CN107867800B - 用于固态激光器的包层玻璃 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有至少1.7的折射率的玻璃以及所述玻璃作为固态激光器的包层玻璃的用途。本发明也涉及激光器组件，其包括掺杂蓝宝石芯，和置于所述芯上的包层玻璃。所述包层玻璃设置于所述芯上，使得因寄生激光活性而从所述芯射出的光可以进入所述包层玻璃且可以在其中得以吸收。因此，得到具有改善效率的激光器组件。本发明还涉及用于制造该激光器组件的方法。

Description

用于固态激光器的包层玻璃
技术领域
本发明涉及一种固态激光器以及用于固态激光器的包层玻璃。
背景技术
光激励激光器通常指的是固态激光器，其放大介质包括也被称为基质晶体或基质物质的结晶体或玻璃样固体。基质晶体掺杂外来物质的离子。通过将能量引入至激光介质中，将电子充能到较高的能量水平，从而得到受激原子。该过程也被称为泵浦。一般来说，固态激光器是光泵浦的。当这样激发的原子被具有所述能量的待发射光子所激励，然后该激发原子再次回落至正常状态，并且因此发射出具有如所述激励光子那样的同样能量以及同样相位的光子。两个光子运动方向是相同的。由于这样的激励光子的复制，激光介质作为也称为典型“激光发射”的光放大器。从现有技术来看，这样的固态激光器是众所周知的。大多数情况下，激光活性是由自发发射予以启动，电子通过自发发射在统计上经过一个物质特定的半衰期后回落到常态，并且因此发射每个均有单独的方向和相位的光子。当除了激活介质之外存在至少部分反射镜的空腔时，通常进行激光操作，将具有一定方向的光子在所述部分反射镜之间再次引导通过该活性介质，并且之后刺激进一步的发射。然后，具有该方向并具有相同相位的光子将为多数。正常情况下，通过自发发射在另一方向上发射的光子将不会放大。
一个确定的基质晶体是蓝宝石。蓝宝石是由Al2O3的晶体形式，其特点是极高的硬度。蓝宝石晶体是一种光学负单轴晶体，其可以由晶轴c以及垂直于c且彼此相互垂直的晶轴a和b来加以描述。在蓝宝石的情况下，晶轴c是光轴。在蓝宝石的情况下，对于正交于光轴传播的辐射，可以实现最高的光放大。但是，由于轴a和轴b都与轴c正交，且因此有又彼此正交的两个轴(a，b)，所以沿所述两个轴可以产生光的放大。然而，正常情况下，期望的是仅在两个方向之一中进行放大，从而仅在其中一个方向上设置放大光出口。关于垂直于这种优选方向引起的自发发射的放大作用也被称为寄生激光活性。通过该寄生激光活性，在没有利用所发射光子用于所需的激光操作的可能性的条件下，进一步的激发原子活动经刺激而发射，原因是他们未沿着优选取向传播，而是在与之相垂直的方向上传播。因此，寄生激光活性与激光器的效率降低有关，因为被泵浦入激光介质的能量未使用，而是以这种方式丢失。因此，激光器的效率会降低。
在与激光方向不同方向上的自发发射无法在激光介质中加以抑制。然而，当一部分光在蓝宝石晶体和周围介质(通常为空气)之间的界面上被反射回晶体或甚至来回反射若干次并因而提供了寄生的激光活性进一步放大并且通过受激发射耗散其它能量时，这种现象特别棘手。这种情况被称为寄生振荡。当在寄生方向的活性介质中的激光的放大(也称增益)较高时，那么仅低反射率足以(例如在激光介质和空气之间不是非反射界面的情况下)带来相当大的能量损失。因此，可以通过防止垂直于激光照射方向的光背反射到蓝宝石晶体中或者至少使其衰减很大，而使寄生激光活性得以衰减。
在掺杂蓝宝石的情况下，源于寄生激光活性(寄生激光)的光放大是如此之高(特别是正交于优选放大方向和正交于蓝宝石的晶轴c)，从而甚至在激光晶体的侧表面抗反射涂层的情况下也发生强反射，以至于只能通过进一步使用抑制寄生激光反射的措施来解决这个问题。
这样的解决方案是：将二碘甲烷(作为液体包层材料)与激光介质的侧面相接触。这种液体具有调节的折射率，并吸收寄生光，从而抑制反射。但这种液体有几个致命性的缺点。首先，它是液体而非固体的事实导致一个更复杂和容易失效的激光系统。其次，由于必须保持且固定激光介质于激光区之上，所以激光介质与液体相接触的面积较为有限。第三，这种液体有害健康。第四，这种液体随着时间而分解且必须定期更换。第五，针对这种问题的解决方案，折射率必须在一定波长范围内予以调整，在中心波长处的反射率可以通过加入添加剂的方式来最低程度地加以改变，色散(折射率对波长的依赖性)或多或少是恒定的且有别于蓝宝石的色散。
因此，尝试以固体包层减少寄生振荡，并且从而提高激光效率。一个功能原则(其基于采用包层玻璃来抑制寄生光)描述于美国专利US 4,217,382 A，但本发明涉及掺钕氟磷酸盐玻璃的特殊情况。在该系统中，要抑制的寄生激光的波长为1052nm，活性介质的折射率约为1.46，即在美国专利US 4,217,382A中描述的发明根本不适合作为掺杂的蓝宝石的包层。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种方法或装置，在掺杂蓝宝石的情况下适合用于抑制可见光范围内的寄生光，并克服现有技术的玻璃的缺点。该目的通过权利要求的主题来解决。
本发明提供一种极其适合于此目的的用于掺杂蓝宝石的包层玻璃。有利地，将包层玻璃布置在掺杂蓝宝石晶体表面上，使得寄生激光行为的光冲击到晶体/包层玻璃界面上而非晶体/空气界面上。由于将包层玻璃的折射率朝着蓝宝石晶体折射率调整的事实，使得其差异非常小，出现的反射大大降低，并且很大一部分光通过晶体进入包层玻璃成为可能。然而，在这种情况下，由于材料的强各向异性，必须考虑，蓝宝石晶体的特征在于折射的两个主要系数，即普通折射率no和非常折射率ne。非常折射率涉及在平行于光轴的方向偏振的光(π-偏振光)。由于大部分比例的不良寄生光为π-偏振光，当包层玻璃具有朝掺杂蓝宝石的非常折射率调整的折射率时，这是有利的。在本文描述中，术语“折射率”、“折射的系数”和“折射系数”是同义的。
现在的风险是，已经进入包层玻璃的寄生激光在不朝向芯的包层玻璃/空气界面上反射，并且在再次穿过包层玻璃之后再次进入掺杂蓝宝石。为了防止这种情况，当包层玻璃在寄生激光的波长范围内具有尽可能低的内部传输(internal transmission)时是有利的。因为当寄生激光被有效地吸收到包层玻璃中时，就不可能再次进入掺杂蓝宝石。
本发明所述的一种激光器组件，其包括：
a)掺杂蓝宝石的芯，和
b)置于所述芯上的包层玻璃，其在厚度1mm、波长范围750nm至850nm的情况下具有最多0.8、优选最多0.5、进一步优选最多0.4、进一步优选最多0.3、进一步优选最多0.2、进一步优选最多0.15、进一步优选最多0.1的内部传输，
其中，对于在波长范围750nm至850nm的辐射，所述掺杂蓝宝石的非常折射率与所述包层玻璃的折射率彼此相差最多0.05，优选最多0.04，进一步优选最多0.03，进一步优选最多0.02，进一步优选最多0.01，进一步优选最多0.005，进一步优选最多0.002，进一步优选最多0.001，进一步优选最多0.0005。
在优选实施方式中，厚度1mm的所述包层玻璃甚至在700nm至900nm波长范围下具有最多0.8、进一步优选最多0.5、进一步优选最多0.4、进一步优选最多0.3、进一步优选最多0.2、进一步优选最多0.15、进一步优选最多0.1的内部传输，其中对于波长范围700nm至900nm的辐射，所述掺杂蓝宝石的非常折射率与所述包层玻璃的折射率彼此相差最多0.05，优选最多0.04，进一步优选最多0.03，进一步优选最多0.02，进一步优选最多0.01，进一步优选最多0.005，进一步优选最多0.002，进一步优选最多0.0015。
在进一步优选实施方式中，厚度1mm的所述包层玻璃甚至在650nm至950nm波长范围下具有最多0.8、进一步优选最多0.5、进一步优选最多0.4、进一步优选最多0.3、进一步优选最多0.2、进一步优选最多0.15、进一步优选最多0.1的内部传输，并且对于波长范围650nm至950nm的辐射，所述掺杂蓝宝石的非常折射率与所述包层玻璃的折射率彼此相差最多0.05，优选最多0.04，进一步优选最多0.03，进一步优选最多0.02，进一步优选最多0.01，进一步优选最多0.005，进一步优选最多0.0025。
在进一步优选实施方式中，其中厚度1mm的所述包层玻璃甚至在600nm至1000nm波长范围下具有最多0.8、优选最多0.5、进一步优选最多0.4、进一步优选最多0.3、进一步优选最多0.2、进一步优选最多0.15、更优选最多0.1的内部传输，并且对于波长范围600nm至1000nm的辐射，所述掺杂蓝宝石的非常折射率与所述包层玻璃的折射率彼此相差最多0.05，优选最多0.04，进一步优选最多0.03，进一步优选最多0.02，进一步优选最多0.01，进一步优选最多0.005，进一步优选最多0.0035。
在进一步优选实施方式中，厚度1mm的所述包层玻璃甚至在600nm至1100nm波长范围下具有最多0.8、进一步优选最多0.5、进一步优选最多0.4、进一步优选最多0.3、进一步优选最多0.2、进一步优选最多0.15、进一步优选最多0.1的内部传输，并且对于波长范围600nm至1100nm的辐射，所述掺杂蓝宝石的非常折射率与所述包层玻璃的折射率彼此相差最多0.05、优选最多0.04、进一步优选最多0.03、进一步优选最多0.02、进一步优选最多0.01、进一步优选最多0.005、进一步优选最多0.0035。
蓝宝石的特征在于具有非常高的阿贝数。蓝宝石的阿贝数约为vd＝73。这意味着折射率(普通和非常)对波长的依赖性相对较低。因此，包层玻璃特别适合于蓝宝石，当包层玻璃的阿贝数也非常高时是有利的。因此，本发明的玻璃的阿贝数优选为至少35，进一步优选至少40，进一步优选至少45，进一步优选至少47，进一步优选至少48。因此，本发明的玻璃的阿贝数低于蓝宝石的阿贝数优选最多38，进一步优选最多33，进一步优选最多28，进一步优选最多26，进一步优选最多25。因此，在较宽的波长范围内，玻璃折射率朝蓝宝石的折射率的合意调整成为可能。优选地，本发明的玻璃的阿贝数不高于55，进一步优选不高于52。
形式上，折射率(玻璃或蓝宝石)可以近似于根据泰勒的公式：
Figure BDA0001421806490000051
Figure BDA0001421806490000054
所以，可以保证光学元件的高效，不仅将玻璃的折射率适当调整为接近发射峰，而且调整相对于λ0＝800[nm]波长处的这种折射率的局部微分
Figure BDA0001421806490000053
这个特征值
Figure BDA0001421806490000055
表示预期波长范围内(例如从750nm至850nm)的折射率的调整将多么合适。对于Ti:Sa，该微分为约-2.68×10-5[nm-1]。对于玻璃，优选-3.00×10-5至-4.00×10-5[nm-1]的值。
本发明所述的激光器组件包括掺杂蓝宝石芯。优选地，所述蓝宝石掺杂有选自钛、铬、铁和钒元素的离子构成组中的掺杂剂。进一步优选地，所述掺杂剂选自钛和铬元素的离子所构成的组。特别优选的是，所述掺杂剂为钛离子。优选地，基于掺杂蓝宝石中氧化铝(Al2O3)质量，掺杂剂氧化物的比例(例如Ti2O3)在0.01-1重量％范围中，进一步优选在0.05-0.5重量％范围中，进一步优选在0.05-0.3重量％范围中，进一步优选在0.1-0.2重量％范围中。使用这种比例的掺杂剂，可以获得特别高效的激光介质。
厚度为1nm、置于芯上的包层玻璃在λ＝750nm至λ＝850nm波长范围中具有最多0.8的内部传输。优选地，厚度为1nm的芯包层玻璃在波长范围λ＝750nm至λ＝850nm具有最多0.5、进一步优选最多0.4、进一步优选最多0.3、进一步优选最多0.2、进一步优选最多0.15、进一步优选最多0.1的内部传输。低内部传输与寄生激光在包层玻璃中的高吸收有关，使得从包层玻璃再次进入掺杂蓝宝石的光的比例大大减少。
优选地，厚度为1nm、置于芯上的包层玻璃在波长范围λ＝700nm至λ＝900nm中具有最多0.8、再优选最多0.5、更优选最多0.4、更优选最多0.3、更优选最多0.2、更优选最多0.15、更优选最多0.1的内部传输。
优选地，厚度为1nm、置于芯上的包层玻璃在λ＝650nm至λ＝950nm波长范围中具有最多0.8、进一步优选最多0.5、进一步优选最多0.4、进一步优选最多0.3、进一步优选最多0.2、进一步优选最多0.15、进一步优选0.1的内部传输。
优选地，厚度为1nm、置于芯上的包层玻璃在λ＝600nm至λ＝1000nm波长范围中具有最多0.8、进一步优选最多0.5、进一步优选最多0.4、进一步优选最多0.3、进一步优选最多0.2、进一步优选最多0.15、进一步优选最多0.1的内部传输。
优选地，厚度为1nm、置于芯上的包层玻璃在λ＝600nm至λ＝1100nm波长范围中具有最多0.8、进一步优选最多0.5、进一步优选最多0.4、进一步优选最多0.3、进一步优选最多0.2、进一步优选最多0.15、进一步优选最多0.1的内部传输。
但是在另一个波长下，包层玻璃优选具有明显最低的内部传输。优选地，厚度为1nm、置于芯上的包层玻璃在λ＝450nm至λ＝550nm波长范围中具有至少0.4、进一步优选至少0.4、进一步优选至少0.5、进一步优选至少0.6的内部传输。
在备选实施方式中，优选地，厚度为1nm、置于芯上的包层玻璃在λ＝1025nm至λ＝1125nm波长范围中具有至少0.2、进一步优选至少0.25、进一步优选至少0.3的内部传输。
附图说明
图1示出了具有不同厚度包层玻璃实例的内部传输曲线。
图2示意示出了在掺杂蓝宝石上包层玻璃的优选设置。
图3示出了折射率对冷却速率的依赖性。
图4示出了折射率相对波长的依赖性。
具体实施方式
图1示出了优选包层玻璃实例的内部传输曲线。
对于波长范围750nm至850nm的辐射，掺杂蓝宝石的非常折射率和包层玻璃的折射率的差异为最多0.05。优选地，对于波长范围750nm至850nm的辐射，掺杂蓝宝石的非常折射率和包层玻璃的折射率的差异为最多0.04，进一步优选最多0.03，进一步优选最多0.02，进一步优选最多0.01，进一步优选最多0.005，进一步优选最多0.002，进一步优选最多0.001，进一步优选最多0.0005。所述折射率之间的较低差异与蓝宝石晶体/包层玻璃界面的较低反射有关，使得使特别高比例的、来自掺杂蓝宝石的寄生激光可进入包层玻璃。
优选地，对于波长范围700nm至900nm的辐射，掺杂蓝宝石的非常折射率和包层玻璃的折射率的差异为最多0.05，进一步优选最多0.04，进一步优选最多0.03，进一步优选最多0.02，进一步优选最多0.01，进一步优选最多0.005，进一步优选最多0.002，进一步优选最多0.0015。
优选地，对于波长范围650nm至950nm的辐射，掺杂蓝宝石的非常折射率和包层玻璃的折射率的差异为最多0.05，进一步优选最多0.04，进一步优选最多0.03，进一步优选最多0.02，进一步优选最多0.01，进一步优选最多0.005，进一步优选最多0.0025。
优选地，对于波长范围600nm至1000nm的辐射，掺杂蓝宝石的非常折射率和包层玻璃的折射率的差异为最多0.05，进一步优选最多0.04，进一步优选最多0.03，进一步优选最多0.02，进一步优选最多0.01，进一步优选最多0.005，进一步优选最多0.0035。
优选地，对于波长范围600nm至1100nm的辐射，掺杂蓝宝石的非常折射率和包层玻璃的折射率的差异为最多0.05，进一步优选最多0.04，进一步优选最多0.03，进一步优选最多0.02，进一步优选最多0.01，进一步优选最多0.005，进一步优选最多0.0035。
优选地，对于波长范围750nm至850nm的辐射，掺杂蓝宝石的非常折射率为1.70至1.80，进一步优选是1.72至1.78，进一步优选是1.73至1.77，进一步优选是1.74至1.77。特别优选地，对于波长范围750nm至850nm的辐射，掺杂蓝宝石的非常折射率为约1.75。因此，根据本发明，对于波长范围750nm至850nm的辐射，包层玻璃的折射率优选为1.65至1.85，进一步优选是1.67至1.83，进一步优选是1.68至1.82，进一步优选是1.69至1.82，进一步优选是1.70至1.80，进一步优选是1.72至1.78，进一步优选是1.73至1.77，进一步优选是1.74至1.77，进一步优选是1.750至1.765，进一步优选是1.750至1.760。特别优选地，对于波长范围750nm至850nm的辐射，包层玻璃的折射率为约1.755。
优选地，对于波长范围700nm至900nm的辐射，掺杂蓝宝石的非常折射率为1.70至1.80，进一步优选是1.72至1.78，进一步优选是1.73至1.77，进一步优选是1.74至1.77。特别优选地，对于波长范围700nm至900nm的辐射，掺杂蓝宝石的非常折射率为约1.75。因此，根据本发明，对于波长范围700nm至900nm的辐射，包层玻璃的折射率优选为1.65至1.85，进一步优选是1.67至1.83，进一步优选是1.68至1.82，进一步优选是1.69至1.82，进一步优选是1.70至1.80，进一步优选是1.72至1.78，进一步优选是1.73至1.77，进一步优选是1.74至1.77，进一步优选是1.750至1.765，进一步优选是1.750至1.760。特别优选地，对于波长范围700nm至900nm的辐射，包层玻璃的折射率为约1.755。
优选地，对于波长范围650nm至950nm的辐射，掺杂蓝宝石的非常折射率为1.70至1.80，进一步优选是1.72至1.78，进一步优选是1.73至1.77，进一步优选是1.74至1.77。特别优选地，对于波长范围650nm至950nm的辐射，掺杂蓝宝石的非常折射率为约1.75。因此，根据本发明，对于波长范围650nm至950nm的辐射，包层玻璃的折射率优选为1.65至1.85，进一步优选是1.67至1.83，进一步优选是1.68至1.82，进一步优选是1.69至1.82，进一步优选是1.70至1.80，进一步优选是1.72至1.78，进一步优选是1.73至1.77，进一步优选是1.74至1.77，进一步优选是1.750至1.765，进一步优选是1.750至1.760。特别优选地，对于波长范围650nm至950nm的辐射，包层玻璃的折射率为约1.755。
优选地，对于波长范围600nm至1000nm的辐射，掺杂蓝宝石的非常折射率为1.70至1.80，进一步优选是1.72至1.78，进一步优选是1.73至1.77，进一步优选是1.74至1.77。特别优选地，对于波长范围600nm至1000nm的辐射，掺杂蓝宝石的非常折射率为约1.75。因此，根据本发明，对于波长范围600nm至1000nm的辐射，包层玻璃的折射率优选为1.65至1.85，进一步优选是1.67至1.83，进一步优选是1.68至1.82，进一步优选是1.69至1.82，进一步优选是1.70至1.80，进一步优选是1.72至1.78，进一步优选是1.73至1.77，进一步优选是1.74至1.77，进一步优选是1.750至1.765，进一步优选是1.750至1.760。特别优选地，对于波长范围600nm至1000nm的辐射，包层玻璃的折射率为约1.755。
优选地，对于波长范围600nm至1100nm的辐射，掺杂蓝宝石的非常折射率为1.70至1.80，进一步优选是1.72至1.78，进一步优选是1.73至1.77，进一步优选是1.74至1.77。特别优选地，对于波长范围600nm至1100nm的辐射，掺杂蓝宝石的非常折射率为约1.75。因此，根据本发明，对于波长范围600nm至1100nm的辐射，包层玻璃的折射率优选为1.65至1.85，进一步优选是1.67至1.83，进一步优选是1.68至1.82，进一步优选是1.69至1.82，进一步优选是1.70至1.80，进一步优选是1.72至1.78，进一步优选是1.73至1.77，进一步优选是1.74至1.77，进一步优选是1.750至1.765，进一步优选是1.750至1.760。特别优选地，对于波长范围600nm至1100nm的辐射，包层玻璃的折射率为约1.755。
在具体实施方式中，对于波长范围750nm至850nm的辐射，所述包层玻璃的折射率与所述掺杂蓝宝石的平常折射率和非常折射率的平均值之间的差异为最多0.05，优选最多0.04，进一步优选最多0.03，进一步优选最多0.02，进一步优选最多0.01，进一步优选最多0.005，进一步优选最多0.002，进一步优选最多0.001，进一步优选最多0.0005。
在具体实施方式中，对于波长范围700nm至900nm的辐射，所述包层玻璃的折射率与所述掺杂蓝宝石的平常折射率和非常折射率的平均值之间的差异为最多0.05，优选最多0.04，进一步优选最多0.03，进一步优选最多0.02，进一步优选最多0.01，进一步优选最多0.005，进一步优选最多0.002，进一步优选最多0.0015。
在具体实施方式中，对于波长范围650nm至950nm的辐射，所述包层玻璃的折射率与所述掺杂蓝宝石的平常折射率和非常折射率的平均值之间的差异为最多0.05，优选最多0.04，进一步优选最多0.03，进一步优选最多0.02，进一步优选最多0.01，进一步优选最多0.005，进一步优选最多0.002，进一步优选最多0.0025。
在具体实施方式中，对于波长范围600nm至1000nm的辐射，所述包层玻璃的折射率与所述掺杂蓝宝石的平常折射率和非常折射率的平均值之间的差异为最多0.05，优选最多0.04，进一步优选最多0.03，进一步优选最多0.02，进一步优选最多0.01，进一步优选最多0.005，进一步优选最多0.002，进一步优选最多0.0035。
在具体实施方式中，对于波长范围600nm至1100nm的辐射，所述包层玻璃的折射率与所述掺杂蓝宝石的平常折射率和非常折射率的平均值之间的差异为最多0.05，优选最多0.04，进一步优选最多0.03，进一步优选最多0.02，进一步优选最多0.01，进一步优选最多0.005，进一步优选最多0.002，进一步优选最多0.0035。
优选地，对于波长范围为750nm至850nm、进一步优选700nm至900nm、进一步优选650nm至950nm、进一步优选600nm至1000nm、进一步优选600nm至1100nm的辐射，所述掺杂蓝宝石的非常折射率和所述掺杂蓝宝石的平常折射率之间的差异为最多0.01。进一步优选地，该差异处于0.008至0.009的范围中。因此，所述掺杂蓝宝石的平常折射率和非常折射率的平均值与所述掺杂蓝宝石的非常折射率之间的差异优选为最多0.005。
优选地，在波长范围600nm至1100nm中的折射率由棱镜耦合器测定。在备选方式中，在更低的波长下的折射率也可以由V型块折光仪测定，而且在600nm至1100nm波长范围内的折射率，可以在Sellmeier和/或Hartmann色散公式的帮助下进行推测。在CuO掺杂情况下，根据它的强度，也可以使用其它测定折射率的方法。
包层玻璃置于芯上。为了有效抑制寄生激光，当包层玻璃至少布置于寄生激光可能从掺杂蓝宝石中射出的掺杂蓝宝石的表面部分的大部分时，这是有利的。在此，具体来说，掺杂蓝宝石的表面部分意指通常与寄生激光的传播方向平行的法向矢量。寄生激光在所有方向上传播。但这种寄生激光放大率特别高，特别是相对于优选激光方向的正交方向和相对于晶轴c的正交方向。满足这些条件的是两个相反方向。因此，当包层玻璃置于掺杂蓝宝石的表面上使得其能够促进寄生激光从蓝宝石晶体两侧、一侧以及还有所述掺杂蓝宝石的相对侧的出口射出时，这是有利的。相反，在具有优选取向的激光可以从掺杂蓝宝石中射出的那一侧，应该不存在包层玻璃，原因在于激光不受干扰的射出是比较理想的。在掺杂蓝宝石的剩余侧区域中，较少寄生激光可以从晶体中射出，故可以将包层玻璃设置在掺杂蓝宝石上。然而，如此所带来的益处相当小，并且导致额外的成本，所以优选在掺杂蓝宝石的这些侧面不存在包层玻璃。
图2以概略示例方式示出了在掺杂蓝宝石晶体相对两侧上的包层玻璃的优选布置。
在图2的a)中，示出了在晶体3的相对两侧上布置有包层玻璃2的掺杂蓝宝石晶体3的示意性3D视图。包层玻璃2布置于掺杂蓝宝石3的表面上，使得它能够促进寄生激光5从蓝宝石晶体两侧(即所述掺杂蓝宝石3的一侧以及还有所述相对侧)的射出。相反，在具有优选取向4的激光可以从掺杂蓝宝石3中射出的一侧，不存在包层玻璃2，使得激光4可以从蓝宝石晶体3不受干扰地射出。对于以上两者，示出了具有优选方向4的激光，以及还有最高放大率方向的寄生激光5，其与蓝宝石晶体的晶轴c(附图标记1)正交，图2的a)中还示出了一个虚拟剖面图。在图2的b)和c)中示出了这个虚拟剖面的视图。
图2的b)中示出了具有优选方向4的激光和寄生激光5的传播，其与蓝宝石晶体的晶体c轴1正交。
图2的c)中示出了包层玻璃(左侧)和掺杂蓝宝石(右侧)之间的界面的放大视图。部分来自蓝宝石的寄生激光5进入包层玻璃。在图2的c)中，这些部分用附图标记6表示。通过将寄生激光5的这些部分6吸收到包层玻璃中，可有效地抑制该寄生激光，并且因此可提高激光器功率。
由于包层玻璃存在于掺杂蓝宝石上，当包层玻璃和掺杂蓝宝石具有极为不同的热膨胀行为的特性时，在温度变化的情况下，可能发生张力改变。这样的张力会导致包层剥落甚至破裂。因此，将包层玻璃的线性热膨胀系数调整为掺杂蓝宝石的线性热膨胀系数是有利的。
纵向线性热膨胀系数的定义为：
Figure BDA0001421806490000111
其中L是测量样品的长度，T是温度。
在本文中，在一定温度范围中、例如[T0；T0+ΔT]中的平均纵向线性热膨胀系数定义为：<α>[T0；T0+ΔT]＝1/(ΔT)∫T0 T0+ΔTα(T)dT)。
出于简明起见，下文中的测量值<α>指在[-30；70]℃范围中的平均纵向线性热膨胀系数。
但在这种情况下，必须考虑到由于蓝宝石的晶体各向异性，其特点在于两个纵向线性热膨胀系数，其中一个定义为平行于晶体的c轴(<α蓝宝石>//c)的优先方向，以及一个定义为正交于晶轴c(<α蓝宝石>┴c)的优先方向。
<α蓝宝石>//c＝平行于晶轴c的优先方向的蓝宝石的平均纵向线性热膨胀系数。
<α蓝宝石>┴c＝正交于晶轴c的优先方向的蓝宝石的平均纵向线性热膨胀系数。
<α蓝宝石>＝平行于晶轴c的优先方向的蓝宝石的平均纵向线性热膨胀系数和正交于晶轴c的优先方向的蓝宝石的平均纵向线性热膨胀系数的平均值。
以下是正确的：<α蓝宝石>＝(<α蓝宝石>//c+<α蓝宝石>┴C)/2。
这两个值<α蓝宝石>┴C和<α蓝宝石>//C是不同的。由于包层玻璃优选存在于掺杂蓝宝石的主要表面部分上，其法向矢量平行于寄生激光传播方向，则包层玻璃的纵向线性热膨胀系数<α玻璃>和<α蓝宝石>//C的之间差异以及还有<α玻璃>和<α蓝宝石>┴C之间的差异均有助于掺杂蓝宝石和存在于其上的包层玻璃之间的基于温度的张力。因此，当<α玻璃>值与<α蓝宝石>//C和<α蓝宝石>┴C的平均值(换句话说，<α蓝宝石>＝(<α蓝宝石>//c+<α蓝宝石>┴c)/2)之间的差异小的时候是有利的。
用于包层玻璃线性热膨胀的有利量度是<α玻璃>。因此，优选地，<α玻璃>和<α蓝宝石>＝(<α蓝宝石>//c+<α蓝宝石>┴c)/2)之间的差异为最多0.5×10-6K-1，进一步优选最多0.3×10-6K-1，进一步优选最多0.2×10-6K-1，进一步优选最多0.1×10-6K-1。
在-30℃至70℃温度范围中，<α蓝宝石>约为5.8×10-6K-1。因此，在-30℃至70℃温度范围中，<α玻璃>优选范围为4.5×10-6K-1至7.0×10-6K-1，进一步优选5.0×10-6K-1至6.5×10- 6K-1，进一步优选5.2×10-6K-1至6.4×10-6K-1，进一步优选5.5×10-6K-1至6.0×10-6K-1，进一步优选5.7×10-6K-1至5.9×10-6K-1。特别优选，在-30℃至70℃温度范围中，所述值<α玻璃>约为5.8×10-6K-1。
发明人已经发现含CuO的硼硅酸盐玻璃特别适合作为用于掺杂蓝宝石的包层玻璃。硼硅酸盐玻璃特征在于包含SiO2和B2O3作为网络形成体。镧硼硅酸盐玻璃被证明特别适用。
优选地，包层玻璃含有比例为30至60重量％的La2O3。La2O3是用于增加折射率。优选地，La2O3的比例至少是35重量％，进一步优选地至少40重量％。但当La2O3的比例太高，则结晶风险增加。因此，La2O3的比例优选最多55重量％。
B2O3为网络形成体，并且优选以15至45重量％存在于包层玻璃中。但是，在某些情况下，B2O3有可能在熔融阶段泄露，使得玻璃组合物具有含量非常高的B2O3，而且依赖于工艺条件的物理和化学玻璃性能受到精确组成非预期的波动(例如由于熔融过程中的蒸发)的影响。B2O3比例太高，会使玻璃更易受水腐蚀。此外，B2O3比例太高，使玻璃更短性(一个涉及玻璃的技术术语)，即在一个很小的温度范围内的粘度变化大，不利于工艺校准。此外，根据本发明，B2O3高比例带来折射率减少是不理想的。因此，优选地，在包层玻璃中B2O3的比例最多为40重量％，进一步优选最多35重量％。但在包层玻璃中B2O3的比例应该也不是很低，原因在于否则结晶倾向增加。优选地，在包层玻璃中B2O3的比例至少为20重量％，进一步优选地至少25重量％。
SiO2是网络形成体，且优选在包层玻璃中为1至15重量％。当SiO2用量过多时，则镧在基质中的溶解度降低，其可能导致结晶。优选地，在包层玻璃中SiO2的比例最多为12重量％，进一步优选最多10重量％，进一步优选最多7重量％。然而，SiO2有利于改善包层玻璃的化学稳定性。此外，SiO2使玻璃更长性，也就是说，玻璃的粘度没有根据温度而强烈变化，这有利生产工艺的校准。因此，在包层玻璃中SiO2的比例优选至少为2重量％，进一步优选至少3重量％。
优选地，在包层玻璃的SiO2和B2O3的比例总和最多60重量％，进一步优选最多50重量％，进一步优选最多45重量％，进一步优选最多40重量％，进一步优选最多35重量％，进一步优选最多34重量％，进一步优选最多33重量％，进一步优选最多30重量％。由于这两种网络形成体有利于降低折射率，所以这两个组分的总和不应该太高，原因在于这可能不利于玻璃光学性能的调整。
为获得一个最佳的折射率以及基质中的镧的最佳溶解度，当La2O3和B2O3含量如此选择使得La2O3与B2O3的重量比在0.66至4范围内的值是有利的。进一步优选是在0.8至3、再进一步优选1至2.5、再进一步优选1.5至2的范围内的比。
类似的考虑已经导致优选选择La2O3与SiO2和B2O3之和的重量比，从而得到0.5至3.75、进一步优选0.7至2.5、进一步优选0.8至2、再进一步优选1至1.5的值。
优选ZrO2以0至15重量％的比例包含在包层玻璃中。用ZrO2可以调节玻璃(在阿贝图中)的光学位置，换句话说，ZrO2允许调整折射率和阿贝数。此外，ZrO2提高了玻璃耐水腐蚀的化学稳定性。因此，包层玻璃含有ZrO2的比例优选至少1重量％，进一步优选至少2重量％，进一步优选至少3重量％，进一步优选至少5重量％。但是，ZrO2的比例也不应很高，原因在于ZrO2提高玻璃的结晶倾向。ZrO2结晶相对快速并且容易形成化学计量相。此外，难以将ZrO2熔化，并且已有少量残余晶体可以增加玻璃的结晶倾向，特别是在冷却的情况下。因此，ZrO2的比例优选最多为15重量％，进一步优选为最多12重量％，进一步优选最多为10重量％。
优选地，包层玻璃中含有含量为0至15重量％的Y2O3。优选地，Y2O3的比例为至少0.25重量％，进一步优选至少0.5重量％。优选地，Y2O3的比例为最多12重量％，进一步优选最多10重量％。高比例的Y2O3则带来玻璃的结晶倾向增加。
优选在包层玻璃中含有比例为0至5重量％的Nb2O5组分。优选地，Nb2O5的比例为至少0.1重量％，进一步优选至少0.2重量％。优选地，Nb2O5的比例为最多3重量％，进一步优选最多2重量％，进一步优选最多1.7重量％，进一步优选最多1.5重量％，进一步优选最多1重量％。高比例的Nb2O5则带来玻璃的结晶倾向增加。
Y2O3和Nb2O5用于调整高折射率。此外，由于这两个组分对阿贝数的不同的效果，所以其可组合使阿贝数达到最大。不过，必须考虑到这些组分的用量是有限的，原因是过高的量可能导致玻璃结晶倾向增加。结果表明，Y2O3和Nb2O5以优选0至20重量％，进一步优选0.1至18重量％，进一步优选0.5至15重量％，进一步优选1至12重量％，以及最优选1.5至10重量％的组合量来使用。同时，必须考虑到在这里提到的这些组分是非常昂贵的，并且因此用量应受限。
优选地，在包层玻璃中的组分La2O3、ZrO2、Nb2O5和Y2O3的比例之和为至少30重量％，进一步优选至少40重量％，进一步优选至少45重量％，进一步优选至少47重量％，进一步优选至少50重量％，进一步优选至少55％的重量，从而得到高折射率。
优选地，在包层玻璃中的组分Li2O、Na2O和K2O比例的总和为最多5重量％，进一步优选最多2重量％，进一步优选最多1重量％，进一步优选最多0.1重量％。碱金属氧化物降低玻璃的耐化学性能。此外，它们降低折射率，使得需要稀土氧化物的比例增加来补偿该效果。因而，高比例的碱氧化物对本发明的玻璃不利。因此，特别优选地，包层玻璃甚至不含Li2O、Na2O和K2O。
本发明的包层玻璃可包含BaO。优选地，包层玻璃中的BaO的比例是0至5重量％。BaO增加了玻璃的折射率，并且用来调节粘度对温度的依赖性。优选地，包层玻璃中的BaO的比例至少为0.1重量％。不过，当使用太多BaO时，粘度就太高了。因此，优选地，包层玻璃中的BaO的比例为最多3重量％，进一步优选最多2重量％，进一步优选最多1重量％，进一步优选0.5重量％。
优选地，在包层玻璃中组分MgO、CaO、SrO和BaO的比例之和为最多10重量％，进一步优选最多8重量％，进一步优选最多5重量％，进一步优选最多2重量％，进一步优选最多1重量％，进一步优选最大重量的0.5％。特别是MgO和CaO，显著增加了玻璃的结晶倾向。因此，优选包层玻璃不含MgO、CaO和SrO。
根据一些备选实施方式，根据本发明的包层玻璃包含至少0.5重量％、进一步优选至少0.75重量％、进一步优选至少1重量％比例的SrO。但是，优选地，包层玻璃包含最多2重量％、进一步优选最多1.5重量％的SrO。在更优选的实施方式中，玻璃甚至包含最多1重量％、进一步优选最多0.5重量％、进一步优选最多0.1重量％的SrO。特别优选地，包层玻璃甚至不含SrO。
此外，根据一些备选实施方式，优选地，包层玻璃含有至少2重量％、进一步优选为至少为5重量％、进一步优选至少为7重量％比例的CaO。优选地，玻璃含有最多10重量％比例的CaO。在特别优选的实施方式中，包层玻璃甚至含有最多1重量％、进一步优选最多0.5重量％、进一步优选最多0.1重量％的CaO。特别优选地，包层玻璃甚至不含CaO。
碱土金属允许通过形成低温共熔体来在低温下熔融玻璃。不过这些组分有利于化学计量相的形成，并且因此有利于玻璃的结晶倾向。因此，优选包层玻璃中组分MgO、CaO、SrO和BaO的总和重量比例与SiO2的重量比例之比为最多0.5，进一步优选最多0.2，进一步优选最多0.1。
优选地，包层玻璃含有0至30重量％比例的ZnO。ZnO是用于玻璃的粘度调整以及用于减少结晶倾向。因此，优选地，包层玻璃含有至少0.5重量％、进一步优选至少1重量％、进一步优选至少2重量％比例的ZnO。但当使用太多ZnO时，则随着温度的变化，粘度变化非常剧烈。此外，在ZnO浓度过高的情况下，折射率降低。因此，优选地，ZnO的含量为最多27重量％，进一步优选最多25重量％，进一步优选最多20重量％，进一步优选最多15重量％，进一步优选最多9重量％，进一步优选最多8.5重量％，进一步优选最多7重量％，进一步优选最多5重量％。
本发明的玻璃可含有量0至5重量％的TiO2。优选地，在玻璃中的TiO2比例为最多4重量％，进一步优选最多3重量％，进一步优选最多2重量％。优选地，TiO2的含量甚至为最多1重量％，进一步优选最多0.1重量％。在一些实施方式中，甚至优选地不含TiO2。根据一些备选实施方式，优选地，玻璃含有至少0.5重量％、进一步优选至少1重量％、进一步优选地至少为1.5重量％比例的TiO2。
P2O5损害了玻璃的耐水性，使得在包层玻璃表面使用冷却液变得更加复杂甚至根本不能使用。此外，P2O5降低折射率并导致热膨胀系数的增加。因此，优选地，包层玻璃中含有最多5重量％、进一步优选最多2重量％、进一步优选最多1重量％、进一步优选最多0.5重量％、进一步优选最多0.2重量％、进一步最多0.1重量％比例的P2O5。在特别优选的实施方式中，玻璃甚至不含P2O5。
PbO为更不优选的组分，原因在于PbO对环境有害且对健康有害。此外，PbO会导致条纹的形成，从而损害玻璃的均匀性。当PbO的比例过高，其也能侵蚀铂坩埚，从而使得这样的坩埚无法用于玻璃生产。优选地，包层玻璃含有最多5重量％、进一步优选最多2重量％、进一步优选最多1重量％、进一步优选最多0.5重量％、进一步优选最多0.2重量％、进一步优选最多0.1重量％比例的PbO。在特别优选的实施方式中，玻璃甚至不含PbO。
优选地，根据本发明的玻璃包含含量为0.1至10重量％的一个或多个吸收组分。优选地，所述一个或多个吸收组分的总比例为0.2至7重量％，进一步优选为0.3至5重量％，进一步优选为0.5至3重量％，进一步优选为0.7至2重量％，进一步优选为1至1.5重量％。
所述一个或多个吸收组分用于吸收已经进入包层玻璃的寄生激光。优选地，吸收组分选自由CuO、CoO、NiO、CrO和SeO2构成的组，进一步优选自由CuO、CoO、NiO和CrO构成的组，进一步优选自由CuO、CoO和NiO构成的组。吸收组分CuO是特别优选的。
优选地，包层玻璃含有0至10重量％比例的CuO。已经证明CuO是特别有利于实现已经进入包层玻璃的寄生激光的有效吸收。因此，优选地，在包层玻璃中的CuO比例至少是0.1重量％，进一步优选至少0.2重量％，进一步优选至少0.3重量％，进一步优选至少0.5重量％，进一步优选至少0.7重量％，进一步优选至少1重量％。不过，CuO的比例也不应该特别高，因为否则有可能CuO被还原成金属铜并且因而玻璃可能含有胶体颗粒。这些颗粒在宽谱范围内会引起强烈的吸收，这不利于质量控制、缺陷检测和热溶解。此外，高比例的CuO也增加了玻璃的结晶倾向。因此，优选地，在包层玻璃中的CuO比例为最多10重量％，进一步优选最多7重量％，进一步优选最多5重量％，进一步优选最多3重量％，进一步优选最多2重量％，进一步优选最多1.5重量％，进一步优选最多1.2重量％。
通常，本发明的玻璃适用作包层玻璃。通过选择吸收组分，所述玻璃可以调整到寄生激光的波长。如上所述，优选CuO用于实现已经进入包层玻璃的寄生激光的有效吸收。然而，作为备选或除CuO之外，也可以使用如上所述的其它吸收组分。根据本发明，优选作为备选或除CuO之外，可用的此类组分为CoO、NiO、CrO和SeO2。特别优选的是CoO、NiO和CrO，更优选的是CoO和NiO。
优选地，包层玻璃可包含总比例为0至10重量％的一个或多个组分CoO、NiO、CrO和SeO2。在一些实施方式中，在包层玻璃中的CoO、NiO、CrO和/或SeO2的总比例甚至为至少0.1重量％，进一步优选至少0.2重量％，进一步优选至少0.5重量％，进一步优选至少0.7重量％。但CoO、NiO、CrO和/或SeO2的比例应该也不会特别高，因为否则可能CoO、NiO、CrO和/或SeO2被还原为相应的金属并且因而玻璃可能含有胶体颗粒。这些颗粒在宽谱范围内会引起强烈的吸收，这不利于质量控制、缺陷检测和热溶解。此外，高比例的CoO、NiO、CrO和SeO2也增加了玻璃的结晶倾向。因此，优选地，包层玻璃中CoO、NiO、CrO和SeO2的总比例为最多10重量％，进一步优选最多7重量％，进一步优选最多5重量％，进一步优选最多3重量％，进一步优选最多2重量％，进一步优选最多1.5重量％。在优选的实施方式中，玻璃中CoO、NiO、CrO和SeO2的总比例甚至为最多1重量％，进一步优选最多0.5重量％，进一步优选最多0.1重量％。特别优选地，玻璃甚至不含CoO、NiO、CrO和SeO2。
As2O3和/或Sb2O3可作为优选的澄清剂(fining agent)。优选地，As2O3或Sb2O3的比例是0至1重量％，进一步优选0.1至0.5重量％。此外，As2O3和Sb2O3再次吸收未溶于玻璃中的气体和/或氧气。此反应可用于调节玻璃的氧化还原状态。这也间接地影响着过渡金属(例如CuO)的吸收光谱，从而利用As2O3和/或Sb2O3，所用的CuO的吸收效率可以以针对性的方式加以控制。
根据环境相容性，优选不含对环境特别有害的组分的玻璃，特别是不含PbO、Bi2O3、As2O3和Sb2O3的那些玻璃。
特别优选包层玻璃包括以下组分(按重量％计)：
组分 比例(重量％)
SiO<sub>2</sub> 1至15
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 15至45
BaO 0至5
CaO 0至10
SrO 0至2
ZnO 0至30
La<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 30至60
ZrO<sub>2</sub> 0至15
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 0至5
Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 0至15
CuO 0至10
As<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 0至1
Sb<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 0至1
在更进一步优选实施方式中，包层玻璃包括以下组分(按重量％计)：
Figure BDA0001421806490000181
Figure BDA0001421806490000191
在备选实施方式中，包层玻璃包括以下组分(按重量％计)
组分 比例(重量％)
SiO<sub>2</sub> 2至10
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 20至30
BaO 0至1
ZnO 0.5至5
La<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 40至50
ZrO<sub>2</sub> 1至10
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 0.1至1
Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 1至10
CuO 0.5至1.5
As<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 0.1至0.5
Sb<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 0.1至0.5
在本说明书中提到，包层玻璃不含一种或多种组分或者其不包含一种或多种组分，那么这应该意味着这些组分未被特意添加进玻璃，不过它们只可以最多500ppm、进一步优选最多200ppm、进一步优选最多100ppm的重量比例的杂质而存在。
包层玻璃应足够厚以保证寄生激光充分吸收。另一方面，包层玻璃不应设计成超过有效吸收寄生激光所需的厚度太多，因为较厚的设计通常带来附加成本，而且此外这样还增加激光器组件的尺寸，这认为对于推进小型化是不利的。此外，寄生激光的吸收会使包层玻璃内部产生热量，并且因而引起膨胀。这意味着包层玻璃必须有效冷却以防止热机械问题。因此，玻璃的厚度必须相对较低。然而，原则上，若有利于技术实现，则可以考虑在非常大的范围的包层厚度。如此小的激光器组件，例如，可以在包层的帮助下保持及固定。包层玻璃优选厚度为0.05至100mm。进一步优选地，包层玻璃优选厚度为0.5至20mm，再进一步优选1至15mm，进一步优选为1至5mm。进一步优选地，包层玻璃的厚度甚至为至少1.5mm，进一步优选至少2.0mm。包层玻璃的厚度优选为最多10mm，进一步优选最多5mm，进一步优选最多3mm。特别优选地，包层玻璃的厚度为2.4至2.6mm时，尤其优选为约2.5mm。在备选实施方式中，玻璃的厚度优选为3至10mm。根据本发明，包层玻璃的厚度意指其正交于置于包层玻璃表面下的所述芯的表面并且/或者与该表面法向向量相平行的尺寸。较薄厚度更有利于使包层与掺杂蓝宝石主体更方便配合。故也可对圆形激光棒进行包层。
优选地，本发明的激光器组件就包括一个包层玻璃。
在某些实施方式中，包层玻璃可以包括涂层。优选地，涂层存在于不面向芯的包层玻璃的表面上。在这种情况下，通常，包层玻璃的表面被抛光，因此是光滑的。优选地，在这样的实施方式中，包层玻璃表面粗糙度的均方根(RMS)平均值范围为0.05nm至20nm，进一步优选0.1nm至10nm，进一步优选0.3nm至5nm，进一步优选0.5nm至3nm，进一步优选1nm至2nm。纳米级和亚纳米级的表面粗糙度优选以光学方式测量，特别优选通过白光干涉仪或通过原子力显微镜(AFM)测量。
在包层玻璃不面对芯的表面上的优选涂层是分层防反射系统。这样的分层系统，通常由一个低折射率介质层(dielectric layer)或一系列不同折射率的介质层组成。
在备选实施方式中，不面对芯的表面也可以通过粗造化而成为消光(matted)以防止定向反射。在这种情况下，外侧优选特征在于表面粗糙度的均方根(RMS)平均值范围为0.1μm至100μm，进一步优选0.5μm至50μm，特别优选1μm至10μm。微米级粗糙度以触觉方式或特别优选通过白光干涉仪来测量。优选地，所述消光位于不面向所述芯的包层玻璃表面上。吸收涂层也可应用在消光表面。
作为备选或除上述防反射措施之外可提供进一步的涂层，作为保护玻璃免受腐蚀的保护层。通常，由于寄生激光吸收所产生的热发展，必须对包层玻璃进行冷却。为此，将包层玻璃与冷却剂进行接触是合理的。优选地，冷却剂为冷却液。冷却液有可能腐蚀侵袭包层玻璃并导致腐蚀，从而使离子从玻璃中释放出来。当使用含硼玻璃时尤其如此，因为他们对水的腐蚀的化学稳定性相对较低。因此，优选的是在不面对芯而面对冷却剂的包层玻璃表面上施加防腐蚀的保护层。这些层可以是例如有机漆。
在进一步优选的实施方式中，作为备选或除了上述涂层之外，还提供了一种密封层，该密封层从外部密封包层玻璃和芯的界面。其优点是防止可能导致包层玻璃脱离芯的空气或冷却剂的渗透。为了有效地防止将空气或冷却剂渗透到包层玻璃和芯的界面上，应采用密封层以尽可能完整地从外部覆盖相应界面。优选地，密封层包括至少一种树脂。
根据本发明，保护层可以通过例如CVD工艺(化学汽相沉积)、例如通过原子层沉积(ALD)进行涂覆。他们可以与形状和表面粗糙度理想地共形。优选地，对于这样的阻挡层，可采用例如SiO2、Al2O3、TiO2或这些材料的混合物。涂覆于外部的涂层也可以显示出若干有益的性能。因此，可以选择例如一种涂层，其一方面吸收激光器的余光，另一方面也保护包层玻璃。在备选方式中，可以通过例如仍然在完全吸收层上涂覆保护层而将不同的涂层结合。
优选地，根据本发明的激光器组件包括包层玻璃，该包层玻璃包括涂层和/或在至少一个侧面上被粗糙化。
根据本发明还涉及根据前述权利要求中的至少一项所述的激光器组件的制造方法，其包括以下步骤：
a)提供掺杂蓝宝石，
b)提供包层玻璃，以及
c)将包层玻璃置于掺杂蓝宝石上。
根据所述方法的步骤b所提供的包层玻璃优选包括以下步骤
b1)提供适宜的玻璃组合物，
b2)熔化所提供的组合物，以及
b3)冷却熔体成为玻璃。
根据所述方法中步骤b3)的熔体冷却步骤可以不同的冷却速率来进行。优选地，从温度T1冷却至T2(其中T1至少高于玻璃的玻璃转变温度Tg，T2约为20℃)的情况下平均冷却速率为每小时0.1K至每小时50K，进一步优选每小时0.5K至每小时40K，进一步优选每小时1K至每小时30K，再进一步优选每小时2K至每小时7K的范围，再进一步优选约每小时5K。在一个备选优选实施方式中，相比之下，从温度T1冷却到T2(其中T1至少高于玻璃的玻璃转变温度Tg，T2约为20℃)的情况下平均冷却速率为最多每小时15K，进一步优选最多每小时10K，进一步优选最多每小时5K。如此，玻璃的折射率可以增加，使得可以使用降低含量的高折射率组分，特别是降低含量的Y2O3的玻璃组合物。在特定的实施方式中，从至少高于玻璃的玻璃转变温度Tg的温度T1冷却到大约20℃的温度T2时情况下的冷却速率是基本恒定的。“基本恒定”意味着最大冷却速率和最小冷却速率之间的差别为最多每小时10K，进一步优选最多每小时7K，进一步优选最多每小时5K，再进一步优选最多每小时3K。
此外，通过冷却速率可将包层玻璃的光学性能调整到掺杂蓝宝石晶体的折射率，其一方面取决于其各自的批处理，另一方面取决于掺钛蓝宝石晶体内的位置。其原因在于，掺杂离子、特别是钛离子不均匀分布在蓝宝石晶体内，特别是由Czochralski工艺或Bridgman-Stockbarger法已经制作出晶体的情况下。这些非均质性由宏观偏析现象所导致。因此，这些Ti:Sa单晶中的Ti浓度局部变化导致Ti:Sa折射率的局部变化。Ti:Sa的激光晶体的值取决于在Ti:Sa单晶交叉点的位置。因此，已生产的包层玻璃也需要考虑到折射率的这种变化。这可以通过调整冷却方法实现。
因此，Ti:Sa晶体的折射率波动不仅特征在于不同批次之间波动，而且也在一个晶体内波动。对于玻璃厂商来说，几乎不可能通过分别改变玻璃组成来调整包层玻璃的折射率至Ti:Sa水晶的可变折射率，原因在于这会带来巨大的工作量。因此，通过冷却速率可以灵活地调整本发明玻璃的折射率是有利的。
低冷却速率是有利的，因为如此会得到内部张力较小的玻璃。这种玻璃具有高均匀性，所以较少发生双折射。此外，这种玻璃可以很好地加工。
优选地，所述方法还包括另外的步骤b4)：将包层玻璃抛光从而优选提供抛光包层玻璃。
优选地，本发明的包层玻璃的特征在于表面粗糙度的低均方根(RMS)平均值。优选地，表面粗糙度(RMS)在0.05nm至20nm、进一步优选0.1nm至10nm、进一步优选0.3nm至5nm、进一步优选0.5nm至3nm、进一步优选1nm至2nm的范围内。这对面向芯的包层玻璃的表面尤其重要。如此，得到在包层玻璃和芯之间的特别良好的附着。此外，低粗糙度也是有利的，原因在于其热扩散得以改善，并且因此例如由寄生激光吸收产生的热量可以更好的方式从玻璃中消散。在不面对芯的包层玻璃的表面上，低表面粗糙度可能有利于例如如上述的涂层的涂覆。纳米级和亚纳米级粗糙度优选以光学方式、特别优选通过白光干涉仪来测量。
所述方法可任选包括另外步骤b5)：在所述包层玻璃上涂覆涂层。优选地，涂层是通过物理气相沉积(PVD)来涂覆的。外部涂层是特别重要的，其一侧接触包层玻璃，另一侧是与环境、特别是空气相接触。
本发明的包层玻璃不限于某些几何形状。同样的掺杂蓝宝石晶体的横截面不一定是正方形或长方形的形式，其也可为圆形(也具有平坦部分)或多边形的形式。
根据本发明，其还可为包含以下组分、具有至少1.70折射率的玻璃(按重量％计)：
组分 比例(重量％)
SiO<sub>2</sub> 1至15
B<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 15至45
BaO 0至5
CaO 0至10
SrO 0至2
ZnO 0至30
La<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 30至60
ZrO<sub>2</sub> 0至15
Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 0至5
Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 0至15
CuO 0至10
As<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 0至1
Sb<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 0至1
优选地，玻璃处于冷却状态，该冷却状态对应于从温度T1至温度T2的平均冷却速率范围在每小时0.5K至每小时40K的稳定冷却，其中温度T1至少高于玻璃化转变温度Tg，温度T2为20℃，在这里，“稳定”意味着从T1至T2而非保持玻璃在一定的温度水平下的连续冷却处理。具体而言，那意味着具有基本恒定的冷却速率的冷却处理。
优选地，玻璃包括以下组分(按重量％计)：
Figure BDA0001421806490000231
Figure BDA0001421806490000241
优选地，玻璃的折射率在1.70至1.80、进一步优选1.72至1.78、进一步优选1.73至1.77、进一步优选1.74至1.77、进一步优选1.750至1.765、进一步优选为1.750至1.760的范围内。
优选地，玻璃的阿贝数为至少35，进一步优选至少40，进一步优选至少45，进一步优选至少47，进一步优选地至少48。优选地，玻璃的阿贝数不高于55，进一步优选不高于52。
优选地，在-30℃至70℃温度范围内玻璃的平均纵向线性热膨胀系数<α>为4.5×10-6K-1至7.0×10-6K-1，进一步优选5.0×10-6K-1至6.5×10-6K-1，进一步优选5.2×10-6K-1至6.4×10-6K-1，进一步优选5.5×10-6K-1至6.0×10-6K-1，进一步优选5.7×10-6K-1至5.9×10- 6K-1。
玻璃的冷却状态也可以针对给定的玻璃来确定，而不需要了解生产条件。当玻璃样品P是可用的，那么首先其折射率nλ(对于给定的波长λ)和/或其质量密度ρ得以确定。然后，优选地，样品分为几个独立的样品P1、P2、P3等，每个样品加热到温度T1，其中T1是至少高于玻璃转变温度Tg，并且然后以不同的冷却速率Q1、Q2、Q3等冷却到温度T2。在冷却到温度T2后，并且优选进一步冷却至室温，再次确定折射率nλ和/或质量密度ρ从而将冷却速率赋予任何一个值。然后，对所获得的成对值借助线性插值可以在对数坐标系中进行绘制，其中，纵坐标是用于密度值，横坐标是用于冷却速率的对数值。现在，在冷却曲线的基础上，从玻璃样品P的密度可以得出有关其冷却状态的结论。以下是正确的：nλ(Q)＝nλ(Qi)+mnλ.log(Q/Qi)，其中mnλ和nλ(Qi)是通过实验分析确定的回归参数。nλ(Qi)值是在λ波长处测量的以冷却速率Qi冷却的玻璃的折射率值。折射率对冷却速率的依赖性如图3所示。在示例部分示出了实验实例。
在这种冷却速率/折射率依赖性的帮助下，包层玻璃可以通过二次冷却优化调节至掺杂的蓝宝石材料，从而使掺杂蓝宝石/包层玻璃界面的反射降至最低。
因此，玻璃的冷却状态是玻璃冷却处理中条件的量度。在熔化后很快冷却(例如>>300K/h)的常规淬火玻璃具有高冷却状态。在这种玻璃中的原子被“冻结”在一个较为混乱的状态。因此，通过快速冷却熔体，玻璃在高能量水平上被准“冻结”。在其中晶体组分由于低粘度而空间接近的高温范围仍可已很快通过。因此，具有较高的冷却状态的快速冷却玻璃具有相对较低的密度或折射率。依赖于其冷却状态的玻璃折射率的差异相对较低。但是，由于这些性质可以可靠地测量到小数点后第六位，所以，这种方法适用于提供可靠的测量结果。
应该将包层玻璃设置于活性激光材料上，从而在有利地在包层玻璃中被吸收并且因此消除之前在界面上不发生寄生激光的干扰反射。当存在折射率在两组分的折射率的范围内的粘合剂时，其中其折射率可以准确地进行调整(例如将至少两个具有不同折射率的粘合剂按照正确比例来混合)，那么也可以通过由粘合剂粘结而附接的包层抑制寄生振荡。但对于具有很高放大倍数(增益)的激光材料的情况下，界面的反射率必须很低，并且因此折射率的调整必须非常精确。激光玻璃可以通过粘合剂附接包层玻璃。大多折射率在1.5和1.55之间，而且寄生反射光的放大并不太强。
在钛/蓝宝石的情况下，激光器胶合在一起更难。当折射率相对较高时，放大如此之强以至于界面的反射率必须很低，并且因此折射率的调整必须非常精确。原则上，通过粘合剂粘接来附接所述包层玻璃对于钛/蓝宝石晶体的包层是可行的，不过除了上述难点，有机粘接还带来其它缺点，如耐低温性以及随着时间推移的化学变化。
根据本发明提出的优选方案使用所谓光学接触接合作为接合技术。因此，优选地，通过光学接触接合来实现在掺杂蓝宝石上布置包层玻璃。当两可共形面(在最简单的情况下，两个平面)接近达到约1nm或更小，然后形成分子间键(如共价键)。通常在一个较大表面的一个小区域启动就足够了。然后，在相邻的区域，这将使两个表面越来越近，光学接触接合处理会扩散到表面上更大的区域。为此，需要通过光学接触接合的物体具有一定的最小弹性是有利的，不过虽然如此，必须有形状的良好精确性。这种光学接触接合可以用不同的材料来进行，例如诸如金属、半导体金属、玻璃、晶体。这里，也可以一起使用不同的材料来进行光学接触接合，例如诸如不同的玻璃或玻璃与晶体。当这样的接合处理进行时，两个物体不能彼此分开，至少没有部分破损甚至破坏。对于光学部件，光学接触接合工艺已用作接合工艺很长时间，如对于平面，例如在棱镜和分束器的情况下，又如对于曲面，例如在透镜系统的情况下。在这里，表面必须是两个，它们必须完美地配合，它们也必须没有污染物(如脂肪或灰尘)。因为污染物、例如脂肪的层阻止了两个物体之间的分子间键的形成，尘埃和其他粒子导致截留反射表面处光的空气。
当两个物体中至少一个具有足够的弹性时，那么待接合的区域的配合精确度当然不一定是1nm。根据厚度和弹性等其它参数，当掺杂蓝宝石晶体与包层玻璃之间的形状偏差小于1000nm时是有利的，其中特别有利的是小于200nm，尤其特别有利的是小于50nm。形状偏差的优选量度是两个表面之间的“峰-谷”距离。
玻璃能够承受巨大的压缩张力和多数在拉伸应力下的裂纹，其中微裂纹延伸穿过玻璃，造成玻璃破裂。当意在稳定玻璃或玻璃复合材料，那么增加压缩表面张力是有利的，因为首先它们必须被裂纹所克服。确切地说，此事实为热或化学回火技术的背景。因此，当必须通过光学接触接合的这两个区域的偏差为凹面的形式是更有利的，即从理论上讲，当该区域在中心有一个小的距离，当边缘互相接触，两个物体不能以弹性方式发生变形。然后，通过光学接触接合的扩展处理，所述区域离得越来越接近，然后两个边缘都处于压缩张力下，并且复合材料具有更高的耐久性。当然，在这两种材料的边界毗邻一侧表面的位置仍然是一个敏感的断裂点。当例如用漆或粘合剂将这个位置密封在表面上，则复合材料的耐久性可以进一步增加。
与使用现有技术中已知的吸收液相比，通过本发明的包层玻璃吸收寄生激光、根据本发明的解决方案具有许多优点。已知的液体构成老化过程的基础，因此它们必须定期更换。此外，液体的吸收必须通过添加着色溶液来调节。这是一项复杂的工作，因为折射率必须进行非常精确地校准。此外，所使用的液体有毒，因此其处理越发变得更加困难。采用吸收液来吸收寄生激光的一个特别大的缺点在于，已知的液体色散完全不同于蓝宝石的色散，以至于只有在一个很小的波长范围内所述液体的折射率调整至蓝宝石的折射率才会达到令人满意的结果。
至于在较大波长范围内将折射率调整到蓝宝石折射率，根据本发明的玻璃相比于吸收液体的优点也可以从图4中的展示中得知。在大波长范围内进行的这种调整特别有利，原因也在于寄生激光通常特征在于大范围的波长。以下情况尤其如此，当采用短脉冲为特征的激光器、诸如例如飞秒激光器时，根据测不准关系，由于短脉冲而导致针对它的宽波长范围。
实例玻璃
制备不同包层玻璃。实例玻璃1到3是含CuO的镧硼硅酸盐玻璃。比较例玻璃A到C则不包含CuO。实例玻璃3以每分钟5K的冷却速率进行冷却。其余的玻璃则以每分钟40K的冷却速率进行冷却。
Figure BDA0001421806490000271
光学性质
为了比较，确定掺钛蓝宝石晶体(Ti:Sa)的非常折射率以及<α蓝宝石>//c值和<α蓝宝石>┴c值。其非常折射率为1.75。在20℃至50℃温度范围中，<α蓝宝石>//c值为5.0×10-6K-1且<α蓝宝石>┴c值为6.6×10-6K-1，，从而<α蓝宝石>平均值为5.8×10-6K-1。
所有实例玻璃1至3在波长800nm处具有非常低的内部传输。此外，实例玻璃的折射率和掺钛蓝宝石晶体的非常折射率之间的差异非常小。此外，包层玻璃的值<α玻璃>与<α蓝宝石>平均值之间的差异很小。因此，实例玻璃1至3非常适合用作掺钛蓝宝石晶体的包层玻璃。
比较例玻璃A至C的折射率和阿贝数与实例玻璃1至3的相似。但是比较例玻璃A到C在波长800nm处有高内部传输，并且因此这些比较例玻璃不应该用作减少寄生激光的包层玻璃。
冷却速率对折射率的影响
具有根据对比例A的组成的两个样品以不同的冷却速率进行冷却，并且对样品的折射率进行了检查以确定冷却速率对折射率的影响。根据冷却曲线，可以从玻璃样品的密度得出关于其冷却状态的结论。以下是正确的：nλ(Q)＝nλ(Qi)+mnλ.log(Q/Qi)，其中mnλ和nλ(Qi)是通过实验分析确定的回归参数。在这种情况下，对于回归我们选择了Qi＝5[K/h]作为一个参考值。
数据示出于下表中。
Figure BDA0001421806490000281
Figure BDA0001421806490000282
Figure BDA0001421806490000291
折射率的实验值部分与冷却速率有关。对于比较例A，对于折射率n(λ＝800[nm])的冷却系数借助于光学值调整为40[K/h]和5[K/h]。对于λ＝800[nm]的折射率n(λ)值已通过哈特曼等式来计算，n(λ)＝n0+A/(λ-λ0)C。这个等式的系数n0、A、λ0、C是基于实验值nd、ne、ng、nF′、ne、nC'、nC、nr，其已经对于Q＝40[K/h]和Q＝5[K/h]计算。可以看出，冷却速率越低，折射率就越高。
对于比较例A，折射率与冷却速率的依赖性如图3所示。
折射率对波长的依赖性
图4示出了对于根据本发明的玻璃、对于液体(Cargille折射率匹配液，M系列)以及对于700nm至900nm波长范围内蓝宝石的平常(ne)和非常(no)折射率的折射率对波长的依赖性。
可以看出，根据本发明的玻璃在整个波长范围内被极好地调节到蓝宝石的非常折射率。相比之下，液体的折射率和蓝宝石的折射率之间的差异在所示波长范围的最高和最低范围内都相当高。可以看出，在液体的情况下，折射率对波长的依赖性要比在本发明的玻璃的情况下或在蓝宝石的情况下要高得多。因此，在较宽的波长范围内，在本发明的玻璃的情况下将折射率调节到蓝宝石折射率比在液体的情况下可能的程度要高得多。
附图标记列表
1 晶轴c
2 包层玻璃
3 掺杂蓝宝石晶体
4 优选方向的激光
5 寄生激光
6 已进入包层玻璃的寄生激光的比例

Claims (16)

1.一种激光器组件，其包括：
a)包括掺杂蓝宝石的芯，和
b)置于所述芯上的包层玻璃，其在厚度为1mm、波长范围为750nm至850nm的情况下具有最多0.8的内部传输，
其中，对于波长范围750nm至850nm的辐射，所述掺杂蓝宝石的非常折射率与所述包层玻璃的折射率彼此相差最多0.05。
2.如权利要求1所述的激光器组件，其中厚度为1mm的所述包层玻璃在波长范围700nm至900nm中具有最多0.8的内部传输，并且其中对于波长范围700nm至900nm的辐射，所述掺杂蓝宝石的非常折射率与所述包层玻璃的折射率彼此相差最多0.05。
3.如权利要求1或2所述的激光器组件，其中所述蓝宝石掺杂有选自由钛、铬、铁和钒元素的离子构成的组的掺杂剂。
4.如权利要求1或2所述的激光器组件，其中厚度为1mm的所述包层玻璃在波长范围为750nm至850nm中具有最多0.2的内部传输。
5.如权利要求1或2所述的激光器组件，其中对于波长范围750nm至850nm的辐射，所述掺杂蓝宝石的非常折射率与所述包层玻璃的折射率彼此相差最多0.02。
6.如权利要求1或2所述的激光器组件，其中折射率的微分
Figure FDA0002872785590000012
在波长λ0＝800[nm]处的值在-3.00×10-5和-4.00×10-5[nm-1]之间。
7.如权利要求1或2所述的激光器组件，其中在-30℃至70℃温度范围内，包层玻璃的纵向线热膨胀平均系数α与平行于所述蓝宝石的晶轴c的掺杂蓝宝石的纵向线热膨胀平均系数和正交于所述蓝宝石的晶轴c的掺杂蓝宝石的纵向线热膨胀平均系数的平均值最多相差0.5×10-6K-1。
8.如权利要求1或2所述的激光器组件，其中所述包层玻璃包括按重量％计的下述组分：
Figure FDA0002872785590000011
Figure FDA0002872785590000021
9.如权利要求1或2所述的激光器组件，其中所述包层玻璃具有0.05至100mm。
10.如权利要求1或2所述的激光器组件，其中所述包层玻璃具有1至5mm的厚度。
11.如权利要求1或2所述的激光器组件，其中所述包层玻璃包括涂层，并且其中所述包层玻璃至少一侧面变粗糙。
12.一种用于制造权利要求1-11中任一项所述的激光器组件的方法，其包括下述步骤
a)提供掺杂蓝宝石，
b)提供包层玻璃，以及
c)将包层玻璃布置于掺杂蓝宝石上。
13.用于制造权利要求1-11中任一项所述的激光器组件的方法，其中，通过光学接触接合将所述包层玻璃布置于所述掺杂蓝宝石上。
14.一种具有至少1.70的折射率的玻璃，其包括按重量％计的下述组分：
组分 比例(重量％) SiO<sub>2</sub> 1至15 B<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 15至45 BaO 0至5 CaO 0至10 SrO 0至2 ZnO 0至30 La<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 30至60 ZrO<sub>2</sub> 0至15 Nb<sub>2</sub>O<sub>5</sub> 0至5 Y<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 0至10 CuO 0.1至10 As<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 0至1 Sb<sub>2</sub>O<sub>3</sub> 0至1
。
15.如权利要求14所述的玻璃，其中所述玻璃特征在于冷却状态，该冷却状态对应于从温度T1到温度T2以每小时0.5k至每小时40k的平均冷却速率的稳定冷却，其中T1至少高于玻璃转变温度Tg，T2为20℃。
16.如权利要求14或15所述的玻璃作为具有至少1.6的折射率的固态激光器的用途。
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