本發(fā)明屬于激光晶體和固體激光技術(shù)領(lǐng)域，具體公開一種大尺寸復(fù)合激光增益板條元件以及制備方法。

背景技術(shù)：

高功率大能量固體激光需要大尺寸激光工作物質(zhì)，實踐證明大尺寸激光板條元件是能夠?qū)崿F(xiàn)高功率固體激光的優(yōu)良激光工作物質(zhì)。目前有很多激光晶體適宜制備高功率激光應(yīng)用的板條元件，如摻雜激活離子的Y₃Al₅O₁₂(YAG)、Lu₃Al₅O₁₂(LuAG)、Gd₃Ga₅O₁₂(GGG)以及Al₂O₃等，這些晶體的共同特點是熔點高，摻雜晶體的分凝系數(shù)相對較小，因此這類優(yōu)質(zhì)晶體適宜采用提拉法生長。目前可用提拉法生長這類優(yōu)質(zhì)晶體的坩堝是銥金坩堝，其熔點為2400℃，而這類晶體的熔點在2000℃左右，坩堝熔點和晶體熔點之間僅有400℃的差異，晶體生長時需要有適宜的縱橫向溫度梯度，這就限制了銥坩堝的尺寸，所以生長晶體的口徑也受到限制，而Nd:YAG等晶體提拉法生長時存在彼此成120°角的側(cè)心，即使用極限尺寸坩堝生長出的晶體也很難直接加工出所需要的大尺寸激光板條元件；激光陶瓷從理論上講，其面積是可以達到大尺寸板條元件制備的要求，但是目前激光陶瓷的質(zhì)量很難在大面積上達到高功率激光應(yīng)用的要求；所以高功率激光所應(yīng)用的大尺寸板條元件，需要通過復(fù)合方式制備。另一方面，板條激光增益介質(zhì)在運行時會產(chǎn)生廢熱，這就需要對板條元件運行時進行有效的熱管理，以保證光束質(zhì)量、激光效率的穩(wěn)定，高功率激光對增益板條的厚度有一定要求，板條厚度的增加會導(dǎo)致熱透鏡效應(yīng)等熱效應(yīng)的增大，不利于熱管理；如果不是通過加厚增益板條的厚度來增加板條的輸出功率，就需要加長和加寬板條元件，這又會使板條成為超薄元件，這種元件很容易在加工和使用中發(fā)生翹曲，使板條元件很難達到板條應(yīng)用所需要的加工精度。由此可見，板條的增益厚度不能隨板條的口徑增大而任意增加。所以需要通過復(fù)合的方法制備大尺寸激光增益板條元件。

專利CN 101242071 B“三明治結(jié)構(gòu)增益介質(zhì)板條及其制備方法”提出了一種三明治結(jié)構(gòu)的復(fù)合激光增益板條，其特征為中心夾層為非摻雜基質(zhì)層，其外部兩層增益層厚度小于中間層的厚度，從而增大了板條元件的熱容量，使板條元件具有較高的熱負荷特性；總厚度的增加使板條元件的剛性得到提高，利于光學(xué)精密加工。但是該專利對于單塊板條元件需要輸出10kW以上功率激光的需要來講，尚存在較多的問題需要解決：1）板條元件的寬度、長度受制于單塊晶體所能切割出的尺寸；2) 由于純基質(zhì)在中心夾層，熱量難以通過熱沉等方式導(dǎo)走，復(fù)雜的結(jié)構(gòu)并沒有改善板條的熱管理；3）該專利的板條制備方法比較復(fù)雜，有三個大面需要進行高光潔度和高平面度的高精度光學(xué)加工，才能進行光膠，再加之后續(xù)還需要進行熱鍵合和板條精細加工等制備環(huán)節(jié)，制備環(huán)節(jié)多，只要某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，就會導(dǎo)致板條元件制備的失敗，不利于批量制備。因此，該專利即使作為制備一般尺寸復(fù)合Nd:YAG晶體板條激光元件的方法，制備工藝也過于復(fù)雜。

為了獲得滿足激光輸出條件的更大口徑的激光增益板條元件，同時又能使大口徑板條元件的熱負荷水平達到板條元件輸出的激光光束質(zhì)量的要求，并解決板條元件的熱負荷水平與板條元件超薄（厚長比大于10:1即為超?。╅g的矛盾，使制備的板條元件具有大的口徑(如寬度≥120mm)，又可克服超薄元件加工過程中容易翹曲達不到使用要求等問題，本專利提出了由摻雜層和基底層組成的大尺寸雙層復(fù)合激光增益元件。由于純基質(zhì)對泵浦光并不吸收，也不產(chǎn)生發(fā)光或激光，對激光和泵浦光均是透明的，因而不會影響泵浦光的吸收及激光的增益。同時純基質(zhì)的熱導(dǎo)率通常高于摻雜激活離子的基質(zhì)，可作為熱沉起到良好的傳熱介質(zhì)作用，改善板條的熱管理，增加純基質(zhì)厚度可以改善板條的加工特性，但并不會影響板條的熱管理性能。另外，本專利可以首先分別進行優(yōu)質(zhì)增益介質(zhì)和基底介質(zhì)鍵合制備出大塊增益材料和基底材料，然后分別再對大塊的增益介質(zhì)和基底介質(zhì)按照大尺寸激光增益板條的尺寸要求進行切割，成為進一步制備大尺寸復(fù)合激光增益板條的坯料。所以無論是大塊增益材料和基底材料的制備，還是大尺寸激光增益板條元件的制備，都只需要進行兩個鍵合面的精加工，簡化了制備環(huán)節(jié)。因此，本專利發(fā)明的大尺寸復(fù)合增益激光板條的制備，可為高功率固體強激光技術(shù)應(yīng)用提供所需的大口徑激光工作物質(zhì)。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種大尺寸復(fù)合激光增益板條元件，可提供長度≥120mm、寬度≥100mm的板條元件，主要應(yīng)用于高功率大能量固體激光器中，既可用作燈泵浦激光器的激光工作物質(zhì)，也可用做激光二極管(LD)泵浦或激光泵浦的激光器中。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

一種大尺寸復(fù)合激光增益板條元件，其特征在于：具有通過熱鍵合方法鍵合在一起的增益層和基底層雙層結(jié)構(gòu)，所述的增益層為摻雜激活離子的單晶、透明多晶陶瓷元件，所述的基底層為非摻雜的單晶、透明多晶陶瓷，或者為摻雜與增益層不同的單晶、透明多晶陶瓷；所述的基底層和增益層的基質(zhì)可以相同，也可以不同。

所述熱鍵合方法具體包括以下步驟：第一步，將需要鍵合的增益層元件和基底層元件的對應(yīng)面進行精密研磨拋光，然后將這兩個對應(yīng)面無間隙地緊密互相接觸，實現(xiàn)預(yù)鍵合，也稱光膠；第二步，在2~10個大氣壓或等同壓強下，在垂直于對應(yīng)鍵合面方向上對預(yù)鍵合元件進行均勻施壓，在900℃~1700℃溫度下進行10~300小時的恒溫煅燒，再以5℃~60℃/h的速率冷卻到室溫，完成兩個元件的鍵合。

所述的板條整體具有六面，所述的六個面包括兩個面積最大的平面-大面1和大面2、兩個面積最小的平面—端面3和端面4、以及兩個側(cè)面-側(cè)面5和側(cè)面6；其中：

所述板條的大面1和大面2之間的平行度優(yōu)于30"，它們的平面度優(yōu)于λ/2，其中λ=632.8nm，光潔度為10/5~40/20，粗糙度優(yōu)于5~10?；

所述的端面3和端面4分別與大面2成α角，α角的取值需要滿足如下條件：

（1）、 增益層和基底層的折射率相同時，不限制增益層和基質(zhì)層是板條上層或下層，設(shè)基底層和增益層折射率同為n，從端面3和端面4出射的振蕩激光與端面法線成i₁角，則arcsin(1/n)-arcsin[(sin i₁)/n]≤α≤90°；

（2）、增益層和基底層的折射率不同時，不限制增益層和基質(zhì)層是板條上層或下層，設(shè)板條上層和板條下層折射率分別為n、n'，從增益層端面3、4出射的振蕩激光與端面法線成i₁角，則α要大于或等于arcsin(1/n) –arcsin[(sin i₁)/n]、arcsin[(n'/n)arcsin(1/n')]-arcsin[sin(i₁)/n]中的最大值，且≤90°；

其中：arcsin(x)或arcsin[x]表示去正弦值為x的正弦反三角函數(shù), sin(x)表示角度x的正弦；

所述的側(cè)面5和側(cè)面6與大面2成β、γ角，其取值范圍分別為：45°<β≤90°，45°<γ≤90°。

所述板條的大面1和大面2經(jīng)精加工后可作為泵浦面和激光全反射面，作為泵浦面時，大面1和大面2可以是摻雜增益層，也可以是非摻雜基質(zhì)層。

所述的端面3端面4精加工后可作為激光的通光面，或同時可作為泵浦端面，它們的平面度優(yōu)于λ/4，其中λ=632.8nm，表面光潔度為10/5~20/10，粗糙度優(yōu)于0.5nm。

所述的側(cè)面5和側(cè)面6不作為激光泵浦面時，側(cè)面5和側(cè)面6加工的粗糙度為10μm ~200μm即可。

當(dāng)所述的側(cè)面5和側(cè)面6用作激光泵浦面時，它們的平面度優(yōu)于λ/4，其中λ=632.8nm，表面光潔度為10/5~20/10，粗糙度優(yōu)于0.5nm。

一種制備上述大尺寸復(fù)合激光增益板條元件的方法，其特征在于：采用增益層元件、基底層元件的任意組合配合熱鍵合方法拼接制成，具體包括以下情況：

（a）先用增益元件和基底層元件通過熱鍵合方法制備成具有增益層和基底層雙層結(jié)構(gòu)的小尺寸復(fù)合激光增益板條，然后采用多個該小尺寸板條配合熱鍵合或以一個該小尺寸板條為中心在任意一個側(cè)面或多個側(cè)面上通過熱鍵合方法鍵合，鍵合中要使被鍵合的板條間的增益層、基底層分別一一對應(yīng)，且基底層和增益層的界面位于同一平面上。然后按所需大尺寸板條元件的要求進行切割、研磨和拋光。

（b）先分別采用多個小尺寸增益元件和多個小尺寸基底層元件，通過側(cè)面面熱鍵合方法分別制備大尺寸增益元件和大尺寸基底層元件，然后將大尺寸增益元件和大尺寸基底層元件的大面通過熱鍵合方法鍵合，獲得增益層-基底層的板條元件毛坯，最后按所需大尺寸板條元件的要求進行切割、研磨和拋光。

一種大尺寸復(fù)合激光增益板條元件的制備方法，其特征在于：采用增益層元件、基底層元件的任意組合配合熱鍵合方法拼接制備成具有增益層和基底層雙層結(jié)構(gòu)的復(fù)合激光增益板條，按激光器件的要求將該復(fù)合激光增益板條加工成任意形狀，只要滿足元件由增益層和基底層通過熱鍵合方法鍵合而成這一條件即可。

一種大尺寸復(fù)合激光增益板條元件的制備方法，其特征在于：采用增益層元件、基底層元件的任意組合配合熱鍵合方法拼接制備成具有增益層和基底層雙層結(jié)構(gòu)的整體具有六面復(fù)合激光增益板條，所述的六個面包括兩個面積最大的大面、兩個面積最小的端面以及兩個側(cè)面，為了改善該整體具有六面復(fù)合激光增益板條的泵浦均勻性和散熱均勻性，可在該整體具有六面復(fù)合激光增益板條的兩個相對側(cè)面，或者兩個端面，或者同時在整體具有六面復(fù)合激光增益板條的側(cè)面和端面，或者在整體具有六面復(fù)合激光增益板條的單個側(cè)面和端面，采用熱鍵合方法鍵合同基質(zhì)的摻雜材料或純基質(zhì)材料，然后根據(jù)需要，將鍵合完成的復(fù)合板條元件加工成各種不同形狀的激光晶體元件，只要滿足如下特征兩個特征即可：具有增益層和基底層鍵合而成的雙層結(jié)構(gòu)，一個或多個邊上具有同基質(zhì)或摻雜基質(zhì)的熱鍵合材料。

本發(fā)明提供的大尺寸復(fù)合激光增益板條克服了現(xiàn)有的激光增益介質(zhì)尚不能直接加工出高功率激光所需板條元件的尺寸，又需要解決板條元件的精加工和熱負荷等問題，同時為高功率固體強激光技術(shù)應(yīng)用提供所需的大口徑激光工作物質(zhì)。

附圖說明

圖1（a）是摻雜增益層位于板條上層的板條側(cè)視圖；

圖1（b）是摻雜增益層位于板條上層的板條俯視圖；

圖1（c）是摻雜增益層位于板條上層的板條A-A剖面圖；

圖2（a）是摻雜增益層位于板條下層的板條側(cè)視圖；

圖2（b）是摻雜增益層位于板條下層的板條俯視圖；

圖2（c）是摻雜增益層位于板條下層的板條A-A剖面圖。

具體實施實例

一種大尺寸復(fù)合激光增益板條元件，其特征在于：具有通過熱鍵合方法鍵合在一起的增益層和基底層雙層結(jié)構(gòu)，所述的增益層為摻雜激活離子的單晶、透明多晶陶瓷元件，所述的基底層為非摻雜的單晶、透明多晶陶瓷元件，或者所述的基底層為與增益層摻雜不同的單晶、透明多晶陶瓷；增益層和基底層的上下位置不受限定，圖1和圖2分別是摻雜增益層位于上層和下層的板條結(jié)構(gòu)圖，其中，陰影部分為摻雜增益層，所述的基底層和增益層的基質(zhì)可以相同，也可以不同。

所述熱鍵合方法具體包括以下步驟：第一步，將需要鍵合的增益層元件和基底層元件的對應(yīng)面進行精密研磨拋光，然后將這兩個對應(yīng)面無間隙地緊密互相接觸，實現(xiàn)預(yù)鍵合，也稱光膠；第二步，在2~10個大氣壓或等同壓強下，在垂直于對應(yīng)鍵合面方向上對預(yù)鍵合元件進行均勻施壓，在900℃~1700℃溫度下進行10~300小時的恒溫煅燒，再以5℃~60℃/h的速率冷卻到室溫，完成兩個元件的鍵合。

所述的板條整體具有六面，所述的六個面包括兩個面積最大的平面-大面1和大面2、兩個面積最小的平面—端面3和端面4、以及兩個側(cè)面-側(cè)面5和側(cè)面6；其中：

所述板條的大面1和大面2之間的平行度小于30"，它們的平面度優(yōu)于λ/2，其中λ=632.8nm，光潔度為10/5~40/20，粗糙度優(yōu)于5~10?；

所述的端面3和端面4分別與大面2成α角，α角的取值需要滿足如下條件：

（1）、 增益層和基底層的折射率相同時，不限制增益層和基質(zhì)層是板條上層或下層，設(shè)基底層和增益層折射率同為n，從端面3和端面4出射的振蕩激光與端面法線成i₁角，則arcsin(1/n)-arcsin[(sin i₁)/n]≤α≤90°；

（2）、增益層和基底層的折射率不同時，不限制增益層和基質(zhì)層是板條上層或下層，設(shè)板條上層和板條下層折射率分別為n、n'，從增益層端面3、4出射的振蕩激光與端面法線成i₁角，則α要大于或等于arcsin(1/n) –arcsin[(sin i₁)/n]、arcsin[(n'/n)arcsin(1/n')]-arcsin[sin(i₁)/n]中的最大值，且≤90°；

其中：arcsin(x)或arcsin[x]表示去正弦值為x的正弦反三角函數(shù), sin(x)表示角度x的正弦；

所述的側(cè)面5和側(cè)面6與大面2成β、γ角，其取值范圍分別為：45°<β≤90°，45°<γ≤90°。

所述板條的大面1和大面2經(jīng)精加工后可作為泵浦面和激光全反射面，作為泵浦面時，大面1和大面2可以是摻雜增益層，也可以是非摻雜基質(zhì)層。

所述的端面3端面4精加工后可作為激光的通光面，或同時可作為泵浦端面，它們的平面度優(yōu)于λ/4，其中λ=632.8nm，表面光潔度為10/5~20/10，粗糙度優(yōu)于0.5nm。

所述的側(cè)面5和側(cè)面6不作為激光泵浦面時，側(cè)面5和側(cè)面6加工的粗糙度為10μm ~200μm即可。

當(dāng)所述的側(cè)面5和側(cè)面6用作激光泵浦面時，它們的平面度優(yōu)于λ/4，其中λ=632.8nm，表面光潔度為10/5~20/10，粗糙度優(yōu)于0.5nm。

一種制備上述大尺寸復(fù)合激光增益板條元件的方法，其特征在于：采用增益層元件、基底層元件的任意組合配合熱鍵合方法拼接制成，具體包括以下情況：

（a）先用增益元件和基底層元件通過熱鍵合方法制備成具有增益層和基底層雙層結(jié)構(gòu)的小尺寸復(fù)合激光增益板條，然后采用多個該小尺寸板條配合熱鍵合或以一個該小尺寸板條為中心在任意一個側(cè)面或多個側(cè)面上通過熱鍵合方法鍵合，鍵合中要使被鍵合的板條間的增益層、基底層分別一一對應(yīng)，且基底層和增益層的界面位于同一平面上。然后按所需大尺寸板條元件的要求進行切割、研磨和拋光。

（b）先分別采用多個小尺寸增益元件和多個小尺寸基底層元件，通過側(cè)面面熱鍵合方法分別制備大尺寸增益元件和大尺寸基底層元件，然后將大尺寸增益元件和大尺寸基底層元件的大面通過熱鍵合方法鍵合，獲得增益層-基底層的板條元件毛坯，最后按所需大尺寸板條元件的要求進行切割、研磨和拋光。

一種大尺寸復(fù)合激光增益板條元件的制備方法，其特征在于：采用增益層元件、基底層元件的任意組合配合熱鍵合方法拼接制備成具有增益層和基底層雙層結(jié)構(gòu)的復(fù)合激光增益板條，按激光器件的要求將該復(fù)合激光增益板條加工成任意形狀，只要滿足元件由增益層和基底層通過熱鍵合方法鍵合而成這一條件即可。

一種大尺寸復(fù)合激光增益板條元件的制備方法，其特征在于：采用增益層元件、基底層元件的任意組合配合熱鍵合方法拼接制備成具有增益層和基底層雙層結(jié)構(gòu)的整體具有六面復(fù)合激光增益板條，所述的六個面包括兩個面積最大的大面、兩個面積最小的端面以及兩個側(cè)面，為了改善該整體具有六面復(fù)合激光增益板條的泵浦均勻性和散熱均勻性，可在該整體具有六面復(fù)合激光增益板條的兩個相對側(cè)面，或者兩個端面，或者同時在整體具有六面復(fù)合激光增益板條的側(cè)面和端面，或者在整體具有六面復(fù)合激光增益板條的單個側(cè)面和端面，采用熱鍵合方法鍵合同基質(zhì)的摻雜材料或純基質(zhì)材料，然后根據(jù)需要，將鍵合完成的復(fù)合板條元件加工成各種不同形狀的激光晶體元件，只要滿足如下特征兩個特征即可：具有增益層和基底層鍵合而成的雙層結(jié)構(gòu)，一個或多個邊上具有同基質(zhì)或摻雜基質(zhì)的熱鍵合材料。

下面以制備140mm(寬) ×160mm(長)×15mm Nd:YAG –YAG大尺寸復(fù)合激光增益板條元件為例進行詳細介紹：

選取兩塊性能一致并滿足高功率激光應(yīng)用需求的75mm×170mm×10mm的Nd:YAG晶體進行鍵合獲得150mm(寬) ×170mm(長)×10mm的大塊激光晶體；選取兩塊高質(zhì)量的75mm×170mm×10mm的純YAG晶體進行鍵合獲得150mm(寬) ×170mm(長)×10mm的大塊純YAG晶，然后對它們各自的一個150mm×170mm大面進行研磨和精密拋光，實現(xiàn)光膠，再通熱鍵合把這兩塊板條元件毛坯采用熱鍵合方法通過大面鍵合而復(fù)合成150mm(寬) ×170mm(長)×20mm的大尺寸復(fù)合激光板條元件毛坯；最后通過光學(xué)加工制備成增益層厚6mm，基底層厚9mm的寬150mm、長170mm、厚15mm的大尺寸復(fù)合Nd:YAG –YAG板條激光元件。

本發(fā)明的大尺寸復(fù)合激光增益板條，是由摻雜層和基底層組成的大尺寸雙層復(fù)合激光增益元件。由于純基質(zhì)對泵浦光并不吸收，也不產(chǎn)生發(fā)光或激光，對激光和泵浦光均是透明的，因而不會影響泵浦光的吸收及激光的增益，保證了高功率激光輸出效率和光束質(zhì)量。

在實際應(yīng)用中，高功率大能量固體激光器件都需要大尺寸的激光增益介質(zhì)作為激光工作物質(zhì)，上述實施例中基質(zhì)和基底材料及復(fù)合板條元件指標(biāo)僅是對本發(fā)明的實施例進行描述，并非對本發(fā)明的范圍進行限定。凡是由激光增益介質(zhì)層和基底層構(gòu)成的大尺寸復(fù)合增益激光板條元件，都應(yīng)在本專利的權(quán)利范圍之內(nèi)。