CN106451040A - 高吸收效率和散热性能的阳光泵浦复合晶体及其制备 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种高吸收效率和散热性能的阳光泵浦复合晶体及其制备，所述复合晶体包括掺钕钇铝石榴石晶体层和钇铝石榴石晶体层；所述钇铝石榴石晶体层位于掺钕钇铝石榴石晶体层外侧。其制备方法为将钇铝石榴石晶体层和掺钕钇铝石榴石晶体层键合即可。本发明利用无掺杂YAG晶体较高的热导率提升激光晶体的散热性能，利用复合结构增大了激光工作晶体散热面积，利用键合固体材料提高Nd:YAG晶体表面散热均衡程度，同时可以有效的提高泵浦光的利用效率。该复合晶体可用于光泵浦尤其是阳光泵浦的激光器系统设计中，提高阳光泵浦系统的散热能力和泵浦光利用效率，其温度均衡功能还可以进一步提高输出激光的光束质量，扩展光泵浦激光器的使用范围。

Description

高吸收效率和散热性能的阳光泵浦复合晶体及其制备
技术领域
本发明涉及激光技术领域，具体涉及一种高吸收效率和散热性能的阳光泵浦复合晶体及其制备。
背景技术
在阳光泵浦激光器系统中，激光工作晶体热效应问题是输出功率不能提高的主要原因。一方面，由于阳光谱段远远宽于激光工作晶体的有效吸收谱段，因此激光工作晶体吸收的大量阳光能量将转换为内部热量。另一方面，当前主流的阳光泵浦激光晶体中，如掺钕钇铝石榴石(Nd:YAG)晶体，由于泵浦光入射方向能量吸收不均匀导致的晶体温度梯度效应和端面形变热透镜，会在棒内产生热致双折射、热透镜等效应，并且激光高功率运转时，端面的热应力会对表面镀膜产生很大的破坏作用。这些热效应限制了阳光泵浦激光器输出功率的进一步提高。
现有技术中，专利文献CN102916334A公开了一种用于激光系统的复合晶体结构，包括复合晶体，所述复合晶体包括激光晶体区域、非线性晶体区域以及位于所述激光晶体区域和非线性晶体区域之间的隔离区。能够使复合晶体中的激光晶体区域和非线性晶体区域都在最佳状态下工作，从而在实现小型化的前提下，提高激光器的工作效率。该专利的激光晶体区域与基质晶体区域仅一面连接，激光晶体区域位于外侧，基质晶体区域位于内侧，该结构存在的主要问题是是采用高压粘合方式容易造成晶体间接触面的破损和改形，改变光路传播方向。虽然使用了紫外胶辅助粘合，但紫外胶与两晶体之间的折射率均不同，非同类折射率介质接触面将产生光线折射，不利用光光传输。且从该文献的说明书第[0014]段的记载“复合晶体可以用一个完整的基质晶体，通过精确控制钕离子的掺杂深度形成掺杂区和非掺杂区从而实现激光晶体和隔离层，然后再与单独制备的非线性晶体粘结得到”，说明激光晶体区域和基质晶体区域的形成是通过控制钕离子的掺杂深度而形成。然而该描述只强调了隔离晶体自身不产生热量，但是隔离晶体本身具有一定的导热率，且导热率与掺杂晶体处于同一数量级，因此其导热能力较强，达不到完全隔热的效果。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种高吸收效率和散热性能的阳光泵浦复合晶体及其制备，应用于太阳光直接光泵浦激光器系统的多面键合复合晶体结构设计，利用复合晶体结构热导率差异加强入射光能量吸收、辅助散热，降低光泵浦系统的热控需求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
本发明提供了一种高吸收效率和散热性能的阳光泵浦复合晶体，所述复合晶体包括掺钕钇铝石榴石晶体层(Nd:YAG)和钇铝石榴石晶体层(YAG)；所述钇铝石榴石晶体层位于掺钕钇铝石榴石晶体层外侧。
优选地，所述掺钕钇铝石榴石晶体层为圆柱体。
优选地，所述钇铝石榴石晶体层位于掺钕钇铝石榴石晶体层外侧壁和/或顶壁。
优选地，所述掺钕钇铝石榴石晶体层高8-10mm，直径5-6mm。该尺寸下可产生1～10瓦量级的激光。
优选地，所述钇铝石榴石晶体的厚度为1-2mm。
更优选地，所述位于掺钕钇铝石榴石晶体层外侧壁的钇铝石榴石晶体的入射端侧面厚度为2mm，沿着入射方向递减，在底端侧面减至1mm。由于光泵浦过程中入射端能量较大，出射端能量较小，因此采用上厚下薄的设计可以使系统整体温度保持均衡。即在能量强的一端布置更厚的散热层，在能量弱的一端布置较薄的散热层，维持温度均衡。
更优选地，所述位于掺钕钇铝石榴石晶体层顶壁的钇铝石榴石晶体层厚度不超过激光工作晶体Nd:YAG长度的20％；更优选厚度为1mm-2mm。所述YAG厚度超过Nd:YAG长度的20％，将导致入射泵浦光散失较快，导致泵浦光在晶体内部形成震荡反射的光程较长；厚度过小则散射光线在晶体边缘形成全反射的概率较高，厚度大则光线逸失较严重，被有效吸收的部分将减少，从而降低了晶体的整体吸收效率和泵浦效率。
本发明还提供了一种高吸收效率和散热性能的阳光泵浦复合晶体的制备方法，所述方法包括以下步骤：
优选地，所述键合方法为热键合，具体包括以下步骤：将所述的钇铝石榴石晶体内表面和掺钕钇铝石榴石晶体外表面进行平滑处理后紧密的贴在一起，在室温下形成光胶，对整个混合晶体进行热处理，即可。
优选地，所述热处理的温度为175～1800℃，处理时间为10～20h。
热键合方法是一种扩散键合方法，通过钇铝石榴石晶体和掺钕钇铝石榴石晶体贴合后在室温下形成光胶，在不使用粘结剂和高压的情况下对整个混合晶体进行热处理，即可使两种晶体永久性键合。
本发明利用多面键合复合晶体结构设计提高阳光泵浦工作晶体的“光-光”转换率，降低激光工作晶体的热耗，提高晶体自身的散热性能，为阳光泵浦激光器的设计提供优化基础。这种复合晶体结构设计可以应用到地面和空间阳光泵浦激光器系统中，具有使用寿命长，长寿命，大功率等优点。该系统也可以应用于具有相同需求的地面光通信系统。如搭载于微小行星以及其他低功耗空间探测器中的激光通信系统或激光遥测系统，或其他地面阳光泵浦激光引用系统。
无掺杂YAG晶体键合在正常掺杂的Nd:YAG激光工作晶体表面，可以吸收来自Nd:YAG晶体内部由于电子弛豫产生的热能，同时由于无掺杂的YAG晶体内部不含激光工作离子，不会吸收Nd:YAG晶体内的入射光能量，不影响Nd:YAG激光工作晶体对入射泵浦光的吸收效率。
所述复合晶体结构设计是指通过对两种晶体进行键合，按照入射光方向和Nd:YAG激光工作晶体形状要求，将无掺杂YAG晶体采取合理结构键合于Nd:YAG激光工作晶体表面。这种结构相对于Nd:YAG激光工作晶体裸露在空气或水中散热具有几点优势：一是通过无掺杂YAG晶体热导率的提高改善了晶体与外界煤质的热传导效率，二是增大了激光工作晶体的散热面积进而提高了散热效率，三是通过键合固体物质消除了由于空气和水湍流引起的局部散热不均现象，提高了泵浦稳定性和散热均衡性。四是在无掺杂YAG与Nd:YAG键合面处入射光的散射效应大大降低，使原本应散逸到外界的部分泵浦光重新入射到Nd:YAG晶体内，提高了入射泵浦光利用率。
本发明利用YAG晶体与Nd:YAG激光工作晶体键合的方式提高激光工作晶体的散热面积及导热效率，提高Nd:YAG激光工作晶体表面的温度均衡度，降低晶体内部热致双折射、热透镜等效应的影响，提升阳光泵浦激光系统能效和输出光品质，减轻热控压力。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明利用无掺杂YAG晶体较高的热导率提升激光晶体的散热性能，利用复合结构增大了激光工作晶体散热面积，利用键合固体材料提高Nd:YAG晶体表面散热均衡程度，同时可以有效的提高泵浦光的利用效率。
2、本发明的复合晶体可用于光泵浦尤其是阳光泵浦的激光器系统设计中，提高阳光泵浦系统的散热能力和泵浦光利用效率，其温度均衡功能还可以进一步提高输出激光的光束质量，扩展光泵浦激光器的使用范围。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为现有技术中Nd:YAG晶体的工作示意图；
图2为本发明的复合晶体制备工艺流程图；
图3为端面泵浦激光工作晶体复合晶体结构示意图；
图4为多面泵浦激光工作晶体复合晶体结构示意图；
其中1为掺钕钇铝石榴石晶体层；2为钇铝石榴石晶体层。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例提供了一种端面泵浦激光工作晶体复合晶体结构及其制备方法，所述复合晶体如图2所示，包括掺钕钇铝石榴石晶体层1和钇铝石榴石晶体层2；所述钇铝石榴石晶体层2位于掺钕钇铝石榴石晶体层1外侧壁。
所述掺钕钇铝石榴石晶体层1为圆柱体。
所述掺钕钇铝石榴石晶体层1高8mm，直径5mm。
所述钇铝石榴石晶体层2的厚度为1mm。
所述复合晶体的制备方法包括如下步骤：
步骤一、分别制备钇铝石榴石晶体层和掺钕钇铝石榴石晶体层；
步骤二、将制备的钇铝石榴石晶体层和掺钕钇铝石榴石晶体层键合，即得。
所述键合的具体方法为：将所述的钇铝石榴石晶体内表面和掺钕钇铝石榴石晶体外表面进行平滑处理后紧密的贴在一起，在室温下形成光胶，对整个混合晶体进行热处理，即可；所述热处理的温度为175～1800℃，处理时间为10～20h。
该实施例制备的复合晶体的吸收效率为94％，晶体表面热均匀性可达65％以上，散热性能优异。与Nd:YAG激光工作晶体(如图1所示)的吸收效率相比，提高了20％以上，散热性能表面热均匀度提高了25％以上。
实施例2
本实施例提供了一种多面泵浦激光工作晶体复合晶体结构及其制备方法，所述复合晶体如图4所示，包括掺钕钇铝石榴石晶体层和钇铝石榴石晶体层；所述钇铝石榴石晶体层位于掺钕钇铝石榴石晶体层外侧壁。
所述掺钕钇铝石榴石晶体层为圆柱体。
所述掺钕钇铝石榴石晶体层高10mm，直径6mm。
所述位于掺钕钇铝石榴石晶体层外侧壁的钇铝石榴石晶体层的厚度为：沿光入射方向厚度由2mm递减至1mm。
所述复合晶体的制备方法包括如下步骤：
步骤一、分别制备钇铝石榴石晶体层和掺钕钇铝石榴石晶体层；
步骤二、将制备的钇铝石榴石晶体层和掺钕钇铝石榴石晶体层键合，即得。
所述键合的具体方法为：将所述的钇铝石榴石晶体内表面和掺钕钇铝石榴石晶体外表面进行平滑处理后紧密的贴在一起，在室温下形成光胶，对整个混合晶体进行热处理，即可；所述热处理的温度为175～1800℃，处理时间为10～20h。
该实施例制备的复合晶体的吸收效率为96％，散热性能主要为晶体表面热均匀性可达60％以上。与Nd:YAG激光工作晶体(如图1所示)的吸收效率相比，提高了20％以上，散热性能表面热均匀度提高了25％以上。
实施例3
本实施例提供了一种多面泵浦激光工作晶体复合晶体结构及其制备方法，所述复合晶体如图4所示，包括掺钕钇铝石榴石晶体层和钇铝石榴石晶体层；所述钇铝石榴石晶体层位于掺钕钇铝石榴石晶体层外侧壁和顶壁。
所述掺钕钇铝石榴石晶体层为圆柱体。
所述掺钕钇铝石榴石晶体层高10mm，直径6mm。
所述位于掺钕钇铝石榴石晶体层外侧壁的钇铝石榴石晶体层的厚度为：沿光入射方向厚度由2mm递减至1mm。
所述位于掺钕钇铝石榴石晶体层顶壁的钇铝石榴石晶体层的厚度为2mm。
所述复合晶体的制备方法包括如下步骤：
步骤一、分别制备钇铝石榴石晶体层和掺钕钇铝石榴石晶体层；
步骤二、将制备的钇铝石榴石晶体层和掺钕钇铝石榴石晶体层键合，即得。
所述键合的具体方法为：将所述的钇铝石榴石晶体内表面和掺钕钇铝石榴石晶体外表面进行平滑处理后紧密的贴在一起，在室温下形成光胶，对整个混合晶体进行热处理，即可；所述热处理的温度为175～1800℃，处理时间为10～20h。
该实施例制备的复合晶体的吸收效率为95％，散热性能主要为晶体表面热均匀性可达60％以上。与Nd:YAG激光工作晶体(如图1所示)的吸收效率相比，提高了20％以上，散热性能表面热均匀度提高了25％以上。
本实施例所述的端面泵浦激光工作晶体复合晶体结构的设计原理是利用无掺杂YAG晶体与Nd:YAG激光工作晶体相键合得到一种散热效率更高的复合晶体结构，无掺杂YAG晶体键合在Nd:YAG激光工作晶体的外表面，用来提高复合晶体的表面热传导效率，提高晶体的散热性能和表面温度均衡性。所述复合晶体结构设计适用于端面泵浦工作晶体，包括端面泵浦激光工作晶体复合晶体结构侧面键合设计(图3)与多面泵浦激光工作晶体复合晶体结构端面键合设计(图4)。
当应用场合不同时，Nd:YAG激光工作晶体的尺寸有差异，所述结构适用于长度为8mm-10mm，直径5mm-6mm的Nd:YAG激光工作晶体。侧面YAG键合厚度为1mm-2mm，其中入射端侧面YAG厚度为2mm，沿着入射方向递减，在尾端减至1mm。端面YAG键合厚度不超过Nd:YAG激光工作晶体长度的20％，为1mm-2mm。
所述的富含晶体的工作过程如下：
步骤一，当入射光(阳光)到达激光工作晶体端面时，先经过特定厚度的无掺杂YAG晶体，随后到达Nd:YAG激光工作晶体端面，进入Nd:YAG激光工作晶体。由于泵浦光入射端面会形成较高的吸收，产生较高温度，因此在Nd:YAG激光工作晶体端面之前键合的无掺杂YAG晶体可以辅助Nd:YAG激光工作晶体端面散热，提高激光工作晶体的使用寿命。由于无掺杂YAG晶体不吸收入射光能量，因此不影响Nd:YAG激光工作晶体的工作效率。
步骤二，在晶体内部，由于入射光前端功率不断被吸收，导致前端功率下降，因此在晶体内部入射光径向形成温度递减，以此为依据可以逐渐减小Nd:YAG激光工作晶体侧面键合的无掺杂YAG晶体厚度，实现Nd:YAG激光工作晶体散热性能的均衡性，避免内部温差。
步骤三，在散热过程中，复合晶体外侧采用流动气体或者流水辅助散热，由于气体和水流会形成温度湍流，直接接触Nd:YAG激光工作晶体会造成局部散热不均，键合YAG晶体可以在复合晶体内侧形成温差衰减效应，使复合晶体表面的局部温度不均在复合晶体内部逐渐弱化，降低对Nd:YAG激光工作晶体的影响。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种高吸收效率和散热性能的阳光泵浦复合晶体，其特征在于，所述复合晶体包括掺钕钇铝石榴石晶体层和钇铝石榴石晶体层；所述钇铝石榴石晶体层位于掺钕钇铝石榴石晶体层外侧。
2.如权利要求1所述的高吸收效率和散热性能的阳光泵浦复合晶体，其特征在于，所述掺钕钇铝石榴石晶体层为圆柱体。
3.如权利要求2所述的高吸收效率和散热性能的阳光泵浦复合晶体，其特征在于，所述钇铝石榴石晶体层位于掺钕钇铝石榴石晶体层外侧壁和/或顶壁。
4.如权利要求2或3所述的高吸收效率和散热性能的阳光泵浦复合晶体，其特征在于，所述掺钕钇铝石榴石晶体层高8-10mm，直径5-6mm。
5.如权利要求4所述的高吸收效率和散热性能的阳光泵浦复合晶体，其特征在于，所述钇铝石榴石晶体的厚度为1-2mm。
6.如权利要求5所述的高吸收效率和散热性能的阳光泵浦复合晶体，其特征在于，所述位于掺钕钇铝石榴石晶体层外侧壁的钇铝石榴石晶体的入射端侧面厚度为2mm，沿着入射方向递减，在底端侧面减至1mm。
7.如权利要求5所述的高吸收效率和散热性能的阳光泵浦复合晶体，其特征在于，所述位于掺钕钇铝石榴石晶体层顶壁的钇铝石榴石晶体层厚度不超过掺钕钇铝石榴石晶体层长度的20％。
8.一种如权利要求1所述的高吸收效率和散热性能的阳光泵浦复合晶体的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
分别制备钇铝石榴石晶体层和掺钕钇铝石榴石晶体层；
将制备的钇铝石榴石晶体层和掺钕钇铝石榴石晶体层键合，即得。
9.如权利要求8所述的高吸收效率和散热性能的阳光泵浦复合晶体的制备方法，其特征在于，所述键合方法具体包括以下步骤：将所述的钇铝石榴石晶体内表面和掺钕钇铝石榴石晶体外表面进行平滑处理后紧密的贴在一起，在室温下形成光胶，对整个混合晶体进行热处理，即可。
10.如权利要求9所述的高吸收效率和散热性能的阳光泵浦复合晶体的制备方法，其特征在于，所述热处理的温度为175～1800℃，处理时间为10～20h。
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