板條激光器和放大器以及其使用方法
【專利說(shuō)明】板條激光器和放大器以及其使用方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉參考
[0002] 本申請(qǐng)要求2012年8月3日提交的美國(guó)申請(qǐng)序列號(hào)13/566, 144的權(quán)益，且該案 以引用的方式并入本文中。
[0003] 發(fā)明背景
[0004] 本申請(qǐng)大體上涉及激光器和激光放大器領(lǐng)域。更具體地說(shuō)，本申請(qǐng)涉及呈板條形 式的固態(tài)激光放大器，其由等以光學(xué)方式抽運(yùn)，且其中激光束穿過(guò)布魯斯特（Brewster)角 小面進(jìn)入，且在穿過(guò)與束進(jìn)入的面相同的面退出之前，歸因于總內(nèi)部反射而經(jīng)歷多個(gè)面對(duì) 面反彈。
[0005] 通常，燈驅(qū)動(dòng)板條激光器已存在許多年了?，F(xiàn)有技術(shù)由通用電氣的Krypton弧光 燈驅(qū)動(dòng)的面抽運(yùn)的面對(duì)面多反彈總內(nèi)部反射（TIR)Nd:釔鋁石榴石（摻釹釔鋁石榴石）板 條的設(shè)計(jì)來(lái)示范。在通用電氣的設(shè)計(jì)中，Nd:紀(jì)錯(cuò)石槽石晶體由Krypton弧光燈面抽運(yùn)。這 些特定設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了與達(dá)到若干千瓦的輸出的-4%的轉(zhuǎn)換效率（輸出激光功率除以輸入電 功率）。在此設(shè)計(jì)中，氪電弧閃光或弧光燈（由鈰摻雜石英封套組成）使黑體和線發(fā)射光子 的光譜放電，其隨后盡可能均勻地反射到摻釹釔鋁石榴石板條的鄰近面上。此增益元件選 擇性地吸收此能量的部分。此能量將釹原子激勵(lì)成升高的能量狀態(tài)，從中產(chǎn)生或放大激光 束。
[0006] 后面的版本并入了二極管激光泵源來(lái)增加效率和架構(gòu)簡(jiǎn)單性（通過(guò)僅產(chǎn)生由經(jīng) 摻雜釔鋁石榴石高度吸收的光子能量的特定頻率）。更后面的版本使用Nd摻雜釩酸釔 (YbVO4)作為增益介質(zhì)。此些系統(tǒng)已成為標(biāo)準(zhǔn)，其中限制為可制造YAG、釩酸鹽或增益晶體 的最大大小。美國(guó)專利3, 633, 126和3, 631，362論述相關(guān)技術(shù)。
[0007] 先前所提到的二極管抽運(yùn)系統(tǒng)已示范了 10%的系統(tǒng)效率，在理想情況下，系統(tǒng)效 率甚至可能接近25%，但是以高經(jīng)濟(jì)成本為代價(jià)，擊穿對(duì)于二極管泵激光器來(lái)說(shuō)大約為 50%效率，對(duì)于Nd:V04來(lái)說(shuō)大約為65%效率，對(duì)于Nd:YAG，效率已大約為到1. 064微米輻 射的50%轉(zhuǎn)換，且后續(xù)束清理使系統(tǒng)輸出效率降低為低至10%，而設(shè)計(jì)良好的系統(tǒng)的總效 率為約25%。以相對(duì)于作為纖維邊緣抽運(yùn)的陶瓷釔鋁石榴石板條以及面抽運(yùn)版本兩者來(lái) 示范輸出功率的當(dāng)前上限，所述兩者均主要由NorthropGrumman建立。此系統(tǒng)示范了每激 光頭25kW(千瓦）的輸出，其中二極管泵激光器的效率為-50%，且對(duì)于大約25%的輸出效 率，Nd:釔鋁石榴石板條中的轉(zhuǎn)換效率為-50%。
[0008] 現(xiàn)存燈抽運(yùn)設(shè)計(jì)的限制效率主要在兩個(gè)區(qū)域中。第一區(qū)域是歸因于來(lái)自泵燈的發(fā) 射譜通常不與激光晶體材料的激勵(lì)譜匹配的事實(shí)的低效。第二區(qū)域是在歸因于使束穿過(guò)不 超過(guò)兩次且不完全填充增益材料的從增益材料的束提取的低效中。這些缺點(diǎn)已干擾板條激 光器概念的潛在實(shí)際應(yīng)用。 發(fā)明概要
[0009] 本發(fā)明呈現(xiàn)一種橫越面抽運(yùn)、燈驅(qū)動(dòng)板條激光器和放大器設(shè)計(jì)，其具有面對(duì)面束 傳播方案。TIR(總內(nèi)部反射）端反彈使經(jīng)放大的輻射改向回來(lái)從同一輸入小面出來(lái)，但在 不同的角方向上，從而使得在需要的情況下，所呈現(xiàn)的設(shè)計(jì)可在較大系統(tǒng)中使用。
[0010] 本發(fā)明還呈現(xiàn)泵燈的使用，與基于惰性氣體的先前燈設(shè)計(jì)相比，所述泵燈在可用 譜中產(chǎn)生較多光子。還已使用腔熒光濾光片，其以相當(dāng)高的效率將燈輸出的無(wú)用部分轉(zhuǎn)換 成有用燈頻帶。這改進(jìn)了效率以及功率處理能力。
[0011] 作為實(shí)例實(shí)施方案，提供激光裝置，其包括：板條晶體；以及腔濾光片材料，其提 供于所述板條晶體的至少一側(cè)上，用于接收來(lái)自光源的光能量，使得腔濾光片材料將在第 一頻帶下接收到的光能轉(zhuǎn)換成在由板條晶體吸收的第二頻帶下的光能量。
[0012] 對(duì)于上述激光器，板條晶體適于接收以一個(gè)角度入射到板條晶體的一端中的光 束，且以不同于所述一個(gè)角度的角度從所述一端發(fā)射經(jīng)放大的激光束，或在吸收第二頻率 的所述光能量之后發(fā)射從所述入射光束線性移位的經(jīng)放大激光束。
[0013] 進(jìn)一步提供包含以下各項(xiàng)的激光裝置的實(shí)例實(shí)施方案：板條晶體；光源，其提供 包含紫外線頻帶的光能；以及腔濾光片材料，其包含摻雜有釤的氟化鋱，其提供于板條晶體 的至少一側(cè)上，用于接收來(lái)自光源的光能，且用于將第一紫外線頻帶下的光能轉(zhuǎn)換成可見(jiàn) 光的第二頻帶下的光能，以供板條晶體吸收，用于放大激光束。
[0014] 上述板條晶體適于從不包含背反射表面的一端發(fā)射經(jīng)放大激光束。
[0015] 還提供包含以下各項(xiàng)的激光裝置的實(shí)例實(shí)施方案：板條晶體；光源，其提供包含 位于紫外線頻帶中的一部分以及位于可見(jiàn)光頻帶中的一部分的光能；以及腔濾光片材料， 且對(duì)可見(jiàn)光頻帶是透明的，且提供于板條晶體的至少一側(cè)上，用于接收來(lái)自光源的光能，且 用于將處于第一紫外線頻帶的光能轉(zhuǎn)換成處于小于紫外線頻帶的經(jīng)轉(zhuǎn)換頻帶的光能，以供 板條晶體吸收。
[0016] 上述激光器的光源和腔濾光片材料經(jīng)布置以使得可見(jiàn)光頻帶中的光能的所述部 分的至少一部分穿過(guò)腔濾光片發(fā)射到板條晶體，且所述板條晶體適于吸收穿過(guò)腔濾光片發(fā) 射的可見(jiàn)頻帶中的光能的所述部分的一部分，且還吸收處于經(jīng)轉(zhuǎn)換頻帶的光能的一部分， 用于放大激光束以從板條晶體發(fā)射。
[0017] 進(jìn)一步提供包括以下各項(xiàng)的激光裝置的實(shí)例實(shí)施方案：板條晶體；光源，其以第 一頻帶提供光能；腔濾光片材料，其提供于板條晶體的至少一側(cè)上，用于接收來(lái)自光源的光 能的一部分，且用于將處于第一頻帶的光能的所述部分的至少一些轉(zhuǎn)換成處于第二頻帶的 光能，以供至少部分地被板條晶體吸收；多個(gè)彈性保持器，其用于固持所述裝置的組件，同 時(shí)允許所述裝置的所述組件中的一者或多者的熱膨脹；以及冷卻劑循環(huán)系統(tǒng)，其用于在裝 置中循環(huán)冷卻劑以冷卻所述裝置，使得板條晶體適于從板條晶體的一端發(fā)射經(jīng)放大的激光 束。
[0018] 還提供一種實(shí)例激光裝置，其包括：板條晶體，其具有前面，所述前面形成相對(duì)于 用于接收入射光束的板條晶體的底部以銳角提供的點(diǎn)，所述入射光束相對(duì)于所述前面以第 一角度提供，所述板條晶體還具有后壁，其相對(duì)于板條晶體的底部以并非90度的后角度提 供；光源，其提供包含處于第一頻帶的一部分和處于第二頻帶的一部分的光能；以及腔濾 光片材料，其對(duì)第一光頻帶透明，且提供于板條晶體的頂部或底部上，用于接收來(lái)自光源的 光能，且用于將處于第一頻帶的光能轉(zhuǎn)換成處于經(jīng)轉(zhuǎn)換頻帶的光能，以供至少部分地由板 條晶體吸收。
[0019] 上述激光器的光源和腔濾光片材料經(jīng)布置以使得光能的處于第二光頻帶的部分 的至少部分穿過(guò)腔濾光片發(fā)射到板條晶體，且此外，板條晶體適合于通過(guò)吸收發(fā)射穿過(guò)腔 濾光片的光能的處于第二頻帶的部分的一部分且通過(guò)吸收光能的處于經(jīng)轉(zhuǎn)換頻帶的一部 分來(lái)放大激光束以從板條晶體發(fā)射。
[0020] 對(duì)于上述激光器，選擇所述銳角和后角度，使得經(jīng)放大的激光束以不同于第一角 度的角度從板條晶體的前面發(fā)射，使得進(jìn)入板條晶體的入射光束不與從板條晶體發(fā)射的經(jīng) 放大光束重合。
[0021] 進(jìn)一步提供一種串行使用任何多個(gè)上述激光器中的任一者來(lái)放大光束的激光放 大系統(tǒng)。
[0022] 進(jìn)一步提供一種制造系統(tǒng)和方法，其利用如本文所述的一個(gè)或多個(gè)板條激光器， 通過(guò)氣化物質(zhì)并將其沉積在組件上或沉積到組件中來(lái)制造例如半導(dǎo)體裝置或經(jīng)涂覆導(dǎo)體 等組件。舉例來(lái)說(shuō)，所沉積的材料可為摻雜劑，或例如金剛石或類金剛石碳等材料層。
[0023] 本發(fā)明還提供額外的實(shí)例實(shí)施方案，下文更詳細(xì)地描述其中的一些，但不是所有。
[0024] 附圖簡(jiǎn)述
[0025] 在參考附圖閱讀以下描述后，本公開相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員將明白本文所描述的實(shí) 例實(shí)施方案的特征和優(yōu)點(diǎn)，其中：
[0026] 圖1是本發(fā)明一個(gè)實(shí)例實(shí)施方案的外部視圖的示意性圖；
[0027] 圖2是展示提供于板條激光器材料兩側(cè)的濾光片腔材料的兩個(gè)層的示意性圖；
[0028] 圖3是圖1的本發(fā)明的實(shí)例實(shí)施方案的端視圖的示意性圖，其展示激光器板條、兩 個(gè)腔濾光片、泵燈、陶瓷反射器和外部情況之間的關(guān)系；
[0029] 圖4是添加用于冷卻的外部水歧管的另一實(shí)例實(shí)施方案的示意性圖；
[0030] 圖5是實(shí)例實(shí)施方案的激光器板條的一般橫截面幾何形狀的示意性圖；
[0031] 圖6是進(jìn)入和離開實(shí)例實(shí)施方案的放大器板條的軸上激光束的路徑的示意性圖；
[0032] 圖7A是實(shí)例實(shí)施方案的移位激光束以獲得出口束與入口束的分離的效應(yīng)的示意 性圖；
[0033] 圖7B移位圖7A中所示的實(shí)例實(shí)施方案的多個(gè)激光束的效應(yīng)的示意性圖；
[0034] 圖8A和8B是展示改變實(shí)例實(shí)施方案中的激光器板條前面的楔形物的角度的效應(yīng) 的不意性圖；
[0035] 圖9是實(shí)例實(shí)施方案的用于在不同方向上提供入口和出口束的實(shí)例布置的示意 性圖；
[0036] 圖IOA和IOB是展示通過(guò)改變實(shí)例實(shí)施方案中的端反射表面的角度使出口束與入 口束的實(shí)例分離的示意性圖；
[0037] 圖11是展示使用較大的板條激光晶體且添加更多泵燈的實(shí)例放大器鏈的一個(gè)界 面的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的示意性圖；
[0038] 圖12是展示鏈中的放大器中的一者的橫截面的示意性圖，其展示激光束如何進(jìn) 入和退出增益材料；
[0039] 圖13是展示串行組合圖12的多個(gè)放大器以提供非常高的激光輸出功率的實(shí)例的 示意性圖；
[0040] 圖14是展示用于使用一個(gè)或多個(gè)板條激光器來(lái)制造組件的實(shí)例布置的示意性 圖；以及
[0041] 圖15是展示圖14的實(shí)例布置的實(shí)例樣本設(shè)置的示意性圖。
[0042] 本發(fā)明的具體描述
[0043] 如上文所論述，本發(fā)明提供具有面對(duì)面束傳播方案的橫向面抽運(yùn)、燈驅(qū)動(dòng)板條激 光器和放大器設(shè)計(jì)的實(shí)例實(shí)施方案。TIR端反彈使經(jīng)放大的福射改向回來(lái)從同一輸入小面 出來(lái)，但在不同的角方向上，從而使所呈現(xiàn)的設(shè)計(jì)在需要的情況下可用于較大的系統(tǒng)中。通 過(guò)幾何形狀的此選擇，將產(chǎn)生或放大的激光的脈沖在激光器板條內(nèi)部的每一往返中至少四 次（不是通常的兩次）穿過(guò)同一片增益材料。在每遍次的能量提取效率為-60%的條件下， 這將導(dǎo)致例如激光器板條中所儲(chǔ)存的能量的大約97%正被提取。此特征促成實(shí)例裝置的較 高效率。
[0044] 還呈現(xiàn)另一實(shí)例實(shí)施方案為使用泵燈，所述泵燈使用金屬或金屬鹵化物合金，其 與基于惰性氣體的先前燈設(shè)計(jì)相比，在可用譜中產(chǎn)生較多光子。還已使用腔熒光濾光片，其 以相當(dāng)高的效率將燈輸出的無(wú)用部分（在水銀弧光燈以及用于鈦藍(lán)寶石激光器的碘化銦 加碘化鉈燈的紫外線部分中）轉(zhuǎn)換為有用泵帶。這些改進(jìn)導(dǎo)致以正常僅與二極管激光抽運(yùn) 版本相關(guān)聯(lián)的效率和功率處理能力操作的系統(tǒng)。但此處所呈現(xiàn)的實(shí)例系統(tǒng)使用燈而不是激 光二極管來(lái)實(shí)現(xiàn)這些效率，且可因此與使用二極管激光泵的現(xiàn)有設(shè)計(jì)相比，對(duì)于相同量的 輸出功率，實(shí)施起來(lái)要便宜得多。
[0045] 對(duì)于實(shí)例設(shè)計(jì)中所利用的所呈現(xiàn)增益材料，所呈現(xiàn)的燈抽運(yùn)設(shè)計(jì)將具有超過(guò)相同 大小的這些激光器的二極管抽運(yùn)版本的功率輸出水平。舉例來(lái)說(shuō)，用于變石裝置的泵激光 器的可見(jiàn)光輸出（635到670nm以及680. 4nm紅光）的效率以例如大約20%的效率轉(zhuǎn)換操 作。并且，用于抽運(yùn)鈦藍(lán)寶石的綠色吸收帶的輸出532nm綠光的倍頻Nd激光器也以大約 20 %的電到光轉(zhuǎn)換效率操作。通過(guò)比較，金屬弧光和金屬氯化物弧光燈的電到光效率均接 近70%到73%?？墒褂么烁倪M(jìn)和架構(gòu)來(lái)將經(jīng)脈沖或連續(xù)波激光束放大到非常高的功率水 平，其中系統(tǒng)效率具有接近百分之四十的上限。對(duì)于為變石（鈦的范圍是-3. 6kW)而呈現(xiàn) 的頭設(shè)計(jì)，每頭輸出預(yù)期在6. 5到15. 5kW的范圍內(nèi)，但所述設(shè)計(jì)不限于這些功率水平。
[0046] 總體激光裝置配置
[0047] 圖1展示本發(fā)明一個(gè)實(shí)例實(shí)施方案的一般配置的示意圖。板條晶體1以及六個(gè)泵 燈2的端部延伸到外殼3之外。所述外殼允許液體穿過(guò)狹槽4而冷卻。這些狹槽4進(jìn)入外 殼3外部的水歧管，如后面將論述。
[0048] 圖2展示腔濾光片板條5在激光板條晶體1的兩側(cè)上駐存在外殼內(nèi)何處。在此圖 中，為了清楚，僅展示六個(gè)泵燈2中的僅三個(gè)。腔濾光片板條5的目的是將從泵燈2發(fā)射的 光的紫外線部分轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光譜，其更容易被板條激光晶體1的材料吸收。