圆柱状薄片晶体与带孔晶体侧面曲面复合方法技术

本发明专利技术属于固体激光领域。目前激光晶体均为平面复合，尚无曲面复合方法的报道。本发明专利技术步骤：掺杂增益介质圆柱状薄片晶体的两底面及非掺杂晶体的两底面按晶体１１１方向定向并抛光；圆柱状薄片晶体加工成圆柱形，并抛光外侧面；非掺杂晶体中心粗加工成圆柱形孔，孔大小与圆柱状薄片晶体相匹配，并抛光孔内侧面；圆柱状薄片晶体再加工成圆台；非掺杂晶体内侧中心圆柱孔部分成圆台；非掺杂晶体与圆柱状薄片晶体合起对磨，使圆柱孔侧面和圆柱状薄片晶体侧面很好贴合；圆柱状薄片晶体及非掺杂晶体沿侧面按晶体１１０方向定向并对准，热键合；复合的薄片晶体两底面光学加工，非掺杂晶体外侧面光学加工。曲面复合的圆薄片晶体散热性能好、泵浦均匀性好、效率高。

【技术实现步骤摘要】

属于固体激光

技术介绍
半导体泵浦固体激光器在信息处理、医疗、材料加工及国防等领域有着十分广泛的用途。为提高激光晶体的抗损伤阈值，以及满足新结构激光器的需要，固体激光器中已采用激光晶体的复合技术，包括高功率棒状激光器晶体棒的端面复合(键合)和边缘泵浦薄片激光器掺杂晶体薄片与非掺杂晶体薄片的复合(键合)。高功率棒状激光器晶体棒的端面复合结构是将掺杂Nd的YAG晶体棒端面与非掺杂的YAG晶体棒端面复合(键合)，非掺杂的YAG晶体棒的外端面镀增透膜。其主要缺点是散热性不是很好，棒两端存在一定的热效应。边缘泵浦薄片激光器激光晶体的复合结构是将掺杂Yb的YAG晶体薄片与非掺杂的YAG晶体薄片复合(键合)，晶体被切割成正六边形结构，泵浦光从薄片的边缘进入晶体，泵浦面切割成45°角，使得泵浦光在晶体中沿Z形传播。泵浦LD阵列经过透镜导管入射到泵浦面上。其主要缺点是泵浦光与振荡光匹配不够好，效率较低。已有的这两类激光晶体的复合均为平面复合。目前尚无激光晶体曲面复合方法的报道。
技术实现思路
本专利技术提供了一种激光晶体曲面的复合方法。圆柱状薄片晶体与带孔晶体侧面曲面复合的目的是为一种新型结构的侧面泵浦薄片激光器提供薄片增益介质复合晶体。侧面泵浦薄片激光器的结构如图1，非掺杂晶体6的外侧面，即n个长方形面，镀泵浦光增透膜，掺杂增益介质圆柱状薄片晶体4两底面，一面镀振荡激光增透膜，另一面镀振荡激光全反射膜，并与耦合输出镜1构成激光器谐振腔，腔内腔内振荡激光2经耦合输出镜1输出；该掺杂增益介质圆柱状薄片晶体4镀振荡激光全反射膜的面贴微通道冷却热沉5；n个LD阵列3依次地按照现有技术平行地固定于非掺杂晶体6的外侧面，即n个长方形面，晶体的周围。其主要优点是充分利用激活区使泵浦光与振荡光很好匹配，获得高功率输出；激光器增益介质晶体热流沿厚度方向近一维分布，获得高光束质量激光输出；泵浦光结构简化，激光系统的机械稳定性好。这种新型结构激光器的实现，最关键的是要求掺杂增益介质圆柱状薄片晶体与非掺杂晶体的曲面复合。本专利技术提供了，图2为该复合薄片晶体模型示意图，中心为掺杂增益介质圆柱状薄片晶体4，外部为正n边形非掺杂晶体6，n≥6且为偶数，该正n边形中心有一圆柱孔，该圆柱孔形状与中心圆柱状薄片晶体4匹配；正n边形与其中心圆柱孔的大小比例根据所需激光器的功率要求以及泵浦功率密度要求而定；掺杂增益介质圆柱状薄片晶体4与非掺杂晶体6侧面以复合(热键合)方式紧密地结合。本专利技术提供了一种，其特征在于包括以下步骤1)掺杂增益介质圆柱状薄片晶体的两底面及非掺杂晶体的两底面按晶体111的方向定向并表面抛光加工；2)掺杂增益介质圆柱状薄片晶体加工成圆柱形，并抛光外侧面；非掺杂晶体中心粗加工成圆柱形孔，孔的大小与掺杂增益介质圆柱状薄片晶体相匹配，并抛光其圆柱孔内侧面；3)圆柱形的掺杂增益介质圆柱状薄片晶体再加工成圆台状；非掺杂晶体内侧再加工，使中心圆柱孔部分也成圆台状；4)非掺杂晶体与粗加工掺杂增益介质圆柱状薄片晶体，合起对磨加工，使圆柱孔侧面和掺杂增益介质圆柱状薄片晶体侧面面形很好贴合；5)掺杂增益介质圆柱状薄片晶体及非掺杂晶体沿侧面方向按晶体110的方向定向，并使其沿侧面方向按晶体110的方向定向对准；6)非掺杂晶体与掺杂增益介质圆柱状薄片晶体热键合；7)复合的薄片晶体的两底面光学加工，非掺杂晶体的外侧面光学表面加工。由于由平面复合而成的激光晶体有诸多缺点，而由曲面复合而成的圆薄片晶体具有散热性能好、泵浦均匀性好、效率高等优点，因此实现曲面复合方法显得至关重要。该复合方法的特征在于1.为实现掺杂增益介质圆柱状薄片晶体与非掺杂晶体的侧面曲面复合，需把掺杂增益介质圆柱状薄片晶体加工成圆台状，可实施对磨，使两薄片侧曲面能很好贴合，这是实现曲面复合的关键工艺之一；2.为消除因热膨胀系数不同而引起的晶体破裂，掺杂增益介质圆柱状薄片晶体及非掺杂晶体的端面和侧面都需按要求定向，使复合的两晶体在端面和侧面的热膨胀系数一致，而平面复合只需要端面定向；3.采用该复合方法所制备的薄片晶体与其他复合晶体相比，激光晶体的尺寸可大可小，晶体的热负荷降低，非掺杂晶体外多边形的边数可根据泵浦功率和泵浦均匀性要求设计，因此具有可定标放大，散热性能好，泵浦均匀性好等优点。采用此复合薄片作为增益介质的激光器输出激光的光束质量好，并适合大功率的输出。附图说明图1.圆柱状薄片晶体与带孔晶体侧面曲面复合侧面泵浦的的激光器模型示意图；图2.复合薄片晶体模型示意图；图中，1为耦合输出镜，2为腔内振荡激光，3为LD阵列，4为掺杂增益介质圆柱状薄片晶体，5为热沉，6为非掺杂晶体。具体实施例方式本专利技术的设计图如图2所示。中心为掺杂增益介质圆柱状薄片晶体，外部为正六边形非掺杂晶体，中心有一圆柱状孔。掺杂增益介质圆柱状薄片晶体选用Yb:YAG晶体。非掺杂晶体选用YAG。掺杂增益介质圆柱状薄片晶体(掺杂浓度为3at％)与非掺杂晶体以热键合方式紧密地结合。掺杂增益介质圆柱状薄片晶体与非掺杂晶体的复合方法为1)掺杂增益介质圆柱状薄片晶体的两底面及非掺杂薄片晶体的两底面按晶体111的方向定向，定向精度为±5″；2)粗加工掺杂增益介质圆柱状薄片晶体的两底面(厚度3.0mm)及薄片晶体的侧面(直径15mm(正公差))，并抛光圆侧面；粗加工外部非掺杂晶体，外部正六边形边长为12mm，厚度为1mm，中心圆孔直径15mm(负公差)，抛光其圆柱孔侧面，截面抛光；3)圆柱形的掺杂增益介质圆柱状薄片晶体再加工成圆台状，母线与底面的夹角为89°；非掺杂晶体内侧再加工，母线与底面的夹角为89°；4)非掺杂晶体与粗加工掺杂增益介质圆柱状薄片晶体，合起对磨加工，使圆柱孔侧面和掺杂增益介质圆柱状薄片晶体侧面面形很好贴合；5)掺杂增益介质圆柱状薄片晶体及非掺杂晶体沿侧面方向按晶体110的方向定向，定向精度为±5″，并使其沿侧面方向按晶体110的方向对准；6)非掺杂晶体与掺杂增益介质圆柱状薄片晶体热键合即将非掺杂晶体与掺杂增益介质圆柱状薄片晶体按晶体110的定向方向拼合，置于真空状态，加以1200℃的高温，并施加压力，保持这一状态12小时，而后退温退压；7)复合的薄片晶体的两底面光学加工，厚度为1mm，非掺杂晶体的外侧面光学表面加工。复合好的薄片晶体还需要经过以下两个过程，才能作为激光器的增益介质来使用(1)镀膜，非掺杂晶体的外侧面，即六个长方形面，镀泵浦光(对应0.94μm波长)增透膜，掺杂增益介质圆柱状薄片晶体的两底面，一面镀振荡激光(对应1.03μm波长)增透膜，另一面镀振荡激光(对应1.03μm波长)全反射膜；(2)掺杂增益介质圆柱状薄片晶体镀振荡激光全反射膜的面贴高效微通道冷却热沉。将6个快轴准直的LD阵列，即50W连续半导体激光阵列，阵列发光区长度为10mm，依次地按照现有技术平行地固定于非掺杂晶体的外侧面，并连接驱动电源和水冷。激光器耦合输出镜的反射率为87％。经测量，泵浦功率为240W(6个LD阵列)，输出功率为103W，光光转化效率为43％，M2＜2.5。输出激光的光束质量好，并适合大功率的输出。与其它薄片激光器相比，此薄片晶体曲面复合新型激光器具有以下优点1.此新型激光器采用了圆柱状薄片晶体与带孔晶体侧面曲面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种圆柱状薄片晶体与带孔晶体侧面曲面复合方法，其特征在于包括以下步骤：１）掺杂增益介质圆柱状薄片晶体的两底面及非掺杂晶体的两底面按晶体１１１的方向定向并表面抛光加工；２）掺杂增益介质圆柱状薄片晶体加工成圆柱形，并抛光外侧面； 非掺杂晶体中心粗加工成圆柱形孔，孔的大小与掺杂增益介质圆柱状薄片晶体相匹配，并抛光其圆柱孔内侧面；３）圆柱形的掺杂增益介质圆柱状薄片晶体再加工成圆台状；非掺杂晶体内侧再加工，使中心圆柱孔部分也成圆台状；４）非掺杂晶体与粗加工 掺杂增益介质圆柱状薄片晶体，合起对磨加工，使圆柱孔侧面和掺杂增益介质圆柱状薄片晶体侧面面形很好贴合；５）掺杂增益介质圆柱状薄片晶体及非掺杂晶体沿侧面方向按晶体１１０的方向定向，并使其沿侧面方向按晶体１１０的方向定向对准；６） 非掺杂晶体与掺杂增益介质圆柱状薄片晶体热键合；７）复合的薄片晶体的两底面光学加工，非掺杂晶体的外侧面光学表面加工。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，丁小艇，姜梦华，王宝华，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]