CN109309339A - 环形波导激光晶体 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种环形波导激光晶体，由四层构成，其内层为不掺杂YAG晶体圆筒，次内层为掺杂YAG晶体圆筒，次外层为Ho:YAG晶体圆筒，外层为不掺杂YAG晶体圆筒，内层、次内层、次外层、外层的长度相同，次内层的掺杂YAG晶体圆筒，其掺杂YAG为Nd:YAG、Yb:YAG、Tm:YAG、Ho:YAG、Tm:Ho:YAG、Er:YAG中的任意一种。本发明的有益效果在于，彻底解决了平面波导激光晶体自激辐射放大放大问题和边缘效应问题。

Description

环形波导激光晶体
技术领域
本发明涉及一种激光晶体，尤其是环形波导激光晶体。
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环形波导激光晶体。
本发明是通过以下技术方案来实现的。
一种环形波导激光晶体，由四层构成，其内层为不掺杂YAG晶体圆筒，次内层为掺杂YAG晶体圆筒，次外层为Ho:YAG晶体圆筒，外层为不掺杂YAG晶体圆筒，内层、次内层、次外层、外层的长度相同，次内层的掺杂YAG晶体圆筒，其掺杂YAG为Nd:YAG、Yb:YAG、Tm:YAG、Ho:YAG、Tm:Ho:YAG、Er:YAG中的任意一种。
进一步地，内层、次内层、次外层、外层的长度在30～200mm。
进一步地，内层的内径为5～48mm，壁厚为1～3mm。
进一步地，次内层的内径与内层的外径相匹配，壁厚50～300微米。
进一步地，次外层的内径与次内层的外径相匹配，壁厚100～200微米。
进一步地，外层的内径与次外层层外径相匹，壁厚为1～3mm。
本发明的有益效果：
该激光晶体于平面波导激光晶体相比，彻底解决了平面波导激光晶体自激辐射放大放大问题和边缘效应问题，光束为圆心对称结构，使用时无需复杂的矫正，非常适合用于实现高功率激光输出。
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。
本发明，环形波导激光晶体，由四层构成，其内层为不掺杂YAG晶体圆筒，次内层为掺杂YAG晶体圆筒，次外层为Ho:YAG晶体圆筒，外层为不掺杂YAG晶体圆筒，内层、次内层、次外层、外层的长度相同，次内层的掺杂YAG晶体圆筒，其掺杂YAG为Nd:YAG、Yb:YAG、Tm:YAG、Ho:YAG、Tm:Ho:YAG、Er:YAG中的任意一种。
进一步地，内层、次内层、次外层、外层的长度在30～200mm。
进一步地，内层的内径为5～48mm，壁厚为1～3mm。
进一步地，次内层的内径与内层的外径相匹配，壁厚50～300微米。
进一步地，次外层的内径与次内层的外径相匹配，壁厚100～200微米。
进一步地，外层的内径与次外层层外径相匹，壁厚为1～3mm。
以人工生长的优质YAG单晶、Ho:YAG单晶、掺杂Re:YAG(Re是Nd、Yb、Er、Tm、Ho离子中的一种或几种)单晶为初始原料，从生长的晶体毛坯上根据最终加工制备的环形波导晶体元件尺寸选取相应的晶体元件，考虑到加工余量，在晶体直径方面，选切晶体元件直径比构成环形波导晶体相应组件最终外径大1mm以上，长度比环形波导晶体元件最终长度多5mm以上。然后采用传统机械加工方法将晶体元件坯材从晶体毛坯切割出来。
为了便于实现任意内、外两层圆筒形晶体之间的热扩散键合，采用超声旋转加工方法和机械光学研磨抛光方法和，将选切出的晶体坯材加工成略微带有一定锥度的圆筒，为了保障晶体的加工精度和后期的光胶、键合，且保障不影响环形波导激光晶体使用和波导传输效果，每层圆筒的初始壁厚不少于2mm，各层圆筒的锥度要尽可能小，在1:200～1:1000之间，内层圆筒外表面锥度与外层圆筒的内表面锥度相匹配。
采用古典机械抛光方法，对各层晶体圆筒之间的外或内表面进行光学精密抛光处理，抛光至表面粗糙度Ra≤0.7nm、光洁度不高于10-5级水平。
采用重铬酸钾洗液或者浓硫酸溶液将加工完毕的晶体圆筒浸泡12h以上，然后冲洗干净。
将内层、次内层、次外层、外层的表面光胶在一起，两表面之间不能有气泡，否则需要重新光胶。
将光胶好的复合晶体圆筒沿圆筒中心线竖直装入真空键合炉的坩埚或者模具中，圆筒内部和外部填充入粒径小于1mm的ZrO2陶瓷球或者氧化铝陶瓷球，直至没过晶体上方1cm以上，在陶瓷球的上面盖上与坩埚内径或者模具外径相匹配的石墨或者陶瓷压板，并在上方施加20～100kg的重物。然后抽真空，对晶体进行热处理，真空度不高于10-2Pa，热处理温度在1000℃～1600℃之间，恒温时间不低于10h。
取出热处理后的复合晶体圆筒后,对复合圆筒的外表面进行研磨和抛光处理，加工到设计厚度，并表面抛光至粗糙度低于0.7nm、光洁度优于10-5级的水平，然后重复步骤，将多层晶体经过热处理键合在一起。
依次将多层晶体键合在一起。
将键合在一起的多层复合晶体放于大气高温炉中，在1300～1500℃的温度下，退火24h。
采用机械研磨和抛光方法，将经过退火的多层复合晶体圆筒内表面和外表面进行光学精密抛光处理，并加工到设计厚度。然后采用光学精密加工方法，对多层复合晶体圆筒的两端进行研磨和精密抛光处理，即可得到最终的环形波导激光晶体元件。
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 (6)

1.一种环形波导激光晶体，其特征在于，由四层构成，其内层为不掺杂YAG晶体圆筒，次内层为掺杂YAG晶体圆筒，次外层为Ho:YAG晶体圆筒，外层为不掺杂YAG晶体圆筒，内层、次内层、次外层、外层的长度相同，次内层的掺杂YAG晶体圆筒，其掺杂YAG为Nd:YAG、Yb:YAG、Tm:YAG、Ho:YAG、Tm:Ho:YAG、Er:YAG中的任意一种。
2.根据权利要求1所述的环形波导激光晶体，其特征在于，内层、次内层、次外层、外层的长度在30～200mm。
3.根据权利要求1所述的环形波导激光晶体，其特征在于，内层的内径为5～48mm，壁厚为1～3mm。
4.根据权利要求3所述的环形波导激光晶体，其特征在于，次内层的内径与内层的外径相匹配，壁厚50～300微米。
5.根据权利要求4所述的环形波导激光晶体，其特征在于，次外层的内径与次内层的外径相匹配，壁厚100～200微米。
6.根据权利要求5所述的环形波导激光晶体，其特征在于，外层的内径与次外层层外径相匹，壁厚为1～3mm。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN105655864A (zh) * 2016-03-01 2016-06-08 中国科学院上海光学精密机械研究所 稀土离子掺杂钇铝石榴石的三明治陶瓷单晶复合结构激光材料及其制备方法
CN106451040A (zh) * 2016-11-22 2017-02-22 上海卫星工程研究所 高吸收效率和散热性能的阳光泵浦复合晶体及其制备

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