基于掺杂浓度渐变陶瓷的高性能激光器系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于固体激光器技术领域，具体涉及一种基于掺杂浓度渐变陶瓷的高性能激光器系统。
【背景技术】
[0002]高功率高重复率全固态激光器在工业加工、军事国防、医疗手术、学术科研等领域的应用日益广泛，对激光器输出功率、光束质量等要求也越来越高，但固体激光器中的增益介质量子缺陷带来的热效应一直以来都是制约其发展的重要障碍。固体激光器的平均功率和光束质量受限的关键就是在于固体激光器运转过程中激光材料的热效应问题。固体激光器高平均功率运转时，介质内的温度严重不均匀，这一不均匀的温度分布所导致的热应力是限制固体激光器输出功率提高的重要原因。从某种意义上讲，高功率固体激光器的研制过程就是如何降低激光介质热效应的负面影响、克服热透镜、热应力、热畸变等不利因素，提高输出功率和输出光束质量的过程。透明陶瓷作为近年来最热门的固体激光材料，有很多优于单晶和玻璃的固有属性，比如:制备温度低，周期短，尺寸大，形状可控，激活离子掺杂浓度可以高而均匀，造价便宜，热传导能力强。但是单一掺杂浓度激光陶瓷作为激光器增益介质仍然会有明显的热效应，研究如何通过发明新的成型方法，克服高功率固体陶瓷激光器热效应问题是十分重要而有意义的。
[0003]克服高功率固体激光器的热效应有赖于材料发展，激光材料领域的极大发展势必会推动固体激光的持续发展，随着多层复合结构陶瓷成型和烧结工艺的进步，复合结构陶瓷在激光器中表现出来降低陶瓷的热效应和更好光束质量的优势。
[0004]传统的透明陶瓷成型常采用模压成型，也叫干压成型，是将粉料加少量结合剂，经过造粒然后将造粒后的粉料置于钢模中，在压力机上加压形成一定形状的坯体。传统的模压成型工艺简单、操作方便、致密度高，尺寸比较精确，烧结收缩小。但坯件内部密度不均匀，有大大小小的软团聚，进行多层干压操作，复合界面容易弯曲、不平整影响光束质量，成型精度差，结构简单，掺杂浓度单一，压制的固体激光器用陶瓷热效应强，限制激光器的平均功率和光束质量，所以传统的一次模压成型方法不利于制备陶瓷固体激光器。
[0005]相比较干压成型技术，非水基流延成型制备的多层结构的陶瓷光学透明性好、显微结构更加致密、气泡小而少、界面非常平整、掺杂离子浓度更加均匀以及界面扩散层的宽度窄，尤其流延成型能够获得平直的界面，这对光线在复合结构激光陶瓷中的传输很重要，能够大大减小介质散射损耗和介质内部的热梯度，提高栗浦光的吸收效率和激光输出功率，改善光束质量。可以明确非水基流延成型技术在制备具有微结构可以精确调控的复合结构激光透明陶瓷领域具有可行性、良好的发展前景和应用价值。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种基于掺杂浓度渐变陶瓷的高性能激光器系统，该激光器系统使陶瓷增益介质中的激活离子浓度呈渐变掺杂，借助材料的导热系数随掺杂离子浓度的降低而增大的机制提高复合结构陶瓷整体的热传导能力，从而降低热效应，提高激光束质量。
[0007]本发明目的实现由以下技术方案完成:
一种基于掺杂浓度渐变陶瓷的高性能激光器系统，其特征在于所述激光器系统包括依次连接的LD栗浦源、传输光纤、透镜耦合装置以及谐振腔，所述谐振腔中设置有陶瓷增益介质，所述陶瓷增益介质中的激活离子浓度呈渐变掺杂。
[0008]所述陶瓷增益介质中的激活离子浓度关于所述陶瓷增益介质中线对称并呈抛物线分布。
[0009]所述陶瓷增益介质中的激活离子可以是Yb、Tm、Nd、Er稀土元素离子中的一种或多种组合。
[0010]所述陶瓷增益介质的基底材料可以是Y203、YAG、LuAG、AL203中的一种或多种组合。
[0011]所述谐振腔包括依次设置的平面全反腔镜、陶瓷增益介质、凹面全反腔镜以及输出親合镜。
[0012]所述谐振腔包括依次设置的平面全反腔镜、陶瓷增益介质、凹面全反腔镜、色散棱镜以及输出耦合镜，所述色散棱镜呈布儒斯特角度设置。
[0013]所述谐振腔包括依次设置的平面全反腔镜、陶瓷增益介质、凹面全反腔镜、输出耦合镜、凹面全反镜以及SESAM。
[0014]所述激光器系统输出连续激光或脉冲激光，锁模机制可以是非线性反射镜锁模、主动调制锁模或被动克尔锁模。
[0015]本发明的优点是:
(1)采用非水基流延成型工艺结合真空烧结技术制备得的浓度渐变掺杂结构陶瓷，界面平整，栗浦光传输方向上，掺杂浓度渐变或者跃变，有效减弱了热透镜效应、热应力、热畸变等因素；
(2)采用非水基流延成型技术和真空烧结技术制备浓度梯度掺杂结构陶瓷，实现了超高浓度掺杂和渐变浓度掺杂结构，相对于单层陶瓷来说，提高了增益介质的损伤阈值，改善了陶瓷增益介质的热传导能力，使得栗浦光的栗浦效率更高，利于输出更高功率的激光；
(3)激光器能够实现输出可调谐波长连续激光和重复频率可调的锁模皮秒脉冲激光；
(4)采用浓度渐变掺杂结构陶瓷作为增益介质，获得良好的激光束质量和较低的激光输出阈值，好的激光横模模式容易实现锁模操作，锁模阈值低；
(5)可作为增益介质的透明陶瓷种类很多，每一种陶瓷都可以人为设置掺杂函数、掺杂离子、掺杂浓度、掺杂层数、掺杂厚度等参数来实现不同结构；
(6)采用掺杂浓度渐变陶瓷，可以大大降低陶瓷的再吸收损耗，提高栗浦光的使用效率，从而大大提高了激光器的光-光转化效率；
(7)采用掺杂浓度渐变陶瓷，陶瓷增益介质有优良的热传导能力，且陶瓷掺杂界面平整，延长了激光器的使用寿命，改善了激光束的质量和激光性能，减小了对陶瓷的破坏力，有利于激光器的应用拓展。
【附图说明】
[0016]图1为本发明中以浓度渐变掺杂陶瓷为增益介质的三镜谐振腔连续激光器系统示意图；
图2为本发明中以浓度渐变掺杂陶瓷为增益介质的三镜谐振腔调谐激光器系统示意图；
图3为本发明中以浓度渐变掺杂陶瓷为增益介质的五镜谐振腔锁模激光器系统示意图。
【具体实施方式】
[0017]以下结合附图通过实施例对本发明的特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解:
如图1-3，图中标记1-11分别为:LD栗浦源1、传输光纤2、透镜耦合装置3、谐振腔4、平面全反腔镜5、陶瓷增益介质6、凹面全反腔镜7、输出耦合镜8、色散棱镜9、凹面全反镜10、SESAM llo
[0018]实施例1:如图1所示，本实施例具体涉及一种基于掺杂浓度渐变陶瓷的三镜谐振腔连续激光器系统，该激光器系统由依次连接的LD栗浦源1、传输光纤2、透镜耦合装置3以及谐振腔4所组成，其中:
谐振腔4包括依次设置的平面全反腔镜5、陶瓷增益介质6、凹面全反腔镜7以及输出耦合镜8;平面全反腔镜5以及凹面全反腔镜7上镀有栗浦光高透和激发光全反的介质膜;输出耦合镜8上镀有符合栗浦光高透和激发光高反的介质膜，激光输出比例可以调节;陶瓷增益介质6内的是基于非水基流延成型技术结合真空烧结技术制备而成，实现激活离子浓度渐变掺杂，且从左到右，掺杂浓度可以关于陶瓷增益介质6中线位置对称呈抛物线分布，还可以呈跃变掺杂，而且掺杂浓度、掺杂层数、掺杂层厚度都可以根据实际需要来设计；陶瓷增益介质6内的激活离子可以是Yb、Tm、Nd、Er等稀土元素离子中的一种或者多种，其基底材料则可以是Y203、YAG、LuAG、AL203等高致密性和导热本领比较好的透明陶瓷。
[0019]如图1所示，本实施例中基于掺杂浓度渐变陶瓷的三镜谐振腔连续激光器系统的工作方法为:
LD栗浦源1采用端面栗浦方式，其发出的栗浦光经由传输光纤2和