CN103513489B - 一种激光承载及光束变换器件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光承载及光束变换器件，其特征在于，所述器件包括采用SiC单晶材料的基底；所述基底包括相对设置的第一通光面和第二通光面；并且，在所述第一通光面和/或所述第二通光面上设置有激光薄膜。所述激光承载及光束变换器件，采用SiC单晶材料作为基底，并且在基底的通光面上设置相应的激光薄膜，可以设置为激光反射镜、激光曲面镜、激光变形镜及多波长激光合束光栅等实现对功率为数千瓦至数十千瓦的高能强激光的有效承载、光束变换、波前畸变自适应校正及多束子激光合束。
Description
技术领域
本发明涉及激光技术领域，特别涉及一种高功率激光承载及光束变换器件。
背景技术
近十余年来，近红外波段固体激光技术已比较成熟，正在向高功率/超高功率（10kW～100kW）和高光束质量（近衍射极限）方向发展，以满足军事、工业和科研的重大需求。由于功率/能量升高，固体材料中的吸收、量子亏损等导致的热效应问题、非线性问题、损伤问题等，成为固体激光向高功率强激光发展的瓶颈。发展高综合性能的固体激光材料是发展固体强激光的基础与关键，解决固体强激光中的热效应、非线性、损伤等科学问题的关键是发展大尺寸、极低吸收、高热导、高光学性能与高均匀性的强激光关键材料。
强激光承载及光束变换材料是固体强激光系统中关键材料之一，其要求材料具备高热导率、高透过率、高损伤、低热膨胀系数、低热变形系数、高光学均匀性及易加工等特点。特别是随着激光功率的不断提升，对承载材料提出了更为苛刻的要求。由于作用在目标材料上的强激光束会使材料的特性和状态发生变化，如温升、膨胀、熔融、汽化、飞散、击穿和破裂等，对材料的毁伤作用主要为热作用破坏、力学破坏和辐射破坏。因此，强激光承载材料对材料的综合性能提出了很高的要求。
目前可用的强激光承载材料主要包括Glass、YAG、Al2O3、Si和SiO2等，这些材料各有其优缺点，其中SiO2材料由于其较好的综合性能使得其成为应用最多的材料之一。然而，SiO2材料由于其热导率仅为1.3W·m-1·K-1，将严重制约其在高功率激光系统中的应用，而且目前作为强激光承载及光束变换所需的高性能SiO2材料依然严重依赖于国外进口，因而使得我国强激光系统的进一步发展受到了极大限制。
发明内容
（一）要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种激光承载及光束变换器件，以实现对功率达数千瓦及数十千瓦级的高功率激光的有效承载和光束变换。
（二）技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种激光承载及光束变换器件，所述器件包括采用SiC单晶材料的基底；所述基底包括相对设置的第一通光面和第二通光面；所述第一通光面和所述第二通光面均经过光学抛光处理；并且，在所述第一通光面和/或所述第二通光面上设置有激光薄膜。
其中，所述基底采用6H晶型SiC单晶材料、4H晶型SiC单晶材料、2H晶型SiC单晶材料、3C晶型SiC单晶材料或者15R晶型SiC单晶材料。
其中，所述第一通光面和/或所述第二通光面为方形平面或者矩形平面或者圆形平面或者圆形曲面。
其中，所述激光薄膜为设置在所述第一通光面或所述第二通光面上，对应0至90度入射角激光的高反膜。
其中，所述激光薄膜为设置在所述第一通光面和所述第二通光面上，对应0度入射角激光的增透膜。
其中，所述激光薄膜包括设置在所述第一通光面上对应第一入射角激光并且实现0至100%反射率的反射膜，以及设置在所述第二通光面上对应第二入射角激光的增透膜；或者，所述激光薄膜包括设置在所述第二通光面上对应第一入射角激光并且实现0至100%反射率的反射膜，以及设置在所述第一通光面上对应第二入射角激光的增透膜；其中，所述第一入射角介于0至90度，所述第二入射角等于所述第一入射角。
本发明还提供一种激光承载及光束变换器件，所述器件设置为激光变形镜，包括SiC单晶材料的基底，所述基底包括设置第一通光面，并且在所述第一通光面设置有激光薄膜；在所述第一通光面相对的另一面通过压电堆与底板连接。
其中，所述激光薄膜为对应0°±5°入射角激光的高反膜。
本发明还提供一种激光承载及光束变换器件，所述器件设置为多波长激光合束光栅，包括SiC单晶材料的基底，所述基底包括设置第一通光面和第二通光面，在所述第一通光面或第二通光面上刻蚀光栅条纹形成反射式或透射式光栅，并且在所述第一通光面或第二通光面设置相应的对应多波长激光的高反或增透激光薄膜。
其中，所述基底采用6H晶型SiC单晶材料、4H晶型SiC单晶材料、2H晶型SiC单晶材料、3C晶型SiC单晶材料或者15R晶型SiC单晶材料。
（三）有益效果
本发明实施例所述激光承载及光束变换器件，采用SiC单晶材料作为基底，并且在基底的通光面上设置相应的激光薄膜，基于SiC单晶材料在光、热、机械等方面特有的优异性能，可以实现对功率为数千瓦至数十千瓦的激光的有效承载和光束变换。
附图说明
图1是本发明实施例一所述激光承载及光束变换器件的结构示意图；
图2是本发明实施例二所述激光承载及光束变换器件的结构示意图；
图3是本发明实施例三及四所述激光承载及光束变换器件的结构示意图；
图4是本发明实施例五所述激光承载及光束变换器件的结构示意图；
图5是本发明实施例六所述激光承载及光束变换器件的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
SiC晶体作为第三代宽禁带半导体代表之一，具有热导率高、击穿场强高、禁带宽度大、抗辐射能力强、耐腐蚀、热稳定性和化学稳定好等优秀的材料性质，在微波大功率器件、高频器件、耐高温和抗辐射方面具有显著的优势，是微电子、光电子、电力电子等高新技术以及国防工业、信息产业和新能源产业等支柱产业的关键材料。截至目前，人们对SiC晶体材料的研究和应用都主要集中在半导体领域，从未在强激光领域得到应用。然而SiC晶体表现出的优良光学性能及热学性能，特别是其极高的热导性能，如6H-SiC晶体的热导率高达490W·m-1·K-1，比Glass和SiO2的热导率高两个数量级，从而使得其作为高功率激光承载及光束变换具有其它材料无法比拟的优势，同时，SiC晶体还表现出其他材料不可比拟的热膨胀系数，精细加工的SiC表面可达到非常平整的程度，其表面粗糙度可达0.1nm及以下，另外理论上SiC晶体在可见到中远红外波段均具有较高的透过率。本发明利用SiC晶体的上述优良特性，将其应用于数千瓦及数十千瓦级高功率激光的承载和光束变换领域。
实施例1
图1是本发明实施例一所述激光承载及光束变换器件的结构示意图，如图1所示，所述器件包括：基底110和激光薄膜121。
所述基底110采用6H晶型SiC单晶材料，长60mm，宽15mm，高3mm，通光孔径为60mm×15mm。所述基底110的后部为第一通光面111，前部为第二通光面112。所述第一通光面111和所述第二通光面112均经过光学抛光处理，表面粗糙度小于0.4nm，光洁度为10-5，平面度为λ/10@632nm。
所述激光薄膜121为对应45度入射角的1064nm激光的高反膜，设置在所述第一通光面111的表面。
由于SiC材料具有极高的热导率，高的损伤阈值及优良的光学性能，因此所述器件可以有效实现对功率为数千瓦至数十千瓦的近红外1064nm激光光束方向的90度偏转。
实施例2
图2是本发明实施例二所述激光承载及光束变换器件的结构示意图，如图2所示，本实施例所述器件与实施例一所述器件基本相同，其不同之处仅在于：基底210采用3C晶型SiC单晶材料；所述基底210的第一通光面211和第二通光面212上分别设置有第一激光薄膜221和第二激光薄膜222；所述第一通光面211为平面，所述第二通光面212为水平方向曲率R=500mm的圆柱曲面，所述第一激光薄膜221和所述第二激光薄膜222为对应0度入射角的808nm激光的增透膜。本实施例所述器件可以实现对功率为数千瓦至数十千瓦的808nm激光光束的聚焦。
实施例3
图3是本发明实施例三所述激光承载及光束变换器件的结构示意图，如图3所示，本实施例所述器件与实施例一所述器件基本相同，其不同之处仅在于，基底310为圆形，直径50mm，边缘厚度为3mm。所述基底310的第一通光面311为曲率R=1000mm的圆曲面，第二通光面312仍然为平面。分别设置在所述第一通光面311表面的第一激光薄膜321和设置在所述第二通光面312表面的第二激光薄膜322采用对应0度入射角的1064nm激光的增透膜。本实施例所述器件可以实现对功率为数千瓦至数十千瓦的1064nm激光的光束聚焦
实施例4
本实施例所述器件与实施例三所述器件基本相同，其不同之处仅在于，基底采用4H晶型SiC单晶材料，第一通光面311及第二通光面312均为平面，只在所述基底的第一通光面311上设置激光薄膜；并且，所述激光薄膜为对应45度入射角的氟化氢激光的高反膜。本实施例所述器件可以实现对功率为数千瓦至数十千瓦的氟化氢激光光束方向的90度偏转。
另外，本发明的所述激光薄膜还可能按照下述方式进行设置：在所述基底的第一通光面311上设置对应第一入射角激光并且实现0至100%反射率的反射膜，同时在所述第二通光面312上设置对应第二入射角激光的增透膜；或者，
在所述第二通光面312上设置对应第一入射角激光并且实现0至100%反射率的反射膜，同时在在所述第一通光面311上设置对应第二入射角激光的增透膜；
其中，所述第一入射角介于0至90度，所述第二入射角等于所述第一入射角。
本发明实施例所述激光承载及光束变换器件，采用SiC单晶材料作为基底，并且在基底的通光面上设置相应的激光薄膜，可以实现对功率为数千瓦至数十千瓦的激光的有效承载和光束变换。
实施例5
图4是本发明实施例五所述激光承载及光束变换器件的结构示意图，如图4所示，所述器件设置为激光变形镜，包括采用SiC单晶材料的变形镜基底410，其包括设置第一通光面，并且在所述第一通光面设置有激光薄膜421；在所述第一通光面相对的另一面通过压电堆430与底板440连接。变形镜基底410采用6H晶型SiC单晶材料，直径70mm，厚度为2mm，其上第一通光面设置对应0°±5°入射角的1064nm激光高反膜421，通过对压电堆430的控制，快速改变激光变形镜面面形形状，从而改变光束波前，实现对激光光束波前畸变的校正。
由于SiC材料具有极高的热导率，高的损伤阈值及优良的光学性能，因此所述基于SiC单晶材料的变形镜器件可以有效实现对功率为数千瓦至数十千瓦的近红外1064nm激光的波前畸变的校正。
实施例6
图5是本发明实施例六所述激光承载及光束变换器件的结构示意图，如图5所示，所述器件设置为反射式三波长激光合束光栅，包括采用长50mm，宽30mm，高3mm，通光孔径为50mm×30mm的6H晶型SiC单晶材料的光栅基底510，其包括设置第一通光面，在第一通光面上刻蚀光栅条纹形成反射式光栅，并在此光栅面上制备三波长1062nm及1065nm及1055nm的激光高反膜511，三束激光以不同的入射角经光栅面反射后沿同一方向输出实现空间合束。
由于SiC材料具有极高的热导率，高的损伤阈值及优良的光、热及机械性能，因此所述基于SiC单晶材料的激光合束光栅具有高的温度稳定性、高的激光损伤性能及高的激光承载能力，可以有效实现多束高功率强激光的合束。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。
Claims (3)
1.一种激光承载及光束变换器件，其特征在于，所述器件包括采用SiC单晶材料的基底；所述基底包括相对设置的第一通光面和第二通光面；并且，在所述第一通光面和所述第二通光面上设置有激光薄膜；
所述激光薄膜包括设置在所述第一通光面上对应第一入射角激光并且实现0至100％反射率的反射膜，以及设置在所述第二通光面上对应第二入射角激光的增透膜；
其中，所述第一入射角介于0至90度，所述第二入射角等于所述第一入射角。
2.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述基底采用6H晶型SiC单晶材料、4H晶型SiC单晶材料、2H晶型SiC单晶材料、3C晶型SiC单晶材料或者15R晶型SiC单晶材料。
3.如权利要求1所述的器件，其特征在于，所述第一通光面和/或所述第二通光面为方形平面、矩形平面、圆形平面或者圆形曲面。
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