可扩展的热高效的泵浦二极管系统的制作方法

专利名称：可扩展的热高效的泵浦二极管系统的制作方法
可扩展的热高效的泵浦二极管系统
介绍
激光器是使用量子力学效应、受激发射来产生光的器件。该光可在连 续或脉冲模式下产生，且一般是强烈、相千、单色和定向的。激光器使用 有粒子数反转的能力的激光介质来产生光，粒子数反转是这样一种状况， 其中，光放大(即，自发光子发射之后是受激发射)的速率超过光子被介 质吸收的速率。为了达到粒子数反转，激光介质的原子通常必须由外部能 源激励。对激光介质的激励一般以通过外部光源进行泵浦开始，外部光源 可被调整成激励介质中的一个或多个特定的原子跃迁。换句话说，泵浦可 设计成输出其光的大部分或全部，以匹配激光介质的吸收光语，因为泵浦 发射的且未被介质内的原子吸收的任何能量被浪费了 。激光介质的吸收光 谱可为离散的，需要特定的波长来将原子从基态激励到期望的激发态，或 它可为连续的，允许对一定波长范围进行吸收产生期望的激励。很多不同 类型的光泵浦随着所考虑的这些不同的可能性发展。
具有峰值在适当的波长处的发射光谱的闪光灯和弧光灯可用于对激 光器泵浦。这样的灯可由包含惰性气体如氪或氙的密封管构造，并且其尺 寸和/或形状可设计成匹配激光介质的尺寸。这些灯通常具有包括几个尖 峰的发射光谱，其中的一个或多个尖峰选择成与激光介质的吸收光谱重 合。然而，其它发射峰值一般位于该吸收光谱之外，这可导致相当大的能 量损耗。
白织灯例如鴒丝灯泡也可用于对激光器泵浦。这样的灯通常发射黑体 辐射谱，其为根据灯丝的温度在特定的波长处形成峰值的连续光谱。由于
大量辐射落在激光的吸收带之外，这样的连续光谱可能导致相当大的能量 损耗。虽然可通过谨慎地选择灯丝的温度使得灯泡的发射光谱峰值接近激 光介质的吸收带的中心来使这些损耗最小化，并进一步由白炽灯的相对低
5的成本而减少损耗的影响，但这种损耗可能在很多应用中有很大影响。
近似地或精确地在期望激励波长处产生辐射的激光二极管也可用于 对激光器泵浦。换句话说，第一激光系统或泵浦激光系统可用于泵浦第二 激光系统或被泵浦的激光系统的激光介质。由于上述光放大的效应，被泵 浦的激光器可具有比泵浦激光器大得多的峰值强度。
泵浦二极管可设置成平行于细长的激光介质的长轴，以便在与最终产 生的激光的传播垂直的方向上发射辐射。该布置有时称为侧面泵浦。遗憾 的是，通过一个或多个二极管泵浦对激光器进行侧面泵浦可能导致各种不 希望有的效应，包括由于二极管能量的损耗而产生的低效率、激光介质内 激励的孤立区("热点")的产生、二极管泵浦的过热、激光器上不均匀的 机械应力、和/或二极管和相邻的安装表面之间的不希望有的大的温度梯 度等。当多个二极管同时用作泵浦时，这些效应可能特别显著。为了抵消 这些效应，发展了很多使用各种对称布置的二极管泵浦的系统，力图限制 能量损耗和热点。还发展了各种系统，以通过使用冷却介质例如水或强迫 通风从二极管泵浦传导热而避免二极管泵浦的过热。例如在美国专利号
5,778,020和6,101,208中公开了这样的系统的例子，这些专利在这里通过 引用被并入。 一些现有技术系统集中于使用具有用于镶嵌二极管线阵 (diode bar )的多个不同的槽的单件氧化铍。然而，这样的系统仍然可能 在高功率输出时遭受热问题，例如过热。
遗憾的是，尽管有上述校正努力，效率低、热点、大温度梯度和过热 的问题仍然存在于二极管泵浦的激光系统中，特别是需要高功率的系统。 因此，仍然存在对改进的二极管泵浦的激光系统及其部件的需要，这些系 统和部件具有增加的热和封装效率、对激光介质的更均匀的激励、更好地 受控制的温度梯度和/或从二极管泵浦的更快的热传导。提高的热效率在 现有技术中特别缺乏。从二极管线阵移除热的低效率导致有限的功率、降 低的可靠性以及增加的系统成本、重量、尺寸和功率。
概述
6本公开提供了可扩展的热高效的泵浦二极管系统。这些系统可包括安
装在衬底中的单个凹槽或村底夹(substrate clamp)内的泵浦二极管和热传导间隔物的布置，以便对系统提供增强的散热。这些系统也可包括多个这样的泵浦二极管组件，其以对称的或部分对称的布置安装在二极管泵浦的激光系统中的激光介质周围，以提高对介质的散热和/或激励。
附图的简要i兌明


图1是示出根据本公开的方面的用于二极管泵浦的激光系统的泵浦头(pump head)组件的示意图。
图2a和2b分别是根据本公开的方面的具有两部件衬底的示例性泵浦二极管组件的部分分解图和完全组装的等距视图。
图3a和3b分别是根据本公开的方面的具有三部件衬底的示例性泵浦二极管组件的部分分解图和完全组装的等距视图。
图3c和3d分别是根据本公开的方面的具有三部件衬底的另一示例性泵浦二极管组件的部分分解图和完全组装的等距碎见图。
图4是根据本公开的方面的用于二极管泵浦的激光系统的示例性泵浦头组件的截面图。
图5是根据本公开的方面的示例性二极管泵浦的激光系统的部分的端部正碎见图，其示出布置在中央正方形激光介质4反(lasing medium slab )周围的泵浦二极管组件的四重(four-fold)(正方形)对称布置。
图6和7是图5的二极管泵浦的激光系统的部分的等距视图，为了清楚起见衬底被移除。
图8是根据本公开的方面的可选的示例性二极管泵浦的激光系统的部分的端部正视图，其示出布置在中央六边形激光介质板周围的泵浦二极管组件的六重(六边形)对称布置。
图9是根据本公开的方面的另一可选的示例性二极管泵浦的激光系统的部分的端部正视图，其示出布置在中央三角形激光介质板周围的泵浦
7二极管组件的三重(三角形)对称布置。
图10是根据本公开的方面的又一可选的示例性二极管泵浦的激光系统的部分的端部正视图，其示出布置在中央圓柱形激光介质板周围的泵浦二极管组件的四重(准圆柱形)对称布置。
详细描述
本公开提供了可扩展的热高效的泵浦二极管系统，包括其中的部件、
组件和用途。二极管系统其中可包括(1) 二极管安装件，(2)泵浦二极管组件，(3)泵浦头组件，和/或(4) 二极管泵浦的激光系统。二极管系统可用于激励二极管泵浦的激光系统中的激光介质，连同其它应用。安装件和组件可涉及或包括泵浦二极管(或二极管线阵)和热传导间隔物的交替布置，泵浦二极管(或二极管线阵)和热传导间隔物安装在衬底中的单个凹槽或衬底夹内。泵浦二极管和传导间隔物可彼此接触，而没有介于其间的村底。多个这样的泵浦二极管组件可以对称或部分对称的布置安装在激光介质周围，以提高散热和/或提供对介质的更有效的激励。这样的布置可通过增强激光介质的散热和/或激励来增加来自激光器的功率输出。而且，这样的布置可增加泵浦二极管所经受的温度的均勻性，所以导致更单色的光输出，这又可导致对相关的激光系统导致更有效的泵浦和/或相关的激光系统的更单色的输出。这些不同系统的部件可为可扩展的，即，可与二极管组件、泵浦头组件中的二极管组件等中不同数量、尺寸和/或形状的二极管和/或间隔物一起使用。下面更详细地描述本公开的这些和其它方面，其中包括但不限于(I)系统的综述，其包括(A)泵浦二极管，(B)热传导间隔物，和(C)衬底；以及(II)各种泵浦二极管组件、泵浦头组件和二极管泵浦的激光系统的例子。
I.综述
图1是示出其中根据本公开的方面的示例性二极管泵浦的激光系统1的示意图。激光系统可包括(1) 一个或多个泵浦二极管组件2，其能够产生光(由细纵向箭头示出)，(2)激光介质3,其具有通过二极管组件
8所产生的光来激励的能力，并能够产生激光(由粗横向箭头示出)，以及
(3) —个或多个反射界面4，其能够将通过二极管组件产生的光反射回激光介质中。二极管组件又可包括(1 )多个泵浦二极管(或二极管线阵)5, (2)多个热传导间隔物6,其布置在泵浦二极管之间并分离泵浦二极管，和/或(3)衬底7，其用于接纳如上所述的泵浦二极管和传导间隔物。泵浦二极管组件的组合又可选地结合其它特征可称为泵浦头组件。下面更详细地描述本/>开的这些和其它方面。
I. A. 二极管线阵
如这里使用的二极管线阵(或泵浦二极管)包括能够产生光的发光二极管。该光可具有单个波长或一定范围的波长，并可在窄光束中或在较宽范围的角的范围内被导向。可选择二极管线阵，其发射在相关联的二极管泵浦的激光系统中使用的激光介质的吸收范围内的期望波长。例如，可选择发射具有落在大约600-1550纳米(nm)范围内的波长的辐射的二极管线阵，以在激光介质中激励从基态到适当的激发态的原子跃迁，例如四能级或大于四能级的激光介质。在由掺杂有钕离子的钇铝石榴石(称为Nd:YAG)构成的激光介质的特定情况下，可选择发射具有落在从700到900 nm范围内的一个或多个波长的辐射的二极管线阵，或特别是发射在808 nm处或左右的相应于Nd:YAG的一个或多个主要吸收带的辐射的二极管线阵。更一般地，可选择二极管线阵来发射最适当地与任何选定的激光介质的吸收光谱匹配的一个或多个波长。二极管线阵可包括例如在任何适当的布置(例如一维阵列)中的单个激光二极管或多个二极管。
II. B.间隔物
如这里使用的间隔物(或热传导间隔物)包括可布置在二极管线阵之间并分离二极管线阵的间隔构件。这些间隔物可由任何适当的材料例如高导热性材料构造，以从二极管线阵和/或激光介质传导热。示例性材料其中可包括金、铜、铜鴒合金和/或钻石。间隔物材料的选择可例如取决于诸如材料的成本、二极管线阵的数量、二极管线阵的功率输出和/或激光系统的功率输出等因素。所使用的传导间隔物的数量可取决于这些同样的因素中的一些或全部。 一般，间隔物比二极管线阵多一个，以便间隔物可
9布置在每个连续的二极管线阵之间，以及也在最外面的二极管线阵和衬底 之间。
在一些实施方式中，间隔物可涂有适当的材料，例如金属焊料(或其 它沉积物)，以在二极管线阵和间隔物之间提供导电路径。在例如间隔物 材料是良好的热导体但是相对差的电导体的实施方式中，这可能特别合 适。例如，很多形式的钻石具有非常高的导热性，使钻石关于其从激光介 质和/或二极管线阵传导热的能力成为良好的间隔物材料选择。然而，钻
石 一般也是相对差的电导体，使得棵钻石间隔物的使用可能使它难以通过 在线阵/间隔物阵列两端施加电压而向二极管线阵提供电流。用导电材料
例如金属焊料涂钻石间隔物提供了对该难题的一个可能的解决方案。其它 解决方案可包括向每个二极管线阵独立地提供功率和/或以某个其它适当 的方式在线阵/间隔物阵列两端产生传导路径，例如使用传导液体或使用 由诸如铜和/或金的材料构造的固态传导条。
I.C.衬底
如上所述，这里使用的衬底包括用于二极管线阵和间隔物的交替布置 或二极管阵列的支架。 一般，衬底将包括用于接纳二极管线阵和间隔物的 槽或凹槽。将二极管线阵和热传导间隔物交替布置在单个凹槽内，取代仅 仅通过将二极管布置在形成于衬底中的多个槽口或凹槽内用衬底材料来 分离二极管线阵，可增强散热。
衬底可由任何适当的材料构造。示例性材料可为导热的但为不导电
的，或接近于此，例如氧化铍(BeO)和/或钻石。可选地，示例性材料 可为导热和导电的，或接近于此，例如金属，包括铜、金、鴒和/或各种 金属合金。导热材料可便于从泵浦二极管和/或激光介质传导热。导电材 料可便于将电传导到二极管并从二极管传导出，例如以给二极管线阵供 电。
衬底可用任何适当的方式构造。在一些情况下，衬底可被整体地构造 (即，从单件村底材料)。在其它情况下，衬底可由两个、三个或更多的 材料部分构造，材料部分也称为基底构件(base member)或部件，这些 部件被配置成装配在一起。当衬底由两个构件构造时，构件可装配在一起
10以形成单个凹槽，二极管和间隔物安装在凹槽内。当衬底由三个构件构造 时，构件可装配在一起以形成凹槽，该凹槽具有由构件中的两个形成的侧 面以及由第三个构件形成的底面或基底。类似地，任何数量的构件可用于 形成配置成接纳交替的二极管线阵和间隔物的凹槽，该凹槽由单独的 一个 构件或其中的任何适当的子集形成。而且，在一些情况下，构件可形成多 个凹槽，用于接纳不同组的二极管线阵和间隔物。
I.D.泵浦二极管组件/泵浦头组件
上述二极管线阵、间隔物和衬底可合并以形成泵浦二极管组件和/或 泵浦头组件等。泵浦二极管组件可包括多个泵浦二极管和/或间隔物，以 及一个或多个衬底，且泵浦头组件可包括多个泵浦二极管组件。泵浦二极 管组件和泵浦头组件又可与适当的激光介质例如激光介质板合并，以形成 二极管泵浦的激光系统。
二极管线阵、间隔物和衬底可按任何适当的顺序被选^l奪和组装，例如， 特别是，首先形成二极管和间隔物的阵列，然后将所形成的阵列放置在凹 槽中，或将二极管和凹槽分开地或以小组放置在凹槽中，在过程中同时形 成这些部件的阵列。这些步骤可包括按压诸如衬底侧面的部分，这些部分 可选地提供夹持力或夹紧力来将所组装的二极管和间隔物维持在凹槽内。
可根据各种标准选择在泵浦二极管组件、泵浦头组件和/或二极管泵 浦的激光系统中使用的不同部件的数量、性质、尺寸和布置。例如，泵浦 二极管和激光介质可被选择成使得泵浦二极管能够激励或泵浦激光介质。 类似地，根据泵浦二极管相应地是通过间隔物接收的电供电还是通过电线 接收的电供电，可将间隔物选择为导电或不导电的。
这些组件和系统的部件一般具有互补的尺寸。例如，典型二极管线阵
每个都可具有在大约100 pm和200 pm ( 0.1 mm-0.2 mm)之间的厚度或 宽度，且传导间隔物每个都可具有在大约300 pm和600 pm ( 0.3mm-0.6 mm)之间的厚度或宽度。(在这里，lnm是10-6米(1微米)，而lmm是 10-3米(1毫米)。)因此，6个二极管线阵和7个间隔物的一般布置可具 有在大约2.7 mm和5.4 mm之间的总宽度，如果间隔物涂有金属焊料等 则加上相对小量的额外宽度。更具体地，在特定的实施方式中，二极管线
li阵每个可具有大约140 pm (0.14 mm)的宽度，间隔物每个可具有大约 400 pm (0.4 mm)的宽度，而连接每个二极管线阵/间隔物对的焊料可具 有大约50 |im ( 0.05 mm)的宽度，使得6个二极管线阵、7个间隔物和6 个焊料连接的布置可具有大约3.94 mm的总宽度。
二极管线阵和间隔物的长度或最长的尺寸可大致选择成匹配给定系 统中的激光介质的长度，或其某个整分数部分。例如，该长度可为大约8 mm-16mm，且在一些特定的实施方式中，它可为大约12mm。可根据包 括系统的总尺寸、适当的预先制造的二极管线阵的可用性和/或尺寸的特 定选择的冷却效率的考虑因素来选择二极管线阵和间隔物的厚度或深度。 例如，二极管线阵的深度可为大约1 mm,且间隔物的深度可大约为1.5 mm。通常，至少部分地根据适当的预先制造的二极管线阵的尺寸来选择 每个间隔物的长度、厚度和深度。间隔物和二极管线阵可放置在高导热性 绝纟彖间隔物上，其也称为下部间隔物(bottom spacer)或衬底底面或基底， 如下所述。该基底可例如具有大约lmm的厚度。下部间隔物也可具有涂 在所有表面上的焊料，或者，它可在除了每个二极管线阵正下方之外的所 有表面上涂有焊料，以避免使任何二极管线阵电短路的可能性。
泵浦二极管组件以不同的数量和布置合并，以形成泵浦头组件。这些 泵浦头组件可具有不同程度的对称，例如"n重对称"，其中n为整数。 通常，n重对称泵浦头组件可包括多个泵浦二极管组件，至少一个泵浦二 极管组件定向成实质上平行于n个侧面的规则多边形的每个侧面，或者， 组件以其他方式对称地定向在几何体周围。下面示出的例子包括三重(三 角形)对称的泵浦头组件、四重(正方形或准圆柱形)对称的泵浦头组件 以及六重(六边形)对称的泵浦头组件，以及其他。未示出的额外的实施 方式可在任何特定的几何结构的激光介质板周围包括任何期望的对称或 非对称度。
II.实施例
下列实施例描述本公开的选定方面，其中包括(l)示例性泵浦二极 管组件，特别是具有两个或三部件衬底的示例性泵浦二极管组件，(2)示 例性泵浦头组件，特别是具有三重、四重和六重对称性的示例性泵浦头组
12件，以及(3)基于示例性泵浦二极管和泵浦头组件的示例性二极管泵浦 的激光系统。这些实施例和其中的各种特征和方面为了说明而被包括，且 没有被规定为限制本公开的整个范围。
实施例1:具有两部件衬底的泵浦二极管组件
本实施例描述根据本^^开的方面的具有"两部件衬底"的示例性泵浦 二极管组件10。
图2a和2b分别示出在部分分解和完全组装的状态中的二极管组件 10。 二极管组件包括二极管阵列11和两部件衬底12。
二极管阵列u包括多个散置的二极管线阵14和热传导间隔物16。 这些组件以至少实质上平行和交替的模式布置，使得每个二极管线阵与至 少一个间隔物邻接，并使得二极管线阵和间隔物共同形成实质上平面的正 平行六面体。而且，间隔物一般比二极管线阵多一个，使得每个二极管线 阵在两侧被间隔物包围，并使得在阵列的每个端部处的部件为间隔物。在 其它实施方式中，可能间隔物比二极管线阵少一个，使得在阵列的每个端 部处的部件(且与衬底接触)是二极管线阵。
衬底12支撑二极管阵列11,并可选地可用于将二极管阵列连接到适 当的激光器(直接地，或通过中间连接器)。衬底优选地是不导电的，或 接近于此，且是导热的，以便有利地从倾向于过热的激光系统的部分传导 热。衬底包括两个对称部件或基底构件12a和12b，如所示，它们被配置 成装配在一起。在其它实施方式中，衬底可由单个(单一)部件、不对称 的部件或三个或更多的部件形成，在每种情况下这些部件都配置成以任何 适当的方式彼此和/或与 一个或多个二极管线阵装配在一起。
衬底优选地是不导电的和导热的。衬底可部分地或完全由任何适当的 导热材料例如钻石、氧化铍、氧化铝、氮化铝和/或类似物构成。
衬底可界定具有侧面和底面的凹槽18,凹槽18支撑并部分地包围二 极管阵列11。在这里，凹槽由配置成装配在一起的两个基底构件(12a 和12b)共同和相等地形成。在其它实施方式中，凹槽可整体地在单个衬 底内、整体地在多部件衬底的一个部件内、不等地由两个部件、和/或相
13等地或不等地由三个或多部件衬底中的一些或所有部件形成。凹槽可将夹 紧力施加到二极管阵列上，以便将彼此热接触的二极管阵列的部分保持在 一起，和/或将二极管阵列保持在凹槽内。
衬底也可为了任何适当的目的而包括其它结构，例如衬底夹、通道和
/或凹槽19a和19b。这些其它结构可便于例如通过提供用于接纳电线如电 源汇流线的空间而向二极管线阵提供功率。可选地，或此外，这些其它结 构可便于例如通过形成用于51导冷却剂(虽然一些实施方式例如所示实施 方式是空气冷却的)的通道而使二极管线阵冷却。
二极管线阵14和间隔物16—般以实质上平行和交替的模式布置在凹 槽18内，如上所述。因此，包括二极管线阵和间隔物的二极管阵列的形 状和尺寸以及凹槽是相关的。凹槽18可为至少实质上平面的，例如至少 实质上矩形槽口，如图2a和2b所示。当凹槽实质上是平面的时，二极管 线阵和间隔物可为细长的，且在至少一侧上是平坦的，以装配在平面凹槽
内。当凹槽进一步为实质上矩形槽口时，如图2a和2b所示，二极管线阵 和间隔物可进一步为实质上矩形的，并依尺寸制造成装配在槽口内。
实施例2:具有三部件村底的泵浦二极管组件，实施方式l
本实施例描述根据本公开的方面的具有"三部件衬底"的示例性泵浦 二极管组件30。
图3a和3b分别示出在部分分解和完全组装的状态中的二极管组件 30。该二极管组件包括二极管阵列31、三部件衬底32和可选的额外的支 撑构件33 (其可被认为是衬底的额外部件)。
二极管阵列31包括多个散置的二极管线阵34和热传导间隔物36。 包括线阵和间隔物的二极管阵列可至少实质上如上面例如在实施例1中 所述的。
衬底32支撑二极管阵列31,并可选地可用于将二极管阵列连接到适 当的激光器。衬底包括配置成如所示装配在一起以界定凹槽38的三个部 件或基底构件32a、 32b和32c。构件32a和32b界定凹槽的侧面，而也 可称为传导间隔物的构件32c界定其底面。构件32a和32b可进一步配置
14成将夹紧力施加到二极管线阵和间隔物，以便将它们保持在凹槽内和/或 彼此在热接触中。二极管线阵可布置在凹槽38内，例如，如上面在二极 管阵列11和凹槽18的实施例1中所述的。
衬底也可为了任何适当的目的而包括其它结构，例如衬底夹、通道和
/或凹槽39a和39b。这些其它结构可例如提供用于接纳电源汇流线和/或 冷却剂的空间，以及其他。其它结构可为至少实质上如上面在例如实施例 1中所述的。
衬底优选地为不导电和导热的(如在实施例1中的衬底)。衬底可部 分地或完全由任何适当的导热材料例如钻石、氧化铍、氧化铝、氮化铝和 /或类似物构成。例如，基底构件32a和32b可由氧化^t皮构成，基底构件 32c可由钻石构成。
在一些实施方式中，也可提供额外的支撑构件33,以机械地支撑二 极管组件30的其它部件，和/或便于从组件传热。支撑构件33可由任何 适当的材料构成，限制为，该材料能够支撑该组件，且在一些实施方式中 是导热的。示例性材料包括导热金属，如铜、和/或陶瓷材料如氧化铍。
实施例3:具有三部件衬底的泵浦二极管组件，实施方式2
本实施例描述根据本公开的方面的具有"三部件村底"的示例性泵浦 二极管组件30，。
图3c和3d分别示出在部分分解和完全组装的状态中的二极管组件 30，。 二极管组件包括二极管阵列31，、三部件衬底32，和可选的额外的支 撑构件33，。 二极管组件30，类似于实施例2中的二极管组件30。特别是， 二极管阵列(例如，31、 34和36以及31，、 34，和36，)和衬底(例如， 32a-c、 38和39以及32a，-c，、 38，和39，)在这两个实施方式中可至少实 质上相同。然而，可选的额外的支撑构件(例如，33和33，)可在两个实 施方式之间不同。例如，如所示，构件33至少实质上为U形的(具有直 角弯曲)，而构件33，至少实质上为平面的。构件33，可具有与基底构件32 大致相同的长度和宽度，并可用来支撑构件32c和/或便于从二极管组件 传热。构件33，可由任何适当的材料构成，包括机械支撑性和/或导热材料，
15例如传导金属(例如铜)和/或陶瓷材料(例如氧化铍)等。
实施例4:泵浦头组件
本实施例描述了根据本发明的方面的示例性泵浦头组件49 。
图4是泵浦头组件49的截面图，其在二极管泵浦的激光系统的背景 下示出该组件。泵浦头组件49包括一个或多个泵浦二极管组件50。在图 4中， 一个这样的二极管组件是完全可见的，且另一这样的二极管组件是 部分隐蔽的(在可见的组件后面)。二极管组件和相关的部件可至少实质 上类似于其在实施例1-3中呈现并在图2ab、 3ab和3cd中示出的对应物。 二极管组件每个都包括(1 )具有多个交替的二极管线阵54和传导间隔 物56的二极管阵列53，以及(2)界定实质上平面的凹槽58的衬底52。 一些实施方式可进一步包括支撑构件，例如图3ab和3cd的支撑构件33。 可选地或此外， 一些实施方式可进一步包括用于接纳电线、冷却剂和/或 类似物的结构59。
泵浦头组件可布置成与激光介质相邻，或可部分或全部包围激光介 质，例如激光介质板60。如前所述的激光介质可由能够产生激光的任何 材料构成，例如能够在板内产生粒子数反转的诸如适当的棒、板和/或晶 体(在这里称为但不限于"板")的材料。示例性激光介质材料包括掺杂 有钕离子的钇铝石榴石(Nd:YAG)、红宝石(或掺铬的蓝宝石)、掺钕玻 璃、掺钕钒酸盐和/或紫翠玉等。通常，具有至少三个且优选地至少四个 能级的原子的任何材料可以是合适的，只要中间能级之一与其它衰减过程 相比相对慢地衰减。泵浦头组件可设置有或没有激光介质，在后面的情况 下，泵浦头组件可(至少)配置成连接到分离的激光介质或以其他方式结 合分离的激光介质。
系统可包括一个或多个光学散热器62,每个通常布置在激光介质板 和一个二极管组件50之间，且每个光学散热器62 —般也布置成通常至少 与激光介质和二极管线阵邻接。散热器配置成从激光介质传导热，并允许 来自二极管线阵的辐射基本上透射到激光介质。在一些实施方式中，散热 器也可用作光谱滤波器，其从进入板的辐射减少或移除不需要的波长，同 时伴随地减少或移除对板的额外的不需要的热负荷。散热器可由任何适当
16的材料构成，包括钻石、硅、碳化硅和/或蓝宝石等。可根据包括对二极 管线阵所发射的波长的透明度、导热性和/或成本等各种标准来选择适当 的材料。
系统可进一步包括一个或多个反射界面64。反射界面在这里示为具
有布置成与激光介质60的两个侧面相邻的两个端面64a、 64b。特别地， 界面64的一个端面64a布置成与在图4中全部可见的二极管组件50相对， 而界面64的另 一端面64b布置成与被基底部件68部分遮蔽的二极管组件 50相对。界面64配置成将透过激光板的二极管光反射回到板中，以给二 极管光提供激励激光介质的组分的另一机会。因此，界面64通常由强烈 反射在激光介质的适当吸收范围内的光的材料构成。例如，氧化铟或氮化 铟的薄膜可具有适当的反射特性。该界面也可为纯铟金属，这可进一步提 高从激光板60到导热基底的导热(下面讨论)。反射界面的使用可增加激 光系统的效率并降低来自激光系统的能量损耗。
系统可进一步包括一个或多个传导间隔物66 (以虛线示出)，其布置 成在与激光介质相对的侧面上邻接于二极管阵列中的一些或全部。传导间 隔物66可配置成比衬底52单独起作用时更有效地从二极管和激光介质传 导热。为了实现该传导，传导间隔物可由高导热性材料例如钻石、导热陶 瓷和/或导热金属等构成。
系统可进一步包括导热基底67。基底67可整体地形成，或它可包括 多个分离的部件。这些分离的部件可包括例如板固定器或夹，如基底部件 68和70,和/或泵浦头夹72和74等。这些基底部件中的每个可由任何适 当的导热材料构成， 一般为高导热材料例如铜。额外的适当材料包括各种 其它金属和导热陶瓷，例如氧化铍等。导热基底67适当地配置成牢固地 安装衬底、二极管线阵和间隔物。基底结合光学透射的散热器有助于从激 光介质^1传导热以防止过热。
实施例5:具有正方形对称的泵浦头组件
本实施例描述了具有四重、正方形对称的示例性泵浦头组件100;见 图5-7。
17图5是泵浦头组件100的端部正视图，其示出在二极管泵浦的激光系
统的背景下的组件。泵浦头组件100包括4个泵浦二极管组件110。这些 二极管组件每个又包括(1 )具有多个交替的二极管线阵114和传导间隔 物116的二极管阵列111，以及(2)具有一对基底构件112a、 U2b并界 定用于接纳二极管阵列的凹槽118的村底112。 二极管组件可进一步包括 用于接纳电线、冷却剂和/或类似物的结构，例如沿着每个泵浦二极管组 件的长度延伸的适合于接纳电源线(未示出)的电线接纳槽口 119。 二极
和3中示出的对应物。4个二极管组件布置在正方形激光介质板120的四 个侧面周围。
泵浦头组件可包括布置在二极管组件和激光介质的一些或全部之间 的一个或多个光学散热器122。光学散热器配置成从激光介质传导热，同 时允许来自二极管线阵的辐射基本上透射到激光介质板。光学散热器可为 至少实质上如上面例如在实施例4中所述的。
泵浦头组件也可包括一个或多个反射界面124、 125，其布置在激光 介质上与二极管组件中的 一些或全部相对，以便将适当的波长反射回激光 介质板中。反射界面可增加效率和/或限制能量损耗。反射界面124包括 两个端面124a、 124b,其配置成对^v四个二^f及管组件中的两个二^ l管组 件发射的光进行反射。类似地，在本视图中大部分被遮蔽的反射界面125 包括配置成队从另两个二极管组件发射的光进行反射的两个端面。反射界 面可由如前所述的任何适当的反射材料构成，并可包括薄膜和/或厚膜等。 图5所示的反射界面实质上是L形(具有相等的侧面长度)。在其它实施 方式中，反射界面可沿着激光介质的单个侧面独立地构造，或沿着激光介 质的多于两个的侧面共同构造。在又一些实施方式中，反射界面可全部省 略。
泵浦头组件也可包括一个或多个传导间隔物126(以虚线示出)，其 布置成在与激光介质相对的侧面上邻接于二极管阵列中的一些或全部。传 导间隔物可由高导热性材料例如钻石构成，以便于从二极管和/或激光介 质传热。
18图6和7同样在二极管泵浦的激光系统的背景下示出图5的泵浦头组 件100的两个不同的等距视图。以90度旋转相关的这两个视图显示激光 系统，为了清楚起见村底被移除。二极管组件(110)沿着激光介质120 的纵轴L顺序布置(即，交错的)，使得每个组件配置成激励板的特定纵 向区域。这些区域可实质上不重叠，如图6和7所示。可选地，在其它实 施方式中，这些区域(因而相关的二极管组件)可部分或完全重叠，以同 时从多个方向激励板的相同部分。散热器(122)可延伸超出相关的二极 管组件的尺寸。可选地，在其它实施方式中，散热器的尺寸可更接近地匹 配二极管组件的尺寸，以便每个散热器实质上不延伸超出相关的二极管组 件。
实施例6:具有六边形对称的泵浦头组件
本实施例描述了具有六重、六边形对称的示例性泵浦头组件200;见 图8。泵浦头组件200包括6个泵浦二极管组件210。这些二极管组件每 个又包括(1 )具有多个交替的二极管线阵214和传导间隔物216的二极 管阵列211,以及(2)具有一对基底构件212a、 212b并界定用于接纳二 极管阵列的凹槽218的衬底212。 6个泵浦头组件布置在六边形激光介质 板220的6个侧面周围。泵浦头组件200可进一步包括(1 )光学散热器 222,其布置在二极管组件和激光介质的一些或全部之间，(2)反射界面 224,其布置在激光介质上与二极管组件的一些或全部相对，和/或(3) 传导间隔物226 (以虚线示出)，其布置成在与激光介质相对的侧面上邻 接于二极管阵列中的一些或全部。泵浦二极管组件、散热器、反射界面(如 果有)和/或传导间隔物(如果有)可以重叠或实质上不重叠的方式沿着 激光介质的纵轴顺序布置，如上所述。在泵浦头组件200的部件和激光系 统中的其余特性和相互关系可至少实质上如上面特别(虽然不排外地)在 实施例5中所述的。
实施例7:具有三角形对称的泵浦头组件
本实施例描述了具有三重、三角形对称的示例性泵浦头组件300;见 图9。泵浦头组件300包括3个泵浦二极管组件310。这些二极管组件每 个又包括(1 )具有多个交替的二极管线阵314和传导间隔物316的二极
19管阵列311,以及(2)具有一对基底构件312a、 312b并界定用于接纳二 极管阵列的凹槽318的衬底312。 3个泵浦头组件布置在三角形激光介质 板320的3个侧面周围。泵浦头组件可进一步包括(1)光学散热器322， 其布置在二极管组件和激光介质的一些或全部之间，(2 )传导间隔物326 (以虚线示出)，其布置成在与激光介质相对的侧面上邻接于二极管阵列 中的一些或全部。该实施方式的三重对称减少了反射界面的方便性，虽然 它们可用在一些实施方式中。在泵浦头组件300的部件和激光系统中的其 余特性和相互关系可至少实质上如上面特别(虽然不排外地)在实施例5 和6中所述的。
实施例8:具有准圓柱形对称的泵浦头组件
本实施例描述了具有准圓柱形对称的示例性泵浦头组件400;见图 10a。泵浦头组件400包括4个泵浦二极管组件410。这些二极管组件每 个又包括(1 )具有多个交替的二极管线阵414和传导间隔物416的二极 管阵列411，以及(2)具有一对基底构件412a、 412b并界定用于接纳二 极管阵列的凹槽418的衬底412。 4个泵浦头组件以相等或不等的间隔布 置在圓柱形激光介质板420的侧面周围。泵浦头组件可进一步包括(1) 光学散热器422,其布置在二极管组件和激光介质的一些或全部之间，(2) 反射界面424,其布置在激光介质上与二极管组件的一些或全部相对，和 /或(3)传导间隔物426 (以虚线示出)，其布置成在与激光介质相对的 侧面上邻接于二极管阵列中的一些或全部。泵浦二极管组件和/或其它部 件在形状上可为至少部分弓形的，以便于放置在圓柱形激光介质周围。在 泵浦头组件400的部件和激光系统中的其余特性和相互关系可至少实质 上如上面特别(虽然不排外地)在实施例5-7中所述的。
实施例9:示例性应用
本实施例描述了这里所述的各种系统的示例性应用，包括但不限于泵 浦二极管组件、泵浦头组件、二极管泵浦的激光系统、以及其中的部件和 组合。这些系统可具有用在军事、执法、环境评价、医疗和工业中的重要 的政府和商业应用等等。
军事/执法/环境应用包括国内浅海岸线环境的可运输的码头上安装
20的和直升机上安装的大规模监督。环保局(EPA)表达了监控近海水下沉
积物的需要，以捕获从美国海岸倾倒危险废物的不适当的犯法活动。EPA 以及州和本地政府有勘测近海海岸线(比如到4米深)的浅沉积物(使用 时间戳和GPD戳)的迫切需要。这包括淡水湖、海滩和码头。本地警察 权力机构对识别被倾倒的违禁品和尸体的这样的勘测感兴趣。这些勘测对 非法倾倒的刑事诉讼和对于给执法部门提示对可能的证据区域很重要。
军事/执法应用也包括扫描水下监督系统、水下指导和通信系统以及 光探测和测距(LIDAR)。由于在光镨的蓝绿部分中存在的光学窗口 ，光 谱的蓝绿部分特别适合于这些应用。当前的系统，如果对所有这些应用存 在，则它们很笨重且效率低。能够在蓝绿或其它波长区例如眼睛安全区中 操作的高功率高效固体激光系统打开了将这些技术结合到很多其它重要 的军事应用领域中的可能性。高功率激光系统也打开了对可调谐性和多种 颜色的操作的可能性，这通过选择被介质衰减得最多的波长而允许安全通 信，但仍然提供足够的传递消息能力。类似于无线电的跳频的能力也使这 成为更安全的视线通信技术。使用该技术，诸如基于激光的友好或敌对识 别系统等应用可成为近期的现实。该固体激光器的发展将允许政府有机会 来研究这些和很多其它应用，例如用于远程感测的激光感生的光谱学分析 等。
医学应用包括使用该高功率二极管泵浦的Q开关1064 nm激光器作 为泵浦源，以通过固态晶体转换器产生其它波长。应用包括在皮肤学、眼 科学和普通外科领域中的光动力疗法(PDT)。所有的组织都具有特征吸 收光语。如果选择了光谱的正确部分，则可治疗特定的组织，而周围的其 它组织保持不被影响。通过选择波长，需要较少的功率来进行治疗，同时 对相邻的健康组织的损害的可能性较小。目前，医疗激光器具有有限的可 调谐性或#>本没有调谐性，具有差的效率，且在设计上大和笨重。使用空 气冷却的 一些公开的实施方式中的可调谐高效固体设计，部分地或完全克 服了当前的限制。
工业应用包括切割和焊接。必须对所需的能量的量和材料的吸收特征 来选择材料。可调谐的高功率固体激光器可用在目前很难处理的一些塑料
21和合成材料上，例如硼纤维合成物。目前存在的是，通过使用金属切割激 光器来处理的塑料/合成材料，但这些激光器中的大部分比必要的大得多、 效率低且不完全适合于该工作。
在这里阐述的本公开可包括具有独立效用的多个不同的发明。本公开 包括很多章节标题，其为了方便而被添加，而不是用来以任何方式限制本 公开(例如，标题不排除使用在一个章节中描述的信息，代替和/或结合 在其它章节中描述的信息)。类似地，本公开涉及关于特定实施方式的信 息，这些实施方式为了例证的目的被包括，而不在限制性的意义上被考虑， 因为很多变化是可能的。本公开的创造性主题包括这里所公开的各种元 件、特征、功能和/或特性的所有新颖和非显而易见的组合和子组合。下 面的权利要求特别指出被视为新颖和非显而易见的某些组合和子组合。体 现在特征、功能、元件和/或特性的其它组合和子组合中的发明可在要求 优先权的申请中从本申请或相关申请要求权利。这样的权利要求不管是否 指向不同的发明或相同的发明，且不管对原有权利要求来说是否在更宽、 更窄、相等或不同的范围内，也都被视为包括在本公开的发明的主题内。
2权利要求
1.一种泵浦二极管组件，其用于二极管泵浦的激光器，所述泵浦二极管组件包括衬底，其界定凹槽；多个二极管线阵，其布置在所述凹槽内；以及多个热传导间隔物，其布置在所述凹槽内并分离所述二极管线阵。
2. 如权利要求1所述的泵浦二极管组件，其中所述凹槽是实质上矩 形的槽口 ，且其中所述二极管线阵和所述间隔物实质上是矩形的并依尺寸 制造成装配在所述槽口内。
3. 如权利要求1所述的泵浦二极管组件，其中所述衬底包括配置成 装配在一起以形成所述凹槽的至少两个基底构件。
4. 如权利要求3所述的泵浦二极管组件，其中所述基底构件配置成 将夹紧力施加到所述二极管线阵和所述间隔物。
5. 如权利要求3所述的泵浦二极管组件，其中所述衬底包括形成所 构件。
6. 如权利要求5所述的泵浦二极管组件，其中形成所述凹槽的所述 两个侧面的所述基底构件由从氧化铍、氧化铝和氮化铝所组成的组中选择 的材料构造，且其中形成所述凹槽的所述底面的所述基底构件为由钻石构 造的热传导间隔物。
7. 如权利要求1所述的泵浦二极管组件，其中所述间隔物由从金、 铜、铜鴒合金、蓝宝石、氧化铍和钻石所组成的组中选择的高导热性材料 构造。
8. 如权利要求1所述的泵浦二极管组件，其中所述间隔物涂有金属 焊料，以在所述二极管线阵和所述间隔物之间提供导电路径。
9. 如权利要求1所述的泵浦二极管组件，进一步包括至少一个光学 散热器，所述光学散热器配置成允许从所述二极管线阵发射的辐射基本上 透射到板。
10. —种泵浦头组件，其用于二极管泵浦的激光器，所述泵浦头组件包括衬底，其界定实质上平面的凹槽；布置在所述凹槽内的多个二极管线阵，以及布置在所述凹槽内并分离 所述二极管线阵的多个热传导间隔物；激光介质板；至少 一个光学散热器，其配置成从所述激光介质板传导热并允许来自 所述二极管线阵的辐射透射到所述激光介质板；以及热传导基底，其用于牢固地安装所述衬底、二极管线阵、间隔物、激 光介质板和散热器。
11. 如权利要求IO所述的泵浦头组件，其中所述二极管线阵和所述 间隔物是细长的，并以实质上平行和交替的模式布置在所述凹槽内。
12. 如权利要求IO所述的泵浦头组件，其中所述凹槽是实质上矩形 的槽口 ，且其中所述二极管线阵和所述间隔物实质上是矩形的并依尺寸制 造成装配在所述槽口内。
13. 如权利要求10所述的泵浦头组件，其中所述衬底包括两个基底 构件，所述基底构件配置成装配在一起以形成所述凹槽，并施加压缩力以 将所述二极管线阵和所述间隔物固定地夹紧在一起。
14. 如权利要求IO所述的泵浦头组件，其中所述光学散热器布置在 所述激光介质板和所述二极管线阵之间并与所述激光介质板和所述二极 管线阵邻接。
15. —种四重对称泵浦头组件，其用于二极管泵浦的激光器，所述四 重对称泵浦头组件包括第一泵浦二极管组件、第二泵浦二极管组件、第三 泵浦二极管组件和第四泵浦二极管组件，其中所述第一泵浦二极管组件和所述第二泵浦二极管组件定向成实质上彼此垂直，且其中所述第三泵浦二 极管组件和所述第四泵浦二极管组件定向成实质上分别平行于所述第一 泵浦二极管组件和所述第二泵浦二极管组件。
16. 如权利要求15所述的四重对称泵浦头组件，其中所述第一泵浦 二极管组件、第二泵浦二极管组件、第三泵浦二极管组件和第四泵浦二极 管组件每个都包括界定实质上平面的凹槽的衬底、布置在所述凹槽内的多 个二极管线阵、以及布置在所述凹槽内并分离所述二极管线阵的多个热传导间隔物。
17. 如权利要求15所述的四重对称泵浦头组件，进一步包括布置成 分别邻接于所述第一泵浦二极管组件、第二泵浦二极管组件、第三泵浦二 极管组件和第四泵浦二极管组件的第一光学散热器、第二光学散热器、第 三光学散热器和第四光学散热器。
18. 如权利要求17所述的四重对称泵浦头组件，进一步包括具有四 个侧面的激光介质板，每个侧面与所述光学散热器之一邻接，其中所述光 学散热器每个都配置成从所述激光介质板传导热并允许来自所述二极管 线阵之一的辐射基本上透射到所述激光介质板，且其中所述泵浦二极管组 件沿着所述板的纵轴顺序地布置且实质上不重叠。
19. 一种n重对称泵浦头组件，其用于二极管泵浦的激光器，所述n 重对称泵浦头组件包括多个泵浦二极管组件，其中至少一个泵浦二极管组 件定向成实质上平行于n个侧面的非矩形的正多边形的每一侧面。
20. 如权利要求19所述的n重对称泵浦头组件，其中所述泵浦二极 管组件每个都包括界定实质上平面的凹槽的衬底，并包括界定所述凹槽的 底面的热传导钻石间隔物、布置在所述凹槽内的多个二极管线阵、以及布 置在所述凹槽内并分离所述二极管线阵的多个热传导间隔物。
全文摘要
可扩展的热高效泵浦二极管系统。这些系统可包括安装在衬底中单个凹槽或衬底夹内的泵浦二极管和热传导间隔物的布置，以便对系统提供增强的散热。这些系统也可包括多个这样的泵浦二极管组件，其以对称或部分对称的布置安装在二极管泵浦的激光系统中的激光介质周围，以提高介质的散热和/或对其的激励。
文档编号H01S3/091GK101689744SQ200680056909
公开日2010年3月31日 申请日期2006年12月12日 优先权日2006年12月12日
发明者塞姆·格卡伊, 威廉·威廉斯 申请人:D-戴欧德有限责任公司