CN101677175A

CN101677175A - 减小温度梯度的激光晶体

Info

Publication number: CN101677175A
Application number: CN200810222337A
Authority: CN
Inventors: 李晋闽; 林学春; 熊波; 侯玮; 郭林; 赵鹏飞; 韩泽华; 李瑞贤
Original assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Current assignee: Institute of Semiconductors of CAS
Priority date: 2008-09-17
Filing date: 2008-09-17
Publication date: 2010-03-24

Abstract

本发明一种减小温度梯的激光晶体，包括：一激光晶体；一薄膜层，该薄膜层制作在激光晶体的一个或多个表面上。本发明所述的减小温度梯的激光晶体，具有制作简单、方便且成本低廉，有利于产业化生产的优点。

Description

减小温度梯度的激光晶体

技术领域

本发明涉及一种激光晶体，特别是指一种减小温度梯度的激光晶体。

背景技术

固体激光器运行过程中，随着泵浦功率的增加，激光晶体吸收泵浦光产生热量，使得晶体内部产生非均匀的温度分布，造成了温度梯度。由于热光效应、热膨胀效应等，晶体内部温度梯度导致激光棒内部产生热透镜效应、机械应力等热效应。

激光晶体吸收泵浦功率时产生热量，必须使用冷却液体对激光晶体进行冷却。现有技术使用冷却液体直接冷却激光晶体，当激光晶体达到稳定状态时，内部存在很大的温度梯度，由此产生一系列诸如热透镜效应、机械应力、光束波前畸变等热效应。激光晶体热效应对固体激光器的运行产生如下不利影响。

(1)由于晶体内部存在折射率梯度，导致晶体产生热透镜效应。这容易使激光器工作超出热稳区并降低输出激光光束质量。

(2)由于晶体内部存在温度梯度，导致晶体内部存在机械应力。这容易使激光晶体产生热致碎裂。

(3)由于晶体内部存在折射率梯度，光束通过晶体不同位置时经历不同的光学长度，导致光束产生波前畸变。

为了获得高功率激光输出而增大输入泵浦光功率时，晶体棒产生的热透镜效应更加严重，这不但容易使激光器工作超出热稳区，降低激光输出功率，而且会极大降低输出激光光束质量；同时，晶体内部存在的机械应力随之增大，应力增加到一定大小时，激光晶体容易碎裂；此外，通过激光晶体的光束还会产生严重的波前畸变。

传统的固体激光器使用冷却液体直接冷却激光晶体，激光晶体内部存在很大的温度梯度，产生严重的热效应，因此难以获得高功率和高光束质量的激光。

申请号“200710177626.X”公开了“侧面泵浦传导冷却矩形薄片激光器”。该发明的激光器是以矩形薄片作为增益介质，增益介质的厚度为0.1～5mm，宽度3～50mm，长度5～500mm。采用侧面泵浦方式，利用热传导方式进行冷却，其谐振腔可以采用稳定腔或稳定-非稳定的混合腔。采用矩形薄片增益介质，可以通过在增益介质的长度方向上扩展增益介质的尺寸达到增加增益体积的目的。同时在这一方向上采用非稳谐振腔结构，可以在不增加激光器体积和保证光束质量的前提下，通过增加增益介质的长度来实现输出功率的提高。因而可以有效地实现激光器件的功率升级。但其缺点在于，使用的激光晶体直接与热沉接触，工作时激光晶体内部温度梯度很大，产生严重的热效应，不能获得高功率和高光束质量的激光输出。

请参见图2所示，图2是现有技术下的激光晶体工作情况示意图，图中21是泵浦源，22是聚焦镜，23是反射体，24是冷却玻璃管，25是Nd:YAG激光棒(直径3mm，热导率为14W/m·K)，26是冷却液体。现有技术下，冷却液体与激光棒25表面直接接触。高功率泵浦条件下，激光棒25内部存在很大的温度梯度。

请参见图3所示，图3是现有激光晶体棒在图2所示工作情况下，泵浦功率达到某一值时径向温度分布示意图，横坐标为负时表示相反方向。图中T(r＝0)＝180℃为晶体中心温度，T(r＝±0.0015)＝15℃为晶体表面温度。晶体棒沿径向从中心到表面变化时，对应的温度从180℃降至15℃，具有较大的温度梯度。较大的温度梯度导致激光晶体热效应明显，限制了高功率、高光束质量激光的获得。

发明内容

为了解决背景技术的问题，本发明的目的是要提供一种制作简单、方便且成本低廉，有利于产业化生产的减小温度梯度的激光晶体。

为了实现上述目的，本发明提供一种减小温度梯的激光晶体，包括：

一激光晶体；

一薄膜层，该薄膜层制作在激光晶体的一个或多个表面上。

其中激光晶体是棒状激光晶体、薄片状激光晶体或板条状激光晶体。

其中该激光晶体为棒状激光晶体时，该薄膜层制作在棒状激光晶体的外圆表面上；该激光晶体为薄片状激光晶体时，该薄膜层制作在薄片状激光晶体的一平面上；该激光晶体为板条状激光晶体时，该薄膜层制作在板条状的激光晶体两相对的大面积的表面上。

其中该薄膜层的材料是二氧化硅。

其中制作在激光晶体表面的薄膜层的厚度为100～800μm。

其中制作在激光晶体表面的薄膜层使用溅射或蒸镀的方法制备。

其中激光晶体的材料是Nd:YAG、Nd:YVO₄、Yb:YAG、Nd:YLF或Nd:GdVO₄。

本发明与现有技术相比具有以下优点和积极效果：

(1)本发明由于在激光晶体表面溅射制备一层薄膜，晶体内部温度梯度减小很多，因而内部折射率梯度减小很多，晶体产生的热透镜效应得到极大改善，可以提高激光输出功率和光束质量。

(2)本发明由于在激光晶体表面溅射制备一层薄膜，晶体内部温度梯度减小很多，因而晶体内部存在的机械应力减小，激光晶体能在高泵浦功率下稳定工作而不致碎裂，可以提高激光输出功率。

(3)本发明由于在激光晶体表面溅射制备一层薄膜，晶体内部温度梯度减小很多，因而内部折射率梯度减小很多，光束通过晶体不同位置时经历光学长度差异减小，可以有效减弱光束产生的波前畸变。

附图说明

为进一步说明本发明的具体技术内容，以下结合实施例及附图详细说明如后，其中：

图1a，图1b，图1c是本发明激光晶体的三个实施例的示意图；

图2是现有技术下激光晶体工作情况示意图；

图3是现有激光晶体棒径向温度分布曲线；

图4是本发明激光晶体工作情况示意图；

图5是本发明激光晶体棒径向温度分布示意图；

图6是本发明第一实施例灯泵棒状的Nd:YAG固体激光器示意图；

图7是本发明第二实施例光纤耦合输出的半导体激光器端面泵浦的Yb:YAG薄片激光器示意图；

图8是本发明第三实施例激光二级管阵列侧面泵浦的Nd:YVO₄板条激光器示意图。

具体实施方式

请参阅图1a、图1b及图1c，本发明一种减小温度梯度的激光晶体，包括：

一激光晶体10、10’、10”；所述的激光晶体10、10’、10”的形状是棒状激光晶体10、薄片状激光晶体10’或板条状激光晶体10”，所述激光晶体的材料是Nd:YAG或Nd:YVO₄或Yb:YAG、Nd:YLF或Nd:GdVO₄；

一薄膜层11、11’、11”，该薄膜层11、11’、11”制作在激光晶体10、10’、10”的一个或多个表面上，所述的该薄膜层11、11’、11”的材料是二氧化硅或其他在泵浦源波段范围内的高透材料，所述的制作在激光晶体10、10’、10”表面的薄膜层11、11’、11”的厚度为100～800μm，所述的制作在激光晶体10、10’、10”表面的薄膜层1a2使用溅射或蒸镀的方法制备，所述的制作在激光晶体10、10’、10”表面的薄膜层11、11’、11”在泵浦波段范围内高透，不会降低泵浦源的传输效率。

所述的该激光晶体10为棒状激光晶体时，该薄膜层11溅射在棒状外圆表面上；该激光晶体10’为薄片状激光晶体时，该薄膜层11’溅射在薄片的一面上；该激光晶体10”为板条状激光晶体时，该薄膜层11”溅射在板条状的激光晶体两相对的大面积的表面上。

使用本发明一种减小温度梯度的激光晶体制成固体激光器时，激光晶体冷却方式可以是风冷、水冷或者传导冷却；泵浦源可以是闪光灯或半导体激光器，半导体激光器泵浦源可以是光纤耦合输出的激光器，也可以是激光器阵列(LDA)；泵浦源的波长可以是808nm、915nm、976nm或980nm；泵浦方式可以是侧面泵浦、端面泵浦或角泵浦。

我们设计的一种减小温度梯度的新型激光晶体，可以有效降低激光晶体的温度梯度。请参见图4所示，图4为本发明激光晶体工作情况示意图。图中41为泵浦源，42为聚焦镜，43为反射体，44为冷却玻璃管，45为Nd:YAG激光棒(直径3mm)，46为冷却液体，47为溅射在激光晶体45表面的薄膜层(薄膜材料为SiO₂，热导率为1.42W/m·K)。在这种设计中，冷却液体46不再与激光晶体45直接接触，而是与SiO₂薄膜层47接触。由于SiO₂薄膜47将激光晶体45与冷却液体46隔开，所以起到缓冲温度变化的作用。请参见图5所示，图5为新型本发明激光晶体在与现有激光晶体同一泵浦功率条件下，径向温度分布示意图，横坐标为负时表示相反方向。图中T(r＝0)＝200℃为晶体中心温度，T(r＝±0.0015)＝100℃为晶体表面温度。晶体棒沿径向从中心到表面变化时，对应的温度从200℃降至100℃。相比与没有在表面制备溅射SiO₂薄膜层的激光晶体相比，激光棒沿径向的温度梯度减小很多。将这种激光晶体用于固体激光器中，可以获得更高输出功率、光束质量更好的激光输出。

本发明的目的、特征及优点通过附图和实例对本发明进一步说明，但本发明不限于这些实例。

实施例将使用该种新型激光晶体制成固体激光器。

请参见图1a所示。图1a为本发明激光晶体示意图。图中10为激光晶体，11为溅射在位于激光晶体10表面的SiO₂薄膜层。下面的实施例将使用该种新型激光晶体制成固体激光器。

实施例1：请参见图6和图1a所示，图1a为本发明第一实施例激光晶体示意图，图中10为激光晶体，11为位于激光晶体10表面的SiO₂薄膜层。图6为灯泵棒状新型Nd:YAG固体激光器示意图本发明灯泵棒状的Nd:YAG固体激光器示意图，图中61为聚光腔，62为闪光灯，63为冷却液体，64为SiO₂薄膜，65为Nd:YAG激光棒。激光棒65尺寸为φ3mm×60mm。在Nd:YAG激光棒65侧面溅射一层厚度为500μm的SiO₂薄膜64。SiO₂薄膜64将Nd:YAG激光棒65与冷却液体63隔开，起到缓冲温度变化的作用。Nd:YAG激光棒65径向温度梯度减小，有效地减弱晶体热透镜效应、减小内部机械应力和减弱光束波前畸变。使用这种激光晶体制成灯泵棒状Nd:YAG固体激光器，可以获得更高输出功率、光束质量更好的激光。

实施例2：请参见图7和图1b所示，图1b为本发明第二实施例激光晶体示意图，图中10’为激光晶体，11’为位于激光晶体10’表面的SiO₂薄膜层。图7为光纤耦合输出的半导体激光器端面泵浦的新型Yb:YAG薄片激光器本发明光纤耦合输出的半导体激光器端面泵浦的Yb:YAG薄片激光器示意图。图中71为半导体激光器，72为光纤耦合系统，73为薄片形Yb:YAG晶体，74为SiO₂薄膜，75为热沉。薄片形激光晶体73尺寸为φ40mm×1.3mm，在激光晶体73靠近热沉75的表面溅射一层厚度为100μm的SiO₂薄膜74。SiO₂薄膜74将Yb:YAG激光晶体73与热沉75隔开，起到缓冲温度变化的作用。Yb:YAG激光晶体73内温度梯度减小，有效地减弱晶体热透镜效应、减小内部机械应力和减弱光束波前畸变。使用这种激光晶体制成光纤耦合输出的半导体激光器端面泵浦的Yb:YAG薄片激光器，可以获得更高输出功率、光束质量更好的激光。

实施例3：请参见图8和图1c所示，图1c为本发明第三实施例激光晶体示意图，图中10”为激光晶体，11”为位于激光晶体10”表面的SiO₂薄膜层。图8为激光二级管阵列侧面泵浦的新型Nd:YVO₄板条激光器本发明激光二级管阵列侧面泵浦的Nd:YVO₄板条激光器示意图。图中81为激光二极管阵列，82为耦合系统，83为冷却液体，84为SiO₂薄膜，85为板条形Nd:YVO₄晶体。板条形激光晶体85尺寸为6mm×30mm×200mm，在激光晶体85靠近冷却液体的两个侧面溅射蒸镀一层厚度为800μm的SiO₂薄膜84。SiO₂薄膜84将Nd:YVO₄激光晶体85与冷却液体83隔开，起到缓冲温度变化的作用。Nd:YVO₄激光晶体85内温度梯度减小，有效地减弱晶体热透镜效应、减小内部机械应力和减弱光束波前畸变。使用这种激光晶体制成激光二级管阵列侧面泵浦的Nd:YVO₄板条激光器，可以获得更高输出功率、光束质量更好的激光。

综上所述，本发明一种减小温度梯度的新型激光晶体，通过在现有激光晶体表面溅射制备一层薄膜，减小激光晶体工作时内部的温度梯度，有效地减弱晶体热透镜效应、减小内部机械应力和减弱光束波前畸变。使用该种激光晶体制成固体激光器，可以获得高功率、高光束质量的激光输出。在激光晶体表面溅射制备薄膜层简单、方便且成本低廉，因此极为实用。

Claims

1、一种减小温度梯的激光晶体，包括：

一激光晶体；

一薄膜层，该薄膜层制作在激光晶体的一个或多个表面上。

2、如权利要求1所述的减小温度梯度的激光晶体，其中激光晶体是棒状激光晶体、薄片状激光晶体或板条状激光晶体。

3、如权利要求1或2所述的减小温度梯度的激光晶体，其中该激光晶体为棒状激光晶体时，该薄膜层制作在棒状激光晶体的外圆表面上；该激光晶体为薄片状激光晶体时，该薄膜层制作在薄片状激光晶体的一平面上；该激光晶体为板条状激光晶体时，该薄膜层制作在板条状的激光晶体两相对的大面积的表面上。

4、如权利要求1所述的减小温度梯度的激光晶体，其中该薄膜层的材料是二氧化硅。

5、如权利要求1所述的减小温度梯度的激光晶体，其中制作在激光晶体表面的薄膜层的厚度为100～800μm。

6、如权利要求1所述的减小温度梯度的激光晶体，其中制作在激光晶体表面的薄膜层使用溅射或蒸镀的方法制备。

7、如权利要求1所述的减小温度梯度的激光晶体，其中激光晶体的材料是Nd:YAG、Nd:YVO₄、Yb:YAG、Nd:YLF或Nd:GdVO₄。