CN102152003A - 双激光束分离光学晶体方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双激光束分离光学晶体方法及装置。该方法利用高峰值功率、低脉冲能量的第一激光束在光学晶体内形成光损伤线形成的一个损伤截面，利用低峰值功率、高脉冲能量的第二激光束作用于所述损伤线所形成的损伤截面上，使光学晶体分离。装置包括二维工作台和两套激光加工系统，激光加工系统均包括Z轴移动机构以及依次位于同一光路上的激光器、扩束准直镜、第一反射镜和聚焦镜；聚焦镜固定在Z轴移动机构上。本发明利用激光与材料相互作用无机械作用力和对激光具有透明性的特点，对光学晶体进行分离，实现在分离光学晶体过程中无碎裂、分离精度高、可任意方向分离和无污染的目的。本发明特别适用于KDP光学晶体的分离。

Description

双激光束分离光学晶体方法及装置

技术领域

本发明属于激光加工应用技术领域，具体涉及双激光束分离光学晶体的一种方法和装置，该方法尤其适用于磷酸二氢钾(KDP)光学晶体。

背景技术

KDP光学晶体是用水溶液培养的一种人工光学晶体，属于四方光学晶体。属于这一类型的光学晶体还有ADP(磷酸二氢氨)、KD^*P(磷酸二氘钾)等。由于磷酸二氢钾(KDP)容易生长成大块均匀光学晶体，在0.2～2.5μm波长范围内透明度很高，且抗激光破坏阈值很高，所以在光电子技术中得到广泛的应用，是高功率驱动器中的倍频件和电光器件的重要材料，长期以来在非线性光学方面一直广泛用于光的倍频、和频、差频和混频等。而大尺寸、高质量KDP光学晶体材料则是在核爆模拟技术领域中，不可替代的关键材料，是核能发电中核聚变反应器的关键材料之一。由于西方发达国家禁止出口其大尺寸、高质量KDP光学晶体材料及其相关技术，致使该材料在国际市场上十分紧俏。需求大尺寸、高质量的KDP光学晶体，是我国自行研制核发电机组工作的当务之急，随着核能发电业的发展，KDP光学晶体的需求量将越来越大，建立拥有我国自主知识产权的KDP光学晶体材料生产企业将会带来非常大的经济和社会效益。目前在大尺寸KDP生长工艺技术上已获得了较大的突破，但在大尺寸KDP光学晶体坯体切割分离加工方面，仍然是一个较大的瓶颈。目前我国的KDP光学晶体切割分离方法主要是采用机械方法-油冷锯条切割分离方法，这种分割方法具有如下问题：

1、由于油冷锯条切割加工时产生震动和热效应对具有各向异性、质软、脆性高、易潮解、对加工温度敏感，内部应力大、易开裂的KDP光学晶体造成破坏性伤害极大，使得光学晶体在机械加工时极易发生碎裂；

2、机械切割分离总是存在一定宽度的切口，导致光学晶体分离尺寸精度较差；

3、机械切割分离方位受KDP光学晶体自身各项异性的影响；

4、机械切割分离KDP光学晶体过程中不可避免的产生粉尘和碎屑，将会污染KDP光学晶体表面，破坏高质量的KDP光学晶体表面质量，严重时，将会导致成型KDP光学晶体报废。

发明内容

针对KDP光学晶体在机械切割加工过程中存在以上的问题，本发明提供了一种将高峰值功率、低能量超短脉冲激光束与低峰值功率、高能量激光束相结合的双激光束分离光学晶体方法，该方法实现在分离光学晶体过程中无碎裂、分离精度高、可任意方向分离和无污染的目的；本发明还提供了实现该方法的装置。

本发明提供的一种双激光束分离光学晶体方法，其特征在于，该方法利用高峰值功率、低脉冲能量的第一激光束在光学晶体内形成光损伤线所形成的一个损伤截面，利用低峰值功率、高脉冲能量的第二激光束作用于所述损伤线所形成的损伤截面上，使光学晶体分离。

实现所述方法的装置，其特征在于，该装置包括第一、第二激光加工系统和二维工作台，第一激光加工系统包括第一Z轴移动机构以及依次位于第一光路上的第一激光器、第一扩束准直镜、第一反射镜和第一聚焦镜；第一聚焦镜固定在第一Z轴移动机构上；第二激光加工系统包括第二Z轴移动机构以及依次位于第二光路上的第二激光器、第二扩束准直镜、第二反射镜和第二聚焦镜；第二聚焦镜固定在第二Z轴移动机构上，第一光路与第二光路平行，二维工作台位于第一和第二聚焦镜的下方，用于固定光学晶体。

本发明利用激光与材料相互作用无机械作用力和对激光具有透明性的特点，对光学晶体进行分离，实现在分离光学晶体过程中无碎裂、分离精度高、可任意方向分离和无污染的目的。该方法基本原理是利用高峰值功率、低能量超短脉冲激光束在光学晶体对在0.2～2.5μm波长范围内吸收率较低(约为10％左右)的特点，将激光束聚焦在光学晶体内部某一点，使该点处被光学晶体吸收的激光功率密度高于光学晶体的损伤阈值，诱发多光子电离而产生大量的“电子气体”引起强烈的激光的非线性吸收；导致局部烧伤、熔化或微裂，从而可大幅度提高光学晶体对激光的吸收率。此外，采用低能量脉冲激光和超快时间与光学晶体相互作用以及控制光学晶体与激光作用点尺寸，可避免光学晶体因吸收过多的能量和长时间照射下，引起温度过高而产生较大的热应力，导致光学晶体发热开裂的现象；而且还可以忽略不计激光对物质作用时产生的热扩散作用，消除热影响区影响，使未被激光作用区域仍保持光学晶体的固有光学和机械物理性能。将超短脉冲激光的聚焦点自下而上沿分离方向扫描，即可实现对光学晶体内部任意作用截面区域对激光能量吸收率的提高，同时又因化学键断裂或局部熔化而导致该截面区域结合力大幅度减弱，达到分离方向控制的目的。然后采用低峰值功率、高能量激光束沿着高峰值功率、低能量激光束与光学晶体相互作用区域的方向进行扫描。由于光学晶体与高峰值功率、低能量超快脉冲激光束相互作用截面区对激光能量吸收率大幅提高和结合力大幅度减弱，而未被激光作用区域仍保持光学晶体的固有光学和机械物理性能(透过率仍然很高以及结合力依然较大)，使入射激光能量被光学晶体选择性的吸收；即，只有光学晶体提高吸收率区域的光学晶体吸收激光束能量，而未提高吸收率区域则仍具有较高透射率，故光学晶体沿激光扫描方向处的温度迅速达到熔化汽化温度，产生较大的热内应力并沿被激光作用结合力薄弱截面区域迅速扩展，瞬间完成光学晶体的分离，因而本发明具有以下优点：

1、由于激光束与光学晶体相互作用是非接触性，因而消除了机械方法在切割过程中产生导致光学晶体破碎的震动和机械应力；

2、激光分离光学晶体可以比机械切割分离获得更精确的分离尺寸；

3、不受光学晶体自身各项异性的影响，可进行任意方向的分离；

4、由于双激光束分离光学晶体过程中无粉尘碎屑，也无需油冷却，消除了分离光学晶体过程中对光学晶体表面污染破坏；

5、本发明特别适用于KDP光学晶体的分离。

附图说明

图1为双激光束分离光学晶体方法之一的示意图；

图2为双激光束分离光学晶体方法之二的示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实例对本发明方法作进一步详细的说明。

本发明方法定义高峰值功率、低脉冲能量的激光束为第一激光束，低峰值功率、高脉冲能量的另一激光束为第二激光束。

本发明提供的技术方案可以采用两种实施方式来完成，具体说明如下：

第一种具体实施方式包括下述步骤：

(1)将第一激光束(峰值功率不低于2×10⁴W，脉冲能量为40nJ到1mJ范围)沿Z轴方向(即垂直方向)经聚焦镜后形成聚焦激光束入射到光学晶体内，并聚焦在光学晶体底部。

第一激光束在晶体的聚焦处获得超过光学晶体的损伤阈值的激光功率密度，产生微小的明亮的闪光点，使局部烧伤、熔化或微裂。

光学晶体的激光损伤阈值是指引起光学晶体的光学性能降低，甚至完全丧失光学性能，造成光学晶体激光诱导损伤，定义损伤几率(损伤点数占测定点数的概率)50％时的能量值为激光损伤能量，此值与焦斑面积之比就是激光损伤阈值；

(2)第一激光束与光学晶体沿所需分离的x方向(即光学晶体分离的方向)产生相对移动，使第一激光束在光学晶体底部形成一条光损伤线。移动速度(即扫描速度)取决于激光的峰值功率，通常不小于0.3m/min；

(3)然后沿Z轴向上移动第一激光束的聚焦点，移动距离为聚焦光斑直径的1到4倍，使第一激光束再沿x相反方向以相同扫描速度沿所需分离方向与光学晶体作相对移动，在光学晶体内的第一条光损伤线上方再形成另一条光损伤线；

(4)重复步骤(3)，直到整个光学晶体厚度沿分离方向形成一个被第一激光束作用的激光损伤截面；

(5)采用第二激光束沿Z轴方向经聚焦镜后形成点或线聚焦激光束入射到光学晶体的所述激光损伤截面上，焦平面位于光学晶体内，第二激光束为分离光学晶体所需能量源，其峰值功率为50W到1×10⁴W，脉冲能量不小于2mJ；

(6)使第二激光束与光学晶体沿所需分离的x方向产生多次相对移动，直至激光损伤截面的温度达到熔化或汽化温度，产生较大的热内应力沿光学晶体结合力薄弱区域迅速扩展，瞬间完成光学晶体的分离为止。移动速度(即扫描速度)取决于激光能量的大小，通常不小于1m/min。

第二种具体实施方式包括下述步骤：

(1)将第一激光束沿Z轴方向(即垂直方向)经聚焦镜后形成聚焦激光束入射到光学晶体内，并聚焦在光学晶体底部，在该处获得超过光学晶体的激光损伤阈值的激光功率密度，产生微小的明亮的闪光点，使局部烧伤、熔化或微裂；

(2)第一激光束与光学晶体沿所需分离的x方向产生相对移动，使第一激光束在光学晶体底部形成一条光损伤线；

(3)采用第二激光束沿Z轴方向经聚焦镜后形成点或线聚焦激光束入射到光学晶体的所述一条光损伤线上；

(4)使第二激光束与光学晶体沿所需分离的x方向以扫描不小于1m/min的速度产生多次相对移动，形成沟槽；

(5)沿Z轴向上移动第一、第二激光束的聚焦点，移动距离为聚焦光斑直径的1到4倍；

(6)使第一激光束再沿x相反方向以相同扫描速度沿所需分离方向与光学晶体作相对移动，在光学晶体内的第一条沟槽上方再形成另一条光损伤线；

(7)使第二激光束与光学晶体沿所需分离的x方向产生多次相对移动，使光损伤线达到熔化汽化温度而被去除或因热应力使光学晶体沿结合力薄弱区域迅速裂开，与先形成沟槽联通；

(8)判断整个光学晶体是否完成分离，如果是，结束，否则转入步骤(5)。

第二种具体实施方式与第一种具体实施方式相比只是二束激光束使用顺序有所不同，不需要改变其工艺参数。

如图1所示，本发明装置包括第一、第二激光加工系统和二维工作台22，第一激光加工系统包括第一Z轴移动机构6以及依次位于第一光路上的第一激光器1、第一扩束准直镜2、第一反射镜3和第一聚焦镜4；第一聚焦镜4固定在第一Z轴移动机构6上。第一激光器1的峰值功率不低于2×10⁴W，脉冲能量在40nJ到1mJ范围。第二激光加工系统包括第二Z轴移动机构16以及依次位于第二光路上的第二激光器10、第二扩束准直镜11、第二反射镜12和第二聚焦镜13；第二聚焦镜4固定在第二Z轴移动机构16上，其峰值功率为50W到1×10⁴W，脉冲能量不小于2mJ。第一光路与第二光路平行，二维工作台22位于第一、第二聚焦镜4、16下方，用于固定光学晶体20。

双激光束分离光学晶体具体实施方式之一(如图1所示)是先采用对光学晶体20具有较高的透明度的高峰值功率、低能量超短脉冲激光束(即第一激光束)7(波长范围为0.2～2.5μm)，经聚焦镜4后，沿z轴方向入射到光学晶体20内，成为点聚焦激光束8，并被聚焦在光学晶体20底部，在该处获得超过光学晶体的损伤阈值的激光功率密度，产生微小的局部烧伤、熔化或微裂；并沿所需分离的x方向，以一定的速度移动工作台22，使激光束8在光学晶体20底部形成一条光损伤线5。然后通过移动机构6带动聚焦镜4向z轴上方移动一个距离，再沿x相反方向以相同的速度移动工作台22，使激光束8在光学晶体20内又形成另一条光损伤线。再移动机构6带动聚焦镜4向z轴上方移动一个距离，重复以上过程，直到整个光学晶体厚度沿分离方向形成一个被激光束8作用的损伤截面9；从而实现对光学晶体内部作用面的吸收率的提高和大幅度减弱该截面区域结合力，达到分离方向的控制，而又不会因光学晶体因吸收过多的能量和长时间照射下产生较大的热应力导致光学晶体发热开裂的现象。然后再采用对光学晶体20具有较高的透明度的低峰值功率不高于1×10⁴W、脉冲能量不小于2mJ的激光束(即第二激光束)17(波长范围为0.2～2.5μm)，经聚焦镜13后，成为点或线聚焦激光束18，沿z轴方向入射到光学晶体20被激光束8作用截面9上。移动机构16再带动聚焦镜13使点或线聚焦激光束18的焦平面光学晶体20内，沿所需分离的x方向，快速移动工作台22。光学晶体20的作用截面9由于对激光吸收率大幅度提高而迅速吸收较多的能量，使沿激光扫描方向处的温度迅速达到熔化汽化温度，产生较大的热内应力沿光学晶体结合力薄弱区域迅速扩展，瞬间完成光学晶体的分离。

双激光束分离光学晶体具体实施方式之二如图2所示，先采用对光学晶体20具有较高的透明度的高峰值功率、低能量超短脉冲激光束7(波长范围为0.2～2.5μm)，经聚焦镜4后，沿z轴方向入射到光学晶体20内，成为点聚焦激光束8，并被聚焦在光学晶体20底部，在该处获得超过光学晶体的损伤阈值的激光功率密度，产生微小的局部加热或光损伤；沿所需分离的x方向，以一定的速度移动工作台22，使激光束8在光学晶体20底部形成一条光损伤线5。然后再采用对光学晶体20具有较高的透明度的低峰值功率、高能量激光束17(波长范围为0.2～2.5μm)，经聚焦镜13后，成为点或线聚焦激光束18，沿z轴方向入射到光学晶体20被激光束8作用线(即光损伤线5)上；沿所需分离的x方向，快速移动工作台22，光学晶体20的作用线5由于对激光吸收率大幅度提高而迅速吸收较多的能量，使沿激光扫描方向处的温度迅速达到熔化汽化温度而被去除，形成沟槽19。然后同时移动机构6和13带动聚焦镜4和16向z轴上方移动一个距离，先让高峰值功率、低能量超短脉冲激光束7再沿所需分离的x方向，以相同速度移动工作台22，使激光束8在光学晶体20又产生一条光损伤线。然后再让低峰值功率、高能量激光束17沿所需分离的x方向，快速移动工作台22，使光损伤线迅速达到熔化汽化温度而被去除或因热应力使光学晶体结沿合力薄弱区域迅速裂开，与先形成沟槽19联通。然后再同时移动机构6和13带动聚焦镜4和16向z轴上方移动一个距离，重复以上过程直至整个光学晶体完成分离为止。

实例1：

本发明采用了脉冲宽度为50fs、波长为800nm、最高脉冲峰值功率为4×10¹¹W、最大单脉冲能量为2mJ的飞秒脉冲激光器作为高峰值功率、低能量超短脉冲激光束和YLR-50型号光钎激光器，输出波长为1070nm，输出峰值激光功率为50W，脉冲能量为1J作为低峰值功率、高能量激光束，聚焦光斑直径分别为10μm和50μm，分离KDP试样尺寸为长度60mm，厚度11.18mm。实验方法：采用双激光束分离KDP光学晶体具体实施方式之一，调节飞秒激光器脉冲能量为1mJ，脉冲峰值功率为2×10¹¹W，扫描速度0.6m/min。光纤激光器输出峰值功率为50W，脉冲能量为1J，扫描速度1m/min。实验结果：光学晶体沿激光扫描线方向分离，分离端面平滑，无微裂纹产生，只需稍作抛光处理便可得到应用中所要求的光学平面。

实例2：

本发明采用了UVP266-0.25型号皮秒紫外激光器，输出波长为266nm，脉冲宽度为15ps，输出最大单脉冲能量为250nJ，最高脉冲峰值功率为1.7×10¹¹W的紫外激光器作为高峰值功率、低能量超短脉冲激光束和YLM-200型号光钎激光器，输出波长为1070nm，输出连续激光功率200W作为低峰值功率、高能量激光束，聚焦光斑直径分别为6μm和80μm，分离KDP试样尺寸为长度40mm，厚度55mm。实验方法：采用双激光束分离KDP光学晶体具体实施方式之二，调节紫外激光器输出脉冲能量为40nJ，脉冲峰值功率为2.6×10⁴W，扫描速度0.3m/min，光纤激光器输出功率为175W，扫描速度1.8m/min。实验结果：光学晶体沿激光扫描线方向分离，分离端面较为粗糙，但无微裂纹产生，需要作抛光处理便可得到应用中所要求的光学平面。

实例3：

本发明采用了Awave-532-20-25K型皮秒绿光激器，输出波长为532nm，脉冲宽度为12ps，输出最大单脉冲能量为40μJ，最高脉冲峰值功率为3×10⁷W作为高峰值功率、低能量超短脉冲激光束，聚焦光斑直径分别为10μm，采用了YLR-6000-QCW型号光钎激光器，输出波长为1070nm，输出激光最大峰值功率为6×10³W，脉冲能量为50J作为低峰值功率、高能量激光束，线聚焦面积为1mm²，分离KDP试样1尺寸为长度98mm，厚度100mm。实验方法：采用双激光束分离KDP光学晶体具体实施方式之一，调节皮秒激光器脉冲能量为40μJ，脉冲峰值功率为3×10⁶W，扫描速度1.5m/min。光纤激光器输出功率为6×10³W，脉冲能量为50J，扫描速度3.5m/min。实验结果：光学晶体沿激光扫描线方向分离，分离端面较为平滑，在光学晶体内部的其他方向不产生裂纹，需作简单的机械修平然后抛光处理便可得到应用中所要求的光学平面。

实例4：

本发明采用了s-pulse HP飞秒激光器，脉冲宽度为500fs、波长为1030nm，最大单脉冲能量为1.2mJ，最高脉冲峰值功率为2.4×10⁹W作为高峰值功率、低能量超短脉冲激光束和YLP-2/500/50型号光钎激光器，输出波长为1070nm，输出激光最大峰值功率为1×10⁴W，脉冲能量为2mJ作为低峰值功率、高能量激光束，聚焦光斑直径分别为10μm和50μm，分离KDP试样1尺寸为长度98mm，厚度10mm。实验方法：采用双激光束分离KDP光学晶体具体实施方式之二，调节飞秒激光器脉冲能量为10nJ，脉冲峰值功率为2×10⁴W，扫描速度0.3m/min。光纤激光器输出峰值功率为1×10⁴W，脉冲能量为2mJ，扫描速度1.5m/min。实验结果：光学晶体沿激光扫描线方向分离，分离端面较为平滑，在光学晶体内部的其他方向不产生裂纹，需作简单的机械修平然后抛光处理便可得到应用中所要求的光学平面。

本方法也同样可以用于双激光束分离其它的光学晶体，如酸锂(LiNbO3-LN)、磷酸二氘钾(KD2PO4-DKDP)、碘酸锂(LiIO3-LI)、磷酸氧钛钾(KTiOPO4-KTP)、偏硼酸钡(-BaB2O4-BBO)、三硼酸锂(LiB3O5-LBO)、铌酸钾(KNbO3-KN)、硼酸铯(CSB3O5-CBO)、硼酸铯锂(LiCSB6O10-CLBO)、氟硼酸钾铍(KBe2BO3F2-KBBF)以及硫银镓(AgGaS2-AGS)、砷镉锗(CdGeAs-CGA)、磷锗锌(ZnGeP2-ZGP)等非线性光学光学晶体。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种双激光束分离光学晶体方法，其特征在于，该方法利用高峰值功率、低脉冲能量的第一激光束在光学晶体内形成光损伤线形成的一个损伤截面，利用低峰值功率、高脉冲能量的第二激光束作用于所述损伤线所形成的损伤截面上，使光学晶体分离。

2.根据权利要求1所述的双激光束分离光学晶体方法，其特征在于，其特征在于，第一激光束的峰值功率大于等于2×10⁴W，脉冲能量为40nJ到1mJ范围内；第二激光束的峰值功率为50W到 1×10⁴ W，脉冲能量大于等于2mJ。

3.根据权利要求1或2所述的双激光束分离光学晶体方法，其特征在于，其特征在于，其具体步骤为：

（a1）将第一激光束沿Z轴方向经聚焦镜后形成聚焦激光束入射到光学晶体内，并聚焦在光学晶体底部；

（a2）第一激光束与光学晶体沿所需分离的x方向产生相对移动，使第一激光束在光学晶体底部形成一条光损伤线；

（a3）然后沿Z轴向上移动第一激光束的聚焦点，移动距离为聚焦光斑直径的1到4倍，使第一激光束再沿x相反方向以相同扫描速度沿所需分离方向与光学晶体作相对移动，在光学晶体内的第一条光损伤线上方再形成另一条光损伤线；

（a4）重复步骤（a3 ），直到整个光学晶体厚度沿分离方向形成一个被第一激光束作用的激光损伤截面；

（a5）采用第二激光束沿Z轴方向经聚焦镜后形成点或线聚焦激光束入射到光学晶体的所述激光损伤截面上，焦平面位于光学晶体内；

（a6）使第二激光束与光学晶体沿所需分离的x方向产生多次相对移动，直至激光损伤截面的温度达到熔化或汽化温度，产生的热内应力沿光学晶体结合力薄弱区域迅速扩展，完成光学晶体的分离为止。

4.根据权利要求1所述的双激光束分离光学晶体方法，其特征在于，其特征在于，其具体步骤为：

（b1）将第一激光束沿Z轴方向经聚焦镜后形成聚焦激光束入射到光学晶体内，并聚焦在光学晶体底部； 

（b2）第一激光束与光学晶体沿所需分离的x方向产生相对移动，使第一激光束在光学晶体底部形成一条光损伤线；

（b3）采用第二激光束沿Z轴方向经聚焦镜后形成点或线聚焦激光束入射到光学晶体的所述一条光损伤线上；

（b4）使第二激光束与光学晶体沿所需分离的x方向产生多次相对移动，形成沟槽；

     （b5）沿Z轴向上移动第一、第二激光束的聚焦点，移动距离为聚焦光斑直径的1到4倍；

（b6）使第一激光束再沿x相反方向以相同扫描速度沿所需分离方向与光学晶体作相对移动，在光学晶体内的第一条沟槽上方再形成另一条光损伤线；

（b7）使第二激光束与光学晶体沿所需分离的x方向产生多次相对移动，使光损伤线达到熔化汽化温度而被去除或因热应力使光学晶体结沿合力薄弱区域迅速裂开，与先形成沟槽联通；

（b8）判断整个光学晶体是否完成分离，如果是，结束，否则转入步骤（b5）。

5.一种实现权利要求1所述双激光束分离光学晶体方法的装置，其特征在于，该装置包括第一、第二激光加工系统和二维工作台，第一激光加工系统包括第一Z轴移动机构以及依次位于第一光路上的第一激光器、第一扩束准直镜、第一反射镜和第一聚焦镜；第一聚焦镜固定在第一Z轴移动机构上；第二激光加工系统包括第二Z轴移动机构以及依次位于第二光路上的第二激光器、第二扩束准直镜、第二反射镜和第二聚焦镜；第二聚焦镜固定在第二Z轴移动机构上，第一光路与第二光路平行，二维工作台位于第一、第二聚焦镜下方，用于固定光学晶体。

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