合金制成。三個(gè)二極管疊層 21、22圍繞棒1按照星形或彼此成大約120°角對(duì)稱設(shè)置。從圖3d和圖!Be可以看出，這些疊層根據(jù)棒的縱軸具有相同的布置，不存在用于二極管的底部疊層21的導(dǎo)熱塊7。支撐塊7彼此之間或者與棒的環(huán)11不直接接觸。通過這種方式，二極管的溫度管理可以最低限度地干擾棒的溫度管理。這種熱和機(jī)械設(shè)計(jì)可以確保二極管的三個(gè)疊層的最佳溫度均勻性。在支撐件5的下方增加珀耳帖效應(yīng)模塊(Peltier-effect module) 8，以調(diào)節(jié)二極管疊層的 ■并排除耗散功率，組件安裝在使用代替液體作為冷卻劑的氣體(例如空氣)循環(huán)的金屬換熱器上，該換熱器與珀耳帖效應(yīng)模塊的熱表面相接觸。也可以增加模塊8和該換熱器之間的交界面。調(diào)節(jié)二極管疊層21或22和其支撐件5或7之間的熱阻，以使三個(gè)二極管疊層的溫度均勻，這可以使發(fā)射序列中或不同頻率處的波長(zhǎng)變化最小化，因此確保棒中存積的增益的均勻分布。為此目的，結(jié)構(gòu)有利地包括墊片9，墊片9由諸如銅或鋁合金的導(dǎo)熱材料制成， 位于底部疊層21下方以調(diào)節(jié)該疊層及其支撐件5之間的熱阻。還可以在該墊片9中形成孔91或多個(gè)孔，孔中可以填充有不同于墊片的導(dǎo)熱材料，例如銦或氧化鋁填充硅樹脂 (alumina-filled silicone)，以調(diào)節(jié)疊層及其支撐件之間的熱阻。根據(jù)本發(fā)明的泵浦結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)二極管的疊層之間的低溫差并且對(duì)稱地吸取耗散到棒中的功率。使用氣體(例如空氣)而不是液體作為冷卻劑也可以降低裝置的重量，以增加其可靠性(特別是與用于現(xiàn)有技術(shù)的裝置的液體泄露的風(fēng)險(xiǎn)關(guān)聯(lián)的)，并且減少后勤和維護(hù)限制。
與光學(xué)幾何形狀相比，其總體積很小。最后，優(yōu)化了用于裝配該結(jié)構(gòu)的過程。制造了根據(jù)本發(fā)明的光泵浦結(jié)構(gòu)，具有下列特性-棒直徑約為4mm，-Nd:Yag棒中存積的熱功率約為平均2瓦特，-發(fā)射波長(zhǎng)等于大約1μ m，-3個(gè)由大約10條二極管構(gòu)成的疊層在距離棒大約1. 5mm處成120°分布，-疊層的功率大約為3瓦特，- 二極管波長(zhǎng)大約為808nm，-底部疊層的底面和使用氣體循環(huán)的金屬換熱器之間的溫差<3°C，-側(cè)部疊層的底座的頂面和底座的底面之間的溫差<3°C，-底部疊層和側(cè)部疊層之間的溫差<1°C，-體積大約為0.071-頻率在1和20Hz之間變化時(shí)恒定的性能水平。
下表中給出了材料的示例作為表示。
權(quán)利要求
1.一種用于激光器的光泵浦結(jié)構(gòu)，包括具有圓形橫截面的圓柱形棒(1)形式的激活介質(zhì)，所述棒的端部嵌在由導(dǎo)熱材料制成的兩個(gè)環(huán)(11)中，至少三個(gè)泵浦二極管條的疊層(21、2幻，圍繞棒按照星形設(shè)置，支撐件(5)，其溫度由珀耳帖效應(yīng)模塊(8)調(diào)節(jié)，其特征在于，所述環(huán)(11)與所述支撐件( 相接觸，被稱為底部疊層的二極管疊層位于所述棒(1)和所述支撐件(5)之間，對(duì)于每個(gè)其他疊層(22)，該結(jié)構(gòu)包括構(gòu)成對(duì)所述疊層0 的支撐的導(dǎo)熱塊(7)，這些塊(7)安裝在被冷卻的支撐件(5)上且彼此之間或與所述環(huán)(11)不接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于激光器的光泵浦結(jié)構(gòu)，其特征在于，包括換熱器，所述換熱器使用氣體作為冷卻劑并且靠近所述支撐件(5)安裝在所述珀耳帖效應(yīng)模塊(8)的表面上。
3.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于激光器的光泵浦結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光泵浦結(jié)構(gòu)還包括由導(dǎo)熱材料制成的墊片(9)，所述墊片(9)位于所述底部疊層下方以調(diào)節(jié)該疊層及其支撐件( 之間的熱阻。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的用于激光器的光泵浦結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述墊片(9)包括至少一個(gè)孔(91)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的用于激光器的光泵浦結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述孔(91)中填充有不同于所述墊片的導(dǎo)熱材料。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的用于激光器的光泵浦結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述光泵浦結(jié)構(gòu)包括保持所述環(huán)(11)的柔性凸緣(6)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于激光器的光泵浦結(jié)構(gòu)，包括具有圓形橫截面的圓柱形棒(1)形式的激活介質(zhì)，所述棒的兩個(gè)端部嵌在由導(dǎo)熱材料制成的兩個(gè)環(huán)(11)中；至少三個(gè)泵浦二極管條的疊層(21、22)，圍繞棒按照星形設(shè)置；支撐件(5)，其溫度由珀耳帖效應(yīng)模塊(8)調(diào)節(jié)。所述環(huán)(11)與所述支撐件(5)相接觸，被稱為底部疊層(21)的二極管疊層位于所述棒(1)和所述支撐件(5)之間。對(duì)于每個(gè)其他疊層(22)，該結(jié)構(gòu)包括構(gòu)成對(duì)所述疊層(22)的支撐的導(dǎo)熱塊(7)，所述塊(7)安裝在被冷卻的支撐件(5)上且彼此之間以及與所述環(huán)(11)不接觸。
文檔編號(hào)H01S3/0941GK102171895SQ200980139187
公開日2011年8月31日 申請(qǐng)日期2009年7月6日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月17日
發(fā)明者A·尼科利尼, A·費(fèi)拉爾, F·呂羅, M·雷諾迪, P·魯索 申請(qǐng)人:泰勒斯公司