專利名稱：激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到激光器，而且在一種情況下是涉及到無鏡面的激光器。
某些現(xiàn)有技術(shù)的激光器是用昂貴的表面涂覆技術(shù)來制造的，并且由于要求精確調(diào)整而只能由熟練的技術(shù)人員來裝配。某些現(xiàn)有技術(shù)的激光器使用易損壞的特別是用于紅外激光波長時(shí)更易損壞的反射表面涂層。某些現(xiàn)有技術(shù)的激光器帶有為獲得良好運(yùn)行而調(diào)整到精確對(duì)準(zhǔn)的鏡面。這種激光器常常不能最佳適用于要求高度便攜性或長的工作壽命的場(chǎng)所。長期以來一直要求有一種能克服這些問題和缺點(diǎn)的激光器。長期以來一直要求有一種無需涂層且無需可調(diào)零件的激光器以便大幅度降低裝置的成本并改進(jìn)采用這種激光器的產(chǎn)品的耐用性以及與通常可獲得的激光器比較延長采用這種設(shè)計(jì)的激光器件的工作壽命。
典型的激光器具有一個(gè)光源、一個(gè)激射材料、以及一組反射器。大多數(shù)固體激光器是由紅寶石激光器設(shè)計(jì)派生出來的，這種設(shè)計(jì)由一個(gè)被螺旋形充氣高強(qiáng)度燈環(huán)繞的紅寶石材料晶體棒構(gòu)成，帶有位于距紅寶石材料表面一個(gè)精確距離處的、或同紅寶石材料表面相接觸的、或涂覆在紅寶石表面上的鏡面。其中一個(gè)鏡面帶有一個(gè)孔或其反射率比其它鏡面小。光從燈注入到激射材料中，引發(fā)來自晶體中雜質(zhì)的光子放電。這些光子在二個(gè)鏡面之間行進(jìn)，產(chǎn)生諧波放大。被放大了的激光束通過孔或反射率降低了的區(qū)域射出?？捎酶鞣N激射材料來代替紅寶石晶體以產(chǎn)生不同波長的激光。這些材料包括釔鋁石榴石(YAG)，它含有化學(xué)雜質(zhì)以修正得到的激光波長。這些傳統(tǒng)的激光器設(shè)計(jì)要求使用精確制造的鏡面表面。這些表面通常是借助于用反射材料的薄涂層來涂覆表面而產(chǎn)生的。若采用分隔的鏡面，則它們必須相對(duì)于激光棒的光軸、相對(duì)于彼此、并相對(duì)于器件的所需輸出位置精確地定位。如果由于器件的處置而使鏡面表面未對(duì)準(zhǔn)，則器件的有效功能和效率被降低。反射鏡面表面也可用將它們涂覆在激光晶體表面上的方法來制造。在每種情況下，都需要用昂貴的高度復(fù)雜的機(jī)構(gòu)來產(chǎn)生厚度可控的平滑的均勻涂層。這些涂層可能被由于連續(xù)暴露于激光所引起的光化學(xué)作用損傷，特別是紅外波長時(shí)更是如此。這種與日俱增的損傷降低了激光器的有效壽命。
本發(fā)明在一個(gè)實(shí)施例中公開了一種激光器，它帶有安裝在機(jī)箱(例如，但不局限于，一個(gè)有反射材料涂覆的例如涂銀的內(nèi)表面的圓柱管)中的光泵浦裝置(例如，但不局限于，一個(gè)閃光燈或氙弧燈)，機(jī)箱與激光元件例如適于激射的材料棒(“激射材料”)并排或鄰接。常規(guī)電源向光泵浦裝置提供功率，且常規(guī)冷卻裝置可用來提供裝置的任何冷卻需求。在某些實(shí)施例中不需要冷卻。光從光泵浦裝置被引導(dǎo)向并進(jìn)入棒中。在一個(gè)實(shí)施例中，棒的非發(fā)射一端做成屋脊棱鏡狀，而另一端帶有一個(gè)垂直于棒的橫軸的表面。在另一實(shí)施例中，屋脊棱鏡是任一具有任意數(shù)目交于頂點(diǎn)的面的多面體，包括但不局限于圓錐體。在某些實(shí)施例中，棒發(fā)射端是一多面體(二面或更多面)形，帶有一個(gè)形成激光束輸出窗口的截頭端部。
在一個(gè)實(shí)施例中，在激光棒的發(fā)射端安置了一個(gè)或更多個(gè)固體材料平行板。每一個(gè)這種板有二個(gè)面。各個(gè)面的反射性依賴于材料的反射率，但最好是小于100％。這些板最好這樣制造，使每個(gè)板的各個(gè)面之間的距離d是激射材料基波長1/4的奇數(shù)倍，滿足d＝(2N＋1)1/4，其中N是整數(shù)，1是激光的基波長。滿足這一準(zhǔn)則的板稱為“1/4”板。各板之間的距離最好也等于d，以便從板的各面反射的光波與入射光波同相地被反射，從而產(chǎn)生往返行進(jìn)于激射材料棒中的光的諧波放大。環(huán)(例如用跟板相同的材料，聚四氟乙烯、鋁或某些具有相對(duì)低的熱膨脹系數(shù)的材料制成)將各個(gè)板分隔開一所需的距離。于是，根據(jù)本發(fā)明的激射棒就組成一個(gè)由棒端和側(cè)面包圍的激光器腔。
板可由任何反射率足夠高的材料制造。最好不含雜質(zhì)的玻璃、剛玉、鍺、鉻、藍(lán)寶石和釔鋁石榴石(YAG)是一些常用的例子。在某些實(shí)施例中的平行面的數(shù)目被選擇成使系統(tǒng)的總反射達(dá)到所需的程度。
對(duì)于較高階的光模式(行進(jìn)光束集(Sets))，即比低階模式對(duì)棒的中心光軸處于更大角度的模式，選擇根據(jù)本發(fā)明的帶有此處所述截頭多面體端和光束輸出窗口的激光棒。在某些實(shí)施例中，較高階模式的激光束更有利，這是由于它們產(chǎn)生較寬和/或較淺的孔，例如當(dāng)用來在生物肌肉中穿孔以取血樣時(shí)。
本發(fā)明的某些實(shí)施例不局限于此處公開的任一特定的單個(gè)特點(diǎn)，而包括在結(jié)構(gòu)和功能方面區(qū)別于現(xiàn)有技術(shù)的各個(gè)特點(diǎn)的組合。本發(fā)明的特點(diǎn)已被廣泛地描述，以便下面的詳細(xì)描述可被更好地理解，并更好地認(rèn)識(shí)本發(fā)明對(duì)本技術(shù)的貢獻(xiàn)。當(dāng)然，本發(fā)明還有下面描述的可包含在本發(fā)明的權(quán)利要求要點(diǎn)中的另外一些方面。受益于本發(fā)明及其指導(dǎo)和建議的本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員將認(rèn)識(shí)到，本公開的概念可用作設(shè)計(jì)其它用來實(shí)行和實(shí)踐本發(fā)明的結(jié)構(gòu)、方法和系統(tǒng)的創(chuàng)造性基礎(chǔ)。本發(fā)明的權(quán)利要求需被解釋為包括不超越本發(fā)明的構(gòu)思與范圍的任何合法的等效器件或方法。
本發(fā)明承認(rèn)并敘述了上述的問題和長期以來的需求，并在其各種可能的實(shí)施例中提供了這些問題的解決辦法和對(duì)這些需求的滿意解答。對(duì)受益于本發(fā)明的構(gòu)造、指導(dǎo)、公開和建議的本技術(shù)領(lǐng)域的熟練人員來說，從結(jié)合附圖為公開的目的而給出的最佳實(shí)施例的以下描述中將理解其它的目的和優(yōu)點(diǎn)。無論其他人以后如何用形式的變化或進(jìn)一步改進(jìn)的補(bǔ)充來掩飾，這些詳細(xì)描述也不能用來反對(duì)本專利的目的對(duì)本發(fā)明的權(quán)利要求。
參照本說明書組成部分的附圖所示的實(shí)施例，上面大體總結(jié)的本發(fā)明的實(shí)施例可得到更具體的描述。這些附圖表明了某些最佳實(shí)施例，不是用來不適當(dāng)?shù)叵拗凭哂衅渌刃Я蚍缮贤葘?shí)施例的本發(fā)明的范圍。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的激光器系統(tǒng)的側(cè)視圖。
圖2A是根據(jù)本發(fā)明的有源激光元件的側(cè)視圖。圖2B是圖2A元件一端的端視圖。圖2C是圖2A元件另一端的端視圖。
圖3A是根據(jù)本發(fā)明的有源激光元件的側(cè)視圖。圖3B是圖3A元件一端的端視圖。圖3C是圖3A元件另一端的端視圖。
圖4A是根據(jù)本發(fā)明的有源激光元件的側(cè)視圖。圖4B是圖4A元件一端的端視圖。圖4C是圖4A元件另一端的端視圖。
圖5是根據(jù)本發(fā)明的帶有根據(jù)本發(fā)明的激光發(fā)射器的激光系統(tǒng)的側(cè)視圖。
現(xiàn)參照?qǐng)D1，根據(jù)本發(fā)明的激光系統(tǒng)10有一個(gè)安裝在機(jī)箱14中并與電源16和可選冷卻裝置18互連的激光器12。電源16將功率提供給閃光燈32之類的光泵浦器件以便在根據(jù)本發(fā)明的有源激光元件激射棒20中產(chǎn)生輻射(例如光)的受激發(fā)射，產(chǎn)生從機(jī)箱14出來的激光束34。
圖2A、圖2B和2C示出了由適當(dāng)?shù)募ど洳牧现瞥傻募ど浒?0。棒20有一個(gè)帶有第一端22和第二端23的棒體21。第一端22有二個(gè)互成90度角a的表面24，每個(gè)表面同棒20的水平軸A成45度角。棒20的第二端23有二個(gè)表面25，它們會(huì)合后將棒截頭且形成一個(gè)端表面26作為從棒20引出激光束34的窗口。表面25互成90度的b角，并同A軸成45度角。在一個(gè)變通形式中，端23是一個(gè)帶有圓形出射窗口的截頭圓錐。端22和23排列并構(gòu)造成使光(或其它受激輻射)在棒20中二端之間內(nèi)部反射然后作為輸出激光束34從棒20射出。
圖3A、3B和3C示出了激射棒40，它是棒20的一種變通。棒40有一個(gè)帶有第一端42和第二端43的棒體41。第一端42有四個(gè)互成90度角C且各同棒40的中心縱軸成45度角的表面44。棒40的第二端43有四個(gè)表面45，它們會(huì)合且將棒端截頭并形成一個(gè)矩形或正方形的端表面46，它是激光束34賴以從棒40出來的窗口。表面45互成90度的d角且同棒的中心縱軸成45度角。端42和43排列構(gòu)造成使光(或其它受激輻射)在棒40中二個(gè)端之間內(nèi)部反射，然后作為輸出激光束通過窗口46從棒40射出。
現(xiàn)參照?qǐng)D4A、4B和4C，根據(jù)本發(fā)明的激射棒50有一個(gè)帶有第一端52和第二端53的棒體51。第一端52有三個(gè)表面54。棒50的第二端53有三個(gè)表面55，它們會(huì)合后將棒端截頭并形成一個(gè)三角形的端表面56，它是輸出激光束賴以從棒50射出的窗口。端52和53安裝構(gòu)造成使光(或其它受激輻射)在棒50中二個(gè)端之間內(nèi)部反射，然后作為激光束通過窗口56從棒50射出。
根據(jù)本發(fā)明的有源激光元件(諸如但不局限于前述的棒20、40、50)的端面形狀最好是多面體(二個(gè)或更多的側(cè)面；例如90度棱鏡、三面體棱錐、四面體棱錐、五面體棱錐等)，它在激射棒中引起幾乎全部或者全部內(nèi)反射(最好是90％或以上，而最最好是100％全內(nèi)反射)，而且?guī)в刑峁┹敵黾す馐錾浯翱诘慕仡^端。使這種棒具有任何所需截面，例如但不局限于圓形(圓柱形)、矩形、正方形、三角形、卵(橢圓)形等，這是在本發(fā)明的范圍之內(nèi)的事。在某些實(shí)施例中，這種有源激光元件激射棒由120mm長的直徑為8mm的摻鉺YAG制成，其一端的形狀為二面棱鏡，另一端為截頭棱鏡以提供輸出窗口(如圖2A所示)；在另一實(shí)施例中，棒長為105mm，直徑為6mm。在又一實(shí)施例中，棒由摻鈦的剛玉或摻釹的YAG制成。將這種激射棒用于圖1那樣的器件中，產(chǎn)生了激光束，從未截頭的多面體端最好反射100％，而從截頭端則部分反射以維持振蕩。
現(xiàn)參照?qǐng)D5，公開了一種激光器60，這種激光器可用于各種激光系統(tǒng)(例如但不局限于圖1所示的系統(tǒng))，而且特別適用于振蕩波長大于2.5μm的激光裝置，以及在某些實(shí)施例中波長為2.5-5.0μm。激光器60有一個(gè)帶有例如棱鏡端62(如圖2A中的端22)的多面體端的有源晶體元件棒61、一個(gè)安裝在棒61附近的泵浦燈67以及一個(gè)安裝在棒61的平坦端68附近或與其相接觸的反射元件63。反射元件63有一組用環(huán)66分隔開的二個(gè)或更多個(gè)(三個(gè)、四個(gè)、五個(gè)、六個(gè)等)平行的平板64(示出了三個(gè)，最好是1/4板)。在一個(gè)實(shí)施例中，元件63的長度約為5mm；每個(gè)平板寬約1mm，每個(gè)環(huán)寬約1mm。在一個(gè)實(shí)施例中，板64由剛玉或YAG制成1/4板形式。各個(gè)板也可以有反射表面。棒61和板64對(duì)中于S軸，而燈67的軸R平等于軸S。最好用其反射表面沿001結(jié)晶方向取向的剛玉板以優(yōu)化反射率。最好用其反射表面沿111晶向取向的YAG板。這種器件使棱鏡端62處的外部反射元件的調(diào)整成為沒有必要。在一個(gè)實(shí)施例中，有源晶體元件激射棒由摻鉺YAG制成，帶有四個(gè)由單晶剛玉或YAG構(gòu)成的1/4板64，板的晶向取為能在激射棒中提供穩(wěn)定的振蕩。當(dāng)棒暴露于泵浦燈的光中時(shí)，就產(chǎn)生受激輻射。在一種情況下，棱鏡端反射全部或幾乎全部的振蕩輻射，而板反射約50％，同時(shí)約50％通過這些板作為激光束從系統(tǒng)射出。對(duì)某些實(shí)施例的優(yōu)選輸出光束輻射波長的范圍為2.5-5.0μm。在一種情況下，元件的使用壽命比帶有一端一個(gè)兩個(gè)金鏡面(在棒的一端是一個(gè)平坦表面的100％反射金鏡，而另一端為50％反射金鏡)的器件增加了四倍或更多。
在象激光器60這樣的激光器的另一實(shí)施例中，用足夠厚的板或足夠數(shù)目的固體無涂覆反射板來達(dá)到部分反射，致使各個(gè)板上都不需要反射涂層。
在一個(gè)實(shí)施例中，摻鉺YAG材料制成的激光棒有一個(gè)研磨拋光成側(cè)面相交角為90度的二面棱鏡的非發(fā)射端。棒的發(fā)射端研磨成垂直于棒中心軸的平坦表面。激射棒和線狀氙弧燈并排安置在筒形腔中。四個(gè)盤狀不摻雜YAG板平行于平坦發(fā)射表面安置。盤的每個(gè)表面沿晶向001切割，每個(gè)表面的反射率約為8％，一個(gè)板則為約16％，以致總反射在理論上為64％。在實(shí)際實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)用約1mm的板間距時(shí)，這種實(shí)施例的反射約為50％。
在一個(gè)變通設(shè)計(jì)中，激光棒的發(fā)射端研磨拋光成帶有在頂點(diǎn)相交的三個(gè)小平面。頂點(diǎn)部分被切去以形成一個(gè)垂直于棒的長軸的表面。此時(shí)，激光器不需要外部反射器或元件來達(dá)到有效的工作。有角度的發(fā)射端小平面將光反射到非發(fā)射端，產(chǎn)生反射放大。經(jīng)過幾次通過由棒側(cè)面和晶體小平面端所形成的激光腔后，光束趨向棒的中心并從腔發(fā)射出來。
在某些最佳實(shí)施例中，輸出激光束的出射窗口的半徑(例如在矩形窗口中，從窗口中心到矩形角點(diǎn)的距離、圓形窗口的半徑、或多角窗口中心到其一個(gè)角點(diǎn)的距離)范圍是窗口所在的棒的半徑的約5％-約75％，而在某些更佳實(shí)施例中是約10％-約25％；在圖3C那樣的棒的實(shí)施例中，最好是約50％。
總而言之，因此可見，本發(fā)明及此處所公開的實(shí)施例以及所附權(quán)利要求所覆蓋的內(nèi)容被很好地用來實(shí)行各個(gè)目的并獲得所述的端面?？梢宰龀瞿承┲匾矫娴母淖兌怀奖景l(fā)明的構(gòu)思與范圍?？梢岳斫獾氖?，在本發(fā)明的范圍內(nèi)，改變是可能的，而且在下列權(quán)利要求中所記述的各個(gè)元件或步驟應(yīng)被理解為所有等效的元件或步驟。下列權(quán)利要求是用來法律上盡可能廣地以其可能應(yīng)用的任何形式覆蓋本發(fā)明的。
權(quán)利要求
1.一種此處所述的激光器。
2.權(quán)利要求1的激光器包含此處所述的一個(gè)激光器系統(tǒng)。
3.權(quán)利要求1的激光器，其中不使用反射鏡。
4.一種此處所述的有源元件激射棒。
5.權(quán)利要求4的棒有一個(gè)截頭多面體發(fā)射端，其上有一個(gè)出射窗口用來輸出激光束。
6.權(quán)利要求5的棒有一個(gè)非發(fā)射棱鏡端，它是一個(gè)二面或更多面的多面體。
7.權(quán)利要求4的棒，其中的棒有二個(gè)具有小平面的棒端和一個(gè)側(cè)壁，它們組成一個(gè)激光器腔。
8.權(quán)利要求5的棒，其中的棒有一個(gè)半徑，而窗口有一個(gè)由其中心到其角點(diǎn)的尺寸，窗口的尺寸為該半徑的約5％-約75％。
9.權(quán)利要求8的棒，其中最大的窗口尺寸約為半徑的10％－25％。
10.權(quán)利要求5的棒，其中較高的模式通過窗口被選擇性地輻射。
11.一種此處所述的激光發(fā)射器。
12.權(quán)利要求11的激光發(fā)射器帶有此處所述的板。
13.權(quán)利要求11的激光發(fā)射器，其中的板至少在一面涂覆有反射涂層。
14.權(quán)利要求11的激光發(fā)射器，其中的板未被涂覆。
15.權(quán)利要求11的激光發(fā)射器，其中的板由藍(lán)寶石和YAG制成。
16.權(quán)利要求11的激光發(fā)射器，其中的板反射約16％的入射光。
17.權(quán)利要求11的激光發(fā)射器，其中產(chǎn)生一個(gè)波長為2.5-5.0μm的激光束。
18.權(quán)利要求11的激光發(fā)射器，其中的板是1/4板。
19.權(quán)利要求18的激光發(fā)射器，其中的板用隔板環(huán)分開一個(gè)距離d，其中d＝(2N＋1)1/4，而N是一整數(shù)，1是激光器的基波長。
20.權(quán)利要求12的激光發(fā)射器，其中發(fā)射器的非發(fā)射棱鏡端反射幾乎全部入射光，而板則內(nèi)部反射約50％的入射光，約50％的入射光由板傳送出。
全文摘要
開發(fā)了一種帶有有源激光元件的激光器，它在某些情況下不采用鏡面而代之以一個(gè)帶有為產(chǎn)生全部或幾乎全部內(nèi)反射的端面和激光束賴以從器件射出的一端處的輸出窗口表面的激射棒。在一種情況下，棒一端或兩端制作成多面體形狀，其表面反射振蕩輻射。還公開了一種帶有有源激光發(fā)射器的激光器，帶有一個(gè)激射棒，其第一端制作成多面體形狀，而第二平坦端鄰近或接觸于涂覆或不涂覆材料的固體反射板，它們彼此靠近或用分隔裝置例如環(huán)分隔開。這種激光發(fā)射器可用于激光器件中而無需其它鏡面或反射器。
文檔編號(hào)H01S3/08GK1143429SQ94195047
公開日1997年2月19日 申請(qǐng)日期1994年3月2日 優(yōu)先權(quán)日1994年3月2日
發(fā)明者瓦勒里·G·伯魯什金, 埃弗格尼·A·非德羅夫, 塞爾吉·A·科哈諾夫斯基 申請(qǐng)人:塞爾-羅伯蒂公司