RU2560438C1 - Method of parts connection of optical element out of garnet crystals - Google Patents

Method of parts connection of optical element out of garnet crystals Download PDF

Info

Publication number
RU2560438C1
RU2560438C1 RU2014134017/05A RU2014134017A RU2560438C1 RU 2560438 C1 RU2560438 C1 RU 2560438C1 RU 2014134017/05 A RU2014134017/05 A RU 2014134017/05A RU 2014134017 A RU2014134017 A RU 2014134017A RU 2560438 C1 RU2560438 C1 RU 2560438C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
parts
garnet
optical element
heating
temperature
Prior art date
Application number
RU2014134017/05A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Иван Борисович Мухин
Олег Валентинович Палашов
Евгений Александрович Перевезенцев
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН)
Общество с ограниченной ответственностью Центр научного и технического развития" (ООО "Ц-НТР")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН), Общество с ограниченной ответственностью Центр научного и технического развития" (ООО "Ц-НТР") filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт прикладной физики Российской академии наук (ИПФ РАН)
Priority to RU2014134017/05A priority Critical patent/RU2560438C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2560438C1 publication Critical patent/RU2560438C1/en

Links

Images

Landscapes

  • Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)

Abstract

FIELD: physics.
SUBSTANCE: such composite optical elements are widely used in lasers and other optical devices. Method includes polishing of the connected surface of parts, their alignment and heating, at that the connected part surfaces are treated by the solution of orthophosphoric acid in alcohol, and optical contact is provided, then the connected parts at the atmosphere pressure are heated to temperature below melt point of the connected parts. Heating is performed by at least two stages with holding at the first stage for at least three hours at 300°C, and with holding at second stage for at least twenty hours at temperature 1200°C. The developed method excludes expensive operation of the intermediate layer spraying between the connected garnet crystals, and excludes in the finished product this intermediate layer. Besides, the invention ensures manufacturing of the composite optical element with rather uniform contact, minimum losses and strength compared with strength of the material.
EFFECT: easy manufacturing of the composite optical elements by this method ensure making of the assemblages with large aperture.
5 cl, 4 dwg, 4 ex

Description

Изобретение относится к области изготовления оптического элемента путем соединения нескольких кристаллов гранатов. Такие композитные оптические элементы широко применяются в лазерах и других оптических устройствах. Так использование кладинга позволяет подавить паразитную генерацию в активных элементах (АЭ) [Т. Gonçalvès-Novo, D. Albach, В. Vincent, Μ. Arzakantsyan, and J. - С. Chanteloup, "14 J/2 Hz Yb3+:YAG diode pumped solid state laser chain", Optics Express, Vol. 21, No. 1, 855, 2013]. Широко используются дисковые АЭ с приваренной к торцу нелегированной частью для уменьшения тепловых искажений и ослабления эффекта усиленного спонтанного излучения [О.L. Vadimova, I.В. Mukhin, I.I. Kuznetsov, О.V. Palashov, Ε.Α. Perevezentsev, Ε.Α. Khazanov, "Calculation of the gain coefficient in cryogenically cooled Yb: YAG disks at high heat generation rates", Quantum Electronics, 43 (3), 201-206, 2013]. Создание многослойной структуры с допированием, переменным вдоль направления излучения, позволяет управлять распределением тепла внутри АЭ [М. Azrakantsyan, D. Albach, N. Ananyan, V. Gevorgyan, and J. - C. Chanteloup, "Yb3+:YAG crystal growth with controlled doping distribution", Optical Materials Express, Vol. 2, No. 1, 20, 2012]. Принцип работы микрочип лазеров подразумевает монолитную композитную структуру АЭ [Ying Cheng, Jun Dong, and Yingying Ren, "Enhanced performance of Cr, Yb:YAG microchip laser by bonding Yb:YAG crystal", Optics Express, Vol. 20, Issue 22, pp. 24803-24812 (2012)]. Сращивание вдоль боковой поверхности позволяет увеличивать апертуру оптического элемента. Создание композитного оптического элемента на базе двух сред с близкими, но различными спектрами позволяет увеличить полосу усиления АЭ. Приваривая кристалл YAG к торцу магнитооптического элемента (МОЭ) из TGG можно значительно уменьшить термонаведенные искажения излучения в изоляторе Фарадея при высокой средней мощности проходящего излучения за счет высокой теплопроводности YAG.The invention relates to the field of manufacturing an optical element by combining several crystals of garnets. Such composite optical elements are widely used in lasers and other optical devices. So the use of cladding allows you to suppress spurious generation in active elements (AE) [T. Gonçalvès-Novo, D. Albach, B. Vincent, Μ. Arzakantsyan, and J. - S. Chanteloup, "14 J / 2 Hz Yb3 +: YAG diode pumped solid state laser chain", Optics Express, Vol. 21, No. 1, 855, 2013]. Widely used are disk AEs with an unalloyed part welded to the end to reduce thermal distortions and weaken the effect of amplified spontaneous emission [O.L. Vadimova, I.V. Mukhin, I.I. Kuznetsov, O.V. Palashov, Ε.Α. Perevezentsev, Ε.Α. Khazanov, "Calculation of the gain coefficient in cryogenically cooled Yb: YAG disks at high heat generation rates", Quantum Electronics, 43 (3), 201-206, 2013]. The creation of a multilayer structure with doping variable along the radiation direction allows controlling the distribution of heat inside the AE [M. Azrakantsyan, D. Albach, N. Ananyan, V. Gevorgyan, and J. - C. Chanteloup, "Yb3 +: YAG crystal growth with controlled doping distribution", Optical Materials Express, Vol. 2, No. 1, 20, 2012]. The principle of operation of a laser microchip implies a monolithic composite AE structure [Ying Cheng, Jun Dong, and Yingying Ren, "Enhanced performance of Cr, Yb: YAG microchip laser by bonding Yb: YAG crystal", Optics Express, Vol. 20, Issue 22, pp. 24803-24812 (2012)]. Splicing along the side surface allows you to increase the aperture of the optical element. The creation of a composite optical element based on two media with close but different spectra allows one to increase the gain band of AE. By welding a YAG crystal to the end face of a magneto-optical element (MOE) of TGG, it is possible to significantly reduce the thermally induced distortion of radiation in a Faraday isolator at high average transmitted radiation power due to the high thermal conductivity of YAG.

Оптический контакт является одним из самых простых и распространенных методов создания композитных оптических элементов. Однако прочность такого контакта, основанная на слабых Ван-дер-ваальсовых силах, недостаточна для применения в мощных лазерных системах. В последнее время появились новые методы организации сильного контакта в композитных лазерных элементах. Среди них можно выделить методы, основанные на термодиффузионной сварке деталей оптического элемента [H.C. Lee, P.L. Browlie, Н.Е. Meissner and Е.С. Rea, "Diffusion bonded composites of YAG single crystals", SPIE vol. 1624 Laser-Induced Damage in Optical Materials, 1991; Akira Sugiyama, Hiroyasu Fukuyama, Tsuneo Sasuga, Takashi Arisawa, and Hiroshi Takuma, "Direct bonding of Ti:sapphire laser crystals" 20 April 1998, Vol. 37, No. 12, APPLIED OPTICS] и методы, использующие химическую активацию поверхностей деталей оптического элемента [Traggis, Ν., Claussen, Ν., "Epoxy Free Bonding for High Performance Lasers", 11th Annual Directed Energy Symposium Proceedings, Directed Energy Professional Society (2008)]. Химическую активацию осуществляют путем воздействия на поверхности деталей оптического элемента сильными щелочами и кислотами или потоком ионов, после этого обработанные детали сажают на оптический контакт. Считается, что сила химически активированного контакта может быть сравнима с прочностью самого материала. Однако термодиффузионная сварка является более унифицированным для различных материалов процессом и, в теории, должна обеспечивать максимально прочный контакт. Процесс термодиффузионной сварки, в основном, производят в прессах при нагреве до температур свыше 1500°С и большом давлении в сотни кг/см2 [H.C. Lee, P.L. Browlie, Н.Е. Meissner and Е.С. Rea, "Diffusion bonded composites of YAG single crystals", SPIE vol. 1624 Laser-Induced Damage in Optical Materials, 1991]. Иногда для уменьшения требований к обработке свариваемых поверхностей на них напыляют тонкий слой кварцевого стекла [S.N. Bagayev, А.А. Kaminskii, Yu. L. Kopylov, I.Μ. Kotelyanskii, V.B. Kravchenko, "Simple method to join YAG ceramics and crystals", Optical Materials 34 (2012) 951-954]. Этот слой кварцевого стекла подплавляют при температурах более 1200°С с образованием смачивающего обе поверхности слоя, который при дальнейшем нагреве диффундирует в объем свариваемых деталей. Аналогично термодиффузионную сварку можно осуществить после химической активации свариваемых поверхностей, что позволяет отказаться от использования пресса при отжиге [A. Sugiyama, Η. Fukuyama, Т. Sasuga, Т. Arisawa, and Η. Takuma "Direct bonding of Tksapphire laser crystals", Applied Optics, Vol. 37, No. 12, 20, 1998].Optical contact is one of the simplest and most common methods for creating composite optical elements. However, the strength of such a contact, based on weak van der Waals forces, is insufficient for use in high-power laser systems. Recently, new methods for organizing strong contact in composite laser elements have appeared. Among them, methods based on thermal diffusion welding of parts of an optical element can be distinguished [HC Lee, PL Browlie, N.E. Meissner and E.S. Rea, "Diffusion bonded composites of YAG single crystals", SPIE vol. 1624 Laser-Induced Damage in Optical Materials, 1991; Akira Sugiyama, Hiroyasu Fukuyama, Tsuneo Sasuga, Takashi Arisawa, and Hiroshi Takuma, "Direct bonding of Ti: sapphire laser crystals" April 20, 1998, Vol. 37, No. 12, APPLIED OPTICS] and methods using chemical activation of the surfaces of optical component parts [Traggis, Ν., Claussen, Ν., "Epoxy Free Bonding for High Performance Lasers", 11th Annual Directed Energy Symposium Proceedings, Directed Energy Professional Society (2008) ]. Chemical activation is carried out by exposure to the surface of the parts of the optical element with strong alkalis and acids or ion flow, after which the treated parts are placed on the optical contact. It is believed that the strength of the chemically activated contact can be comparable with the strength of the material itself. However, thermal diffusion welding is a more unified process for various materials and, in theory, should provide the most durable contact. The process of thermal diffusion welding is mainly carried out in presses when heated to temperatures above 1500 ° C and a high pressure of hundreds of kg / cm 2 [HC Lee, PL Browlie, N.E. Meissner and E.S. Rea, "Diffusion bonded composites of YAG single crystals", SPIE vol. 1624 Laser-Induced Damage in Optical Materials, 1991]. Sometimes, to reduce the requirements for processing welded surfaces, a thin layer of silica glass is sprayed on them [SN Bagayev, A.A. Kaminskii, Yu. L. Kopylov, I.Μ. Kotelyanskii, VB Kravchenko, "Simple method to join YAG ceramics and crystals", Optical Materials 34 (2012) 951-954]. This layer of silica glass is melted at temperatures above 1200 ° C with the formation of a layer wetting both surfaces, which diffuses into the volume of the welded parts upon further heating. Similarly, thermal diffusion welding can be carried out after the chemical activation of the surfaces to be welded, which eliminates the use of a press during annealing [A. Sugiyama, Η. Fukuyama, T. Sasuga, T. Arisawa, and Η. Takuma "Direct bonding of Tksapphire laser crystals", Applied Optics, Vol. 37, No. 12, 20, 1998].

Из числа известных технических решений наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ соединения деталей из тугоплавких оксидов, в частности из кристаллов гранатов, представленный в патенте RU 2477342 (МПК С30В 33/06, 29/16, 29/22, публ. 10.03.2013). Способ-прототип включает в себя полировку соединяемых поверхностей деталей, их совмещение и нагрев. Особенностью способа прототипа является то, что на одну из соединяемых деталей наносят (обычно напыляют) слой материала (обычно кварцевое стекло), образующего твердый раствор, по крайней мере, с одним из материалов соединяемых деталей. Дальнейший нагрев скреплённых деталей осуществляют до температуры, выше температуры образования твердого раствора (до образования жидкого раствора), что позволяет соединить две детали через промежуточный слой нанесенного материала (жидкого раствора). В результате последующего отжига на границе соединяемых компонентов (деталей) образуется слой с непрерывным изменением химического состава, а сама граница «размывается». Описанный выше способ был применен в прототипе, например, для соединения деталей из иттрий-алюминиевого оксида со структурой граната, оксида алюминия, оксида германия и др.Of the known technical solutions, the closest to the proposed invention is a method for connecting parts of refractory oxides, in particular from garnet crystals, presented in patent RU 2477342 (IPC С30В 33/06, 29/16, 29/22, publ. 03/10/2013) . The prototype method includes polishing the joined surfaces of the parts, their combination and heating. A feature of the prototype method is that one of the joined parts is applied (usually sprayed) with a layer of material (usually quartz glass) forming a solid solution with at least one of the materials of the connected parts. Further heating of the bonded parts is carried out to a temperature above the temperature of formation of a solid solution (until a liquid solution is formed), which allows two parts to be connected through an intermediate layer of the deposited material (liquid solution). As a result of subsequent annealing, a layer with a continuous change in the chemical composition is formed at the boundary of the connected components (parts), and the boundary itself is “washed out”. The method described above was used in the prototype, for example, to connect parts of yttrium-aluminum oxide with the structure of garnet, aluminum oxide, germanium oxide, etc.

Основным недостатком способа прототипа является наличие промежуточного слоя между соединяемыми деталями в готовом оптическом элементе. Это ведет к возникновению потерь проходящего излучения на этом слое, ухудшению теплового и механического контакта между соединяемыми деталями по сравнению с традиционным способом диффузионной сварки. Другим недостатком прототипа является необходимость использования достаточно длительного и дорогостоящего процесса напыления упомянутого промежуточного слоя.The main disadvantage of the prototype method is the presence of an intermediate layer between the connected parts in the finished optical element. This leads to the occurrence of losses of transmitted radiation on this layer, to a deterioration in the thermal and mechanical contact between the parts to be joined in comparison with the traditional diffusion welding method. Another disadvantage of the prototype is the need to use a sufficiently long and expensive spraying process of the said intermediate layer.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка способа соединения деталей оптического элемента из кристаллов гранатов, позволяющего исключить наличие промежуточного слоя между соединенными деталями и, соответственно, исключить из способа соединения деталей дорогостоящий и длительный процесс напыления этого промежуточного слоя.The problem to which the present invention is directed, is to develop a method for connecting parts of an optical element from garnet crystals, which allows to exclude the presence of an intermediate layer between connected parts and, accordingly, to exclude from the method of connecting parts an expensive and lengthy spraying process of this intermediate layer.

Технический результат в разработанном способе достигается тем, что разработанный способ соединения деталей оптического элемента из кристаллов гранатов, как и способ прототип, включает в себя полировку соединяемых поверхностей деталей, их совмещение и нагрев.The technical result in the developed method is achieved in that the developed method for connecting parts of an optical element from garnet crystals, like the prototype method, includes polishing the surfaces of the parts to be joined, their combination and heating.

Новым в разработанном способе является то, что соединяемые поверхности деталей обрабатывают раствором ортофосфорной кислоты в спирте и сажают на оптический контакт, после чего соединенные детали при атмосферном давлении нагревают до температуры ниже температуры плавления соединяемых деталей, причем нагрев осуществляют, по крайней мере, в два этапа с выдержкой на первом этапе не менее трех часов при температуре порядка 300°С и с выдержкой на втором этапе не менее двадцати часов при температуре порядка 1200°С.New in the developed method is that the joined surfaces of the parts are treated with a solution of phosphoric acid in alcohol and placed on an optical contact, after which the connected parts are heated to atmospheric pressure below the melting point of the connected parts, and heating is carried out in at least two stages with exposure in the first stage for at least three hours at a temperature of about 300 ° C and with exposure in the second stage for at least twenty hours at a temperature of about 1200 ° C.

В первом частном случае реализации разработанного способа целесообразно выбрать соединяемые детали из легированного иттрий-алюминиевого граната и нелегированного иттрий-алюминиевого граната.In the first particular case of the implementation of the developed method, it is advisable to select the parts to be joined from alloyed yttrium-aluminum garnet and undoped yttrium-aluminum garnet.

Во втором частном случае реализации разработанного способа целесообразно выбрать соединяемые детали из галлий-гадолиниевого граната.In the second particular case of the implementation of the developed method, it is advisable to select the connected parts from gallium-gadolinium garnet.

В третьем частном случае реализации разработанного способа целесообразно выбрать соединяемые детали из галлий-гадолиниевого граната и иттрий-алюминиевого граната.In the third particular case of the implementation of the developed method, it is advisable to select the connected parts from gallium-gadolinium garnet and yttrium-aluminum garnet.

В четвертом частном случае реализации разработанного способа целесообразно выбрать соединяемые детали из тербий-галлиевого граната и иттрий-алюминиевого граната.In the fourth particular case of the implementation of the developed method, it is advisable to select the parts to be connected from terbium-gallium garnet and yttrium-aluminum garnet.

Изобретение поясняется следующими фигурами.The invention is illustrated by the following figures.

На фиг. 1 представлена фотография полученных заявляемым способом оптических элементов.In FIG. 1 presents a photograph obtained by the claimed method of optical elements.

На фиг. 2 представлена зависимость измеренного остаточного отражения лазерного излучения от границы между двумя соединенными деталями в оптическом элементе от поперечной координаты этого элемента.In FIG. Figure 2 shows the dependence of the measured residual reflection of laser radiation on the boundary between two connected parts in an optical element on the transverse coordinate of this element.

На фиг. 3 представлена фотография композитного оптического элемента после воздействия на него разрушающим лазерным излучением.In FIG. Figure 3 shows a photograph of a composite optical element after exposure to destructive laser radiation.

На фиг. 4 представлены три микрофотографии границы между двумя частями композитного оптического элемента, изготовленного заявляемым способом.In FIG. 4 presents three micrographs of the boundary between two parts of a composite optical element manufactured by the claimed method.

Разработанный способ соединения деталей оптического элемента из кристаллов гранатов в соответствии с п. 1 формулы осуществляют следующим образом.The developed method for connecting parts of an optical element from garnet crystals in accordance with paragraph 1 of the formula is as follows.

Вначале, как и в способе прототипе, осуществляют полировку соединяемых деталей из кристаллов гранатов изготавливаемого оптического элемента до требуемого класса чистоты и необходимой плоскостности. Затем в соответствии с предлагаемым способом соединяемые поверхности деталей обрабатывают раствором ортофосфорной кислоты в спирте. В результате, после промывки оптических деталей на их поверхности формируется очень тонкий (несколько нанометров) аморфный (жидкий) слой фосфатов. После предварительного соединения деталей при совмещении при комнатной температуре этот слой обеспечивает надежный оптический контакт между деталями за счет Ван-дер-ваальсовских сил притяжения.Initially, as in the prototype method, polished parts to be connected from garnet crystals of the manufactured optical element are polished to the required purity class and required flatness. Then, in accordance with the proposed method, the joined surfaces of the parts are treated with a solution of phosphoric acid in alcohol. As a result, after washing the optical parts, a very thin (several nanometers) amorphous (liquid) layer of phosphates forms on their surface. After preliminary joining of the parts when matching at room temperature, this layer provides reliable optical contact between the parts due to the Van der Waals attractive forces.

Посаженные на оптический контакт детали проходят не менее двух этапов нагрева (отжига). Под отжигом оптических деталей подразумевается не только плавный нагрев их до выбранной температуры, но и последующая выдержка оптических деталей при данной температуре и плавное их охлаждение до комнатной температуры. На первом этапе при небольшом нагреве до температуры порядка 300°С и выдержке при данной температуре не менее трех часов упомянутый тонкий аморфный (жидкий) слой фосфатов преобразуется в твердую фазу (фосфатное стекло). Такой очень тонкий слой «склеивает» соединяемые детали оптического элемента, заполняя собой все имеющиеся неровности полировки. На втором этапе при дальнейшем нагреве изготовленного оптического элемента и выдержке не менее двадцати часов при высокой температуре (порядка 1200 градусов Цельсия) этот тончайший слой (несколько нанометров) фосфатного стекла полностью диффундирует в объем соединяемых деталей, а материалы самих деталей также диффундируют друг в друга. За счет очень небольшой (несколько нанометров) изначальной толщины упомянутого соединяющего слоя в изготовленном композитном оптическом элементе из кристаллов гранатов никакого промежуточного слоя, в отличие от прототипа, не остается (см. фигуры 1 и 4), что и позволяет решить поставленную задачу.Parts placed on an optical contact pass through at least two stages of heating (annealing). Annealing of optical parts means not only their smooth heating to the selected temperature, but also subsequent exposure of the optical parts at a given temperature and their smooth cooling to room temperature. At the first stage, with a slight heating to a temperature of about 300 ° C and holding at this temperature for at least three hours, the aforementioned thin amorphous (liquid) layer of phosphates is converted into a solid phase (phosphate glass). Such a very thin layer “sticks together” the connected parts of the optical element, filling in with itself all the polishing irregularities. At the second stage, upon further heating of the manufactured optical element and holding it for at least twenty hours at high temperature (about 1200 degrees Celsius), this thinnest layer (several nanometers) of phosphate glass diffuses completely into the volume of the connected parts, and the materials of the parts themselves also diffuse into each other. Due to the very small (several nanometers) of the initial thickness of the said connecting layer in the composite fiber optic element made from garnet crystals, no intermediate layer, unlike the prototype, remains (see figures 1 and 4), which allows us to solve the problem.

Таким образом, разработанный способ соединения деталей оптического элемента позволяет исключить дорогостоящую и длительную операцию напыления промежуточного слоя между оптическими деталями и исключить в готовом изделии сам этот промежуточный слой.Thus, the developed method for joining parts of an optical element eliminates the costly and time consuming operation of sputtering the intermediate layer between the optical parts and eliminates this intermediate layer in the finished product.

После соединения деталей оптического элемента из кристаллов гранатов проверка качества контакта может быть осуществлена несколькими способами. В каждом изготовленном композитном оптическом элементе измеряют коэффициент отражения излучения от границы соединяемых деталей в зависимости от поперечной координаты. Пример результатов такого измерения для образца диаметром 15 мм представлен на фиг. 2. В целом можно отметить достаточно слабые потери на отражение от границы соединяемых деталей. При величине отражения больше 0,1% (0,001 по оси у) считается, что качество соединения оптических элементов неудовлетворительное.After connecting the parts of the optical element from garnet crystals, the contact quality can be checked in several ways. In each manufactured composite optical element, the reflection coefficient of radiation from the boundary of the connected parts is measured depending on the transverse coordinate. An example of the results of such a measurement for a sample with a diameter of 15 mm is shown in FIG. 2. On the whole, rather weak losses due to reflection from the boundary of the connected parts can be noted. When the reflection value is more than 0.1% (0.001 along the y axis), it is considered that the quality of the connection of the optical elements is unsatisfactory.

Два других измерения выполняются только для некоторых образцов композитных оптических элементов из серии, поскольку связаны с разрушением изготовленных оптических элементов. В одном из измерений исследуется механическая прочность контакта деталей композитного оптического элемента с помощью его нагрева лазерным излучением. Мощность лазерного излучения увеличивают вплоть до разрушения композитного оптического элемента. Если разрушение оптического элемента происходит вдоль плоскости соединения оптических деталей, считается, что серия изготовленных композитных оптических элементов не удовлетворяет требованиям по прочности контакта. Если образец оптического элемента разрушается как единое целое (см. фиг. 3), серия признается удачной. Также иногда выполняется проверка однородности соединения композитного оптического элемента с помощью электронного микроскопа. Для этого образец оптического элемента разрушается со сколом поперек соединения двух частей композитного оптического элемента, и делаются микроснимки этого соединения в различных масштабах. Если соединение не содержит посторонних включений или промежуточного слоя, как показано на фиг. 4, серия изготовленных оптических элементов признается удачной.Two other measurements are performed only for some samples of composite optical elements from the series, since they are associated with the destruction of the fabricated optical elements. In one of the measurements, the mechanical strength of the contact parts of a composite optical element is studied by heating it with laser radiation. The power of laser radiation is increased until the destruction of the composite optical element. If the destruction of the optical element occurs along the plane of connection of the optical parts, it is believed that the series of manufactured composite optical elements does not satisfy the requirements for contact strength. If the sample of the optical element is destroyed as a whole (see Fig. 3), the series is considered successful. Also, sometimes the homogeneity of the composite optical element compound is checked using an electron microscope. For this, the sample of the optical element is destroyed with a chip across the junction of the two parts of the composite optical element, and micrographs of this compound are made at various scales. If the connection does not contain foreign matter or an intermediate layer, as shown in FIG. 4, a series of manufactured optical elements is considered successful.

Три микрофотографии участка границы между двумя частями композитного оптического элемента на фиг. 4 представлены с шагом 5 мкм, 0,1 мкв и 10 нм. На приведенных микрофотографиях видно, что какие-либо посторонние включения и промежуточный слой на границе соединения отсутствуют.Three micrographs of the portion of the boundary between the two parts of the composite optical element in FIG. 4 are presented in increments of 5 μm, 0.1 μV and 10 nm. The microphotographs shown show that there are no extraneous inclusions and an intermediate layer at the interface of the compound.

Ниже приведены конкретные примеры реализации разработанного способа в соответствии с пунктами 2, 3, 4 и 5 формулы.The following are specific examples of the implementation of the developed method in accordance with paragraphs 2, 3, 4 and 5 of the formula.

Пример 1. Способ соединения двух деталей из кристаллов гранатов: тонкой пластины иттрий-алюминиевого граната, легированного иттербием (Yb:YAG), и толстой пластины нелегированного иттрий-алюминиевого граната (YAG). Толщина пластины Yb:YAG составляет 2 мм, а диаметр до 20 мм. Толщина второй пластины (YAG) составляет 5 мм, а диаметр также до 20 мм. Изготовленные путем соединения таких пластин активные оптические элементы используются в дисковых лазерах: нелегированная часть позволяет подавить усиленное спонтанное излучение, уменьшить максимальную температуру легированной части и предотвратить изгиб активного элемента. Поверхности пластин полируют до 2-го класса чистоты, при этом плоскостность составляет не хуже λ/8, а микрошероховатость не более 10Å (для сравнения можно отметить, что в работе [Hoya optics: Н.С. Lee, P.L. Brownlie, Н.Е. Meissner, Е.С. Rea, "Diffusion bonded composites of YAG single crystals", SPIE Vol. 1924 Laser-Induced Damage in Optical Materials. 1991] для реализации термодиффузионной сварки поверхности кристаллов готовились с плоскостью не хуже λ/20 и микрошероховатостью на уровне 1Å). После полировки соединяемые стороны пластин моют этиловым спиртом и помещают в 30% раствор ортофосфорной кислоты на 30 минут. Затем поверхности моют спиртом снова и пластины сажают на оптический контакт. Такая обработка позволяет удалить оксидный слой с поверхности деталей из кристаллов гранатов и формирует очень тонкий слой (несколько нанометров) из фосфатов и остатков ортофосфорной кислоты. Посаженные на оптический контакт детали проходят несколько этапов нагрева (отжига). Скорости нагрева и остывания на каждом из этапов отжига не превышают 2 градусов в минуту. На первом этапе нагрев (отжиг) осуществляют при температуре порядка 300°С в течение 3 часов. В результате такого воздействия из области контакта выпариваются остатки влаги, аморфный (жидкий) слой фосфатов преобразовывается в «остекленевшую» фазу, благодаря чему формируется первичный контакт, выдерживающий большие градиенты температуры. Это дает возможность проводить последующий нагрев до более высоких температур без использования пресса. На втором этапе нагрева кристаллы отжигают в течение двух часов при температуре 800°С. Предположительно, на данной стадии фосфаты полностью преобразуются в фосфатное стекло. Финальная стадия отжига длится 40 часов. Изготавливаемый кристаллический оптический элемент в течение 10 часов со скоростью 2 градуса в минуту нагревают в обычной муфельной печи с воздушной атмосферой до температуры 1200°С и выдерживают при данной температуре 20 часов. После чего температуру кристаллического оптического элемента с той же скоростью плавно снижают. При этом, как установлено авторами, тончайший слой (несколько нанометров) фосфатного стекла диффундирует в объем свариваемых деталей, и реализуется процесс диффузионной сварки. Фотографии полученных образцов композитных оптических элементов представлены на фиг. 1. При увеличении температуры можно значительно снизить время финальной стадии отжига. Для других видов гранатов технология сварки идентична.Example 1. The method of joining two parts of garnet crystals: a thin plate of yttrium-aluminum garnet doped with ytterbium (Yb: YAG), and a thick plate of undoped yttrium-aluminum garnet (YAG). The thickness of the Yb: YAG plate is 2 mm and the diameter is up to 20 mm. The thickness of the second plate (YAG) is 5 mm, and the diameter is also up to 20 mm. Active optical elements made by joining such plates are used in disk lasers: the undoped part allows one to suppress amplified spontaneous emission, reduce the maximum temperature of the doped part, and prevent the active element from bending. The surfaces of the plates are polished up to the 2nd class of cleanliness, while the flatness is no worse than λ / 8, and the micro roughness is not more than 10Å (for comparison, it can be noted that in [Hoya optics: N.S. Lee, PL Brownlie, N.E. . Meissner, ES Rea, "Diffusion bonded composites of YAG single crystals", SPIE Vol. 1924 Laser-Induced Damage in Optical Materials. 1991] for the implementation of thermal diffusion welding, crystal surfaces were prepared with a plane no worse than λ / 20 and microroughness on level 1Å). After polishing, the joined sides of the plates are washed with ethanol and placed in a 30% phosphoric acid solution for 30 minutes. Then the surfaces are washed with alcohol again and the plates are placed on the optical contact. This treatment allows you to remove the oxide layer from the surface of the parts from garnet crystals and forms a very thin layer (several nanometers) of phosphates and phosphoric acid residues. The parts placed on the optical contact pass through several stages of heating (annealing). The heating and cooling rates at each of the annealing stages do not exceed 2 degrees per minute. At the first stage, heating (annealing) is carried out at a temperature of about 300 ° C for 3 hours. As a result of this effect, moisture residues are evaporated from the contact area, the amorphous (liquid) layer of phosphates is transformed into a “glazed” phase, due to which a primary contact is formed that can withstand large temperature gradients. This makes it possible to conduct subsequent heating to higher temperatures without the use of a press. In the second stage of heating, the crystals are annealed for two hours at a temperature of 800 ° C. Presumably, at this stage, phosphates are completely converted to phosphate glass. The final stage of annealing lasts 40 hours. The manufactured crystalline optical element is heated for 2 hours at a rate of 2 degrees per minute in a conventional muffle furnace with an air atmosphere to a temperature of 1200 ° C and kept at this temperature for 20 hours. After that, the temperature of the crystalline optical element is gradually reduced at the same speed. Moreover, as established by the authors, the thinnest layer (several nanometers) of phosphate glass diffuses into the volume of the parts to be welded, and the diffusion welding process is implemented. Photographs of the obtained samples of composite optical elements are presented in FIG. 1. With increasing temperature, the time of the final annealing stage can be significantly reduced. For other types of grenades, the welding technology is identical.

Ниже приведены другие примеры изготовления композитных оптических элементов из кристаллов гранатов в соответствии с другими частными случаями реализации предлагаемого способа, заявленными в пунктах 3-5 формулы.Below are other examples of the manufacture of composite optical elements from garnet crystals in accordance with other special cases of the implementation of the proposed method, as claimed in paragraphs 3-5 of the formula.

Пример 2. Способ соединения двух деталей из одинаковых кристаллов галлий-гадолиниевого граната. Предварительная обработка деталей, а также способ соединения деталей близки к обработке, описанной выше в примере 1. Однако отличительной особенностью данного способа соединения является то, что температура плавления галлий-гадолиниевого граната меньше температуры плавления иттрий-алюминиевого граната. Это позволяет уменьшить длительность последнего этапа отжига до 10 часов при температуре 1200°С.Example 2. The method of connecting two parts from the same crystals of gallium-gadolinium garnet. Pre-treatment of parts, as well as the method of joining parts are close to the processing described above in example 1. However, a distinctive feature of this joining method is that the melting point of gallium-gadolinium garnet is lower than the melting temperature of yttrium-aluminum garnet. This allows you to reduce the duration of the last stage of annealing to 10 hours at a temperature of 1200 ° C.

Пример 3. Способ соединения двух деталей из разных кристаллов гранатов: галлий-гадолиниевого граната и иттрий-алюминиевого граната. Предварительная обработка деталей, а также способ соединения деталей близки к обработке, описанной выше в примере 1. Однако отличительной особенностью является то, что тепловые расширения у этих двух сред разные. Это приводит к необходимости уменьшения градиентов температуры и скорости нагрева изготавливаемых образцов оптических элементов. По сравнению с примером 1 скорость нагрева и остужения образцов снижена в два раза до 1 градуса в минуту.Example 3. The method of joining two parts from different crystals of garnets: gallium-gadolinium garnet and yttrium-aluminum garnet. Preliminary processing of parts, as well as the method of joining parts, are close to the processing described above in Example 1. However, the distinctive feature is that the thermal expansions of these two media are different. This leads to the need to reduce temperature gradients and heating rate of manufactured samples of optical elements. Compared with example 1, the heating and cooling rate of the samples is reduced by half to 1 degree per minute.

Пример 4. Способ соединения двух деталей из разных кристаллов гранатов: тербий-галлиевого граната и иттрий-алюминиевого граната. Предварительная обработка деталей, а также способ соединения деталей близки к обработке, описанной выше в примере 1. Однако отличительной особенностью данного способа является то, что тепловые расширения у этих двух сред разные. Это приводит к необходимости уменьшения градиентов температуры и скорости нагрева деталей так же, как и в примере 3. По сравнению с примером 1, скорость нагрева и остужения деталей снижена в два раза до 1 градуса в минуту.Example 4. The method of joining two parts from different crystals of garnets: terbium-gallium garnet and yttrium-aluminum garnet. Preliminary processing of parts, as well as a method of connecting parts are close to the processing described above in example 1. However, a distinctive feature of this method is that the thermal expansion of these two environments is different. This leads to the need to reduce the temperature gradients and the heating rate of the parts in the same way as in example 3. Compared to example 1, the heating and cooling rate of the parts is reduced by half to 1 degree per minute.

Таким образом, предлагаемый способ соединения деталей оптического элемента из кристаллов гранатов позволяет изготавливать композитный оптический элемент с очень однородным контактом, минимальными потерями и с прочностью, сравнимой с прочностью самого материала. Простота изготовления композитных оптических элементов данным способом позволяет создавать сборки с большой апертурой, продемонстрирована возможность соединения разработанным способом пластин из Yb:YAG и YAG апертурой 40 мм.Thus, the proposed method for connecting parts of an optical element from garnet crystals makes it possible to produce a composite optical element with a very uniform contact, minimal losses and with a strength comparable to the strength of the material itself. The simplicity of manufacturing composite optical elements in this way allows you to create assemblies with a large aperture, demonstrated the ability to connect the developed method of plates from Yb: YAG and YAG 40 mm aperture.

Claims (5)

1. Способ соединения деталей оптического элемента из кристаллов гранатов, включающий полировку соединяемых поверхностей деталей, их совмещение и нагрев, отличающийся тем, что соединяемые поверхности деталей обрабатывают раствором ортофосфорной кислоты в спирте и сажают на оптический контакт, после чего соединенные детали при атмосферном давлении нагревают до температуры ниже температуры плавления соединяемых деталей, причем нагрев осуществляют, по крайней мере, в два этапа с выдержкой на первом этапе не менее трех часов при температуре порядка 300°С и с выдержкой на втором этапе не менее двадцати часов при температуре порядка 1200°С.1. A method of connecting parts of an optical element from garnet crystals, comprising polishing the surfaces of the parts to be joined, combining them and heating, characterized in that the surfaces of the parts to be joined are treated with a solution of phosphoric acid in alcohol and placed on the optical contact, after which the connected parts are heated to atmospheric pressure to temperatures below the melting temperature of the parts to be joined, and heating is carried out in at least two stages with exposure at the first stage for at least three hours at a temperature e about 300 ° C and exposure in the second step is not less than twenty hours at a temperature of about 1200 ° C. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соединяемые детали изготовлены из легированного иттрий-алюминиевого граната и нелегированного иттрий-алюминиевого граната.2. The method according to p. 1, characterized in that the connected parts are made of alloyed yttrium-aluminum garnet and undoped yttrium-aluminum garnet. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соединяемые детали изготовлены из галлий-гадолиниевого граната.3. The method according to p. 1, characterized in that the connected parts are made of gallium-gadolinium garnet. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соединяемые детали изготовлены из галлий-гадолиниевого граната и иттрий-алюминиевого граната.4. The method according to p. 1, characterized in that the connected parts are made of gallium-gadolinium garnet and yttrium-aluminum garnet. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соединяемые детали изготовлены из тербий-галлиевого граната и иттрий-алюминиевого граната. 5. The method according to p. 1, characterized in that the connected parts are made of terbium-gallium garnet and yttrium-aluminum garnet.
RU2014134017/05A 2014-08-19 2014-08-19 Method of parts connection of optical element out of garnet crystals RU2560438C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014134017/05A RU2560438C1 (en) 2014-08-19 2014-08-19 Method of parts connection of optical element out of garnet crystals

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2014134017/05A RU2560438C1 (en) 2014-08-19 2014-08-19 Method of parts connection of optical element out of garnet crystals

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2560438C1 true RU2560438C1 (en) 2015-08-20

Family

ID=53880646

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2014134017/05A RU2560438C1 (en) 2014-08-19 2014-08-19 Method of parts connection of optical element out of garnet crystals

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2560438C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2749153C1 (en) * 2020-11-02 2021-06-07 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method for creation of composite laser element based on oxide crystals

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2477342C2 (en) * 2011-06-03 2013-03-10 Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Connection method of parts from refractory oxides

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2477342C2 (en) * 2011-06-03 2013-03-10 Учреждение Российской академии наук Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН Connection method of parts from refractory oxides

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
HUAI-CHUAN LEE et al, Diffusion-bonded composites of YAG single crystals, "Proc. SPIE", Vol. 1624, Laser-Induced Damage in Optical Materials: 1991, 2. MUKYIN I et al, Fabrication of composite laser elements by a new thermal diffusion bonding method, "Optical Materials Express", Vol.4, No.2 (February,1), p.p.266-271 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2749153C1 (en) * 2020-11-02 2021-06-07 Акционерное общество "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М.Ф. Стельмаха" Method for creation of composite laser element based on oxide crystals

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR102474915B1 (en) Dynamically confined nano-scale diffusion junction structures and methods
US5846638A (en) Composite optical and electro-optical devices
EP1834387B1 (en) Glaze cladding for laser components
US20170358898A1 (en) Laser apparatus and manufacturing method thereof
US8929413B2 (en) Laser gain module and method for producing such a module
EP1713149B1 (en) Glaze soldered laser components and method of manufacturing
CN105655864A (en) Rare earth ion doped yttrium aluminum garnet laser material with sandwich ceramic and single-crystal composite structure and preparation method thereof
Mukhin et al. Fabrication of composite laser elements by a new thermal diffusion bonding method
US7027477B2 (en) Expansion matched thin disk laser and method for cooling
CN109361138B (en) Slab laser gain medium packaging method
RU2560438C1 (en) Method of parts connection of optical element out of garnet crystals
US10203461B2 (en) Techniques for forming waveguides for use in laser systems or other systems and associated devices
Fujioka et al. Room-temperature bonding with post-heat treatment for composite Yb: YAG ceramic lasers
JPH02153849A (en) Composite consisting of glass-containing substance and glass-free substance, and method for forming said composite
Kausas et al. Structured laser gain-medium by new bonding for power micro-laser
RU2749153C1 (en) Method for creation of composite laser element based on oxide crystals
Rothhardt et al. Fabrication of a high power Faraday isolator by direct bonding
RU2477342C2 (en) Connection method of parts from refractory oxides
WO2003003530A9 (en) Laser apparatus and a method of fabricating thereof
JP7503579B2 (en) YAG ceramic joint and its manufacturing method
Deyra et al. 180 W single-mode laser operation of an Yb: YAG thin disk using a robust direct-bonding process
Kausas et al. Bonded optical crystal amorphous layer crystallization under temperature annealing
Mukhin et al. The new technique of thermal bonding for composite active elements fabrication
CN115893873A (en) Pressure-free step heating thermal bonding method
JP6955302B2 (en) Manufacturing method of optical element and optical element

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20180820