CN109280972A - 三层结构的环形波导激光晶体的制备方法 - Google Patents

三层结构的环形波导激光晶体的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种三层结构的环形波导激光晶体的制备方法。本发明的有益效果在于，解决了波导激光晶体由于键合面积大，键合面容易出现散射气泡缺陷，制备困难的难题。利用本发明方法，可以稳定地制备出高质量的环形波导激光晶体。

Description

三层结构的环形波导激光晶体的制备方法
技术领域
本发明涉及一种制备方法，尤其是三层结构的环形波导激光晶体的制备方法。
背景技术
高功率全固态固体激光器在工业加工、国防、科研等领域有着重要的应用。随着应用的发展，高功率固体激光器不断向着更高功率、更高效率、更高光束质量、更小体积、更紧凑结构方向发展。但随着输出功率的增高，固体激光增益介质内部热效应严重制约了转换效率的提高、破坏了光束质量，不得不加装庞大而复杂的散热系统，使得激光器体积庞大、结构趋于复杂。为了解决增益介质热效应，提高激光器件输出功率水平，高功率固体激光器已先后发展出了棒状固体激光器、板条状固体激光器、盘片状固体激光器以及光纤激光器，棒状固体激光器和传统的板条固体激光器由于增益介质在三维方向上尺寸均较大，无法完全有效的解决热效应问题，因此输出功率水平仍有限，目前单块板条最高输出功率为5kW左右；盘片状固体激光器，增益介质厚度很薄，很好的解决的散热和增益介质温度均匀性问题，但封装复杂，热沉焊接困难，单块盘片尺寸受限，目前单盘片最大输出功率也为5kW左右；双包层光纤激光器，由于具有良好的散热能力，光束传输被很好的限制在了增益介质内部，拥有极佳的光束质量，可以实现较高功率水平的高光束质量激光输出，但由于光纤芯径较小，基质材料为玻璃，抗光损伤阈值低，单纤输出功率有限，输出功率存在瓶颈。
技术人员开发了一种二维平面波导板条高功率固体激光器，即将掺镱钇铝石榴石(Yb:YAG)激光晶体、不掺杂YAG晶体和蓝宝石晶体，但二维平面波导板条结构固体激光器件也存在着严重的技术瓶颈：一是板条增益介质厚度很薄，宽度很大，光束为典型的大纵横比光束，光束的传输和矫正困难，功率密度高，自发辐射放大效应严重，存在着严重的边缘效应；二是制作工艺复杂，双包层平面波导结构板条难于获取。解决这些技术缺陷，可以从两个方面来考虑：一方面是改变现有结构，使之成为环形结构，消除边缘效应；另一方面是解决平面波导结构板条制备工艺难题，降低制备工艺难度，实现低成本、高可靠制备。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种三层结构的环形波导激光晶体的制备方法。
本发明是通过以下技术方案来实现的。
一种三层结构的环形波导激光晶体的制备方法，步骤包括：
(1)采用提拉法生长的YAG晶体毛坯和Yb:YAG晶体毛坯为初始原料，从YAG晶体毛坯上分别选取外径为10-60mm和15-60mm，长度为50-210mm的YAG晶体棒，从Yb:YAG晶体毛坯上选取直径为10-60mm，长度为50-210mm的Yb:YAG晶体棒；
(2)利用机械加工方法，将直径10-60mm的YAG晶体棒加工成外径为5-60mm、内径为3-50mm，外表面锥度为1:500-1000的圆筒，采用古典机械抛光方法对内、外表面进行光学精密抛光处理；
(3)再将直径15-60mm的YAG晶体棒加工成内径为5-60mm、外径为10-60mm，内表面锥度为1:500-1000的晶体棒，内表面粗糙度为0.7nm，光洁度为10-5级；
(3)将两根晶体筒放于重铬酸钾洗液中浸泡12h，然后取出用去离子水冲洗干净，并用无水乙醇脱水后，将YAG晶体筒插入到Yb:YAG晶体筒中，通过旋转调整，将二者光胶在一起，然后光胶在一起的复合晶体圆筒竖直放于真空炉的石墨坩埚中高温处理；
(4)降至室温后，取出YAG/Yb:YAG复合晶体筒，将YAG/Yb:YAG复合晶体圆筒的外层即Yb:YAG层减薄至30-200微米，同时外表面抛光处理；
(5)将直径为10-60mm的YAG晶体棒加工成内径为5-55mm、外径为10-60mm的晶体圆筒，内表面进行精密抛光处理；
(6)采用重铬酸钾洗液浸泡复合晶体筒和YAG晶体筒12h，用去离子水冲洗干净后，将YAG/Yb:YAG复合晶体筒插入到YAG晶体筒中，将二者光胶在一起，然后置于高温真空炉中处理；
(7)降至室温后，取出YAG/Yb:YAG/YAG复合晶体筒放入大气高温炉中，在1300℃的温度下退火24h。取出晶体后，对复合晶体圆柱筒的内外层进行减薄和表面加工处理，减薄至厚度为1-2mm，并将内外表面抛光至表面粗糙度小于1nm、光洁度优于10-5级水平，然后对复合晶体圆筒的两端进行研磨和抛光处理。
进一步地，(2)抛光至外表面粗糙度为0.7nm，光洁度为10-5级。
进一步地，(3)在石墨坩埚中，圆柱筒内外填入粒径为1mm的高纯氧化铝陶瓷球，没过晶体上端10mm，压上压板后，在上方施加20kg的重物块，在10-2Pa真空环境中、1000℃的温度下，恒温10h。
进一步地，(4)抛光至粗糙度为0.7nm、光洁度为10-5级，锥度为1:500-1000。
进一步地，(5)抛光至粗糙度为0.7nm、光洁度为10-5级，内表面锥度为1:500-1000。
进一步地，(6)在高温真空炉中，埋入粒径为1mm的高纯氧化铝陶瓷球，没过晶体上端10mm，压上压板后，施加20kg重物块，在10-2Pa真空环境中、1000℃的温度下，恒温10h。
进一步地，(7)研磨和抛光处理至长度为50-200mm，且端面平面度优于λ/4@633nm、光洁度不低于20-10级、粗糙度小于1nm的水平，两端面平行度小于10秒，端面对侧面垂直度小于5分的水平。
本发明的有益效果：
解决了波导激光晶体由于键合面积大，键合面容易出现散射气泡缺陷，制备困难的难题。利用本发明方法，可以稳定地制备出高质量的环形波导激光晶体。
具体实施方式
下面根据实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1.
设计环形波导激光晶体由3层晶体组成，内层为厚度为2mm的YAG晶体，中间层为厚度30微米的Yb:YAG晶体，外层为厚度为2mm的YAG晶体，环形波导激光晶体长度为200mm，内径为5mm。
采用提拉法生长的YAG晶体和Yb:YAG晶体为初始原料，从YAG晶体毛坯上分别选取外径为10mm和19mm，长度为205mm的晶体棒，从Yb:YAG晶体毛坯上选取直径为15mm，长度为205mm的晶体棒。利用机械加工方法，将直径10mm的晶体棒加工成外径为9mm、内径为4mm，外表面锥度为1:1000的圆筒，采用古典机械抛光方法对内、外表面进行光学精密抛光处理，外表面粗糙度为0.7nm，光洁度为10-5级。
再将直径15mm的晶体棒加工成内径为9mm、外径为15mm，内表面锥度为1:1000的晶体棒，内表面粗糙度为0.7nm，光洁度为10-5级。
将两根晶体筒放于重铬酸钾洗液中浸泡12h，然后取出用去离子水冲洗干净，并用无水乙醇脱水后，将YAG晶体筒插入到Yb:YAG晶体筒中，通过旋转调整，将二者光胶在一起。然后光胶在一起的复合晶体圆筒竖直放于真空炉的石墨坩埚中，圆柱筒内外填入粒径为1mm的高纯氧化铝陶瓷球，没过晶体上端10mm，压上压板后，在上方施加20kg的重物块，在10-2Pa真空环境中、1000℃的温度下，恒温10h。
降至室温后，取出YAG/Yb:YAG复合晶体筒，将YAG/Yb:YAG复合晶体圆筒的外层(Yb:YAG)层减薄至30微米，同时外表面抛光至粗糙度为0.7nm、光洁度为10-5级，锥度为1:1000。同时，将直径为19mm的YAG晶体棒加工成内径为9.06mm、外径为15mm的晶体圆筒，内表面进行精密抛光处理，粗糙度为0.7nm、光洁度为10-5级，内表面锥度为1:1000。采用重铬酸钾洗液浸泡复合晶体筒和YAG晶体筒12h，用去离子水冲洗干净后，将YAG/Yb:YAG复合晶体筒插入到YAG晶体筒中，将二者光胶在一起，然后置于高温真空炉中，埋入粒径为1mm的高纯氧化铝陶瓷球，没过晶体上端10mm，压上压板后，施加20kg重物块。在10-2Pa真空环境中、1000℃的温度下，恒温10h。
降至室温后，取出YAG/Yb:YAG/YAG复合晶体筒放入大气高温炉中，在1300℃的温度下退火24h。取出晶体后，对复合晶体圆柱筒的内外层进行减薄和表面加工处理，减薄至厚度为2mm，并将内外表面抛光至表面粗糙度小于1nm、光洁度优于10-5级水平。然后对复合晶体圆筒的两端进行研磨和抛光处理，加工至长度为200mm，且端面平面度优于λ/4@633nm、光洁度不低于20-10级、粗糙度小于1nm的水平，两端面平行度小于10秒，端面对侧面垂直度小于5分的水平。由此，即制备出设计的Yb:YAG环形波导激光晶体。
实施例2.
设计环形波导激光晶体由3层晶体组成，内层为厚度为2mm的YAG晶体，中间层为厚度200微米的Nd:YAG晶体，外层为厚度为2mm的YAG晶体，环形波导激光晶体长度为60mm，内径为48mm。
采用提拉法生长的YAG晶体和Nd:YAG晶体为初始原料，从YAG晶体毛坯上分别选取外径为53mm和58mm，长度为65mm的YAG晶体棒，从Nd:YAG晶体毛坯上选取直径为56mm，长度为65mm的Nd:YAG晶体棒。利用机械加工方法，将直径53mm的YAG晶体棒加工成外径为52mm、内径为46mm，外表面锥度为1:500的圆筒，采用古典机械抛光方法对内、外表面进行光学精密抛光处理，外表面粗糙度为0.7nm，光洁度为10-5级。
再将直径58mm的晶体棒加工成内径为52mm、外径为56mm，内表面锥度为1:500的晶体棒，内表面粗糙度为0.7nm，光洁度为10-5级。
将两根晶体筒放于重铬酸钾洗液中浸泡24h，然后取出用去离子水冲洗干净，并用无水乙醇脱水后，将YAG晶体筒插入到Nd:YAG晶体筒中，通过旋转调整，将二者光胶在一起。然后光胶在一起的复合晶体圆筒竖直放于真空炉的石墨坩埚中，圆柱筒内外填入粒径为0.1mm的高纯氧化铝陶瓷球，没过晶体上端10mm，压上压板后，在上方施加50kg的重物块，在10-2Pa真空环境中、1200℃的温度下，恒温10h。
降至室温后，取出YAG/Nd:YAG复合晶体筒，将YAG/Nd:YAG复合晶体圆筒的外层(Nd:YAG)层减薄至200微米，同时外表面抛光至粗糙度为0.7nm、光洁度为0-0级，锥度为1:500。同时，将直径为60mm的YAG晶体棒加工成内径为52.4mm、外径为58mm的晶体圆筒，内表面进行精密抛光处理，粗糙度为0.7nm、光洁度为0-0级，内表面锥度为1:500。采用重铬酸钾洗液浸泡复合晶体筒和YAG晶体筒24h，用去离子水冲洗干净后，将YAG/Nd:YAG复合晶体筒插入到YAG晶体筒中，将二者光胶在一起，然后置于高温真空炉中，埋入粒径为1mm的高纯氧化铝陶瓷球，没过晶体上端10mm，压上压板后，施加50kg重物块。在10-2Pa真空环境中、1000℃的温度下，恒温10h。
降至室温后，取出YAG/Nd:YAG/YAG复合晶体筒放入大气高温炉中，在1300℃的温度下退火24h。取出晶体后，对复合晶体圆柱筒的内、外YAG晶体层进行减薄和表面加工处理，减薄至厚度为1mm，并将内外表面抛光至表面粗糙度小于1nm、光洁度优于10-5级水平。然后对复合晶体圆筒的两端进行研磨和抛光处理，加工至长度为60mm，且端面平面度优于λ/4@633nm、光洁度不低于20-10级、粗糙度小于1nm的水平，两端面平行度小于10秒，端面对侧面垂直度小于5分的水平。由此，即制备出设计的Nd:YAG环形波导激光晶体。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种三层结构的环形波导激光晶体的制备方法，其特征在于，步骤包括：
(1)采用提拉法生长的YAG晶体毛坯和Yb:YAG晶体毛坯为初始原料，从YAG晶体毛坯上分别选取外径为10-60mm和15-60mm，长度为50-210mm的YAG晶体棒，从Yb:YAG晶体毛坯上选取直径为10-60mm，长度为50-210mm的Yb:YAG晶体棒；
(2)利用机械加工方法，将直径10-60mm的YAG晶体棒加工成外径为5-60mm、内径为3-50mm，外表面锥度为1:500-1000的圆筒，采用古典机械抛光方法对内、外表面进行光学精密抛光处理；
(3)再将直径15-60mm的YAG晶体棒加工成内径为5-60mm、外径为10-60mm，内表面锥度为1:500-1000的晶体棒，内表面粗糙度为0.7nm，光洁度为10-5级；
(3)将两根晶体筒放于重铬酸钾洗液中浸泡12h，然后取出用去离子水冲洗干净，并用无水乙醇脱水后，将YAG晶体筒插入到Yb:YAG晶体筒中，通过旋转调整，将二者光胶在一起，然后光胶在一起的复合晶体圆筒竖直放于真空炉的石墨坩埚中高温处理；
(4)降至室温后，取出YAG/Yb:YAG复合晶体筒，将YAG/Yb:YAG复合晶体圆筒的外层即Yb:YAG层减薄至30-200微米，同时外表面抛光处理；
(5)将直径为10-60mm的YAG晶体棒加工成内径为5-55mm、外径为10-60mm的晶体圆筒，内表面进行精密抛光处理；
(6)采用重铬酸钾洗液浸泡复合晶体筒和YAG晶体筒12h，用去离子水冲洗干净后，将YAG/Yb:YAG复合晶体筒插入到YAG晶体筒中，将二者光胶在一起，然后置于高温真空炉中处理；
(7)降至室温后，取出YAG/Yb:YAG/YAG复合晶体筒放入大气高温炉中，在1300℃的温度下退火24h，取出晶体后，对复合晶体圆柱筒的内外层进行减薄和表面加工处理，减薄至厚度为1-2mm，并将内外表面抛光至表面粗糙度小于1nm、光洁度优于10-5级水平，然后对复合晶体圆筒的两端进行研磨和抛光处理。
2.根据权利要求1所述的三层结构的环形波导激光晶体的制备方法，其特征在于，(2)抛光至外表面粗糙度为0.7nm，光洁度为10-5级。
3.根据权利要求1所述的三层结构的环形波导激光晶体的制备方法，其特征在于，(3)在石墨坩埚中，圆柱筒内外填入粒径为1mm的高纯氧化铝陶瓷球，没过晶体上端10mm，压上压板后，在上方施加20kg的重物块，在10-2Pa真空环境中、1000℃的温度下，恒温10h。
4.根据权利要求1所述的三层结构的环形波导激光晶体的制备方法，其特征在于，(4)抛光至粗糙度为0.7nm、光洁度为10-5级，锥度为1:500-1000。
5.根据权利要求1所述的三层结构的环形波导激光晶体的制备方法，其特征在于，(5)抛光至粗糙度为0.7nm、光洁度为10-5级，内表面锥度为1:500-1000。
6.根据权利要求1所述的三层结构的环形波导激光晶体的制备方法，其特征在于，(6)在高温真空炉中，埋入粒径为1mm的高纯氧化铝陶瓷球，没过晶体上端10mm，压上压板后，施加20kg重物块，在10-2Pa真空环境中、1000℃的温度下，恒温10h。
7.根据权利要求1所述的三层结构的环形波导激光晶体的制备方法，其特征在于，(7)研磨和抛光处理至长度为50-200mm，且端面平面度优于λ/4@633nm、光洁度不低于20-10级、粗糙度小于1nm的水平，两端面平行度小于10秒，端面对侧面垂直度小于5分的水平。
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