CN101242071A - 三明治结构增益介质板条及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种三明治结构增益介质板条，包括由掺杂有激活离子的介质材料构成的掺杂区和由介质材料构成的不掺杂区，所述不掺杂区位于板条中层，所述掺杂区位于板条上下两层将所述不掺杂区夹于其中，所述掺杂区的厚度小于所述不掺杂区的厚度，所述三明治结构增益介质板条的宽厚比大于二；本发明三明治结构增益介质板条可以保证整个增益介质板条具有较高热负荷特性，同时维持了板条足够的刚性，利于光学精密加工。另外，板条的通光孔径由于中层不掺杂区的存在，要比超薄板条大，有利于短脉冲激光运转。

Description

三明治结构增益介质板条及其制备方法

技术领域

本发明涉及固体激光技术，特别是涉及一种应用在高功率板条激光器上的固体增益激光介质。

背景技术

高平均功率且高光束质量的激光束应用广阔，在军事上，可用作硬杀伤激光武器，在工业加工上，可用于金属及非金属的切割焊接。产生高平均功率激光的已有方法：圆棒状增益介质，板条状增益介质，片状增益介质。其中增益介质加工成板条状，让光束在激光晶体内呈“之”字型传输，泵浦和冷却结构设计保证增益介质晶体板条内只存在一维热流，热效应被之字形光路所补偿，输出功率提高，光束质量改善；故而目前采用板条结构增益介质的固体激光器无论是连续运转还是脉冲运转，都得到了广泛应用。早期的板条一般采用宽厚比大于二的结构，厚度一般大于5mm，以利于光学加工；但是由于增益介质材料的热导率有限，采用该种结构的板条结构增益介质的板条激光器的输出功率受到增益介质中心温度上限的影响，继续增大泵浦时，输出功率不再提高；随着光学加工技术和泵浦耦合技术的发展，超薄结构的增益介质板条设计被提出，并且得到了很好的实验结果，当前已经开始采用超薄结构的板条激光器，在大面冷却的条件下，同样泵浦功率注入时，增益介质的中心温度较低，达到温度上限时，可以实现更高的激光输出。这种结构的增益介质板条的通光截面积较小，有利于连续运转，但不利于短脉冲大能量激光输出。另一方面，超薄大尺寸的增益介质的光学加工较为困难，限制了该种结构激光器的应用。目前采用片状结构增益介质的有源反射镜激光器设计同样是采用超薄结构的增益介质，无论是斯图加特大学的Adolf.Geissen发明的薄片有源反射镜激光器，还是波音公司的John.Vetrovec提出的压力吸附紧凑有源反射镜的新概念，都需要面对超薄晶体加工的困难，更重要的是这种结构需要实现增益介质通光面上二维方向的均匀泵浦，这也是很困难的技术挑战。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种新型结构的增益介质板条，增益介质板条采用三明治夹心结构，中层不掺杂，两侧掺杂，掺杂区满足超薄设计，和非掺杂中心区共同组成厚度适宜光学精加工的板条结构，大大降低光学精加工的难度，同时利于短脉冲运转、可以提高输出激光功率。

本发明达到此技术目的的技术方案是：一种三明治结构增益介质板条，包括由掺杂有激活离子的介质材料构成的掺杂区和由介质材料构成的不掺杂区，所述不掺杂区位于板条中层，所述掺杂区位于板条上下两层将所述不掺杂区夹于其中，所述掺杂区的厚度小于所述不掺杂区的厚度，所述三明治结构增益介质板条的宽厚比大于二。

本发明三明治结构增益介质板条，其中所述掺杂区优选位于板条上下两层的中间段，即板条两端头可以掺杂，也可以不掺杂，此时可以降低端头效应。

本发明三明治结构增益介质板条，其中所述板条状增益介质的端头优选采用布氏角切割或45°角切割，两端面可以是平行的，板条成平行四边形结构；或者两端面也可以是相向成梯形结构。

本发明三明治结构增益介质板条，其中所述介质材料优选为激光晶体、激光玻璃或激光陶瓷。

本发明三明治结构增益介质板条，其中所述激活离子优选为Nd，也可以为其他各种类型的离子(例如Yb离子、Ho离子)以及依需要设计各种掺杂浓度。

本发明三明治结构增益介质板条，其中所述掺杂区的厚度最好小于等于1mm，所述不掺杂区的厚度为3～5mm，也可以更厚一些。

本发明三明治结构增益介质板条可以采用晶体的扩散键合、陶瓷的烧结、玻璃的熔接或薄膜的外延生长等方式来实现。其中一种制备方法可以是：

首先选择厚度适宜精抛光的YAG单晶板一块以及Nd:YAG单晶板两块，按照标准的扩散键合工艺，将YAG单晶板与一块Nd:YAG单晶板键合在一起，而后将其中的YAG单晶部分剪薄，直至所需厚度；然后再将另一块Nd:YAG单晶板与上述键合好的YAG-Nd:YAG板键合在一起，形成Nd:YAG-YAG-Nd:YAG结构的三明治夹心结构增益板条。然后将三明治夹心结构增益板条两边的Nd:YAG单晶部分剪薄至所需厚度，精抛光，切割端头至所需角度以及所需的板条长度，精抛光。

也可以采用如下的制备方法：首先制备尺寸符合要求的YAG陶瓷坯料一块以及Nd:YAG陶瓷坯料两块，三块坯料直接压合在一起，然后按照标准激光陶瓷烧结工艺对坯料进行烧结，成型后剪薄Nd:YAG陶瓷部分至所需厚度，精抛光，切割端头至所需角度以及所需的板条长度，精抛光。

本发明三明治结构增益介质板条掺杂区的掺杂浓度依据所设计板条的长度，掺杂区厚度，以及所需的吸收效率确定，相对于纵向泵浦的超薄结构板条，掺杂浓度要高一些。这样设计的增益介质板条工作时的最高温度由较薄的掺杂层决定，而本身在光学精加工以及封装到热沉上时的刚性由中心不掺杂区决定。本发明三明治结构增益介质板条可以用在激光器谐振腔中，采用连续运转、脉冲运转、调Q运转等方式；也可以作为激光器放大器使用，放大各种运转方式的激光束，放大器可以采用行波放大、再生放大、以及多程放大各种工作方式。

本发明三明治结构增益介质板条采用的特殊掺杂设计，掺杂区集中在增益介质板条两大面上，而板条中心区不掺杂，这样，增益介质板条输出激光时产生的废热通过最短的路径排出增益介质，可以保证整个增益介质板条具有较高热负荷特性，同时维持了板条足够的刚性，利于光学精密加工。另外，板条的通光孔径由于中心不掺杂区的存在，要比超薄板条大，有利于短脉冲激光运转。

附图说明

图1为本发明三明治结构增益介质板条一种实施方式的主视图；

图2为本发明三明治结构增益介质板条另一种实施方式的主视图；

图3为本发明三明治结构增益介质板条应用时端面泵浦耦合示意图；

图4为本发明三明治结构增益介质板条应用时大面泵浦耦合示意图。

具体实施方式

为进一步说明本发明，结合以下实施例具体阐述：

参考图1，一种三明治结构增益介质板条，由激光YAG单晶体制成，包括掺杂区1和不掺杂区2，不掺杂区2位于板条中层，掺杂区1位于板条上下两层将不掺杂区2夹于其中，其尺寸为：长度为68mm，宽度为11mm，掺杂区1其中一层的厚度为0.5mm，不掺杂区2的厚度为4mm。掺杂区1由掺杂有1％的激活离子Nd的YAG单晶体构成。其制备方法为：首先选择厚度适宜精抛光的YAG单晶板一块以及Nd:YAG单晶板两块(Nd掺杂1％)，按照标准的扩散键合工艺，将YAG单晶板与一块Nd:YAG单晶板键合在一起，而后将其中的YAG单晶部分剪薄，直至所需厚度；然后再将另一块Nd:YAG单晶板与上述键合好的YAG-Nd:YAG板键合在一起，形成Nd:YAG-YAG-Nd:YAG结构的三明治夹心结构增益板条。然后将三明治夹心结构增益板条两边的Nd:YAG单晶部分剪薄至所需厚度，精抛光，采用布氏角切割或45°角切割方式切割端头至所需角度以及所需的板条长度，精抛光。

本发明的三明治结构增益介质板条的掺杂区1′也可以位于板条上下两层的中间段，即板条两端头为不掺杂区(参见图2)，这样可以降低端头效应。

本发明的三明治结构增益介质板条的介质材料也可以为激光玻璃或激光陶瓷，当采用激光陶瓷时，其制备方法是：首先制备尺寸符合要求的YAG陶瓷坯料一块以及Nd:YAG陶瓷坯料两块，三块坯料直接压合在一起，然后按照标准激光陶瓷烧结工艺对坯料进行烧结，成型后剪薄Nd:YAG陶瓷部分至所需厚度，精抛光，切割端头至所需角度以及所需的板条长度，精抛光。

本发明的三明治结构增益介质板条可以作为激光器中振荡器的增益介质，激光器中放大器的增益介质，其泵浦耦合设计可以采用端面泵浦，也可以采用大面泵浦，如图3、图4所示；泵浦源采用光纤耦合输出的激光二极管激光器，或者输出光束经过准直的激光二极管阵列。以端面泵浦为例：泵浦光与被增益激光通过双色分光镜合成一束，在增益介质板条中传播的路径相同，如图3所示，分光镜对被增益激光高反，对泵浦光高透，经过准直的泵浦光从板条的两端相向入射。

本发明的三明治结构增益介质板条可以采用传导冷却技术进行冷却，也可以采用冷却液直接冷却，较厚的板条结构在冷却液直接冲刷时不易因震动而变形。

本发明的三明治结构增益介质板条按照上述尺寸加工成型后配合适当的泵浦耦合技术、冷却技术、谐振腔技术可以实现大于1kW的激光输出。

本发明的三明治结构增益介质板条用在激光器中振荡器的谐振腔中，采用连续运转，脉冲运转，调Q运转等方式；也可以作为放大器使用，采用行波放大、再生放大、以及多程放大各种工作方式放大各种运转方式的激光束。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

对申请文件的说明：除特殊说明外，本申请中涉及到的名词作如下解释：

Nd：钕

Yb：镱

Ho：钬

YAG：钇铝石榴石

Nd:YAG：掺钕钇铝石榴石。

Claims (10)

1.一种三明治结构增益介质板条，其特征在于：包括由掺杂有激活离子的介质材料构成的掺杂区(1，1′)和由介质材料构成的不掺杂区(2，2′)，所述不掺杂区(2，2′)位于板条中层，所述掺杂区(1，1′)位于板条上下两层将所述不掺杂区(2，2′)夹于其中，所述掺杂区(1，1′)的厚度小于所述不掺杂区(2，2′)的厚度，所述三明治结构增益介质板条的宽厚比大于二。

2.根据权利要求1所述的三明治结构增益介质板条，其特征在于：所述掺杂区(1，1′)位于板条上下两层的中间段。

3.根据权利要求2所述的三明治结构增益介质板条，其特征在于：所述增益介质板条的端头采用布氏角切割或45°角切割。

4.根据权利要求3所述的三明治结构增益介质板条，其特征在于：所述介质材料为激光晶体、激光玻璃或激光陶瓷。

5.根据权利要求4所述的三明治结构增益介质板条，其特征在于：所述激活离子为Nd、Yb或Ho。

6.根据权利要求5所述的三明治结构增益介质板条，其特征在于：所述激活离子为Nd，所述掺杂区(1，1′)的厚度小于等于1mm，所述不掺杂区(2，2′)的厚度为3～8mm。

7.权利要求6所述的三明治结构增益介质板条的制备方法，其特征在于：首先选择厚度适宜精抛光的YAG单晶板一块以及Nd:YAG单晶板两块，按照标准的扩散键合工艺，将YAG单晶板与一块Nd:YAG单晶板键合在一起，而后将其中的YAG单晶部分剪薄，直至所需厚度；然后再将另一块Nd:YAG单晶板与上述键合好的YAG-Nd:YAG板键合在一起，形成Nd:YAG-YAG-Nd:YAG结构的三明治夹心结构增益板条。然后将三明治夹心结构增益板条两边的Nd:YAG单晶部分剪薄至所需厚度，精抛光，切割端头至所需角度以及所需的板条长度，精抛光。

8.权利要求6所述的三明治结构增益介质板条的制备方法，其特征在于：首先制备尺寸符合要求的YAG陶瓷坯料一块以及Nd:YAG陶瓷坯料两块，三块坯料直接压合在一起，然后按照标准激光陶瓷烧结工艺对坯料进行烧结，成型后剪薄Nd:YAG陶瓷部分至所需厚度，精抛光，切割端头至所需角度以及所需的板条长度，精抛光。

9.权利要求1-6所述的三明治结构增益介质板条在激光器振荡器中的应用。

10.权利要求1-6所述的三明治结构增益介质板条在激光器放大器中的应用。

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