用二极管激光器抽运的固体激光增益模块制造技术

一种紧凑的用二极管激光器抽运的固体板块式激光增益模块。它包括一陶瓷壳体、一配置于激光腔中优选为一块Ｎｄ：ＹＡＧ晶体的激光增益介质、以及一光泵浦源。二极管激光器阵列被提供用来对激光增益介质的至少一个侧面进行抽运。它还包括一冷却激光增益介质的简化冷却剂分配系统用于在它的顶面和底面间产生十分均匀的温度分布。侧面通过让冷却剂流经位于激光增益介质和由熔接到壳体上的蓝宝石组成的窗口之间的流通通道来使之冷却。（*该技术在2017年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是根据美国空军所提供的合同并在美国政府的支持之下完成的。因此美国政府在本专利技术中享有某些权利。本专利技术有关固体激光器，更具体地说，有关用二极管激光器抽运的固体激光增益模块。固体板块式激光增益模块由一壳体和一光学泵浦源组成，该壳体中有诸如钕钇铝石榴石(NdYAG)或铵玻璃的固体激光增益材料，该光学泵浦源用于抽运激光增益材料中的各种核素来产生粒子数反转。激光增益介质典型地具有矩形横截面的板块式结构，并包括有光学抛光过的主侧面和端面，以及垂直于主侧面的侧面。光学泵浦源典型地是能在较宽的光波长带上激发的闪光灯。二极管激光器已被用来替代闪光灯来抽运固体激光器。二极管激光器比宽带闪光灯更能提供与激光增益介质的吸收峰值更接近的匹配。这一改善了的波长匹配性增加了固体激光增益模块的效率，并降低了具破坏性的热效应。在典型的板块式固体激光增益模块中，由泵浦源发送的电磁辐射打到激光增益模块的主侧面上来抽运活性核素以产生粒子数反转。光波与受激原子的相互作用放大了光波。通常通过在主侧面上多次内部的“Z”字形反射使一束相干辐射光沿激光器介质的纵轴通过。这些内反射平均是激光增益介质中的热波动。每次当光束通过激光器介质以增加增益时，光束便被放大。光泵浦在激光增益介质中产生大量的热并增加了介质的温度。已经有采用侧管道来向系统输送冷却水或提供热量的方法来控制激光增益介质侧面环境的温度。激光器介质的主侧面则通常采取让冷却剂流经整个主侧面来进行冷却。固体激光增益介质通常具有低的热导率，因此在被冷却的外表面和热的内部会产生一温度梯度。该温度梯度会在材料中产生热应变，从而造成热诱发的光学畸变。由横向(宽度方向)温度梯度引起的横向光学畸变会变得很大，从而降低激光束的功率输出及光束质量。因此，重要的是要控制激光增益介质顶面和底面间的温度分布(梯度)。与产生固体激光束相关的另一严重问题是维持光束在激光增益模块中的对准，它常常在光泵浦过程中受到所产生的高强度辐射的影响。已知的激光增益模块由具有高热导率的金属壳体组成，但这些壳体也具有高的热膨胀系数。这些性质使壳体在高温下产生热的和结构上的不稳定性。已知的激光增益模块受到壳体在高温下的温度梯度以及由壳体的高膨胀系数和对辐射的高吸收所产生的热畸变所影响。热畸变产生光路漂移并使输出光束失去对准而偏离目标。这种热畸变阻碍了建立和维持稳定的光束。在高增益激光增益模块中与金属壳体有关的另一问题是在激光腔中由辐射的镜反射所引起的寄生激光振荡。寄生激光振荡会使金属壳体产生激光作用和烧蚀现象。被烧蚀的金属会沉积在激光增益介质上并最终毁坏介质。已知的具有金属壳体的激光增益模块包括有完善的冷却系统来进行适当的温度控制，它典型地是由不锈钢或铝材料制成的。这样便增加了激光增益模块的体积和复杂性，而且也大大增加了它们的重量。冷却系统也可以是一种污染源，因此水流通道常常是加有金制衬的。在正常运作中，金制衬常常会从衬底材料上脱落下来。这样，水流通道的未涂复部分便将暴露于腐蚀性环境。黄金以及腐蚀性产物使被夹带进冷却液流而成为污染物。因此需要改善固体激光增益模块的结构和操作以提高激光器工业应用方面的商用寿命。已知的固体激光增益模块具有大、复杂和重的金属结构，这种金属支撑组装件会对辐射产生镜反射且在高温时不能提供热的和结构上的稳定性以保持光束的对准，已知的激光增益模块还需要复杂的冷却方法，它们进一步增加了增益模块的体积和重量并因此成为污染源。此外，已知的激光增益模块不能对激光器介质提供合适的支撑和控制，不能为二极管激光器阵列提供精确的支撑，不能为激光器介质和二极管激光器冷却剂流通通道提供同步的冷却剂分配并使冷却剂与二极管激光器阵列隔开。因此，有必要专利技术一种能克服已有装置的上述存在问题和缺点的用二极管激光器抽运的固体激光增益模块。本专利技术有关一种能满足上述要求的用二极管激光器抽运的固体激光增益模块。本专利技术提供一种紧凑、简化的结构、热的和结构的稳定性、对激光增益介质的支撑和温度控制以维持光束的对准、对用于对激光器介质作光学抽运的二极管激光器阵列的精确支撑、以及一能为激光增益介质和二极管激光器冷却剂流通管道同时分配冷却剂的简化冷却系统，而且本专利技术对由泵浦源和激光增益介质所发射的光波长并不产生镜反射作用。根据本专利技术所述的用二极管激光器抽运的固体板块式激光增益模块包括一陶瓷壳体。激光增益介质被配置于该壳体中。该激光增益介质具有一对端面和一对相对的侧面。至少提供一个二极管激光器阵列来辐射激光增益介质。该激光增益模块进一步包括用于冷却激光增益介质以在顶面和底面间产生十分均匀的温度分布的装置以及用于冷却每个二极管激光器阵列的装置。壳体优选地由氧化铝材料组成，它能提供很好的机械、热、抗污染及光学方面的特性。氧化铝具有高热导率和低热膨胀系数以确保高温下具有热和结构的稳定性。氧化铝能减少激光增益介质冷却方法的复杂性并能维持光束的对准。氧化铝同时也是光的漫反射器，并在一定的波长范围内具有较低的吸收率。这些性质减少了寄生激光振荡，也减少了对壳体的热输入。一个二极管激光器阵列优选地被配置在靠近每个侧面的地方来均匀辐射激光增益介质，该激光增益介质优选地是一块NdYAG晶体。二极管激光器阵列被安装在二极管激光器集合板上，该集合板优选地由具静电放电镀层的塑料制成。用于冷却激光增益介质的装置包括用于输送冷却液到各侧面上的装置。一个窗口被配置在与各侧面相邻接且平行的地方，用来限定冷却剂流经各侧面的流通通道。窗口优选地由蓝宝石组成，蓝宝石上镀有增透层，窗口优选地采用玻璃钎焊方法连接到壳体上。在窗口和激光增益介质之间提供有密封来密封激光增益介质。密封优选地由硅橡胶材料组成，它能被二极管激光器阵列发出的辐射和激光器输出所穿透。热控制装置被提供用来选择性地对顶面和底面加热和冷却。热控制装置优选地包括一配置在顶面附近的上边缘控制杆和一配置于底面附近的下边缘控制杆。上、下边缘控制杆各自规定了冷却液流动的通道，每个控制杆包括加热装置用于选择性地对顶面和底面进行加热。上边缘控制杆和下边缘控制杆优选地用加氧化钡的硅橡胶RTV各自粘接到顶面和底面之上。具有紧凑、简化结构的冷却剂分配源向不同的载荷提供冷却剂。通过下面的附图、说明和权利要求书可以更好地理解本专利技术这样和那样的特点、方面以及优点。附图说明图1为根据本专利技术所述的用二极管激光器抽运的固体激光增益模块的局部剖侧视图；图2为图1中的激光增益模块的局部剖横截面视图；图3为图2中剖切线3-3方向的纵截面视图，但未画出冷却剂分配集合板；图4为图1的激光增益模块的局部剖正视图；图5为装于激光增益介质之上的边缘控制杆的放大了的局剖视图；图6为一放大局部视图，表明密封相对于蓝宝石窗口和激光增益介质的位置以及窗口熔接物相对于壳体的位置；图7为一示意流程图，表明冷却剂对二极管集合板，边缘控制杆以及平板冷却剂流通通道的分配情况。本专利技术为如图1中所示的一个用二极管激光器抽运的固体激光增益模块20。该激光增益模块20包括一陶瓷材料加工成形的壳体22。壳体材料优选地为氧化铝，它能提供热的、无污染的、机械的和光学方面的诸多优点。氧化铝具有高的热导率，它能减少温度梯度及与此相关的由光泵浦时辐射吸收所造成的机械畸变。此外，氧化铝还具有很低的热膨胀系数来保本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于产生输出光束的用二极管激光器抽运的固体板块式激光增益模块，包括：一陶瓷壳体；一配置在陶瓷壳体中并被其支撑的激光增益介质，该激光增益介质具有一顶面、一底面和一对相对的侧面；安装于陶瓷壳体之上并位于至少一个侧面近旁的泵浦装置 ，用来产生输出光束；冷却激光增益介质的装置，用来在底面和顶面间产生十分均匀的温度分布；以及冷却每个泵浦装置的装置；其中：陶瓷壳体具有一有效的热导率和热膨胀系数来充分维持激光腔中输出光束的对准。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：詹姆斯M扎迈勒，罗伯特NMI廷蒂，乔治M哈波勒，
申请(专利权)人：TRW公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]