[发明专利]包含几何聚光元件及绝热元件的激光泵浦装置及其系统

说明书

本发明提供一种高效激光泵浦装置，其使用含有或不含有渐缩孔径的电介质来接收、引导及将泵浦光汇聚到激光增益材料。较佳地，电介质亦为泵浦光源及激光增益材料之间的绝热元件。泵浦光源包含发光二极管阵列，或激光二极管阵列，或发光二极管及激光二极管混合阵列。较佳地，电介质的输入面及输出面光学涂覆有介电层，以将朝向激光增益材料的泵浦亮度最大化。本发明另提供一种具有主动冷却装置的高效激光泵浦系统，其中多个光导绝热电介质用于接收多个泵浦光源的泵浦光，以将所有泵浦光朝向激光增益材料汇聚。

技术领域

本发明涉及一种激光泵浦装置及其系统，包含作为几何聚光元件(GeometricLight Concentrator)及绝热元件(Heat Insulator)的介电块(Dielectric Block)，特别涉及一个或一组低热导率光电介质(Optical Dielectrics)，其引导及汇聚(集中，Concentrate)来自发光二极管或激光二极管的低强度光以产生高亮度光，以在激光增益材料的激光晶体中进行更高效率及更少热量的泵浦。

背景技术

激光是包含由能量源泵浦的激光增益材料的高能量密度辐射装置，其中激光有多种类型的泵浦源。例如，电源可以输送电能来泵浦半导体激光(也称为激光二极管)；激光二极管可泵浦固态激光；闪光灯通常用于泵浦高功率脉冲激光等。为了更有效益，泵浦能量必须被激光增益材料有效吸收。因此，实现高泵浦效率有两个关键因素，第一个是具有与激光的发射体积匹配的高泵浦强度，第二个是使泵浦光谱与激光增益材料的吸收光谱相匹配。这两个因素共同定义了泵浦源的亮度或辉度，并以每单位面积、每单位立体角及每单位带宽(Bandwidth)的光功率为单位。由于激光二极管可以发射与激光增益材料的吸收峰值匹配的窄线高强度聚焦辐射，因此现有的二极管激光泵浦(以下简称为“二极管泵浦”)固态激光非常具有效益。虽然闪光灯源的成本相对较低，但它的宽带(Broadband)及发散光不能像二极管泵浦激光那样有效地泵浦固态激光。本领域现有技术(文献Kozo Kamiryo et al.,Jpn.J.Appl.Phys.5,(1966)1217)的泵浦效率几何改进方案是沿着椭圆泵浦室的焦点之一安装闪光灯管，并沿另一侧安装激光棒(Laser Rod)，使闪光灯的泵浦光大部分到达激光增益材料。

近来，发光二极管作为固态激光的泵浦源的技术兴起(例如文献Brenden Villarset al.,Optics Letts.40,(2015)3049)。发光二极管发出发散光，其光谱宽度比闪光灯小得多，比激光二极管略宽。因此，与闪光灯相比，发光二极管的光谱能量与激光增益材料的光谱吸收更匹配。与闪光灯相比，发光二极管还具有更长的使用寿命及更好的稳定性。与用于泵浦固态激光的激光二极管相比，发光二极管的安装及维护成本较低，不易受到静电损坏，对温度变化不敏感。然而，与激光二极管不同的是，发光二极管不会产生聚焦光。发光二极管或发光二极管阵列发射锥角约为120度的正向辐射。由于发光二极管不能像闪光灯那样制成强管状发射器，因此现有技术中闪光灯普遍采用的椭圆泵浦室不适用于发光二极管泵浦的固态激光。为了解决这个问题，专利US 2017/0149197 A1中公开了一些几何反射结构，以相当低效的光体积与激光体积比限制了发光二极管泵浦光。为了进一步汇聚发光二极管的泵浦能量，Adrien Barbet等人(文献Optica3,(2016)465)首先在薄膜材料中将蓝光发光二极管转换为荧光(fluorescent light)，荧光在薄膜中被引导以高强度向激光晶体传递，不幸的是，所述技术中的大部分发光二极管光没有转换为泵浦光，且整体泵浦效率仍然很低。