用于激光源的激活元件和包括这种激活元件的激光源

摘要

本发明涉及用于激光源的激活元件和包括这种激活元件的激光源。根据本发明，掺杂杆(2)的侧表面(5)包括能够中断杂散激光模式的路径的至少一个磨钝漫射区域(19)。

说明书

技术领域

本发明涉及用于激光源的激活元件(active element)和包括这种激 活元件的激光源。

更具体地，所述激光源具有如下类型，其包括：

-包括细长杆的激活元件，该细长杆具有大致圆形的横截面，但并 非仅具有圆形的横截面，并且包括能够吸收沿纵向传播的泵浦束 (pumping beam)的掺杂基体，以放大也沿纵向传播的激光辐射；

-泵浦系统，其包括能够发射所述纵向泵浦束的泵浦(激光)二极 管；

-光学传递系统，其用于在所述激活元件中导引由所述泵浦系统所 发射的泵浦束，以便获得纵向泵浦；和

-光谐振腔(optical cavity)，其使得能够提取所述激光辐射。

背景技术

已知的是，实际上，必须将泵浦束的频谱调整至激活元件的吸收 频谱，以便所述泵浦束被吸收并且将其能量转换为对所述激活元件进 行掺杂的离子(例如稀土或过渡金属)。

还已知的是，泵浦(激光)二极管具有通常为几纳米宽的发射频谱， 当所述泵浦二极管的温度变化时，该发射频谱每摄氏度偏移0.25至 0.3纳米。

为了确保泵浦束(从所述泵浦二极管获得)的波长与激活介质的吸 收频谱满意地符合，将所述二极管安装在珀尔帖(Peltier)模块上的技术 为人所知，该技术的作用是将二极管的温度稳定为优于0.5℃，从而 确保波长的中心(centering)为至少0.2纳米。

然而，值得注意的是，在军事应用的环境下，紧凑性的参数、能 量消耗和展开速度具有特别的重要性。因此，使用珀尔帖模块将限制 二极管泵浦激光源在紧凑系统中的应用，并且将导致高能量消耗以及 必需大约一分钟的稳定时间。其它的激活二极管温度稳定系统也是如 此。因此，例如用于地上激光制导的当今仍然使用的技术是闪光泵浦 (flash pumping)技术，其在成本上不是很合算，并且体积很大。

为了试图克服这种问题，因此合适的是：

-增大激活元件对波长漂移的容许度，其例如由专利FR-2803697 提出，其中，将泵浦束导引为多次穿过激活元件；或者

-对泵浦二极管发射波长进行无源稳定，其例如在专利申请 US-2005/0018743中提出，该专利申请描述了使用包括一个或多个体 光栅(VBG)的系统，以便调节一种或多种激光发射特性。

然而，上述解决方案仅能够获得对应于15℃至40℃的二极管温 度漂移的3至10纳米的不灵敏性(insensitivity)。这种热量不灵敏性的 范围远远小于在-40℃和+70℃之间的使用泵浦系统所需的热量不灵敏 性，例如在地上激光制导的泵浦系统中。

本发明的目的是提供激活元件和激光源，其能够获得超过15纳 米的激光发射的热量不灵敏性。

已知的是，由激活元件所吸收的泵浦能的比例一方面取决于激活 元件的吸收系数α(λ)，另一方面取决于由泵浦束所穿过的材料长度L。 该吸收的能量比例Abs在均匀材料的情况下满足关系式 Abs(λ)＝1-Exp[-α(λ)L]，在由n个吸收区域αi(λ)和长度Li构成的材料 的情况下满足关系式Abs(λ)＝1-Exp[-α1(λ)L1-α2(λ)L2-...-αn(λ)Ln]，并 且在最通常的情况下满足关系式Abs(λ)＝1-Exp[-∫α(λ，z)dz]，其中，掺 杂和吸收在杆中根据纵向位置z变化，λ表示激光发射的波长。因此， 为了优化所述比例Abs，合适的是，一方面增大对所有关心波长的所 述吸收系数α，另一方面增大由泵浦束所穿过的所述长度。为了使比 例Abs对于所有的目标频谱范围始终保持为大于大约80-90％，吸收 长度必须适合于最小系数。

此外，已知的是，难以从大体积激活元件(泵浦能量将在其中分散) 中充分地提取能量。因此，有利的是，建立一种纵向泵浦构造，对于 该纵向泵浦构造，只要泵浦束与激光源的轴线共线(或几乎共线)，则 泵浦束的吸收长度可为较长的。因此，激活元件适合于接收和输送与 激光源的轴线共线(或几乎共线)地传播的泵浦辐射。

如果需要触发激光器(triggered laser)，则处于大功率水平(大于 500W)的纵向泵浦的主要困难在于产生杂散(spurious)效应，诸如自发 辐射放大(下述的ASE放大)或杂散发射模式(下述的MEP模式)。ASE 放大来自于自发辐射，该自发辐射在本质上被由泵浦束所激发的离子 发射并且被由这些受激离子的存在所导致的增益所放大。对于MEP 模式，MEP模式来自于如下组合：

-存在于激活元件的边缘处和/或存在于任何其它的反射器上的反 射；和

-源于受激离子的激光增益。

这两种因素的组合沿通常不同于主激光轴线的一条或多条轴线 产生杂散激光发射。

ASE放大是主要由激活元件中的增益和最大可能的增益长度所 控制的参数。减小ASE放大的影响的唯一方法是限制增益长度或增益 值。

此外，MEP模式由增益和杂散反射的存在所控制，该杂散反射将 光子返回至激光器，从而允许这些光子的增益循环。

发明内容

本发明的目的是弥补这些缺点。本发明涉及用于激光源的激活元 件，从而能够获得高的热量不灵敏性，并且同时限制上述类型(ASE 放大和MEP模式)的杂散效应的产生。

为此，根据本发明，用于激光源的激活元件包括：

-细长杆，其具有反射性侧表面，并且掺杂为能够至少吸收在所述 杆中至少大致沿纵向传播的泵浦束，以便至少放大也沿纵向传播的激 光辐射；和

-护套，其与所述杆的所述侧表面相接触，并且具有比所述杆的折 射率小的折射率，

其特征在于：

-在所述杆的所述反射性侧表面中，存在至少一个磨钝漫射区域 (dull-ground diffusing zone)，其能够通过在所述侧表面上的全内反射而 中断在所述杆中传播的杂散激光模式的路径；

-所述护套能够反射在所述杆中的所述泵浦束的至少80％；和

-所述杆的长度和掺杂为使得由所述杆吸收的所述泵浦束的能量 0分数至少等于80％。

因此，由于本发明，能够在超过大约二十纳米的频谱带上获得特 别有效的泵浦，以及如果未全部地则非常显著地抑制倾向于出现在所 述杆中的杂散辐射，这能够阻止MEP模式和减小ASE放大长度。所 述磨钝区域必须防止任何的镜面反射，并且该磨钝区域可通过任何已 知的方法获得，诸如磨擦、化学侵蚀、超声波、喷砂、添加肋条等。

在所述杆的侧表面上的所述磨钝漫射区域的总的广度(extent)至 少为所述杆的侧表面的大约5％至40％。

为了说明所述磨钝漫射区域消除MEP模式的方式，采用可区分 2D MEP模式(二维MEP模式)和3D MEP模式(三维MEP模式)的圆柱 形杆的示例。

2D MEP模式沿形状为多边形的路径在杆的截面中形成，该多边 形的每个顶点构成在杆的周缘上的跳弹(ricochet)。护套的折射率越低， 则存在的多边形的2D MEP的数量越大。例如，对于置于空气(n＝1) 中的YAG(n＝1.82)的杆，方形的2D MEP以全反射模式存在，所有的 较高位的多边形的2D MEP(五边形，六边形等)也是如此。护套的折射 率越接近杆的折射率，则2D MEP在杆的表面上的入射角越倾斜，以 保持高的反射系数。对于护套的给定折射率，2D MEP模式具有反射 临界角，该2D MEP模式在小于反射临界角时将产生太多的损耗而不 存在。与该角度一起，存在多边形的MEP的确定侧的尺寸。如果磨 钝漫射区域形成在周缘的大于该侧该确定尺寸的部分上，则将抑制存 在于该截面中的2D MEP。

3D MEP模式也以多边形形状形成，如果在杆的截面中观察其轨 迹，则该多边形形状在杆的内周缘上跳弹，但是该多边形形状还具有 沿纵向传播，这使得该多边形形状在所述杆的末端面上跳弹。该3D MEP模式的路径类似于分段螺旋。这种3D MEP模式的存在取决于它 们在末端面上的入射角、它们在周缘上的入射角和护套的折射率。为 了抑制这种3D MEP模式，一种解决方案是在杆的周缘处在一定长度 上具有磨钝漫射区域，使得横跨该区域的3D MEP模式的间距在末端 面上具有使得反射损耗阻止其存在的入射角。

在上文中，容易理解的是，围绕所述杆的环形的磨钝漫射区域的 一部分可消除螺旋地形成的3D MEP模式。实际上，由于磨钝漫射区 域的环形部分，该3D MEP模式不能始终沿杆前进，也不能到达杆的 末端以在末端面上反射。由于有效性方面的缘故，磨钝漫射区域的所 述环形部分的纵向广度必须至少等于杆的直径。

为了防止磨钝漫射区域的所述环形部分阻碍泵浦束的传播，该环 形部分优选地定位在杆的仅由微弱的泵浦束通量所穿过的一部分中。 例如：

-如果泵浦束由杆的纵向端面中的仅仅一个端面引导(address)至 所述杆，则磨钝漫射区域的所述环形部分定位在杆的所述纵向端面中 的另一个端面的附近；

-如果泵浦束由杆的纵向端面中的每个端面引导至所述杆，则磨钝 漫射区域的所述环形部分定位在杆的中间部分的附近。

在这些情况下，磨钝区域的所述环形部分的纵向广度可大大地大 于杆的直径。

应注意的是，磨钝漫射区域的这种环形部分不能消除在杆的截面 中传播的所有的2D MEP模式，并且因此不能满意地消除该2D MEP 模式，除非在特殊情况下，诸如，小增益、护套装置的折射率接近杆 的折射率等。

此外，为了以确定的方式消除2D MEP模式，所述磨钝漫射区域 还至少包括条形的部分，该条形部分的大致方向相对于所述杆成至少 大致的纵向，并且能够中断在所述杆内部闭合的杂散激光路径。这种 条形部分可遵循所述杆的母线，并螺旋地缠绕所述杆，且包括定位在 杆的不同母线上的多个独立的分段，等等。如果必要的话，该条形部 分可仅仅设置在杆的高掺杂区域中。

所述磨钝漫射区域的条形部分的宽度必须大于在所述杆内部的 分离较低位(lower order)的2D MEP模式的两个连续内反射的距离。通 过基于相对于侧表面的入射角和杆的折射率以及护套的折射率的计 算，容易地确定该宽度。例如，对于折射率等于1.82的由YAG:Nd 制成的杆和折射率等于1.65的护套，所述较低位确定为等于8。因此， 所述条的宽度必须等于杆的侧表面的1/8。

优选地，所述护套由流体膜形成，并且由于传热的缘故，所述护 套的厚度不超过500μm。该膜可为液体(聚苯醚)，或者由胶合剂、凝 胶或脂(半透明的热脂或半透明的真空脂)组成。有利地，该护套能吸 收由杆所发射的至少一个辐射。

此外，有利地，除该护套以外，包括护套和激活元件(杆)的机械 方面能吸收激光辐射，以便使杂散效应最小。为此，包括杆和护套的 通道的内部的黑色阳极化(black anodization)是优选的。

本发明还涉及一种激光源，其包括：

-用于激光源的激活元件；

-泵浦系统，其具有可发射至少一个泵浦束的泵浦激光二极管；

-光学传递系统，其用于在所述激活元件中导引由所述激光二极管 所发射的泵浦束，以便获得纵向泵浦；和

-光谐振腔，其使得能够提取至少一个激光辐射，

根据本发明，所述激光源的特征在于所述激活元件为上述类型。

有利地，所述泵浦系统以产生泵浦束的方式形成：

-该泵浦束包括在几十度上超过20％稳定的沉积能量的稳定性；和 /或

-该泵浦束被包含在相对于所述杆的预定立体角内。

在具体实施例中，所述泵浦系统包括由从不同晶片获得的半导体 所形成的二极管模块(或二极管组)。因此，不同的半导体的频谱发射 的总和将产生比单种二极管的频谱更宽的频谱。此外，优选地，每个 二极管模块包括冷却装置，其能够获得特定的热量状态和相等的扩展 频谱运行。

此外，有利地，所述激光源还可包括用于在激活元件中至少产生 泵浦束的双通道的装置。

所述泵浦系统可包括两部分，每部分由杆的两端中的每端增加泵 浦辐射，以便在杆的长度上更加均匀地分配能量沉积，并且因此减弱 MEP模式和ASE放大形成在杆的输入平面中的倾向。

附图说明

附图中的视图将清楚地显示可如何提出本发明。在附图中，相同 的附图标记表示相同的元件。

图1是已知的激光源的方框图。

图2示意性地示出在图1的激光源的激活元件内部的二维的和三 维的杂散激光发射模式。

图3、图4和图5示意性地示出根据本发明的激活元件的三个示 例。

图6是1％钕磁(Neodyme)掺杂的YAG材料的吸收频谱的图表， X轴表示波长λ(nm)，Y轴表示吸收系数α(cm^-1)。

具体实施方式

示意性地示于图1中的已知类型的激活元件1包括细长杆2，其 包括能够吸收泵浦束3且能够放大沿轴线X-X沿纵向传播的至少一激 光辐射4的掺杂基体。杆2的侧表面5为抛光的(因此为反射性的)， 并且由护套6所覆盖，该护套6具有比所述杆的折射率小的折射率。 因此，泵浦束3可由于在所述外侧面5上的全内反射而保持在杆2中。

该激活元件1可结合在激光源7中，例如在图1中示例性地示出。

除所述激活元件1之外，所述激光源7通常包括：

-通常的泵浦系统8，其包括激光器型的泵浦二极管8A并且可发 射至少一个泵浦束3；

-通常的光学传递系统9，其用于在所述激活元件1中导引由所述 泵浦系统8所发射的泵浦束3，以便获得穿过所述杆2的端面E1的纵 向泵浦；和

-通常的光谐振腔10，其具有轴线X-X，并且主要包括彼此面对 地放置的反射镜11和部分透明镜12。该光谐振腔10为激光辐射4提 供方向性和几何特征，该激光辐射4通过激光器放大获得并且沿轴线 X-X穿过所述镜12发射。例如，所述光谐振腔还可包括电-光或声- 光类型的未示于图1中的通常的触发装置(Q开关)。

如图2示意性地示出，在操作中，杆2(示出为不具有其护套6) 是杂散激光发射的来源。根据称为2D MEP模式(参见上文)的第一模 式，这些杂散的激光发射沿多边形路径15形成在杆2的截面14中， 多边形15的每个顶点16通过在侧表面5上的内反射而构成跳弹。根 据称为3D MEP模式(参见上文)的另一种模式，这些杂散的激光发射 遵循在所述杆2中沿纵向传播的分段螺旋17，并且由于侧表面5上的 内反射而具有跳弹点18。

根据本发明的重要特征，为了消除这种杂散的3D MEP模式，在 围绕所述杆2的环形区域19上将侧表面5磨钝，如在图3中示例性 地示出的激活元件I(不具有护套6)。因此，侧表面5的磨钝环形区域 19为漫射的，并且消除了跳弹点18。当漫射环形区域19的纵向广度 L至少等于杆2的直径Φ时，将在消除3D MEP模式方面获得好的结 果。

如上所述，漫射环形区域19优选地定位在杆的仅由泵浦束3的 微弱的通量所穿过的一部分中。此外，在图3的示例中，与图1的激 光源7相似，假设泵浦束3仅穿过杆的端面E1引导至杆3，所述漫射 环形区域19定位在所述杆2的另一个端面E2的附近。

此外，为了消除杂散的2D MEP模式，根据本发明的另一个特征， 参见图4的实施例II，在条带部分20上将杆2的侧表面5磨钝，该条 带部分20的方向通常至少大致相对于杆而成纵向。以这种方式获得 的所述漫射条带部分20的宽度l至少等于对应于较低位的2D MEP 模式的多边形15的一侧的长度a(参见图2)。虽然在图4中表示为线 性的并且作为单件，但是所述条带部分20可为不连续的和/或采取任 何所需的形式(例如螺旋形)。

在图5所示的根据本发明的激活元件的实施例变型III中，杆2 分别由泵浦束3.1和3.2通过其端面E1和E2中的每个端面泵浦。在 这种情况下，漫射环形区域19有利地定位在所述杆2的中间部分中(其 中仅穿过微弱的泵浦通量)，条带部分20.1，20.2(类似于条带部分20) 可设置在所述中间漫射环形区域19的两侧。

无论漫射区域的构造如何，该漫射区域19，20，20.1，20.2在杆 2的所述侧表面5的一部分上、在所述杆2上延伸，其至少延伸大约 5％至40％。

此外，选择与杆2的侧表面5相接触的护套6，以便能够反射杆 2中的泵浦束3的至少80％。当然，该护套6必须具有比杆2的折射 率低的折射率，并且不是非常能够吸收该泵浦束3，3.1，3.2，以便使 在护套6与杆2的分界处的总反射具有最佳效果。另一方面，所述护 套6可优选为可吸收激光辐射。

这种护套有利地由流体膜形成。例如，该护套可由胶合剂构成， 该胶合剂提供在杆与围绕该杆的安装件(未示出)之间的热的且机械的 连接，并且该胶合剂不必具有显著的粘附特性。该周缘护套6还可由 折射率液(index liquid)、凝胶或脂构成。为了使杆与其安装件之间的 传热功能良好，厚度小于500μm的护套为优选的。

此外，杆2的长度和掺杂为使得由杆2所吸收的泵浦束3的能量 分数在大于15纳米的频谱范围上至少等于80％。杆2可具有沿轴线 X-X的纵向掺杂变化，其中限制为例如0.1％的预定值的最低掺杂位于 泵浦束3.1，3.2进入激活元件1的端面或多个端面E1，E2的水平处。

因此，通过在杆2的(一个或多个)输入端处限制掺杂，故在该区 域限制吸收以及因此限制横向增益(transverse gain)，这将能够减少 ASE放大和MEP模式的发生。当泵浦波长处于所述材料的最大吸收 值时，杆2的材料尤其必须遵守该标准。

特别当泵浦波长在相关的频谱带中处于所述材料的最小吸收值 时，杆2的(一个或多个)输入端处的较低掺杂将降低吸收效果。因此， 重要的是，在预定距离之外，提供较高的掺杂水平，该预定距离例如 为在输入面或多个输入面E1，E2前方的几毫米。

杆2的材料可具有连续的纵向掺杂变化，或者分段式的纵向掺杂 变化。

在第一情况下，所述材料优选为具有掺杂梯度的材料。这种材料 可通过制陶的方法制成。

还可以利用多个逐级掺杂的晶体，以在每个晶体的输入端处实现 ASE放大的最大启动增益。

对于由单种掺杂和单种基体或多种不同的掺杂和/或多种不同的 基体构成的杆，为了获得对二极管的波长变化的不灵敏性，该材料具 有这样的掺杂和长度，使得对于纵向泵浦，对运行频谱带的最少可吸 收的波长的吸收分数Abs大于大约90％。

在均匀材料的情况下，Abs(λ)＝1-Exp[-α(λ)L]＞90％，或者α(λ)L＞2.3 因此应用均匀材料。

在1％钕磁掺杂的YAG的示出为图6中的示例的情况下，其中最 小吸收值为α(λ＝802nm)＝0.6cm^-1，掺杂材料的长度必须大于2.3/α(λ)， 亦即大于3.8厘米。

此外，在优选实施例中，所述泵浦系统8包括由从不同晶片获得 的半导体所构成的二极管模块(或二极管组)8A。因此，不同的半导体 的频谱发射的总和将产生比单种二极管的频谱更宽的频谱。此外，优 选地，每个二极管模块8A包括独立的冷却装置(未示出)，这使得能够 获得相等的扩展频谱运行。

此外，在具体实施例中，所述泵浦系统8构造成以便产生泵浦束 3，该泵浦束3具有在几十度上超过20％稳定的沉积能量的稳定性。

此外，所述激光源8还包括用于在激活元件1中至少产生泵浦束 3的双通道的装置(未示出)。

泵浦二极管8A可能不被有效地冷却，而是在时间有限的过程期 间以整体结构耗散其能量，该整体结构的温升将限制它们自身的温 升。起始温度和这种温升可使得它们的发射波长在整个过程期间保持 在运行频谱带内，以便尽管温度在过程开始时可能较低以及该温度随 时间而漂移，但该激光器在不利用有源的温度稳定装置的情况下在过 程期间维持相当稳定的运行。