CN106410596A - 一种板条激光增益介质及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种板条激光增益介质及其制备方法。本发明的板条激光增益介质包括：复合区，及分别位于复合区左右两端的两个非掺杂区；复合区包括三层，由上到下依次为上掺杂层、非掺杂层及下掺杂层；非掺杂区及非掺杂层均由未掺杂激活离子的基质材料构成；上掺杂层和下掺杂层均由掺杂激活离子的基质材料构成，在上掺杂层和下掺杂层中激活离子具有多种掺杂浓度。借助于本发明的技术方案，可以实现板条激光增益介质工作时产生的废热通过最短的路径排出，从而保证了整个板条激光增益介质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。

Description

一种板条激光增益介质及其制备方法

技术领域

本发明涉及全固态激光器领域，特别涉及一种板条激光增益介质及其制备方法。

背景技术

常用的固体激光增益介质有三种结构：棒状结构、片状结构、及板条结构。光束在板条结构的增益介质中以“之”字形传输，可以补偿由于温度梯度所造成的波前畸变和偏振特性变化，有利于提高输出功率，有利于获得良好的光束质量。目前采用板条结构增益介质的固体激光器在连续运转或脉冲运转等方面，都得到了广泛应用

在理想情况下，“之”字型光路的板条状增益介质激光器输出激光光束几乎不受热畸变的影响。但在实际研制的板条固体激光器中，由于复杂的工艺要求，难以实现完全的一维温度场，因此在实际工作中不存在理想的绝热。此外，由于端面效应及侧面的边缘效应等问题，一般情况下板条状增益介质激光器的工作状态与理想状况还有很大的偏离。目前固体激光技术都是采用均匀掺杂激光材料，在板条激光增益介质端头键合不掺杂的基质晶体，通过调整泵浦分布和散热结构来实现增益分布与热管理的平衡，从而消除端面的热效应。但是新一代激光武器、光电对抗装备、光电探测等军事应用对各类固体激光器提出了更高功率、更高光束质量、更高效率、更小体积的迫切要求，需要更有效的增益材质提高泵浦光注入功率，将激光晶体与泵浦源和冷却热沉等激光器元件融合，发展出结构紧凑、光束质量优异的固体激光器。

发明内容

为了满足对固体激光器更高功率、更高光束质量、更高效率、更小体积的需求，提供提高泵浦光注入功率，本发明提供了一种板条激光增益介质及其制备方法。

本发明提供的板条激光增益介质，包括：复合区，及分别位于所述复合区左右两端的两个非掺杂区；所述复合区包括三层，由上到下依次为上掺杂层、非掺杂层及下掺杂层；

所述非掺杂区及所述非掺杂层均由未掺杂激活离子的基质材料构成；

所述上掺杂层和所述下掺杂层均由掺杂激活离子的基质材料构成，在所述上掺杂层和所述下掺杂层中所述激活离子具有多种掺杂浓度。

本发明提供了一种板条激光增益介质的制备方法，当所述基质材料为激光晶体时，包括以下步骤：

将若干个掺杂单晶板的端面进行键合，得到激活离子具有多种掺杂浓度的单晶板；其中，所述掺杂单晶板为掺杂有激活离子的激光晶体；

将所述具有多种掺杂浓度的单晶板进行切割和抛光，分别得到上掺杂层和下掺杂层；

选择第一非掺杂单晶板，将所述上掺杂层的水平面与所述第一非掺杂单晶板的水平面进行键合；

将所述第一非掺杂单晶板非键合的水平面进行减薄后精抛光，并与所述下掺杂层的水平面进行键合，得到复合区，将复合区的两端进行抛光；

选择两个第二非掺杂单晶板，将两个所述第二非掺杂单晶板分别与所述复合区的左右两端进行端面键合，并进行抛光和切割。

本发明还提供了一种板条激光增益介质的制备方法，当所述基质材料为激光陶瓷时，包括以下步骤：

选择若干个非掺杂陶瓷坯料、及若干个掺杂陶瓷坯料；

将若干个所述非掺杂陶瓷坯料和掺杂陶瓷坯料按照权利要求1～5任一项所述的板条激光增益介质的结构压合在一起，进行烧结成型后，切割、减薄和精抛光。

本发明的有益效果如下：

本发明实施例设计了一种板条激光增益介质的复合结构，上掺杂层和下掺杂层为掺杂区，掺杂区集中在板条激光增益介质的表面，且上掺杂层和下掺杂层中所述激活离子具有多种掺杂浓度，这种多种掺杂浓度区的板条激光增益介质不仅可以大大提高泵浦吸收效率，还可以实现板条激光增益介质工作时产生的废热通过最短的路径排出，从而保证了整个板条激光增益介质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，由于板条具有中心不掺杂区，因此通光孔径要比超薄板条大，有利于短脉冲激光运转。

附图说明

图1是本发明装置实施例的板条激光增益介质的纵剖图；

图2是本发明方法实施例的一种板条激光增益介质的制备方法的流程图；

图3是本发明方法实施例的另一种板条激光增益介质的制备方法的流程图；

其中：1、上掺杂层；2、非掺杂层；3、下掺杂层；4、非掺杂区。

具体实施方式

为了满足对固体激光器更高功率、更高光束质量、更高效率、更小体积的需求，提供提高泵浦光注入功率，本发明提供了一种板条激光增益介质及其制备方法，以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。

根据本发明的装置实施例，提供了一种板条激光增益介质，图1是本发明装置实施例的板条激光增益介质的纵剖图；如图1所示，根据本发明装置实施例的板条激光增益介质，包括：复合区，及分别位于所述复合区左右两端的两个非掺杂区；所述复合区包括三层，由上到下依次为上掺杂层、非掺杂层及下掺杂层；

所述非掺杂区及所述非掺杂层均由未掺杂激活离子的基质材料构成；

所述上掺杂层和所述下掺杂层均由掺杂激活离子的基质材料构成，在所述上掺杂层和所述下掺杂层中所述激活离子具有多种掺杂浓度。

具体地，所述板条激光增益介质的纵剖面为梯形或平行四边形的板条状结构，所述板条激光增益介质中所述复合区为立方体结构。

所述板条激光增益介质的端头优选采用布氏角切割或45°角切割。

具体的，在所述上掺杂层和所述下掺杂层中激活离子的掺杂浓度为连续渐变或区域阶变。目前受限于板条激光增益介质的掺杂技术，区域阶变是最为可行的方案，通过合理设计板条掺杂区的长度、厚度以及掺杂浓度等参数保证泵浦光的充分吸收。

本发明实施例中所述基质材料优选为激光晶体、激光玻璃或激光陶瓷。

本发明实施例的多种掺杂浓度区的复合结构板条激光增益介质，其中所述的激活离子优选为Nd，也可以为其他各种类型离子(例如Yb离子、Er离子、Tm离子)以及依需要设计的各种掺杂浓度。

本发明实施例的多种掺杂浓度区的复合结构板条激光增益介质，其中所述的多种掺杂浓度区的掺杂区的厚度最好小于等于1mm，所述中间不掺杂区的厚度大于等于3mm，优选为3～5mm。

本发明装置实施例的多种掺杂浓度区的复合结构板条激光增益介质，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。

本发明装置实施例的多种掺杂浓度区的复合结构板条激光增益介质，泵浦耦合设计可以采用端面泵浦，也可以采用大面泵浦。

本发明装置实施例的多种掺杂浓度区的复合结构板条激光增益介质，该种结构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。

本发明装置实施例的多种掺杂浓度区的复合结构板条激光增益介质，可以用在谐振腔中，连续运转，脉冲运转，调Q运转；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。

本发明装置实施例的多种掺杂浓度区的复合结构板条激光增益介质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。

本发明的多种掺杂浓度区的复合结构板条激光增益介质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。

当所述基质材料为激光晶体时，根据本发明的方法实施例，提供了一种板条激光增益介质的制备方法，图2是本发明方法实施例的一种板条激光增益介质的制备方法的流程图，如图2所示，根据本发明方法实施例的板条激光增益介质的制备方法包括如下处理：

步骤201，将若干个掺杂单晶板的端面进行键合，得到激活离子具有多种掺杂浓度的单晶板；其中，所述掺杂单晶板为掺杂有激活离子的激光晶体；

步骤202，将所述具有多种掺杂浓度的单晶板进行切割和抛光，分别得到上掺杂层和下掺杂层；

步骤203，选择第一非掺杂单晶板，将所述上掺杂层的水平面与所述第一非掺杂单晶板的水平面进行键合；

步骤204，将所述第一非掺杂单晶板非键合的水平面进行减薄后精抛光，并与所述下掺杂层的水平面进行键合，得到复合区，将复合区的两端面进行抛光；

步骤205，选择两个第二非掺杂单晶板，将两个所述第二非掺杂单晶板分别与所述复合区的左右两端进行端面键合，并进行切割、减薄和抛光。

具体的，当所述基质材料为激光晶体时，一种板条激光增益介质的制备方法包括以下步骤：

首先选择厚度适宜精抛光的具有高低不同掺杂浓度的Nd：YAG单晶板若干块，按照标准的扩散键合工艺，将这几块不同掺杂浓度的Nd：YAG单晶板按照低浓度、高浓度、低浓度的顺序依次进行端面键合，得到一块具有不同掺杂浓度的Nd：YAG单晶板，对此Nd：YAG单晶板进行切割加工并精抛光，获得两块尺寸较薄的具有不同掺杂浓度的Nd：YAG单晶板。将其中一块不同掺杂浓度Nd：YAG单晶板和一块厚度适宜精抛光的YAG单晶板进行大面的键合，形成YAG—Nd：YAG结构单晶板，然后将其中的YAG单晶部分剪薄至所需厚度精抛光。然后再将另一块不同掺杂浓度Nd：YAG单晶板与上述的YAG—Nd：YAG结构单晶板的YAG单晶面进行大面的键合，得到Nd：YAG—YAG—Nd：YAG结构的空心掺杂板条，将此掺杂板条的两端面精抛光。然后选择厚度适宜精抛光的YAG单晶板两块，分别和上述的Nd：YAG—YAG—Nd：YAG结构的空心掺杂板条的两端进行端面键合，获得了板条两面中间位置具有不同掺杂浓度的Nd：YAG单晶板，最后将此Nd：YAG单晶板两面的YAG—Nd：YAG—YAG单晶部分剪薄至所需厚度，切割端头至所需角度及所需的板条长度，精抛光。

当所述基质材料为激光陶瓷时，根据本发明的方法实施例，提供了一种板条激光增益介质的制备方法，图3是本发明方法实施例的另一种板条激光增益介质的制备方法的流程图，如图3所示，根据本发明方法实施例的板条激光增益介质的制备方法包括如下处理：

步骤301，选择若干个非掺杂陶瓷坯料、及若干个掺杂陶瓷坯料；

步骤302，将若干个所述非掺杂陶瓷坯料和掺杂陶瓷坯料按照权利要求1～5任一项所述的板条激光增益介质的结构压合在一起，进行烧结成型后，切割、减薄和精抛光。

具体的，当所述基质材料为激光陶瓷时，一种板条激光增益介质的制备方法包括以下步骤：

首先制备尺寸符合要求的YAG陶瓷坯料三块以及高低不同掺杂浓度的Nd：YAG陶瓷坯料若干块，将这几块坯料按照设计结构直接压合在一起，然后按照标准激光陶瓷烧结工艺对坯料经行烧结，成型后减薄两表面YAG—Nd：YAG—YAG陶瓷部分至所需厚度，切割端头至所需要角度以及所需的板条长度，精抛光。

为了更加详细的说明本发明实施例，给出实例1～实例3。

实例1

以Nd：YAG材料为例：采用单晶扩散键合的方法，首先将尺寸为30mm×26mm×6mm精抛光的Nd掺杂0.5at％、Nd掺杂1.0at％、Nd掺杂0.5at％的Nd：YAG单晶板依次进行26mm×6mm端面的键合，获得一块尺寸为90mm×26mm×6mm的具有不同掺杂浓度的Nd：YAG单晶板1，对Nd：YAG单晶板1进行切割加工及精抛光，获得两块尺寸为90mm×26mm×1.2mm的具有不同掺杂浓度的Nd：YAG单晶板2和Nd：YAG单晶板3。将Nd：YAG单晶板2和一块厚度为3.5mm精抛光的无掺杂YAG单晶板进行90mm×26mm大面键合，获得有不同掺杂浓度的YAG—Nd：YAG单晶板4，对Nd：YAG单晶板4的无掺杂的YAG单晶部分剪薄至3mm，精抛光。然后再将Nd：YAG单晶板3和Nd：YAG单晶板4的无掺杂的YAG单晶面进行90mm×26mm大面键合，获得Nd：YAG—YAG—Nd：YAG结构的Nd：YAG单晶板5。将Nd：YAG单晶板5的两端精抛光后分别和两块尺寸为20mm×26mm×5.4mm的精抛光的无掺杂YAG单晶板进行26mm×5.4mm端面键合，最后形成两面中间位置具有不同掺杂浓度Nd：YAG单晶板6。然后将Nd：YAG单晶板6两面的YAG—Nd：YAG—YAG单晶部分剪薄至1mm，切割端头至45度角以及尺寸为146mm×26mm×5mm的板条，精抛光。

实例2

以Nd：YAG材料为例：采用单晶扩散键合的方法，首先将尺寸为18mm×26mm×6mm精抛光的Nd掺杂0.3at％、Nd掺杂0.6at％、Nd掺杂1.0at％、Nd掺杂0.6at％、Nd掺杂0.3at％的Nd：YAG单晶板依次进行26mm×6mm端面的键合，获得一块尺寸为90mm×26mm×6mm的具有不同掺杂浓度的Nd：YAG单晶板1，对Nd：YAG单晶板1进行切割加工及精抛光，获得两块尺寸为90mm×26mm×6mm的具有不同掺杂浓度的Nd：YAG单晶板2和Nd：YAG单晶板3。将Nd：YAG单晶板2和一块厚度为3.5mm精抛光的无掺杂YAG单晶板进行90mm×26mm大面键合，获得有不同掺杂浓度的YAG—Nd：YAG单晶板4，对Nd：YAG单晶板4的无掺杂的YAG单晶部分剪薄至3mm，精抛光。然后再将Nd：YAG单晶板3和Nd：YAG单晶板4的无掺杂的YAG单晶面进行90mm×26mm大面键合，获得Nd：YAG—YAG—Nd：YAG结构的Nd：YAG单晶板5。将Nd：YAG单晶板5的两端精抛光后分别和两块尺寸为20mm×26mm×6mm的精抛光的无掺杂YAG单晶板进行26mm×5.4mm端面键合，最后形成两面中间位置具有不同掺杂浓度Nd：YAG单晶板6。然后将Nd：YAG单晶板6两面的YAG—Nd：YAG—YAG单晶部分剪薄至1mm，精抛光，切割端头为布氏角度以及尺寸为146mm×26mm×5mm的板条，精抛光。

实例3

采用陶瓷烧结工艺实现不同掺杂浓度板条的步骤是，首先制备尺寸为20mm×26mm×5.4mm的YAG陶瓷坯料两块、尺寸为90mm×26mm×3mm的YAG陶瓷坯料一块，尺寸为30mm×26mm×1.2mm的Nd掺杂0.5at％的Nd：YAG陶瓷坯料四块、尺寸为30mm×26mm×1.2mm的Nd掺杂1.0at％的Nd：YAG陶瓷坯料两块，九块坯料按照图1所示的顺序排列组合后直接压合在一起，然后按照激光陶瓷烧结工艺对坯料进行烧结，成型后剪薄两面YAG—Nd：YAG—YAG陶瓷部分至1mm，切割端头至45度角以及尺寸为146mm×26mm×5mm的板条，精抛光。

本发明实施例创新设计的多种掺杂浓度区复合结构板条激光增益介质，通过对板条激光增益介质的几何构型与掺杂分布区的合理设计，使掺杂区的掺杂浓度实现连续渐变或区域阶变，处理增益介质内部的废热，减小热效应的影响，降低板条激光增益介质引起的被放大光束的波前畸变，同时提高增益介质端面的抗损伤能力，实现固体激光器的高功率、高光束质量的激光输出。

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

Er：铒

Tm：铥

YAG：钇铝石榴石

Nd：YAG：掺钕钇铝石榴石

以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.一种板条激光增益介质，其特征在于，包括：复合区，及分别位于所述复合区左右两端的两个非掺杂区；所述复合区包括三层，由上到下依次为上掺杂层、非掺杂层及下掺杂层；

所述非掺杂区及所述非掺杂层均由未掺杂激活离子的基质材料构成；

所述上掺杂层和所述下掺杂层均由掺杂激活离子的基质材料构成，在所述上掺杂层和所述下掺杂层中所述激活离子具有多种掺杂浓度。

2.如权利要求1所述的板条激光增益介质，其特征在于，所述板条激光增益介质的纵剖面为梯形或平行四边形的板条状结构；所述板条激光增益介质中的所述复合区为立方体结构。

3.如权利要求1所述的板条激光增益介质，其特征在于，在所述上掺杂层和所述下掺杂层中激活离子的掺杂浓度为连续渐变或区域阶变。

4.如权利要求1所述的板条激光增益介质，其特征在于，所述上掺杂层和所述下掺杂层的厚度均小于等于1mm，所述非掺杂层的厚度大于等于3mm。

5.如权利要求1所述的板条激光增益介质，其特征在于，所述基质材料选取激光晶体、激光玻璃或激光陶瓷中的一种；

所述激活离子选取Nd³⁺、Er³⁺、Yb³⁺、Tm²⁺中的任意一种。

6.一种权利要求1～5任一项所述的板条激光增益介质的制备方法，其特征在于，当所述基质材料为激光晶体时，包括以下步骤：

将若干个掺杂单晶板的端面进行键合，得到激活离子具有多种掺杂浓度的单晶板；其中，所述掺杂单晶板为掺杂有激活离子的激光晶体；

将所述具有多种掺杂浓度的单晶板进行切割和抛光，分别得到上掺杂层和下掺杂层；

选择第一非掺杂单晶板，将所述上掺杂层的水平面与所述第一非掺杂单晶板的水平面进行键合；

将所述第一非掺杂单晶板非键合的水平面进行减薄后精抛光，并与所述下掺杂层的水平面进行键合，得到复合区，将复合区的左右两端进行抛光；

选择两个第二非掺杂单晶板，将两个所述第二非掺杂单晶板分别与所述复合区的左右两端进行端面键合，并进行抛光和切割。

7.一种权利要求1～5任一项所述的板条激光增益介质的制备方法，其特征在于，当所述基质材料为激光陶瓷时，包括以下步骤：

选择若干个非掺杂陶瓷坯料、及若干个掺杂陶瓷坯料；

将若干个所述非掺杂陶瓷坯料和掺杂陶瓷坯料按照权利要求1～5任一项所述的板条激光增益介质的结构压合在一起，进行烧结成型后，切割、减薄和精抛光。