CN113582523A - 利用超短脉冲激光实现激光玻璃包边的方法 - Google Patents

Abstract

一种利用超短脉冲激光实现激光玻璃包边的方法，采用激光玻璃和与之物性匹配的包边玻璃，对待包边面进行精密光学加工，并清洁。将激光玻璃和包边玻璃进行初步键合，采用聚焦的超短脉冲激光作用在键合面上，通过不同的扫描图样对键合连接进行增强。经过特定的退火处理，将激光玻璃和包边玻璃高质量且牢固地连接在一起。本发明降低了直接键合工艺的复杂程度，又具有键合包边的优点，连接强度高，在强氙灯辐照下不易老化和脱落，能够满足抑制放大自发辐射和寄生振荡的需求。

Description

利用超短脉冲激光实现激光玻璃包边的方法

技术领域

本发明涉及激光玻璃，特别是一种利用超短脉冲激光实现激光玻璃包边的方法。

背景技术

在高功率激光驱动装置中，激光玻璃作为实现能量放大的增益介质，具有核心作用。在入射激光放大过程中，自发辐射光也被放大，产生放大自发辐射(ASE)，当自发辐射光在增益介质内部或表面形成闭合振荡时，则会产生寄生振荡(PO)。ASE和PO不仅降低激光玻璃的储能，也会引起增益介质内部储能的重新分布，影响增益均匀性。随着泵浦功率的增加，ASE和PO对增益均匀性的不利影响会愈发显著。为抑制激光玻璃内部的ASE和PO，从消除或者衰减激光波长的反射着手，发展了不同的激光玻璃侧面包边工艺。已有的包边工艺主要有烧结包边、液体包边、镀膜包边、聚合物粘接包边和键合包边等五种。

烧结包边又称为硬包边，如美国专利3885974，3906396，4217382。通过在激光玻璃侧边涂上一层吸收粉末，高温烧结后形成一层薄的包边吸收介质。其缺点是工艺复杂，容易在吸收层产生大量气泡，显著增加了剩余反射，不利于ASE的抑制。

液体包边则是在激光玻璃的侧面密封一层折射率匹配的吸收液体，实现对ASE和PO的抑制。液体吸收材料的折射率和吸收系数易于调整，可以实现与激光玻璃的均匀接触且无应力，但是需要设计专门的密封容器和流通系统容纳包边液体。

镀膜包边，如美国专利005335287A所述，是在增益介质的侧面镀上一层或多层折射率匹配的薄膜，通过选择合适的吸收材料达到抑制ASE的目的。该方法主要应用在折射率较大的晶体和陶瓷介质，用于解决高平均功率的激光系统中的热效应，需要增加冷却装置进行散热。

聚合物粘接包边，如美国专利4849036、中国专利CN10197679A所述，在激光玻璃和能够吸收ASE的包边玻璃连接面上涂一层聚合物粘接剂(如环氧树脂胶)，然后将两种玻璃轻压直至固化。该方法也被称为软包边，操作简单且连接可靠，但是由于引入了有机胶，受强光泵浦辐照容易老化脱落，对泵浦腔造成污染，损伤激光玻璃。

键合包边，如中国专利CN102875014A所述，通过将包边面精密加工和清洁处理，将直接贴合的激光玻璃和包边玻璃进行特定的热处理以实现牢固键合，粘接强度接近激光玻璃本征强度。在该专利中，详细描述了激光玻璃和包边玻璃的匹配参数：1)折射率匹配，如激光玻璃在1053nm的折射率n₁＝1.535，那么包边玻璃在1053nm的折射率n₂＝1.537是合适的；2)膨胀系数匹配，如激光玻璃在30～300℃的膨胀系数α₁＝118×10^-7，那么包边玻璃在30～300℃的膨胀系数α₂的合适范围为116～120×10^-7。另外，对包边玻璃内部的气泡和条纹也提出了相应的要求以减少它们引起的反射：每100cm³的包边玻璃中，直径大于0.05mm的气泡要求少于3个，同时所有气泡截面积的总和要求小于0.25mm²，要求包边玻璃在包边面和通光面的方向没有条纹。键合包边也可以通过在包边面采用无机胶来实现，如中国专利CN105731831A所述，该方法可以实现低温键合，操作简单且粘接强度相对较高。直接键合包边的方法需要进行复杂的热处理工艺；采用无机胶的键合包边工艺简单，不会在泵浦腔内引入有机污染源，但是粘接强度低于直接键合，有可能脱落。

发明内容

为了克服现有包边技术的不足,本发明提供一种利用超短脉冲激光实现激光玻璃包边的方法，利用超短脉冲激光与物质相互作用时所具有的热效应小，可实现不同热膨胀系数材料之间焊接等优点，且操作简单、折射率匹配好、粘接强度高、不易脱落，可以有效地抑制放大自发辐射和寄生振荡，同时不引入有机污染源，避免了污染物引起的增益介质损伤，实现增益介质长期可靠有效的运行。

本发明的技术解决方案如下：

一种利用超短脉冲激光实现激光玻璃包边的方法，其特点在于该方法包括下列步骤：

步骤一、根据激光玻璃的折射率和热膨胀系数，选取包边玻璃：

包边玻璃的折射率n₂应大于激光玻璃的折射率n₁，即n1<n2；

包边玻璃的热膨胀系数与激光玻璃的热膨胀系数相差小于2％；

步骤二、玻璃加工与清洁：

对所述的激光玻璃和包边玻璃的键合面进行光学加工，使键合面的面型优于λ/3，其中，λ为所述的激光玻璃的工作波长；并对所述的激光玻璃和包边玻璃的待包边面进行清洁处理；

步骤三、初步键合：

可选的键合方式如下：

直接键合：将待包边的激光玻璃和包边玻璃的键合面直接贴合，并挤压以扩大光学接触面积，实现初步键合；

氢氧化物催化键合：首先在待配合面上镀膜并清洗，将富含OH-碱性键合溶液滴在所述的激光玻璃的镀膜面，再将所述的包边玻璃的镀膜面和激光玻璃的镀膜面贴合并挤压，室温下静置一段时间(优选20-30小时)，实现初步稳定键合；

步骤四、增强键合：

超短脉冲激光聚焦后，经所述的包边玻璃一侧入射，并作用在所述的包边玻璃和激光玻璃的键合界面，通过不同的扫描图样加工增加键合强度：

对于直接键合方式，采用在整个包边键合面进行栅格扫描加工，形成键合工件；

对于氢氧化物催化键合方式，采用沿包边键合面的周边进行图样扫描加工并密封，形成键合工件；

步骤五、退火处理：

将所述的键合工件放入真空热处理炉，缓慢加热至一定温度(优选180-220℃)，然后缓慢降至室温，释放应力并减少包边界面的气泡。

所述的超短脉冲激光的脉宽小于10ps。

所述超短脉冲激光的能量、重复频率、扫描速度三者参数的结合可以使包边界面附近的激光玻璃和包边玻璃温度达到玻璃的软化温度T_softening，激光以一定的扫描图样进行加工实现激光玻璃和包边玻璃的稳定连接。

所述的步骤五中真空热处理炉的升温和降温速率不大于2℃/min。

与现有技术相比，本发明的技术效果：

1)采用键合方式实现激光玻璃和包边玻璃的初步连接，折射率匹配好，降低了键合包边工艺的复杂程度，有机胶的弃用避免了包边在强氙灯辐照下易老化易分解等问题；

2)采用超短脉冲激光对初步键合的工件增强连接，具有连接强度高的特点，耐候性好，在强氙灯辐照下不易脱落，能够满足抑制放大自发辐射和寄生振荡的需求。

附图说明

图1是本发明采用超短脉冲激光实现激光玻璃包边的配置示意图。

图2是本发明采用超短脉冲激光实现氢氧化物催化键合包边增强的扫描图样示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

参阅图1，利用超短脉冲激光实现激光玻璃包边的方法，包括下列步骤：

1)根据激光玻璃1的折射率为n₁和热膨胀系数选取包边玻璃2：该包边玻璃2与激光玻璃1的热膨胀系数差值小于2％，包边玻璃2和激光玻璃1在运行激光波段的折射率分别为n₂、n₁，两者满足n₂>n₁，且折射率差值小于0.005。

2)对所选取的激光玻璃1和包边玻璃2进行加工。对待包边玻璃的侧面进行研磨抛光，要求整体达到2级光洁度，表面面型优于λ/3，其中λ为激光玻璃1的运行激光波长。加工完成后，进行清洗，先后采用丙酮和异丙醇作为清洗液对激光玻璃和包边玻璃的待包边面进行清洗，去除表面残留的颗粒和油脂。

3)将激光玻璃1和包边玻璃2进行键合：

直接键合方式1：将待配合的激光玻璃和包边玻璃直接贴合，然后轻轻挤压扩大光学接触面积实现初步键合；

键合方式2：采用氢氧化物催化键合方法，首先在待配合面上镀膜并清洗以增加表面活性，然后将富含OH-碱性键合溶液滴于所述的激光玻璃的镀膜面，再将所述的包边玻璃的镀膜面和激光玻璃的镀膜面贴合并挤压，室温下静置一段时间，如24小时，实现初步稳定键合。

4)采用超短脉冲激光进一步增强键合强度：超短脉冲激光3从包边玻璃一侧入射，利用透镜4将超短脉冲激光3聚焦在键合界面上，通过控制合适的激光能量、激光重复频率和扫描速度，在局部热效应作用下，焦点附近区域快速升温，当温度达到玻璃的软化温度T_softening(550℃)时，激光热影响区的包边玻璃2和激光玻璃1形成熔池，熔池内两种玻璃混合并快速冷却，结合一定的激光脉冲扫描图样5，激光玻璃1和包边玻璃2实现稳定的连接。

参阅图1，以直接键合方式连接的工件可以采用在整个接触面以栅格扫描图样5加工以增强连接强度；参阅图2，氢氧化物催化键合含有镀膜面6，可以在包边面边沿采用方形扫描图样5加工以增强连接并密封。需要说明的是，其它的激光扫描图样也是可行的。

5)退火处理。将经过超短脉冲激光增强连接的工件放入真空热处理炉，缓慢加热至一定温度，如以2℃/min升至200℃，然后缓慢降至室温，如1℃/min。在升温和降温过程中，可以将热处理炉的真空度抽到10³Pa，在释放应力的同时减少包边界面的气泡。

本发明利用超短脉冲激光实现激光玻璃包边的方法，具有键合包边的优点，且工艺简单，连接强度高，能够满足抑制放大自发辐射和寄生振荡的需求。

Claims (6)

1.一种利用超短脉冲激光实现激光玻璃包边的方法，其特征在于该方法包括下列步骤：

步骤一、根据激光玻璃的折射率和热膨胀系数，选取包边玻璃：

包边玻璃的折射率n₂应大于激光玻璃的折射率n₁，即n1<n2；

包边玻璃的热膨胀系数与激光玻璃的热膨胀系数相差小于2％；

步骤二、玻璃加工与清洁：

对所述的激光玻璃和包边玻璃的键合面进行光学加工，使键合面的面型优于λ/3，其中，λ为所述的激光玻璃的工作波长；并对所述的激光玻璃和包边玻璃的待包边面进行清洁处理；

步骤三、初步键合：

可选的键合方式如下：

直接键合：将待包边的激光玻璃和包边玻璃的键合面直接贴合，并挤压以扩大光学接触面积，实现初步键合；

氢氧化物催化键合：首先在待配合面上镀膜并清洗，将富含OH-碱性键合溶液滴在所述的激光玻璃的镀膜面，再将所述的包边玻璃的镀膜面和激光玻璃的镀膜面贴合并挤压，室温下静置一段时间，实现初步稳定键合；

步骤四、增强键合：

超短脉冲激光聚焦后，经所述的包边玻璃一侧入射，并作用在所述的包边玻璃和激光玻璃的键合界面，通过不同的扫描图样加工增加键合强度：

对于直接键合方式，采用在整个包边键合面进行栅格扫描加工，形成键合工件；

对于氢氧化物催化键合方式，采用沿包边键合面的周边进行图样扫描加工并密封，形成键合工件；

步骤五、退火处理：将所述的键合工件放入真空热处理炉，缓慢加热至一定温度，然后缓慢降至室温，释放应力并减少包边界面的气泡。

2.根据权利要求1所述的用超短脉冲激光实现激光玻璃包边的方法，其特征在于：所述的超短脉冲激光的脉宽小于10ps。

3.根据权利要求1所述的用超短脉冲激光实现激光玻璃包边的方法，其特征是：所述超短脉冲激光的能量、重复频率和扫描速度三者参数的结合可以使包边界面附近的激光玻璃和包边玻璃温度达到玻璃的软化温度T_softening，激光以一定的扫描图样进行扫描加工实现钕玻璃和包边玻璃的稳定连接。

4.根据权利要求1所述的用超短脉冲激光实现激光玻璃包边的方法，其特征是：所述的步骤三中室温下静置20-30小时。

5.根据权利要求1所述的用超短脉冲激光实现激光玻璃包边的方法，其特征是：所述的步骤五中真空热处理炉的升温和降温速率不大于2℃/min。

6.根据权利要求1所述的用超短脉冲激光实现激光玻璃包边的方法，其特征是：所述的步骤五中缓慢加热至180℃-220℃。

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