激光晶体组件及激光装置

1.本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种激光晶体组件，以及包括该激光晶体组件的激光装置。


背景技术：

2.激光具有亮度高、方向集中、能量大等特性。近年来，激光逐渐应用于各个技术领域，例如材料加工、测绘、成像等技术领域。在照明和成像技术领域中，激光的方向和亮度特性能够得到充分的发挥。照明和成像的区域能够有效地控制在预定范围之内，光线亮度的稳定性较高，抗干扰能力强。
3.采用薄片激光晶体作为增益介质，可以避免热透镜效应引起的不利影响，薄片激光晶体中会存在较多的自发辐射的光放大（ase，amplification of spontaneous emission），其可能会在薄片晶体两相对界面之间多次传输，出现ase效应，导致激光的转换效率下降，如何抑制薄片激光晶体作为增益介质的ase效应是本领域中亟待解决的问题。
4.现有技术中，为了降低或消除薄片激光晶体中ase效应，将薄片激光晶体边缘处采用倒角结构，即薄片激光晶体的侧壁呈斜面或具有斜面结构，在薄片激光晶体两相对于表面之间来回反射传递的自发辐射光可以在倒角结构处射出薄片激光晶体，从而降低或消除薄片激光晶体中ase效应，但方案中，薄片晶体边缘加工小角度的倒角结构难度较大，制造成本比较高。
5.现有技术中的另种一方案是对薄片激光晶体增设端帽结构，即在薄片激光晶体远离热沉的一侧设置端帽结构，端帽结构例如采用yag单晶、或蓝宝石单晶、或其他单晶制成的薄片层，与薄片激光晶体重合设置，端帽结构可以减少自发辐射光子在增益介质内的往返次数以此来减小自发辐射光子的放大路径进而抑制 ase效应。但该方案需要将端帽结构与薄片晶体键合，加工难度较大，制造成本比较高。


技术实现要素：

6.本发明为解决上述问题，提供一种新型结构的激光晶体组件，以及包括该激光晶体组件的激光装置。
7.本发明提供一种激光晶体组件，所述激光晶体组件包括激光晶体，所述激光晶体包括相对设置的第一表面和第二表面，所述第一表面和/或所述第二表面包括45
°
微结构，所述激光晶体还包括侧壁，所述侧壁垂直于所述第一表面和所述第二表面；所述激光晶体组件还包括第一膜层和第二膜层；所述第一膜层设置于所述第一表面上；所述第二膜层设置于所述第二表面上；相对于所述激光晶体组件的法线，所述第一膜层用于透射入射角为0
°
～90
°
的激光、0
°
～90
°
的泵浦光以及0
°
～90
°
的自发辐射光；相对于所述第一膜层的法线，所述第一膜层用于透射入射角为0
°
～45
°
的激光、0
°
～45
°
的泵浦光以及0
°
～45
°
的自发辐射光。
8.优选的，当所述第二表面不包括所述45
°
微结构时，所述第二膜层用于反射入射角
为0
°
～90
°
的激光、0
°
～90
°
的泵浦光以及的0
°
～90
°
的自发辐射光；当所述第二表面包括所述45
°
微结构时，所述第二膜层用于透射入射角为11.5
°
～78.5
°
的激光、11.5
°
～78.5
°
的泵浦光以及11.5
°
～78.5
°
的自发辐射光，同时，所述第二膜层用于反射入射角为0~90
°
范围中11.5
°
～78.5
°
之外的激光、0~90
°
范围中11.5
°
～78.5
°
之外的泵浦光以及0~90
°
范围中11.5
°
～78.5
°
之外的自发辐射光。
9.优选的，所述激光晶体为平面片状，所述激光晶体的厚度为100
µ
m～300
µ
m。
10.优选的，所述激光晶体包括掺镱钇铝石榴石晶体，掺杂浓度7%～20%。
11.优选的，所述激光晶体组件还包括热沉，所述热沉通过胶合层与所述第二膜层贴合，所述热沉用于支撑所述激光晶体，并吸收所述激光晶体产生的热量；所述热沉用于吸收或透过自所述第二膜层出射的自发辐射光。
12.优选的，所述热沉包括单晶金刚石或多晶金刚石，所述热沉的厚度d≥0.5 mm。
13.优选的，所述激光晶体在所述热沉上的正投影落入所述热沉朝向所述激光晶体的表面内。
14.本发明还提供一种激光装置，所述激光装置包括相对设置的激光晶体组件和第一反射输出镜；所述激光晶体组件为上述的激光晶体组件；所述第一反射输出镜的第一反射面与所述第一膜层相互面对设置，所述第一反射输出镜的第一光轴垂直于所述激光晶体，所述第一反射输出镜与所述第二膜层构成第一谐振腔。
15.本发明还提供另外一种激光装置，所述激光装置包括相对设置的激光晶体组件、第二反射输出镜和反射镜；所述激光晶体组件为上述的激光晶体组件；所述第二反射输出镜和所述反射镜分别位于所述激光晶体的轴线两侧，所述第二反射输出镜和所述反射镜均位于远离所述第二膜层的一侧；所述第二反射输出镜的第二反射面和所述反射镜的第三反射面均朝向所述第一膜层，所述第二反射输出镜的第二光轴与所述轴线的夹角等于所述反射镜的第三光轴与所述轴线的夹角；所述第二反射输出镜与所述反射镜构成第二谐振腔。
16.优选的，所述第二反射输出镜的第二光轴与所述轴线的夹角θ满足以下公式：0
°
＜θ＜n
°
，0＜n≤90。
17.优选的，所述第二反射输出镜与所述反射镜相对于所述轴线对称设置。
18.本发明所提供的激光晶体组件，通过在激光晶体第一表面刻蚀获得45
°
微结构，再在第一表面镀第一膜层；利用这种特殊结构设计配合，可使得角度约》33.5
°
（全反射角）的自发辐射光无法在激光晶体内部全反射，直接从激光晶体的第一表面透射，从而有效抑制ase效应；另外，通过采用胶合层将热沉与镀膜后的激光晶体贴合，支撑平面片状的激光晶体，能够减小平面片状的激光晶体的形变，并快速给激光晶体散热。
附图说明
19.图1是本发明具体实施方式中激光晶体组件的结构示意图。
20.图2是本发明第一种具体实施方式中激光晶体组件的截面结构示意图。
21.图3是本发明具体实施方式中第一种激光装置的结构示意图。
22.图4是本发明具体实施方式中第二种激光装置的结构示意图。
23.图5是本发明第二种具体实施方式中激光晶体组件的截面结构示意图。
24.图6是本发明第三种具体实施方式中激光晶体组件的截面结构示
附图标记第一种激光装置1000、第二种激光装置1000’、激光晶体组件100、激光晶体10、第一表面11、第二表面12、侧壁13、第一膜层20、第二膜层30、胶合层40、热沉50、第一反射输出镜60、第一反射面61、第二反射输出镜70、第二反射面71、反射镜80、第三反射面81、自发辐射光l1。
具体实施方式
25.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
26.应当理解，尽管在本公开实施例中可能采用术语第一、第二、第三等来描述，但这些不应限于这些术语。这些术语仅用来将区分开。例如，在不脱离本公开实施例范围的情况下，第一也可以被称为第二，类似地，第二也可以被称为第一。
27.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者装置中还存在另外的相同要素。
28.本发明具体实施方式中提供一种激光晶体组件，包括激光晶体，所述激光晶体包括相对设置的第一表面和第二表面，第一表面和/或第二表面包括45
°
微结构，所述激光晶体还包括侧壁，所述侧壁垂直于所述第一表述和所述第二表面；所述激光晶体组件还包括第一膜层和第二膜层；所述第一膜层设置于所述第一表面上，所述第二膜层设置于所述第二表面上，相对于所述激光晶体组件的法线，所述第一膜层用于透射入射角为0
°
～90
°
的激光、0
°
～90
°
的泵浦光以及0
°
～90
°
的自发辐射光；相对于所述第一膜层的法线，所述第一膜层用于透射入射角为0
°
～45
°
的激光、0
°
～45
°
的泵浦光以及0
°
～45
°
的自发辐射光；，当所述第二表面不包括所述45
°
微结构时，所述第二膜层用于反射入射角为0
°
～90
°
的激光、0
°
～90
°
的泵浦光以及的0
°
～90
°
的自发辐射光；当所述第二表面包括所述45
°
微结构时，所述第二膜层用于透射入射角为11.5
°
～78.5
°
的激光、11.5
°
～78.5
°
的泵浦光以及11.5
°
～78.5
°
的自发辐射光，同时，所述第二膜层用于反射入射角为0~90
°
范围中11.5
°
～78.5
°
之外的激光、0~90
°
范围中11.5
°
～78.5
°
之外的泵浦光以及0~90
°
范围中11.5
°
～78.5
°
之外的自发辐射光。
29.如图1所示，为本发明具体实施方式中提供的一种激光晶体组件的结构示意图；如图2所示，为本发明第一种具体实施方式中提供的激光晶体组件的截面结构示意图；从图1和图2中可以看出，所述激光晶体组件100包括激光晶体10，所述激光晶体10包括相对设置的第一表面11和第二表面12，第一表面11包括45
°
微结构，所述激光晶体10还包括侧壁，所述侧壁垂直于所述第一表面11和所述第二表面12；所述第一表面11的45
°
微结构尺寸小于10
µ
m。
30.所述激光晶体组件100还包括第一膜层20和第二膜层30；所述第一膜层20设置于所述第一表面11上，相对于所述激光晶体组件的法线，所述第一膜层用于透射入射角为0
°
～90
°
的激光、0
°
～90
°
的泵浦光以及0
°
～90
°
的自发辐射光；相对于所述第一膜层的法线，所述第一膜层用于透射入射角为0
°
～45
°
的激光、0
°
～45
°
的泵浦光以及0
°
～45
°
的自发辐射光；所述第二膜层30设置于所述第二表面12上，所述第二膜层用于反射入射角为0
°
～90
°
的激光、0
°
～90
°
泵浦光以及0
°
～90
°
自发辐射光。在该具体的实施方式中，第一表面11刻蚀45
°
微结构，形似金字塔状，即微结构顶端为90
°
，底端与平面夹角为45
°
，刻蚀45
°
微结构后，再镀第一膜层20，可使得角度约》33.5
°
（全反射角）的自发辐射光无法在激光晶体10内部全反射，直接从激光晶体10的第一表面11透射，从而有效抑制ase效应。
31.所述激光晶体10为平面片状，进一步的，所述激光晶体10为薄片状激光晶体，所述激光晶体10的厚度为100
µ
m～300
µ
m。具体的实施方式中，如图1所示，激光晶体10的侧壁13基本上垂直于所述第一表面11和第二表面12。激光晶体10包括相对设置的第一表面11和第二表面12，两者为相互平行的平面。激光晶体10作为激光增益介质，吸收泵浦光，给入射的激光提供增益；激光晶体10在泵浦光入射的激光的作用下可以产生受激辐射光以及自发辐射光。受激辐射光基本上与入射激光传播方向相同，而自发辐射光的发射方向是任意的。自发辐射光可能会在增益介质中多次传播，提取泵浦能量，降低激光器的性能。且当自发辐射光传播到薄片激光晶体侧壁时易引起侧壁的温升，易损伤薄片激光晶体。
32.具体的实施方式中，第一膜层20镀在所述激光晶体10的第一表面11上，配置为相对于激光晶体组件的法线，所述第一膜层20用于透射入射角为0
°
～90
°
的激光、0
°
～90
°
的泵浦光以及0
°
～90
°
的自发辐射光；相对于第一膜层20的法线，所述第一膜层20用于透射入射角为0
°
～45
°
的激光、0
°
～45
°
泵浦光以及0
°
～45
°
自发辐射光；此处的激光为激光晶体受激辐射后产生的振荡激光，例如1030nm的振荡激光，泵浦光为泵浦源产生的激光，例如940 nm或969nm的激光，自发辐射光为方向不定向的杂乱的光。第一表面11上的45
°
微结构与第一膜层20的组合可以透射0
°
～90
°
角度的入射光。第二膜层30镀在所述激光晶体10的第二表面12上，配置为反射入射角为0
°
～90
°
的激光、0
°
～90
°
的泵浦光以及0
°
～90
°
的自发辐射光。
33.本发明的激光晶体组件100通过采用这种微结构与膜层结构，可以使得任意角度的自发辐射光在激光晶体10中都不会多次传播，而会从第一膜层20传播出去，从而抑制激光晶体的ase效应，且激光晶体10的侧壁也不需要进行特殊的加工处理，直接使用与激光晶体10前后表面垂直的侧壁即可实现抑制ase效应的效果，降低了激光晶体10的加工难度，节约了加工成本和时间，对于大规模的推广应用具有积极作用。本发明具体实施方式中，入射角指的是入射光线与界面法线的夹角，具体的，不做特殊说明的情况下，入射角指的是入射光线与第二膜层30与激光晶体10的界面处的法线的夹角。
34.具体的实施方式中，如图2所示，示出了一条典型自发辐射光l1，并示出了该自发辐射光l1在激光晶体10中的传播路径。对于常规不含微结构激光晶体组件，yb:yag材质对于波长1030 nm光线的全反射角为33.5
°
，自发辐射光l1在激光晶体10中全反射，经过多次全反射后被侧壁13反射，并重复在激光晶体10内全反射；而在该具体的实施方式中，基于本发明所提供的含45
°
微结构的激光晶体组件，yb:yag材质对于波长1030 nm光线的全反射角为33.5
°
，图2中的自发辐射光l1的角度相对于第二膜层30的法线为45
°
，当自发辐射光l1传输至微结构区域时，相对于微结构表面法线的夹角为0
°
，自发辐射光l1直接透过微结构层与第一膜层20，透射出激光晶体10。
35.基于上述具体结构的激光晶体组件100，自第一膜层20出射的自发辐射光，例如为l1，当他们的光路与激光的光路不一致时，其很快就会脱离包括该激光晶体组件100的激光器的谐振腔，不会在激光晶体10中传输过多次。即采用上述结构的激光晶体组件100，可以避免绝大多数自发辐射光在激光晶体10多次传输，从而抑制了激光晶体10的ase效应，进而可以提升包括该种激光晶体的激光器的性能。从而没有必要在激光晶体10边缘处设置用于引导具有较大入射角的自发辐射光出射的倒角结构。
36.具体的实施方式中，激光晶体10可以为掺镱钇铝石榴石晶体（yb:yag）、掺镱氟化钇锂晶体（yb:ylf）、掺钬钇铝石榴石晶体（ho:yag）或掺铥氟化钇锂晶体（tm:ylf）等各种晶体，优选的可以为yb:yag，其掺杂浓度7%～20%，平面片状的激光晶体10均可以为圆形片状，直径大于等于10 mm，厚度例如为100～300
ꢀµ
m，作为激光增益介质，吸收泵浦光，给入射的激光提供增益。泵浦光的波长例如为940 nm或969 nm，激光以及自发辐射光的波长例如为1030nm，其具体是由激光晶体10的材质决定的。
37.优选的实施方式中，如图1和图2所示，所述激光晶体组件100还包括热沉50，热沉50通过采用胶合层40与所述第二膜层30贴合，胶合层40为热传导性好的粘合材料，具体可以为热传导性》100 w/(m
·
k)的材料，可以提供热量及应力的传播，使得激光晶体10上热量快速传导至热沉50上；热沉50具体用于支撑平面片状的激光晶体10，并吸收所述激光晶体10产生的热量，并吸收或透过自所述第二膜层30出射的自发辐射光。具体的，热沉50可以采用导热性好的硬质材料制成，具体的，可以为热传导性》100 w/(m
·
k)的材料，硬质材料则为莫氏硬度》9的材料，例如可以为金刚石或碳化硅等，可以支撑薄片状的激光晶体组件100，避免及其发生形变，并且可以快速给激光晶体10散热，保证其工作效率。优选的，所述热沉包括金刚石多晶或单晶结构，所述热沉的厚度d≥0.5 mm。具体的实施方式中，激光晶体10在所述热沉50上的正投影落入所述热沉50朝向所述激光晶体10的表面内，通程热沉50的尺寸大于或等于激光晶体10，热沉50亦例如为圆形片状结构，其直径例如大于等于10 mm，厚度例如为大于等于0.5mm,由此可以使得热沉50支撑平面片状的激光晶体10，避免平面片状的激光晶体10产生形变。
38.本发明具体实施方式中，还提供一种激光装置，具体如图3所示，为第一种激光装置的结构示意图；从图3中可以看出，所述第一种激光装置1000包括相对设置的激光晶体组件100和第一反射输出镜60；所述激光晶体组件为本发明的激光晶体组件100；所述第一反射输出镜60的第一反射面61与所述第一膜层20相互面对设置，所述第一反射输出镜60的第一光轴垂直于所述激光晶体10，所述第一反射输出镜60与所述第二膜层30构成第一谐振腔。
39.具体的实施方式中，所述第一反射输出镜60的第一反射面61为凹面，通过采用这种结构的激光装置，可以产生垂直于激光晶体10且沿第一反射输出镜60的第一光轴出射的激光，即入射角为0
°
的激光，其可以在第一反射输出镜60和所述第二膜层30之间构成谐振腔中来回反射，提取能量。对于入射角非0
°
的自发辐射光，若入射角为大角度的自发辐射光，例如入射角大于20
°
小于n
°
的自发辐射光，自第一膜层20远离激光晶体10出射的自发辐射光直接倾射出第一谐振腔。若入射角为小角度的自发辐射光，例如为入射角小于20
°
的自发辐射光，其可以在第一反射输出镜60和第二膜层30之间往返数次，其提取的能量较小，可以不予考虑。
40.本发明具体实施方式中，还提供另外一种激光装置，具体如图4所示，为第二种激光装置的结构示意图；从图4中可以看出，所述第二种激光装置1000’包括相对设置的激光晶体组件100、第二反射输出镜70和反射镜80；所述激光晶体组件为本发明的激光晶体组件100；所述第二反射输出镜70和所述反射镜80分别位于所述激光晶体10的轴线m两侧，所述第二反射输出镜70和所述反射镜80均位于远离所述第二膜层30的一侧；所述第二反射输出镜70的第二反射面71和所述反射镜80的第三反射面81均朝向所述第一膜层20，所述第二反射输出镜70的第二光轴m1与所述轴线m的夹角等于所述反射镜80的第三光轴m2与所述轴线m的夹角；所述第二反射输出镜70与所述反射镜80构成第二谐振腔.具体的实施方式中，所述第二反射输出镜70的第二光轴m1与所述轴线m的夹角θ满足以下公式：0
°
＜θ＜n
°
，0＜n≤90。
41.优选的实施方式中，所述第二反射输出镜70与所述反射镜80相对于所述激光晶体10的轴线m对称设置。所述第二反射输出镜70的第二反射面71为凹面，反射镜80的第三反射面81亦为凹面。通过采用这种结构的第二种激光装置1000’，可以产生平行于第二反射输出镜70的第二光轴m1出射的激光，即入射角为θ
°
的激光，其中0＜θ＜n，该激光可以在第二反射输出镜70和所述反射镜80之间构成谐振腔中来回反射提取能量。使用者可以根据实际需要调整第二反射输出镜70和反射镜80的位置进而调整θ的大小，获得不同出射角度的激光。
42.对于入射角非θ
°
度的自发辐射光，若入射角偏离θ较多的自发辐射光，例如入射角与θ的差值大于或等于20
°
的自发辐射光，其自第一膜层20远离激光晶体10出射的自发辐射光直接倾射出第二谐振腔。若入射角偏离θ较少的自发辐射光，例如入射角与θ的差值小于20
°
的自发辐射光，其可以在第一反射输出镜60和第二膜层30之间往返数次，其提取的能量较小，可以不予考虑。
43.如图5所示，为本发明第二种具体实施方式中提供的激光晶体组件的截面结构示意图；从图5中可以看出，所述激光晶体组件100包括激光晶体10，所述激光晶体10包括相对设置的第一表面11和第二表面12，在该具体的实施方式中，所述激光晶体10的第二表面12包括45
°
微结构，所述激光晶体组件100的其他结构与第一种具体实施方式中基本相同；所述第二表面12的45
°
微结构尺寸小于10
µ
m，相对于所述激光晶体组件的法线，所述第二膜层镀制45度高反膜；相对于45度微结构的法线，镀制0度高反膜。
44.在该具体实施方式中，激光晶体10采用yb:yag材质时，对于波长1030 nm光线的全反射角为33.5
°
，通过所述第二表面12的45
°
微结构与高反膜配合，可使得相对于45
°
微结构
±
33.5
°
以内的光线从45
°
微结构透射，而
±
33.5
°
以外的光线则被45
°
微结构全反射；即相对于宏观的激光晶体组件的法线，11.5
°
~78.5
°
的光线从45
°
微结构透射，剩余的0~11.5
°
与78.5
°
~90
°
光线被45
°
微结构全反射并传输至第一表面11，该角度的光线传输至第一表面后角度变为0~11.5
°
，因此被第一表面透射出去。
45.总的来说，通过第二表面12的45
°
微结构与第二膜层的结合设计，可使得角度为0~90
°
的自发辐射光从第二膜层单次透射或反射后从第一膜层透射，自发辐射光不能有效放大，因此能够有效抑制ase效应。
46.如图6所示，为本发明第三种具体实施方式中提供的激光晶体组件的截面结构示意图；从图6中可以看出，所述激光晶体组件100包括激光晶体10，所述激光晶体10包括相对
设置的第一表面11和第二表面12，在该具体的实施方式中，所述激光晶体10的第一表面11和第二表面12均设置有45
°
微结构，所述激光晶体组件100的其他结构与第一种和第二种具体实施方式中基本相同；在该具体实施方式中，第一表面11、第二表面12分别能够实现泵浦光、激光的正常传输、同时释放出去自发辐射光，在第一表面11和第二表面12同时具备45
°
微结构的情况下，可以强化对自发辐射光的释放效果，从而有效抑制激光晶体的ase效应。
47.本发明所提供的激光晶体组件，通过在激光晶体第一表面刻蚀获得45
°
微结构，再在第一表面镀第一膜层；利用这种特殊结构设计配合，可使得角度约》33.5
°
（全反射角）的自发辐射光无法在激光晶体内部全反射，直接从激光晶体的第一表面透射，从而有效抑制ase效应；另外，通过采用胶合层将热沉与镀膜后的激光晶体贴合，支撑平面片状的激光晶体，能够减小平面片状的激光晶体的形变，并快速给激光晶体散热。
48.尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
49.以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。