[发明专利]一种高效率全固态铥激光封装模块

说明书

本发明公开一种高效率全固态铥激光封装模块，包括冷却热沉、辅热热沉、条状Tm:YAG键合晶体、TEC制冷模块、隔热材料。利用TEC冷却模块工作时制冷面吸热、散热面放热的特点，设计冷却和辅热热沉实现对Tm:YAG晶体增益区域的低温冷却和端部辅热，模拟分析表明应用此激光模块的端泵固体激光器，不仅可以解决低温工作光学断面水汽凝结问题，同时还可以大幅度降低晶体热应力，有利于提高激光器抽运极限和改善光束质量，显著提高铥激光器脉冲输出能量和输出效率。

技术领域

本发明涉及一种高效率全固态铥激光封装模块，具体为一种用于提高全固态Tm:YAG激光器输出效率和可靠性的激光封装模块，属激光器件技术领域。

背景技术

2μm波长的铥激光在激光雷达、测距及医疗等领域具有良好的应用前景。全固态铥激光器可以利用很长的激光上能级寿命，通过调制实现大脉冲能量输出，在某些探测领域具有明显优势。铥激光器以准三能级方式运转，低温冷却可使激光效率极大提高。因此,良好的冷却条件是Tm:YAG激光器实现高效率激光输出的必要条件。但是，当激光晶体被冷却至较低温度时（特别在激光震荡间隙），激光晶体端面容易产生水汽凝结，这些凝结的水汽可强力吸收2.01μm波长的振荡激光，从而导致激光晶体光学端面突然损坏。公知的防护凝结水汽的措施是密封或充氮气隔绝法隔绝水汽，如中国实用新型专利《一种高功率2μm波长医用铥激光器》（申请号：200720096813.0）公开的铥激光器，是将整个激光光路置于充有氮气的干燥箱内，其不足之处是要求很高的密封条件且时间稍长便容易失效，造成激光器损坏；中国发明专利《大功率铥激光器》（申请号：200710093817.8）是通过LD侧面泵浦Tm:YAG实现2.01μm波长激光输出，即存在水汽凝结现象，限制了激光效率提升。

综上所述，现有铥激光器及上述两个专利所公开的高效Tm:YAG激光器，不足之处是：低温条件会造成工作物质光学端面结露而损坏光学面，依靠密封等解决端面结露的方法结构复杂，可靠性差。本发名人曾提出端部加热套筒避免光学端面结露，实现水冷高功率铥激光输出（一种高功率2μm波长医用铥激光器，专利号：201210245510.6），结构较复杂，仅适合侧面抽运高功率铥激光器应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高效率全固态铥激光封装模块。应用此激光模块可以方便组装出高效率端泵Tm:YAG固体激光器，可以实现铥激光器低温条件下工作，同时解决光学断面水汽凝结问题，还可以大幅度降低晶体热应力和一定程度减小热透镜效应，从而有利于提高激光器抽运极限和改善光束质量，显著提高铥激光器脉冲输出能量和系统性能。

本发明的技术方案是：

一种高效率全固态铥激光封装模块，包括冷却热沉、辅热热沉、条状Tm:YAG晶体、TEC制冷模块、隔热材料，所述条状Tm:YAG晶体是Tm:YAG和YAG键合晶体，晶体两端是无掺杂部分、中间是掺杂部分，晶体掺杂部分周围通过铟箔与冷却热沉结合，端部无掺杂部分则与辅热热沉结合；TEC冷却模块的制冷面与冷却热沉结合，散热面则与辅热热沉结合，在冷却热沉和辅热热沉之间设置隔热材料，整体结构实现一体化封装。

所述的条状Tm:YAG晶体的无掺杂部分长度≤2.5mm。

本发明高效率全固态铥激光封装模块的工作原理是：TEC（半导体制冷器）冷却模块工作时，制冷面从冷却热沉吸热，冷却热沉实现对Tm:YAG晶体掺杂部分低温冷却；TEC散热面通过辅热热沉对晶体端部加热，使激光晶体端面温度略高于环境温度，解决了因低温冷却激光晶体杂部分而使其光学端面水汽凝结的问题，避免光学端面的突然损坏；785nm波长或781nm波长的LD激光束通过晶体光学端面抽运晶体，在激光晶体掺杂区域产生激光增益输出，因TEC模块对激光增益区域低温冷却，更容易实现粒子数翻转，显著提高激光器输出效率。激光器工作过程中，激光晶体增益部分低温冷却和端部辅热组合，通过对其热效应模拟分析显示：高低温组合不但可以降低增益区域温度，同时减小晶体的最大应力，提高抽运能量极限，提高端泵激光器输出能力。