[发明专利]可扩展的热高效的泵浦二极管系统

说明书

技术领域

本公开涉及泵浦二极管系统，更特别地，涉及可扩展的热高效的泵浦 二极管系统。

背景技术

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、相干、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谱，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。

白炽灯例如钨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 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。

发明内容

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衬底夹(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。

本公开提供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；