专利名称：光泵浦结构的制作方法
技术领域：
本发明的领域是用于激光器的光泵浦领域，更具体而言，是二极管泵浦领域。
背景技术：
光泵浦结构对于激光器性能而言是非常关键的组件。光泵浦结构需要良好地吸取耗散到激活介质中的热功率，但也需要所使用的泵浦二极管具有良好的温度均勻性，以便在脉冲激光器的情况下，在发射序列(firing sequence)中以及两个连续脉冲之间的不同频率处确保激光器增益的均勻分布。回想一下， 对于脉冲激光器，下面的关系式给出了结构所耗散的平均功率Pavg Pavg = PdiodesXnb 二极管X泵浦时间X脉冲频率Pdiodes为每组泵浦二极管的功率。因此，与发射序列的持续时间有关的泵浦的频率和持续时间会改变耗散功率，这会对光学性能造成影响。目前存在具有矩形配置的泵浦结构，图加中显示了其剖面图。这种结构包括用作激活介质的具有正方形横截面的纵向棒1 ；其由沿着棒和相对的两个平行表面设置的两组二极管2泵浦，棒的另外两个表面与通过传导吸取热量的元件3相接触。虽然这种配置能够有效散热，但对于在输出端获得的光束质量则没什么效果图2b的剖面图所示的用剖面的形状来表示的输出光束10的图形不是圆形的。另一种方案涉及使用具有圆形配置的泵浦结构，即包括具有圆形横截面的棒1 ； 图Ia中显示了剖面图。图Ib显示的用剖面的形状表示的输出光束10的图形则是圆形的， 这确保了良好的光束品质。围绕棒1按照星形设置多组泵浦二极管2，例如三组。铝环4形式的散热元件夹住棒1的端部，如图Ic所示；还通过使用连接所述多组二极管2的液体循环的冷却装置3来提供散热，如图Ia的剖面图所示。美国专利6 101 208中介绍了这种使用液体冷却并且包括按照星形设置的四组二极管的泵浦结构的示例，并且还指出通过传导冷却不能令人满意。在这种情况下，获得光束的优良品质的不利代价是庞大的体积和冷却剂的使用。在最小的体积中使用气体(例如空气)代替液体的有效冷却是主要的问题。因此，至今仍需要一种泵浦结构来同时满足所有上述需求，即通过气体冷却、耗散到激活介质中的热功率的良好吸取(温度以及轴向和纵向的内部热梯度降低)、所使用的泵浦二极管的温度的良好的均勻性、最小的体积和良好的光束质量。
发明内容
更具体而言，本发明的主题是一种用于激光器的光泵浦结构，包括具有圆形横截面的圆柱形棒形式的激活介质，所述棒的端部嵌在由导热材料制成的两个环中；至少三个泵浦二极管条的叠层，围绕棒按照星形设置；支撑件，其温度由珀耳帖效应模块调节。其主要特征在于，所述环与所述支撑件相接触，被称为底部叠层的二极管叠层位于所述棒和所
3述支撑件之间，对于每个其他叠层，该结构包括构成对所述叠层的支撑的导热块，这些块安装在被冷却的支撑件上，但彼此之间或与所述环不接触。该光泵浦结构还有利地包括由导热材料制成的垫片，所述垫片位于所述底部叠层下方以调节该叠层及其支撑件之间的热阻。根据本发明的特征，所述垫片包括至少一个孔，所述孔中可以填充有不同于所述垫片的导热材料。根据本发明的另一特征，所述环通过柔性凸缘固定在支撑件上，所述柔性凸缘可以吸收所述棒及其支撑件(即所述环)之间的不同热膨胀。
通过阅读接下来参考附图作为非限制性示例给出的具体描述，将显现本发明的其他特征和优点，其中上文已描述过的图1示意性地表示从正面(图la)和侧面(图Ic)所见的根据现有技术的具有圆形横截面的圆柱形棒的光泵浦结构的剖面图以及所产生的光束形状(图 lb),上文已描述过的图2示意性地表示从正面(图2a)所见的根据现有技术的具有正方形横截面的圆柱形棒的光泵浦结构的剖面图以及所产生的光束形状(图2b)，图3表示根据本发明的具有圆形横截面的圆柱形棒的光泵浦结构的装配中的连续步骤。在各个图中，相同的元件用相同的附图标记表示。
具体实施例方式结合图3描述当根据本发明的示意性光泵浦结构被装配时该结构的各个元件。该结构包括作为热分配器的支撑件5，其上安放有装在底板211上的被称为底部叠层21的泵浦二极管的叠层。该支撑件5是由诸如铜或铝合金的导热材料制成。激活介质是具有圆形横截面的圆柱形棒1 ；其端部嵌在两个环11中，环11是由铜或铝合金制成的，可以在所述端部通过传导对称地吸取耗散到棒中的热功率。将这个带有两个环的棒安装到支撑件5上，使环11与所述支撑件5接触；其例如通过凸缘6固定到支撑件5上，凸缘6具有充分的柔性以保持棒，同时可以吸收棒1及其支撑件(即环11)之间的不同热膨胀。棒被安装在二极管叠层21的上方，使得该叠层21沿着被环留出的棒的中间部分设置，离环稍远。同样安装在底板221上的被称为侧部叠层22的泵浦二极管的第二叠层被固定在构成对该叠层22的支撑的导热块7上；该支撑块7安装在支撑件5上，以使叠层沿着前述被环留出的棒1的中间部分设置。支撑块7由铜或铝合金制成并与支撑件5部分地接触。类似于第二叠层，固定在形成支撑的导热块7上的同样被称为侧部叠层22的泵浦二极管的第三叠层安装在支撑件5上。该块7也是由铜或铝合金制成。三个二极管叠层 21、22围绕棒1按照星形或彼此成大约120°角对称设置。从图3d和图!Be可以看出，这些叠层根据棒的纵轴具有相同的布置，不存在用于二极管的底部叠层21的导热块7。支撑块7彼此之间或者与棒的环11不直接接触。通过这种方式，二极管的温度管理可以最低限度地干扰棒的温度管理。这种热和机械设计可以确保二极管的三个叠层的最佳温度均勻性。在支撑件5的下方增加珀耳帖效应模块(Peltier-effect module) 8，以调节二极管叠层的 ■并排除耗散功率，组件安装在使用代替液体作为冷却剂的气体(例如空气)循环的金属换热器上，该换热器与珀耳帖效应模块的热表面相接触。也可以增加模块8和该换热器之间的交界面。调节二极管叠层21或22和其支撑件5或7之间的热阻，以使三个二极管叠层的温度均勻，这可以使发射序列中或不同频率处的波长变化最小化，因此确保棒中存积的增益的均勻分布。为此目的，结构有利地包括垫片9，垫片9由诸如铜或铝合金的导热材料制成， 位于底部叠层21下方以调节该叠层及其支撑件5之间的热阻。还可以在该垫片9中形成孔91或多个孔，孔中可以填充有不同于垫片的导热材料，例如铟或氧化铝填充硅树脂 (alumina-filled silicone)，以调节叠层及其支撑件之间的热阻。根据本发明的泵浦结构可以实现二极管的叠层之间的低温差并且对称地吸取耗散到棒中的功率。使用气体(例如空气)而不是液体作为冷却剂也可以降低装置的重量，以增加其可靠性(特别是与用于现有技术的装置的液体泄露的风险关联的)，并且减少后勤和维护限制。
与光学几何形状相比，其总体积很小。最后，优化了用于装配该结构的过程。制造了根据本发明的光泵浦结构，具有下列特性-棒直径约为4mm，-Nd:Yag棒中存积的热功率约为平均2瓦特，-发射波长等于大约1μ m，-3个由大约10条二极管构成的叠层在距离棒大约1. 5mm处成120°分布，-叠层的功率大约为3瓦特，- 二极管波长大约为808nm，-底部叠层的底面和使用气体循环的金属换热器之间的温差<3°C，-侧部叠层的底座的顶面和底座的底面之间的温差<3°C，-底部叠层和侧部叠层之间的温差<1°C，-体积大约为0.071-频率在1和20Hz之间变化时恒定的性能水平。
下表中给出了材料的示例作为表示。
权利要求
1.一种用于激光器的光泵浦结构，包括具有圆形横截面的圆柱形棒(1)形式的激活介质，所述棒的端部嵌在由导热材料制成的两个环(11)中，至少三个泵浦二极管条的叠层(21、2幻，围绕棒按照星形设置，支撑件(5)，其温度由珀耳帖效应模块(8)调节，其特征在于，所述环(11)与所述支撑件( 相接触，被称为底部叠层的二极管叠层位于所述棒(1)和所述支撑件(5)之间，对于每个其他叠层(22)，该结构包括构成对所述叠层0 的支撑的导热块(7)，这些块(7)安装在被冷却的支撑件(5)上且彼此之间或与所述环(11)不接触。
2.根据权利要求1所述的用于激光器的光泵浦结构，其特征在于，包括换热器，所述换热器使用气体作为冷却剂并且靠近所述支撑件(5)安装在所述珀耳帖效应模块(8)的表面上。
3.根据前述权利要求中任一项所述的用于激光器的光泵浦结构，其特征在于，所述光泵浦结构还包括由导热材料制成的垫片(9)，所述垫片(9)位于所述底部叠层下方以调节该叠层及其支撑件( 之间的热阻。
4.根据权利要求3所述的用于激光器的光泵浦结构，其特征在于，所述垫片(9)包括至少一个孔(91)。
5.根据权利要求4所述的用于激光器的光泵浦结构，其特征在于，所述孔(91)中填充有不同于所述垫片的导热材料。
6.根据前述权利要求中任一项所述的用于激光器的光泵浦结构，其特征在于，所述光泵浦结构包括保持所述环(11)的柔性凸缘(6)。
全文摘要
本发明涉及一种用于激光器的光泵浦结构，包括具有圆形横截面的圆柱形棒(1)形式的激活介质，所述棒的两个端部嵌在由导热材料制成的两个环(11)中；至少三个泵浦二极管条的叠层(21、22)，围绕棒按照星形设置；支撑件(5)，其温度由珀耳帖效应模块(8)调节。所述环(11)与所述支撑件(5)相接触，被称为底部叠层(21)的二极管叠层位于所述棒(1)和所述支撑件(5)之间。对于每个其他叠层(22)，该结构包括构成对所述叠层(22)的支撑的导热块(7)，所述块(7)安装在被冷却的支撑件(5)上且彼此之间以及与所述环(11)不接触。
文档编号H01S3/0941GK102171895SQ200980139187
公开日2011年8月31日 申请日期2009年7月6日 优先权日2008年9月17日
发明者A·尼科利尼, A·费拉尔, F·吕罗, M·雷诺迪, P·鲁索 申请人:泰勒斯公司