Nd:YAG陶瓷晶體激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了Nd：YAG陶瓷晶體激光器，包括泵浦單元、聚焦耦合系統(tǒng)、激光晶體與諧振腔，激光晶體為Nd：YAG陶瓷晶體；諧振腔包括反射鏡、全反鏡A、全反鏡B與輸出鏡，諧振光路呈Z型，Z型夾角為10°-30°，并且根據(jù)輸出的不同的激光波長來選擇在鏡片上鍍膜；泵浦單元發(fā)出的泵浦光經(jīng)聚焦耦合系統(tǒng)聚焦至激光晶體。本發(fā)明使用Nd：YAG陶瓷晶體作為激光晶體，具有良好的熱傳導(dǎo)性、熱穩(wěn)定性和失調(diào)穩(wěn)定性，獲得較高功率輸出和較好的光束質(zhì)量，功率穩(wěn)定度，使用壽命長，縮短系統(tǒng)搭建時(shí)間，能夠在大多數(shù)普通環(huán)境下正常工作，在工業(yè)精密加工、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、日常生活、激光技術(shù)研究等方面有廣泛應(yīng)用。
【專利說明】Nd :YAG陶瓷晶體激光器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及激光器制造領(lǐng)域，具體是一種Nd :YAG陶瓷晶體激光器。

【背景技術(shù)】
[0002] 半導(dǎo)體YAG泵浦方式最大的優(yōu)點(diǎn)就是容易獲得好的光束質(zhì)量，可以實(shí)現(xiàn)高亮度的 固體激光器，已成為激光學(xué)科的重點(diǎn)發(fā)展方向之一。半導(dǎo)體YAG泵浦的效率較高。這是因 為，在泵浦激光模式不太差的情況下，泵浦光都能由會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)耦合到工作物質(zhì)中，耦 合損失較少；另一方面，泵浦光也有一定的模式，而產(chǎn)生的振蕩光的模式與泵浦光模式有密 切關(guān)系，匹配的效果好，因此，工作物質(zhì)對(duì)泵浦光的利用率也相對(duì)高一些它，在激光打標(biāo)、激 光微加工、激光印刷、激光顯示技術(shù)、激光醫(yī)學(xué)和科研等領(lǐng)域都有廣泛的用途，具有很大的 市場潛力。技術(shù)日益成熟的半導(dǎo)體YAG泵浦固體激光器分大、中小功率兩類。中小功率的 激光器的優(yōu)勢在于小巧的體積、良好的光束質(zhì)量、較穩(wěn)定輸出功率，關(guān)鍵是特別便于頻率轉(zhuǎn) 換。這廣泛應(yīng)用于精密激光標(biāo)記、硅晶切割、PCB板加工、各種塑料制品的打標(biāo)等方面。大 功率激光器想要大范圍的應(yīng)用就必須朝著小體積、高光束質(zhì)量、高轉(zhuǎn)換效率等方面發(fā)展，目 前已經(jīng)取得了一些成績，應(yīng)用于金屬切割方面。
[0003] 行業(yè)目前常用的是Nd :YAG晶體和Nd :YV04,因?yàn)樗麄兊奈障禂?shù)比較高，能夠用 來提高端面泵浦的轉(zhuǎn)換效率。雖然YV04晶體有著受激發(fā)射截面和吸收系數(shù)較高的優(yōu)點(diǎn)，但 是該晶體物理相比于YAG硬度低，熱導(dǎo)率低，熱膨脹系數(shù)較大，中心高熱量難以散熱，導(dǎo)致 激光晶體在較高泵浦功率下極易出現(xiàn)裂痕和壞點(diǎn)，所以該晶體被用于中小功率的端面泵浦 激光器中。固體激光器工作物質(zhì)對(duì)泵浦光的吸收是不均勻的，這會(huì)導(dǎo)致熱透鏡效應(yīng)、熱致變 形和熱致雙折射的出現(xiàn)而大大影響諧振腔的光學(xué)特性以及光束參數(shù)從而影響激光束的輸 出質(zhì)量。YAG晶體在機(jī)械特性和熱特性上都優(yōu)于YV04,但是吸收系數(shù)低，轉(zhuǎn)換效率低，不適 合在低泵浦功率下使用。由上可知，正是激光晶體的熱特性限制了端面泵浦方式的激光器 向高功率發(fā)展。除此之外還有一個(gè)難題就是單晶晶體制作工藝復(fù)雜，要求高，難度大，很難 大批量生產(chǎn)，極大地限制了半導(dǎo)體YAG泵浦固體激光器的推廣和使用。因此，如果尋找到一 種合適的材料作為激光晶體，那么以上的難題將獲得突破性的的進(jìn)展。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種功率輸出高、光束質(zhì)量好的Nd :YAG陶瓷晶體激光器， 以解決上述【背景技術(shù)】中提出的問題。
[0005] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案： Nd :YAG陶瓷晶體激光器，包括泵浦單元、聚焦耦合系統(tǒng)、激光晶體與諧振腔，泵浦單元 包括光纖耦合半導(dǎo)體激光器和光纖；聚焦耦合系統(tǒng)包括擴(kuò)束鏡和平凸鏡A，激光晶體為Nd : YAG陶瓷晶體；諧振腔包括反射鏡、全反鏡A、全反鏡B與輸出鏡，諧振光路呈Z型，Z型夾角 為10° -30°，并且根據(jù)輸出的不同的激光波長來選擇在鏡片上鍍膜；光纖耦合半導(dǎo)體激 光器與光纖連接，光纖輸出端在擴(kuò)束鏡的前焦點(diǎn)處；擴(kuò)束鏡、平凸鏡A、反射鏡、激光晶體與 全反鏡A順序放置，泵浦單元發(fā)出的泵浦光經(jīng)聚焦耦合系統(tǒng)聚焦至激光晶體，激光由輸出 鏡輸出。
[0006] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：擴(kuò)束鏡是由2塊平凸鏡組成。
[0007] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：平凸鏡A焦距為30mm，中心厚度3mm。
[0008] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：輸出鏡與全反鏡B之間距離為110_120mm，全反鏡B與 全反鏡A之間的距離為145-155mm，全反鏡A與激光晶體之間距離為95-105mm，激光晶體和 反射鏡之間距離為10_20mm ;全反鏡A、全反鏡B與輸出鏡均為平凹鏡。
[0009] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：輸出鏡與全反鏡B之間距離為115mm，全反鏡B與全反 鏡A之間的距離為150mm，全反鏡A與激光晶體之間距離為100mm，激光晶體和反射鏡之間 距離為15_。
[0010] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：激光晶體在主光軸上，其中心與反射鏡之間的距離為 20-30mm ;激光晶體中Nd3+摻雜濃度為0. 7at. %。
[0011] 作為本發(fā)明進(jìn)一步的方案：激光晶體的中心與反射鏡之間的距離為25mm。
[0012] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明的鍍膜特性將根據(jù)所需的激光波 長來選擇。平凹諧振腔具有一定的選膜能力，能夠保證在高光束質(zhì)量下獲得高輸出功率。該 結(jié)構(gòu)空間充足，可附加多種調(diào)制或激光器件，可在多種情況下使用。使用的Nd :YAG陶瓷晶 體作為激光晶體，可以克服以前常用晶體的熱透鏡效應(yīng)，并且具有良好的熱傳導(dǎo)性、熱穩(wěn)定 性和失調(diào)穩(wěn)定性，還可以獲得較高功率輸出和較好的光束質(zhì)量，功率穩(wěn)定度，使用壽命長， 縮短系統(tǒng)搭建時(shí)間，能夠在大多數(shù)普通環(huán)境下正常工作，在工業(yè)精密加工、科研、醫(yī)療衛(wèi)生、 日常生活、激光技術(shù)研究等方面有廣泛應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0013] 圖1是Nd :YAG陶瓷晶體激光器結(jié)構(gòu)圖； 圖中：1-光纖f禹合半導(dǎo)體激光器、2-光纖、3-擴(kuò)束鏡、4-平凸鏡A、5-反射鏡、6-激光 晶體、7-全反鏡A、8-全反鏡B、9-輸出鏡。

【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述， 顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。基于本發(fā)明中的 實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都 屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0015] 為了更好地改善半導(dǎo)體YAG泵浦激光器的性能，本發(fā)明主要是采用一種新型的激 光晶體材料來大大改善半導(dǎo)體YAG泵浦固體激光器的弊端所在?，F(xiàn)在的半導(dǎo)體YAG激光晶 體存在的缺點(diǎn)為：晶體生產(chǎn)周期長、成本高，晶體摻雜濃度不高且離子分部不均勻，晶體尺 寸小利用率低。為解決以上技術(shù)問題，采用Nd :YAG陶瓷晶體替代其它晶體，其具有如下優(yōu) 占· 陶瓷燒結(jié)條件簡單，成本低，周期短。陶瓷制備的形狀、尺寸可以任意選制。摻雜濃度 高且離子分布均勻。陶瓷晶體屬于離子晶體，決定激光陶瓷光學(xué)特性的內(nèi)在因素是陶瓷內(nèi) 部氣孔和晶界晶格的散射，因此晶體光學(xué)質(zhì)量受到氣孔密度、晶界結(jié)構(gòu)尺寸和原料純度等 嚴(yán)格限制，氣孔中氣體折射率與陶瓷晶體差異較大，導(dǎo)致散射現(xiàn)象嚴(yán)重，單位體積內(nèi)氣孔數(shù) 目越多，散射和衰弱越強(qiáng)，因此氣孔率要盡量低。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，在150vol. ppm下才能 獲得高于Nd:YAG普通晶體的光學(xué)特性。晶界結(jié)構(gòu)要求干凈、微薄、沒有二次相偏折。原料 純度要求在燒結(jié)過程中不能存在多余的雜質(zhì)，避免雜質(zhì)為中心的散射和折射。目前利用真 空燒結(jié)法和氫氣燒結(jié)等制備方法已經(jīng)獲得了極低氣孔率和散射損耗的晶體，無論在光學(xué)特 性還是在機(jī)械特性上，Nd :YAG陶瓷晶體已經(jīng)獲得了和Nd :YAG相同甚至更好的特性，在大功 率下獲得了 67KW以上的高功率輸出，在中小功率端面泵浦固體激光器也獲得了相當(dāng)高的 轉(zhuǎn)換效率?？梢?，陶瓷激光體有很好的發(fā)展前景。表1為陶瓷晶體和典型單晶晶體性能上 的比較。
[0016] 表 1

【權(quán)利要求】
1. Nd:YAG陶瓷晶體激光器，其特征在于，包括泵浦單元、聚焦耦合系統(tǒng)、激光晶體（6) 與諧振腔，泵浦單元包括光纖耦合半導(dǎo)體激光器（1)和光纖（2);聚焦耦合系統(tǒng)包括擴(kuò)束鏡 (3)和平凸鏡A (4)，激光晶體（6)為Nd :YAG陶瓷晶體；諧振腔包括反射鏡（5)、全反鏡A (7)、全反鏡B (8)與輸出鏡（9)，諧振光路呈Z型，Z型夾角為10° -30°，并且根據(jù)輸出 的不同的激光波長來選擇在鏡片上鍍膜；光纖耦合半導(dǎo)體激光器（1)與光纖（2 )連接，光纖 (2)輸出端在擴(kuò)束鏡（3)的前焦點(diǎn)處；擴(kuò)束鏡（3)、平凸鏡A (4)、反射鏡（5)、激光晶體（6) 與全反鏡A (7)順序放置，泵浦單元發(fā)出的泵浦光經(jīng)聚焦耦合系統(tǒng)聚焦至激光晶體￠)，激 光由輸出鏡（9)輸出。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Nd:YAG陶瓷晶體激光器，其特征在于，所述擴(kuò)束鏡（3)是由 2塊平凸鏡組成。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Nd:YAG陶瓷晶體激光器，其特征在于，所述平凸鏡A (4)焦 距為30mm，中心厚度3mm。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Nd :YAG陶瓷晶體激光器，其特征在于，所述輸出鏡（9)與全 反鏡B (8)之間距離為110-120mm，全反鏡B (8)與全反鏡A (7)之間的距離為145-155mm， 全反鏡A (7)與激光晶體（6)之間距離為95-105mm，激光晶體（6)和反射鏡（5)之間距離 為10-20mm;全反鏡A (7)、全反鏡B (8)與輸出鏡（9)均為平凹鏡。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的Nd :YAG陶瓷晶體激光器，其特征在于，所述輸出鏡（9)與全 反鏡B (8)之間距離為115mm，全反鏡B (8)與全反鏡A (7)之間的距離為150mm，全反鏡 A (7)與激光晶體（6)之間距離為100mm，激光晶體（6)和反射鏡（5)之間距離為15mm。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的Nd :YAG陶瓷晶體激光器，其特征在于，所述激光晶體（6)在 主光軸上，其中心與反射鏡（5)之間的距離為20-30mm;激光晶體（6)中Nd 3+摻雜濃度為 0· 7at. %。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的Nd :YAG陶瓷晶體激光器，其特征在于，所述激光晶體（6)的 中心與反射鏡（5)之間的距離為25mm。
【文檔編號(hào)】H01S3/05GK104283092SQ201410537169
【公開日】2015年1月14日 申請(qǐng)日期:2014年10月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月13日
【發(fā)明者】陳義紅, 陳義兵, 吳娟, 吳杰 申請(qǐng)人:南京海銳特激光設(shè)備有限公司