專利名稱：圓柱狀薄片晶體與帶孔晶體側(cè)面曲面復(fù)合方法
技術(shù)領(lǐng)域：
圓柱狀薄片晶體與帶孔晶體側(cè)面曲面復(fù)合方法屬于固體激光技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
半導(dǎo)體泵浦固體激光器在信息處理、醫(yī)療、材料加工及國(guó)防等領(lǐng)域有著十分廣泛的用途。
為提高激光晶體的抗損傷閾值，以及滿足新結(jié)構(gòu)激光器的需要，固體激光器中已采用激光晶體的復(fù)合技術(shù)，包括高功率棒狀激光器晶體棒的端面復(fù)合(鍵合)和邊緣泵浦薄片激光器摻雜晶體薄片與非摻雜晶體薄片的復(fù)合(鍵合)。
高功率棒狀激光器晶體棒的端面復(fù)合結(jié)構(gòu)是將摻雜Nd的YAG晶體棒端面與非摻雜的YAG晶體棒端面復(fù)合(鍵合)，非摻雜的YAG晶體棒的外端面鍍?cè)鐾改?。其主要缺點(diǎn)是散熱性不是很好，棒兩端存在一定的熱效應(yīng)。
邊緣泵浦薄片激光器激光晶體的復(fù)合結(jié)構(gòu)是將摻雜Yb的YAG晶體薄片與非摻雜的YAG晶體薄片復(fù)合(鍵合)，晶體被切割成正六邊形結(jié)構(gòu)，泵浦光從薄片的邊緣進(jìn)入晶體，泵浦面切割成45°角，使得泵浦光在晶體中沿Z形傳播。泵浦LD陣列經(jīng)過透鏡導(dǎo)管入射到泵浦面上。其主要缺點(diǎn)是泵浦光與振蕩光匹配不夠好，效率較低。
已有的這兩類激光晶體的復(fù)合均為平面復(fù)合。目前尚無(wú)激光晶體曲面復(fù)合方法的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種激光晶體曲面的復(fù)合方法。圓柱狀薄片晶體與帶孔晶體側(cè)面曲面復(fù)合的目的是為一種新型結(jié)構(gòu)的側(cè)面泵浦薄片激光器提供薄片增益介質(zhì)復(fù)合晶體。側(cè)面泵浦薄片激光器的結(jié)構(gòu)如圖1，非摻雜晶體6的外側(cè)面，即n個(gè)長(zhǎng)方形面，鍍泵浦光增透膜，摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體4兩底面，一面鍍振蕩激光增透膜，另一面鍍振蕩激光全反射膜，并與耦合輸出鏡1構(gòu)成激光器諧振腔，腔內(nèi)腔內(nèi)振蕩激光2經(jīng)耦合輸出鏡1輸出；該摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體4鍍振蕩激光全反射膜的面貼微通道冷卻熱沉5；n個(gè)LD陣列3依次地按照現(xiàn)有技術(shù)平行地固定于非摻雜晶體6的外側(cè)面，即n個(gè)長(zhǎng)方形面，晶體的周圍。其主要優(yōu)點(diǎn)是充分利用激活區(qū)使泵浦光與振蕩光很好匹配，獲得高功率輸出；激光器增益介質(zhì)晶體熱流沿厚度方向近一維分布，獲得高光束質(zhì)量激光輸出；泵浦光結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，激光系統(tǒng)的機(jī)械穩(wěn)定性好。這種新型結(jié)構(gòu)激光器的實(shí)現(xiàn)，最關(guān)鍵的是要求摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體與非摻雜晶體的曲面復(fù)合。
本發(fā)明提供了圓柱狀薄片晶體與帶孔晶體側(cè)面曲面復(fù)合方法，圖2為該復(fù)合薄片晶體模型示意圖，中心為摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體4，外部為正n邊形非摻雜晶體6，n≥6且為偶數(shù)，該正n邊形中心有一圓柱孔，該圓柱孔形狀與中心圓柱狀薄片晶體4匹配；正n邊形與其中心圓柱孔的大小比例根據(jù)所需激光器的功率要求以及泵浦功率密度要求而定；摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體4與非摻雜晶體6側(cè)面以復(fù)合(熱鍵合)方式緊密地結(jié)合。
本發(fā)明提供了一種圓柱狀薄片晶體與帶孔晶體側(cè)面曲面復(fù)合方法，其特征在于包括以下步驟1)摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體的兩底面及非摻雜晶體的兩底面按晶體111的方向定向并表面拋光加工；2)摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體加工成圓柱形，并拋光外側(cè)面；非摻雜晶體中心粗加工成圓柱形孔，孔的大小與摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體相匹配，并拋光其圓柱孔內(nèi)側(cè)面；3)圓柱形的摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體再加工成圓臺(tái)狀；非摻雜晶體內(nèi)側(cè)再加工，使中心圓柱孔部分也成圓臺(tái)狀；4)非摻雜晶體與粗加工摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體，合起對(duì)磨加工，使圓柱孔側(cè)面和摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體側(cè)面面形很好貼合；5)摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體及非摻雜晶體沿側(cè)面方向按晶體110的方向定向，并使其沿側(cè)面方向按晶體110的方向定向?qū)?zhǔn)；6)非摻雜晶體與摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體熱鍵合；7)復(fù)合的薄片晶體的兩底面光學(xué)加工，非摻雜晶體的外側(cè)面光學(xué)表面加工。
由于由平面復(fù)合而成的激光晶體有諸多缺點(diǎn)，而由曲面復(fù)合而成的圓薄片晶體具有散熱性能好、泵浦均勻性好、效率高等優(yōu)點(diǎn)，因此實(shí)現(xiàn)曲面復(fù)合方法顯得至關(guān)重要。
該復(fù)合方法的特征在于1.為實(shí)現(xiàn)摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體與非摻雜晶體的側(cè)面曲面復(fù)合，需把摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體加工成圓臺(tái)狀，可實(shí)施對(duì)磨，使兩薄片側(cè)曲面能很好貼合，這是實(shí)現(xiàn)曲面復(fù)合的關(guān)鍵工藝之一；2.為消除因熱膨脹系數(shù)不同而引起的晶體破裂，摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體及非摻雜晶體的端面和側(cè)面都需按要求定向，使復(fù)合的兩晶體在端面和側(cè)面的熱膨脹系數(shù)一致，而平面復(fù)合只需要端面定向；3.采用該復(fù)合方法所制備的薄片晶體與其他復(fù)合晶體相比，激光晶體的尺寸可大可小，晶體的熱負(fù)荷降低，非摻雜晶體外多邊形的邊數(shù)可根據(jù)泵浦功率和泵浦均勻性要求設(shè)計(jì)，因此具有可定標(biāo)放大，散熱性能好，泵浦均勻性好等優(yōu)點(diǎn)。采用此復(fù)合薄片作為增益介質(zhì)的激光器輸出激光的光束質(zhì)量好，并適合大功率的輸出。


圖1.圓柱狀薄片晶體與帶孔晶體側(cè)面曲面復(fù)合側(cè)面泵浦的的激光器模型示意圖；圖2.復(fù)合薄片晶體模型示意圖；圖中，1為耦合輸出鏡，2為腔內(nèi)振蕩激光，3為L(zhǎng)D陣列，4為摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體，5為熱沉，6為非摻雜晶體。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的設(shè)計(jì)圖如圖2所示。中心為摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體，外部為正六邊形非摻雜晶體，中心有一圓柱狀孔。摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體選用Yb:YAG晶體。非摻雜晶體選用YAG。摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體(摻雜濃度為3at％)與非摻雜晶體以熱鍵合方式緊密地結(jié)合。
摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體與非摻雜晶體的復(fù)合方法為1)摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體的兩底面及非摻雜薄片晶體的兩底面按晶體111的方向定向，定向精度為±5″；2)粗加工摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體的兩底面(厚度3.0mm)及薄片晶體的側(cè)面(直徑15mm(正公差))，并拋光圓側(cè)面；粗加工外部非摻雜晶體，外部正六邊形邊長(zhǎng)為12mm，厚度為1mm，中心圓孔直徑15mm(負(fù)公差)，拋光其圓柱孔側(cè)面，截面拋光；3)圓柱形的摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體再加工成圓臺(tái)狀，母線與底面的夾角為89°；非摻雜晶體內(nèi)側(cè)再加工，母線與底面的夾角為89°；4)非摻雜晶體與粗加工摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體，合起對(duì)磨加工，使圓柱孔側(cè)面和摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體側(cè)面面形很好貼合；5)摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體及非摻雜晶體沿側(cè)面方向按晶體110的方向定向，定向精度為±5″，并使其沿側(cè)面方向按晶體110的方向?qū)?zhǔn)；6)非摻雜晶體與摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體熱鍵合即將非摻雜晶體與摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體按晶體110的定向方向拼合，置于真空狀態(tài)，加以1200℃的高溫，并施加壓力，保持這一狀態(tài)12小時(shí)，而后退溫退壓；7)復(fù)合的薄片晶體的兩底面光學(xué)加工，厚度為1mm，非摻雜晶體的外側(cè)面光學(xué)表面加工。
復(fù)合好的薄片晶體還需要經(jīng)過以下兩個(gè)過程，才能作為激光器的增益介質(zhì)來(lái)使用(1)鍍膜，非摻雜晶體的外側(cè)面，即六個(gè)長(zhǎng)方形面，鍍泵浦光(對(duì)應(yīng)0.94μm波長(zhǎng))增透膜，摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體的兩底面，一面鍍振蕩激光(對(duì)應(yīng)1.03μm波長(zhǎng))增透膜，另一面鍍振蕩激光(對(duì)應(yīng)1.03μm波長(zhǎng))全反射膜；(2)摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體鍍振蕩激光全反射膜的面貼高效微通道冷卻熱沉。
將6個(gè)快軸準(zhǔn)直的LD陣列，即50W連續(xù)半導(dǎo)體激光陣列，陣列發(fā)光區(qū)長(zhǎng)度為10mm，依次地按照現(xiàn)有技術(shù)平行地固定于非摻雜晶體的外側(cè)面，并連接驅(qū)動(dòng)電源和水冷。
激光器耦合輸出鏡的反射率為87％。經(jīng)測(cè)量，泵浦功率為240W(6個(gè)LD陣列)，輸出功率為103W，光光轉(zhuǎn)化效率為43％，M2＜2.5。輸出激光的光束質(zhì)量好，并適合大功率的輸出。
與其它薄片激光器相比，此薄片晶體曲面復(fù)合新型激光器具有以下優(yōu)點(diǎn)1.此新型激光器采用了圓柱狀薄片晶體與帶孔晶體側(cè)面曲面復(fù)合，激光介質(zhì)的熱呈一維分布且與激光振蕩方向一致，克服了棒狀激光器的熱應(yīng)力引起的雙折射，具有一般薄片激光器改善光束質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)；2.由于復(fù)合圓薄片所構(gòu)成的激光晶體的尺寸可大可小，因此激光晶體的熱負(fù)荷大大降低，克服了端面泵浦薄片激光器熱負(fù)荷大的問題，輸出功率可根據(jù)需要定標(biāo)放大；3.由于復(fù)合圓薄片所構(gòu)成的激光晶體為圓形，因此克服了邊緣泵浦薄片激光器泵浦光與振蕩光分布不匹配的問題，激光器轉(zhuǎn)化效率提高；4.由于復(fù)合圓薄片所構(gòu)成的激光晶體外側(cè)為多邊形，從側(cè)面泵浦，因此其泵浦單元數(shù)可根據(jù)泵浦均勻性和功率設(shè)計(jì)的需求增加，泵浦方式簡(jiǎn)化，均勻性能好；同時(shí)，泵浦激光二極管陣列只需對(duì)快軸準(zhǔn)直，泵浦耦合結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化，效率提高。
權(quán)利要求
1.一種圓柱狀薄片晶體與帶孔晶體側(cè)面曲面復(fù)合方法，其特征在于包括以下步驟1)摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體的兩底面及非摻雜晶體的兩底面按晶體111的方向定向并表面拋光加工；2)摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體加工成圓柱形，并拋光外側(cè)面；非摻雜晶體中心粗加工成圓柱形孔，孔的大小與摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體相匹配，并拋光其圓柱孔內(nèi)側(cè)面；3)圓柱形的摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體再加工成圓臺(tái)狀；非摻雜晶體內(nèi)側(cè)再加工，使中心圓柱孔部分也成圓臺(tái)狀；4)非摻雜晶體與粗加工摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體，合起對(duì)磨加工，使圓柱孔側(cè)面和摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體側(cè)面面形很好貼合；5)摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體及非摻雜晶體沿側(cè)面方向按晶體110的方向定向，并使其沿側(cè)面方向按晶體110的方向定向?qū)?zhǔn)；6)非摻雜晶體與摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體熱鍵合；7)復(fù)合的薄片晶體的兩底面光學(xué)加工，非摻雜晶體的外側(cè)面光學(xué)表面加工。
全文摘要
本發(fā)明屬于固體激光領(lǐng)域。目前激光晶體均為平面復(fù)合，尚無(wú)曲面復(fù)合方法的報(bào)道。本發(fā)明步驟摻雜增益介質(zhì)圓柱狀薄片晶體的兩底面及非摻雜晶體的兩底面按晶體111方向定向并拋光；圓柱狀薄片晶體加工成圓柱形，并拋光外側(cè)面；非摻雜晶體中心粗加工成圓柱形孔，孔大小與圓柱狀薄片晶體相匹配，并拋光孔內(nèi)側(cè)面；圓柱狀薄片晶體再加工成圓臺(tái)；非摻雜晶體內(nèi)側(cè)中心圓柱孔部分成圓臺(tái)；非摻雜晶體與圓柱狀薄片晶體合起對(duì)磨，使圓柱孔側(cè)面和圓柱狀薄片晶體側(cè)面很好貼合；圓柱狀薄片晶體及非摻雜晶體沿側(cè)面按晶體110方向定向并對(duì)準(zhǔn)，熱鍵合；復(fù)合的薄片晶體兩底面光學(xué)加工，非摻雜晶體外側(cè)面光學(xué)加工。曲面復(fù)合的圓薄片晶體散熱性能好、泵浦均勻性好、效率高。
文檔編號(hào)H01L21/00GK1845406SQ200610057130
公開日2006年10月11日 申請(qǐng)日期2006年3月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月10日
發(fā)明者李強(qiáng), 丁小艇, 姜夢(mèng)華, 王寶華 申請(qǐng)人:北京工業(yè)大學(xué)