板条激光器和放大器以及其使用方法
【专利说明】板条激光器和放大器以及其使用方法
[0001] 相关申请的交叉参考
[0002] 本申请要求2012年8月3日提交的美国申请序列号13/566, 144的权益，且该案 以引用的方式并入本文中。
[0003] 发明背景
[0004] 本申请大体上涉及激光器和激光放大器领域。更具体地说，本申请涉及呈板条形 式的固态激光放大器，其由等以光学方式抽运，且其中激光束穿过布鲁斯特（Brewster)角 小面进入，且在穿过与束进入的面相同的面退出之前，归因于总内部反射而经历多个面对 面反弹。
[0005] 通常，灯驱动板条激光器已存在许多年了。现有技术由通用电气的Krypton弧光 灯驱动的面抽运的面对面多反弹总内部反射（TIR)Nd:钇铝石榴石（掺钕钇铝石榴石）板 条的设计来示范。在通用电气的设计中，Nd:纪错石槽石晶体由Krypton弧光灯面抽运。这 些特定设计实现了与达到若干千瓦的输出的-4%的转换效率（输出激光功率除以输入电 功率）。在此设计中，氪电弧闪光或弧光灯（由铈掺杂石英封套组成）使黑体和线发射光子 的光谱放电，其随后尽可能均匀地反射到掺钕钇铝石榴石板条的邻近面上。此增益元件选 择性地吸收此能量的部分。此能量将钕原子激励成升高的能量状态，从中产生或放大激光 束。
[0006] 后面的版本并入了二极管激光泵源来增加效率和架构简单性（通过仅产生由经 掺杂钇铝石榴石高度吸收的光子能量的特定频率）。更后面的版本使用Nd掺杂钒酸钇 (YbVO4)作为增益介质。此些系统已成为标准，其中限制为可制造YAG、钒酸盐或增益晶体 的最大大小。美国专利3, 633, 126和3, 631，362论述相关技术。
[0007] 先前所提到的二极管抽运系统已示范了 10%的系统效率，在理想情况下，系统效 率甚至可能接近25%，但是以高经济成本为代价，击穿对于二极管泵激光器来说大约为 50%效率，对于Nd:V04来说大约为65%效率，对于Nd:YAG，效率已大约为到1. 064微米辐 射的50%转换，且后续束清理使系统输出效率降低为低至10%，而设计良好的系统的总效 率为约25%。以相对于作为纤维边缘抽运的陶瓷钇铝石榴石板条以及面抽运版本两者来 示范输出功率的当前上限，所述两者均主要由NorthropGrumman建立。此系统示范了每激 光头25kW(千瓦）的输出，其中二极管泵激光器的效率为-50%，且对于大约25%的输出效 率，Nd:钇铝石榴石板条中的转换效率为-50%。
[0008] 现存灯抽运设计的限制效率主要在两个区域中。第一区域是归因于来自泵灯的发 射谱通常不与激光晶体材料的激励谱匹配的事实的低效。第二区域是在归因于使束穿过不 超过两次且不完全填充增益材料的从增益材料的束提取的低效中。这些缺点已干扰板条激 光器概念的潜在实际应用。 发明概要
[0009] 本发明呈现一种横越面抽运、灯驱动板条激光器和放大器设计，其具有面对面束 传播方案。TIR(总内部反射）端反弹使经放大的辐射改向回来从同一输入小面出来，但在 不同的角方向上，从而使得在需要的情况下，所呈现的设计可在较大系统中使用。
[0010] 本发明还呈现泵灯的使用，与基于惰性气体的先前灯设计相比，所述泵灯在可用 谱中产生较多光子。还已使用腔荧光滤光片，其以相当高的效率将灯输出的无用部分转换 成有用灯频带。这改进了效率以及功率处理能力。
[0011] 作为实例实施方案，提供激光装置，其包括：板条晶体；以及腔滤光片材料，其提 供于所述板条晶体的至少一侧上，用于接收来自光源的光能量，使得腔滤光片材料将在第 一频带下接收到的光能转换成在由板条晶体吸收的第二频带下的光能量。
[0012] 对于上述激光器，板条晶体适于接收以一个角度入射到板条晶体的一端中的光 束，且以不同于所述一个角度的角度从所述一端发射经放大的激光束，或在吸收第二频率 的所述光能量之后发射从所述入射光束线性移位的经放大激光束。
[0013] 进一步提供包含以下各项的激光装置的实例实施方案：板条晶体；光源，其提供 包含紫外线频带的光能；以及腔滤光片材料，其包含掺杂有钐的氟化铽，其提供于板条晶体 的至少一侧上，用于接收来自光源的光能，且用于将第一紫外线频带下的光能转换成可见 光的第二频带下的光能，以供板条晶体吸收，用于放大激光束。
[0014] 上述板条晶体适于从不包含背反射表面的一端发射经放大激光束。
[0015] 还提供包含以下各项的激光装置的实例实施方案：板条晶体；光源，其提供包含 位于紫外线频带中的一部分以及位于可见光频带中的一部分的光能；以及腔滤光片材料， 且对可见光频带是透明的，且提供于板条晶体的至少一侧上，用于接收来自光源的光能，且 用于将处于第一紫外线频带的光能转换成处于小于紫外线频带的经转换频带的光能，以供 板条晶体吸收。
[0016] 上述激光器的光源和腔滤光片材料经布置以使得可见光频带中的光能的所述部 分的至少一部分穿过腔滤光片发射到板条晶体，且所述板条晶体适于吸收穿过腔滤光片发 射的可见频带中的光能的所述部分的一部分，且还吸收处于经转换频带的光能的一部分， 用于放大激光束以从板条晶体发射。
[0017] 进一步提供包括以下各项的激光装置的实例实施方案：板条晶体；光源，其以第 一频带提供光能；腔滤光片材料，其提供于板条晶体的至少一侧上，用于接收来自光源的光 能的一部分，且用于将处于第一频带的光能的所述部分的至少一些转换成处于第二频带的 光能，以供至少部分地被板条晶体吸收；多个弹性保持器，其用于固持所述装置的组件，同 时允许所述装置的所述组件中的一者或多者的热膨胀；以及冷却剂循环系统，其用于在装 置中循环冷却剂以冷却所述装置，使得板条晶体适于从板条晶体的一端发射经放大的激光 束。
[0018] 还提供一种实例激光装置，其包括：板条晶体，其具有前面，所述前面形成相对于 用于接收入射光束的板条晶体的底部以锐角提供的点，所述入射光束相对于所述前面以第 一角度提供，所述板条晶体还具有后壁，其相对于板条晶体的底部以并非90度的后角度提 供；光源，其提供包含处于第一频带的一部分和处于第二频带的一部分的光能；以及腔滤 光片材料，其对第一光频带透明，且提供于板条晶体的顶部或底部上，用于接收来自光源的 光能，且用于将处于第一频带的光能转换成处于经转换频带的光能，以供至少部分地由板 条晶体吸收。
[0019] 上述激光器的光源和腔滤光片材料经布置以使得光能的处于第二光频带的部分 的至少部分穿过腔滤光片发射到板条晶体，且此外，板条晶体适合于通过吸收发射穿过腔 滤光片的光能的处于第二频带的部分的一部分且通过吸收光能的处于经转换频带的一部 分来放大激光束以从板条晶体发射。
[0020] 对于上述激光器，选择所述锐角和后角度，使得经放大的激光束以不同于第一角 度的角度从板条晶体的前面发射，使得进入板条晶体的入射光束不与从板条晶体发射的经 放大光束重合。
[0021] 进一步提供一种串行使用任何多个上述激光器中的任一者来放大光束的激光放 大系统。
[0022] 进一步提供一种制造系统和方法，其利用如本文所述的一个或多个板条激光器， 通过气化物质并将其沉积在组件上或沉积到组件中来制造例如半导体装置或经涂覆导体 等组件。举例来说，所沉积的材料可为掺杂剂，或例如金刚石或类金刚石碳等材料层。
[0023] 本发明还提供额外的实例实施方案，下文更详细地描述其中的一些，但不是所有。
[0024] 附图简述
[0025] 在参考附图阅读以下描述后，本公开相关领域的技术人员将明白本文所描述的实 例实施方案的特征和优点，其中：
[0026] 图1是本发明一个实例实施方案的外部视图的示意性图；
[0027] 图2是展示提供于板条激光器材料两侧的滤光片腔材料的两个层的示意性图；
[0028] 图3是图1的本发明的实例实施方案的端视图的示意性图，其展示激光器板条、两 个腔滤光片、泵灯、陶瓷反射器和外部情况之间的关系；
[0029] 图4是添加用于冷却的外部水歧管的另一实例实施方案的示意性图；
[0030] 图5是实例实施方案的激光器板条的一般横截面几何形状的示意性图；
[0031] 图6是进入和离开实例实施方案的放大器板条的轴上激光束的路径的示意性图；
[0032] 图7A是实例实施方案的移位激光束以获得出口束与入口束的分离的效应的示意 性图；
[0033] 图7B移位图7A中所示的实例实施方案的多个激光束的效应的示意性图；
[0034] 图8A和8B是展示改变实例实施方案中的激光器板条前面的楔形物的角度的效应 的不意性图；
[0035] 图9是实例实施方案的用于在不同方向上提供入口和出口束的实例布置的示意 性图；
[0036] 图IOA和IOB是展示通过改变实例实施方案中的端反射表面的角度使出口束与入 口束的实例分离的示意性图；
[0037] 图11是展示使用较大的板条激光晶体且添加更多泵灯的实例放大器链的一个界 面的内部结构的示意性图；
[0038] 图12是展示链中的放大器中的一者的横截面的示意性图，其展示激光束如何进 入和退出增益材料；
[0039] 图13是展示串行组合图12的多个放大器以提供非常高的激光输出功率的实例的 示意性图；
[0040] 图14是展示用于使用一个或多个板条激光器来制造组件的实例布置的示意性 图；以及
[0041] 图15是展示图14的实例布置的实例样本设置的示意性图。
[0042] 本发明的具体描述
[0043] 如上文所论述，本发明提供具有面对面束传播方案的横向面抽运、灯驱动板条激 光器和放大器设计的实例实施方案。TIR端反弹使经放大的福射改向回来从同一输入小面 出来，但在不同的角方向上，从而使所呈现的设计在需要的情况下可用于较大的系统中。通 过几何形状的此选择，将产生或放大的激光的脉冲在激光器板条内部的每一往返中至少四 次（不是通常的两次）穿过同一片增益材料。在每遍次的能量提取效率为-60%的条件下， 这将导致例如激光器板条中所储存的能量的大约97%正被提取。此特征促成实例装置的较 高效率。
[0044] 还呈现另一实例实施方案为使用泵灯，所述泵灯使用金属或金属卤化物合金，其 与基于惰性气体的先前灯设计相比，在可用谱中产生较多光子。还已使用腔荧光滤光片，其 以相当高的效率将灯输出的无用部分（在水银弧光灯以及用于钛蓝宝石激光器的碘化铟 加碘化铊灯的紫外线部分中）转换为有用泵带。这些改进导致以正常仅与二极管激光抽运 版本相关联的效率和功率处理能力操作的系统。但此处所呈现的实例系统使用灯而不是激 光二极管来实现这些效率，且可因此与使用二极管激光泵的现有设计相比，对于相同量的 输出功率，实施起来要便宜得多。
[0045] 对于实例设计中所利用的所呈现增益材料，所呈现的灯抽运设计将具有超过相同 大小的这些激光器的二极管抽运版本的功率输出水平。举例来说，用于变石装置的泵激光 器的可见光输出（635到670nm以及680. 4nm红光）的效率以例如大约20%的效率转换操 作。并且，用于抽运钛蓝宝石的绿色吸收带的输出532nm绿光的倍频Nd激光器也以大约 20 %的电到光转换效率操作。通过比较，金属弧光和金属氯化物弧光灯的电到光效率均接 近70%到73%。可使用此改进和架构来将经脉冲或连续波激光束放大到非常高的功率水 平，其中系统效率具有接近百分之四十的上限。对于为变石（钛的范围是-3. 6kW)而呈现 的头设计，每头输出预期在6. 5到15. 5kW的范围内，但所述设计不限于这些功率水平。
[0046] 总体激光装置配置
[0047] 图1展示本发明一个实例实施方案的一般配置的示意图。板条晶体1以及六个泵 灯2的端部延伸到外壳3之外。所述外壳允许液体穿过狭槽4而冷却。这些狭槽4进入外 壳3外部的水歧管，如后面将论述。
[0048] 图2展示腔滤光片板条5在激光板条晶体1的两侧上驻存在外壳内何处。在此图 中，为了清楚，仅展示六个泵灯2中的仅三个。腔滤光片板条5的目的是将从泵灯2发射的 光的紫外线部分转换成可见光谱，其更容易被板条激光晶体1的材料吸收。