CN101312285B - 高综合性能激光晶体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高综合性能激光晶体及其制备方法，属于固体激光技术领域，该高综合性能激光晶体包括棒状激光晶体，棒状激光晶体两端圆柱表面设有高导热率散热物质的涂敷层，棒状激光晶体上非涂敷的部分圆柱表面呈螺纹或均匀分布的环形结构；该高综合性能激光晶体的制备方法包括制作符合加工要求的棒状激光晶体，将棒状激光晶体两端未进行螺纹或环形结构加工的部分涂敷高导热率的散热物质；本发明克服了水冷却中的湍流，解决了未经水冷却部分的冷却问题，改善了激光晶体的散热，提高了泵浦的均匀性和光束质量；经试验，在同等条件下，采用本发明的高综合性能激光晶体的激光输出功率提高约15％，热性能改善20％以上，实现了高密度均匀泵浦无损伤。

Description

高综合性能激光晶体及其制备方法

技术领域

本发明涉及固体激光技术领域。

背景技术

掺钕、钇石榴石系列激光晶体具有优良的激光及物理化学性质，是目前应用最为广泛的固体激光增益介质。由于该类晶体的量子效率小，非辐射跃迁产生的大量热量在增益介质中进行传播时，会产生热透镜效应，从而降低激光效率及激光光束质量；特别在高平均功率固体激光器中表现更突出。

为了弥补或减少这种热效应，1998年R..Weber等人提出在Nd:YAG激光棒两端热键合纯YAG晶体的复合结构；2002年D.Ehrentraut等人报道了用改进的提拉法在纯的YAG管内部生长Yb掺杂的YAG(Journal of Crystal Growth第242期，2002年第375页)；2003年徐军等人提出电阻加热外延生长复合YAG/Nd:YAG/YAG，纯YAG晶体不吸收泵浦光或振荡光，可以有效冷却增益介质，减少热效应和热透镜效应；然而，采用上述现有技术复合激光材料，有明显的缺点：(1)通过热键合而成的复合激光材料，由于纯晶体与掺杂晶体间存在明显的分界，光损耗大；如长时间运转，键合面处易变形，反而会降低激光输出和激光的光束质量；技术重复性较低，产品生产周期长、成本高；(2)采用改进提拉法、电阻加热外延生长法等生长的复合晶体，晶体质量差，存在大量气泡和包裹物等缺陷，重复性低，至今未在器件中获得实际应用。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种高综合性能激光晶体，它很好地解决了高平均功率(KW级以上)固体激光器中激光晶体的散热问题；同时改善了激光光束质量，提高了效率；且结构简单、制作成本低，适合批量生产的高综合性能激光晶体；本发明的另一目的是提供一种该高综合性能激光晶体的制备方法。

本发明的技术方案是：一种高综合性能激光晶体，包括棒状激光晶体，棒状激光晶体两端圆柱表面设有高导热率散热物质的涂敷层，该涂敷层自端面起的轴向长度为5～10mm，涂敷层厚度为0.01～0.2mm，棒状激光晶体上非涂敷的圆柱表面呈螺纹或均匀分布的环形结构，其中，螺纹或环形结构间距为0.2～3.0mm，深度为0.05～0.3mm。

本发明所述棒状激光晶体包含Nd:YAG、(Nd，Ce):YAG、(Nd，Ce，Tb):YAG、(Cr，Tm，Ho):YAG、(Tm，Ho):YAG、Ho:YAG、Er:YAG、Yb:YAG、Nd:GGG、Yb:GGG、Nd:YAP中的任意一种基质。

本发明所述高导热率散热物质为金、银、铜或金刚石。也可以采用其他的高导热率散热物质。

一种高综合性能激光晶体的制备方法，包括如下步骤：

A、选取无散射、无位错、应力好、浓度梯度≤5×10^-5at/cm、单程损耗系数＜2.8×10^-3/cm的激光晶体；并按规定尺寸切割、滚圆、粗抛、精磨、精抛成棒状激光晶体，加工技术指标要求为两端面平行度(平面/平面)应优于或等于10″、端面对棒轴垂直度优于或等于5′、端面表面光洁度优于或等于10/5；

B、将符合A步骤要求加工好的棒状激光晶体中段圆柱表面进行螺纹或环形结构加工，该棒状激光晶体两端未加工的长度为5～10mm，螺纹或环形结构间距为0.2～3.0mm，深度为0.05～0.3mm；

C、激光晶体中段的螺纹或环形结构加工好后，将棒状激光晶体两端未进行螺纹或环形结构加工的部分涂敷高导热率的散热物质，涂敷厚度为0.01～0.2mm。所述C步骤的涂敷方式采用镀膜或烧结方式。所述C步骤的高导热率散热物质为金、银、铜或金刚石。

本发明的有益效果是：激光晶体柱面的螺纹或环形微结构，不仅克服了水冷却中的湍流，提高了泵浦的均匀性，而且增加了激光晶体的表面积，可提高激光输出功率约15％，并增加了柱面的散热；激光晶体两端的(5～10)mm的高导热率的散热物质，大大改善了激光晶体的散热，提高光束质量。经试验，在同等条件下，采用高综合性能激光晶体对热性能改善将达到20％以上，实现了高密度均匀泵浦无损伤。下面结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

附图说明

图1是本发明实施例1的结构示意图；

图2是图1的A处局部放大图；

图3是本发明实施例2的结构示意图；

图4是图2的B处局部放大图；

附图标记：1为棒状激光晶体，2为涂敷层，3为螺纹结构，4为环形结构。

具体实施方式

实施例1

如图1、图2所示，一种高综合性能激光晶体，包括含有Nd:YAG、(Nd，Ce):YAG、(Nd，Ce，Tb):YAG、(Cr，Tm，Ho):YAG、(Tm，Ho):YAG、Ho:YAG、Er:YAG、Yb:YAG、Nd:GGG、Yb:GGG、Nd:YAP中的任意一种基质的棒状激光晶体1，棒状激光晶体1两端圆柱表面设有高导热率散热物质的涂敷层2，该涂敷层2的自端面起的轴向长度L为5～10mm，涂敷层2厚度H为0.01～0.2mm，棒状激光晶体上非涂敷的圆柱表面呈螺纹结构，其中，螺纹间距1为0.2～3.0mm，深度h为0.05～0.3mm。本实施例的高导热率散热物质采用金。

一种上述高综合性能激光晶体的制备方法，包括如下步骤：

A、选取无散射、无位错、应力好、浓度梯度≤5×10^-5at/cm、单程损耗系数＜2.8×10^-3/cm的激光晶体；并按规定尺寸切割、滚圆、粗抛、精磨、精抛成棒状激光晶体，加工技术指标要求为两端面平行度(平面/平面)应优于或等于10″、端面对棒轴垂直度优于或等于5′、端面表面光洁度优于或等于10/5；

B、将符合A步骤要求加工好的棒状激光晶体中段圆柱表面进行螺纹结构加工，该棒状激光晶体两端未加工的长度为5～10mm，螺纹结构间距为0.2～3.0mm，深度为0.05～0.3mm；

C、激光晶体中段的螺纹结构加工好后，将棒状激光晶体两端未进行螺纹结构加工的部分采用镀膜方式涂敷高导热率的散热物质金，涂敷厚度为0.01～0.2mm。

实施例2

如图3、图4所示，一种高综合性能激光晶体，包括含有Nd:YAG、(Nd，Ce):YAG、(Nd，Ce，Tb):YAG、(Cr，Tm，Ho):YAG、(Tm，Ho):YAG、Ho:YAG、Er:YAG、Yb:YAG、Nd:GGG、Yb:GGG、Nd:YAP中的任意一种基质的棒状激光晶体1，棒状激光晶体1两端圆柱表面设有高导热率散热物质的涂敷层2，该涂敷层2的自端面起的轴向长度L为5～10mm，涂敷层2厚度H为0.01～0.2mm，棒状激光晶体上非涂敷的圆柱表面呈环形结构，其中，环形结构间距1为0.2～3.0mm，深度h为0.05～0.3mm。本实施例的高导热率散热物质采用铜。

一种上述高综合性能激光晶体的制备方法，包括如下步骤：

A、选取无散射、无位错、应力好、浓度梯度≤5×10^-5at/cm、单程损耗系数＜2.8×10^-3/cm的激光晶体；并按规定尺寸切割、滚圆、粗抛、精磨、精抛成棒状激光晶体，加工技术指标要求为两端面平行度(平面/平面)应优于或等于10″、端面对棒轴垂直度优于或等于5′、端面表面光洁度优于或等于10/5；

B、将符合A步骤要求加工好的棒状激光晶体中段圆柱表面进行环状结构加工，该棒状激光晶体两端未加工的长度为5～10mm，环状结构间距为0.2～3.0mm，深度为0.05～0.3mm；

C、激光晶体中段的环状结构加工好后，将棒状激光晶体两端未进行环状结构加工的部分采用烧结方式涂敷高导热率的散热物质铜，涂敷厚度为0.01～0.2mm。

实施例3

一种高综合性能激光晶体，包括含有Nd:YAG、(Nd，Ce):YAG、(Nd，Ce，Tb):YAG、(Cr，Tm，Ho):YAG、(Tm，Ho):YAG、Ho:YAG、Er:YAG、Yb:YAG、Nd:GGG、Yb:GGG、Nd:YAP中的任意一种基质的棒状激光晶体1，棒状激光晶体1两端圆柱表面设有高导热率散热物质的涂敷层2，该涂敷层2的自端面起的轴向长度L为10mm，涂敷层2厚度H为0.2mm，棒状激光晶体上非涂敷的圆柱表面呈螺纹结构，其中，螺纹间距l为3.0mm，深度h为0.3mm，本实施例的高导热率散热物质采用银。本实施例的高综合性能激光晶体结构同图1、图2所示。

一种上述高综合性能激光晶体的制备方法，包括如下步骤：

A、选取无散射、无位错、应力好、浓度梯度≤5×10^-5at/cm、单程损耗系数＜2.8×10^-3/cm的激光晶体；并按规定尺寸切割、滚圆、粗抛、精磨、精抛成棒状激光晶体，加工技术指标要求为两端面平行度(平面/平面)应优于或等于10″、端面对棒轴垂直度优于或等于5′、端面表面光洁度优于或等于10/5；

B、将符合A步骤要求加工好的棒状激光晶体中段圆柱表面进行螺纹结构加工，该棒状激光晶体两端未加工的长度为10mm，螺纹结构间距为3.0mm，深度为0.3mm；

C、激光晶体中段的螺纹结构加工好后，将棒状激光晶体两端未进行螺纹结构加工的部分采用镀膜方式涂敷高导热率的散热物质银，涂敷厚度为0.2mm。

实施例4

一种高综合性能激光晶体，包括含有Nd:YAG、(Nd，Ce):YAG、(Nd，Ce，Tb):YAG、(Cr，Tm，Ho):YAG、(Tm，Ho):YAG、Ho:YAG、Er:YAG、Yb:YAG、Nd:GGG、Yb:GGG、Nd:YAP中的任意一种基质的棒状激光晶体1，棒状激光晶体1两端圆柱表面设有高导热率散热物质的涂敷层2，该涂敷层2的自端面起的轴向长度L为5mm，涂敷层2厚度H为0.01mm，棒状激光晶体上非涂敷的圆柱表面呈环形结构，其中，环形结构间距1为0.2mm，深度h为0.05mm，本实施例的高导热率散热物质采用金刚石。本实施例的高综合性能激光晶体结构同图3、图4所示。

一种上述高综合性能激光晶体的制备方法，包括如下步骤：

A、选取无散射、无位错、应力好、浓度梯度≤5×10^-5at/cm、单程损耗系数＜2.8×10^-3/cm的激光晶体；并按规定尺寸切割、滚圆、粗抛、精磨、精抛成棒状激光晶体，加工技术指标要求为两端面平行度(平面/平面)应优于或等于10″、端面对棒轴垂直度优于或等于5′、端面表面光洁度优于或等于10/5；

B、将符合A步骤要求加工好的棒状激光晶体中段圆柱表面进行环状结构加工，该棒状激光晶体两端未加工的长度为5mm，环状结构间距为0.2mm，深度为0.05mm；

C、激光晶体中段的环状结构加工好后，将棒状激光晶体两端未进行环状结构加工的部分采用烧结方式涂敷高导热率的散热物质金刚石，涂敷厚度为0.01mm。

需要说明的是：虽然上述实施例已经详细描述了本发明的结构，但本发明并不限于上述实施例，凡是本领域技术人员从上述实施例中不经过创造性劳动就可以想到的替换结构，均属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种高综合性能激光晶体，包括棒状激光晶体(1)，其特征在于：棒状激光晶体(1)两端圆柱表面设有高导热率散热物质的涂敷层(2)，该涂敷层(2)自端面起的轴向长度为5～10mm，涂敷层(2)厚度为0.01～0.2mm，棒状激光晶体上非涂敷的圆柱表面呈螺纹或均匀分布的环形结构，其中，螺纹或环形结构间距为0.2～3.0mm，深度为0.05～0.3mm。

2.根据权利要求1所述高综合性能激光晶体，其特征在于：所述棒状激光晶体(1)包含Nd:YAG、(Nd，Ce):YAG、(Nd，Ce，Tb):YAG、(Cr，Tm，Ho):YAG、(Tm，Ho):YAG、Ho:YAG、Er:YAG、Yb:YAG、Nd:GGG、Yb:GGG、Nd:YAP中的任意一种基质。

3.根据权利要求1或2所述高综合性能激光晶体，其特征在于：所述高导热率散热物质为金、银、铜或金刚石。

4.一种制备权利要求1所述的高综合性能激光晶体的方法，其特征在于：包括如下步骤：

A、选取无散射、无位错、应力好、浓度梯度≤5×10^-5at/cm、单程损耗系数＜2.8×10^-3/cm的激光晶体；并按规定尺寸切割、滚圆、粗抛、精磨、精抛成棒状激光晶体，加工技术指标要求为两端面平行度应优于或等于10″、端面对棒轴垂直度优于或等于5′、端面表面光洁度优于或等于10/5；

B、将符合A步骤要求加工好的棒状激光晶体中段圆柱表面进行螺纹或环形结构加工，该棒状激光晶体两端未加工部分的长度为5～10mm，螺纹或环形结构间距为0.2～3.0mm，深度为0.05～0.3mm；

C、激光晶体中段的螺纹或环形结构加工好后，将棒状激光晶体两端未进行螺纹或环形结构加工的部分涂敷高导热率的散热物质，涂敷厚度为0.01～0.2mm。

5.根据权利要求4所述的一种高综合性能激光晶体的制备方法，其特征在于：所述C步骤的涂敷方式采用镀膜或烧结方式。

6.根据权利要求4所述的一种高综合性能激光晶体的制备方法，其特征在于：所述C步骤的高导热率散热物质为金、银、铜或金刚石。

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