复合激光杆及其制造方法和带有复合激光杆的激光装置的制作方法

专利名称：复合激光杆及其制造方法和带有复合激光杆的激光装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及复合激光杆，复合激光杆的制造方法和使用复合激光杆的激光装置。具体地，所述激光杆能够改善，在激光振荡时，激光杆的热波动和振动引起的激光束的位置稳定性和输出稳定性的降低，能够提高激发激光杆的光的吸收效率，从而能够提高振荡效率，和能够提高冷却效率从而抑制热透镜效应(thermal lens effect)。
近年来，通过在焙烧具有YAG成分的粉末而获得的陶瓷YAG的透明材料中，搀杂激光活性元素，获得一种激光材料得到了发展，并已确定其具有与单晶具有相同的特性。例如，日本未审查专利公报(JPA)H10-67555，H5-235462，H5-286761和H5-294723公开了，通过在真空中焙烧具有钇铝榴石(YAG)成分的粉末能够获得透明陶瓷材料。
另外，在激光工程评论(Review of Laser Engineering)，卷27，1999年，593-598页中，报道了所述激光的特性。而且，在YAG单晶杆中，能够引入的Nd浓度的上限是约1.3原子％。但是，在日本激光学报第21年会刊(Proceedings(Digest of Technical Papers)of 21stAnnual Meeting of The Laser Society of Japan(2001，PP.40，LectureNo.30pV3))公开，在陶瓷YAG激光杆中的这个浓度能够增加到2％以上。再者，由于较高熔点，根据通常的结晶生长方法，不能够生长到质量优良和尺寸大的晶体的Y2O3或Sc2O3，具有约为YAG两倍的20w/mk的导热率，是有希望的激光晶体。在真空中焙烧Y2O3或Sc2O3细均匀粉末时，能够获得一种透明的和高质量的陶瓷材料。在日本激光学会第22年会会刊中(Proceedings(Digest of Technical Papers)of22stAnnual Meeting of The Laser Society of Japan(2002，PP.40，LectureNo.B3-24P12))报道，在陶瓷材料中搀杂Nd或Yb时，陶瓷材料能够获得激光振荡。
使用闪光灯或激光二极管从侧表面或端表面能够激发激光杆，发射的光束在谐振器中谐振，从而实现激光振荡。在激光振荡时，激光活性元素吸收的激发光的能量不是全部转换成激光束的能量，而是其部分转换成热。结果是激光杆在激光振荡时发热，之后温度上升。当激光振荡时激光杆的温度变化时，激光杆的折射率发生变化。其结果是会产生振荡激光束的位置稳定性下降，和输出强度波动大的问题。相应地，习惯于使得激光杆与冷却的冷却水或散热器接触，以使激光杆的温度尽可能保持固定。
因为从激光杆的的冷却是从表面开始的，所以不可避免地，在径向产生温度梯度。在径向产生温度梯度时，因为折射率也根据温度变化，所以激光杆与透镜的效果相似。其结果是在杆中的光不能够沿直线传播。为了克服这个热透镜效应，考虑覆盖一个单晶激光杆的外层，其中所述单晶激光杆中激光活性元素中掺杂了不掺杂的单晶层。为了制造这样复合的激光杆提出了几种方法。例如，在JP-A-62-140483中公开的方法是，将未搀杂活性元素的不搀杂单晶层，置于根据液相外延生长(LPE)方法掺杂了的活性元素的单晶的激光杆的周围。另外，在USP 5,441,803和USP5,563,899中公开的方法是，加入了活性元素的激光材料和未加入活性元素的激光材料分层或热压缩结合。再有，在JP-A S63-085152和JP-A H9-172217中公开的方法是，在不搀杂的晶体中钻孔，作为芯的搀杂晶体插入其中，随后结合。
近年来，需要在激光处理中有较高精度和较高速度。例如，在印刷电路板上以±1微米的精度在一秒钟形成50微米的1000个孔。为了在这样短时间进行高精度细处理，比已往更需要，提高在激光振荡器输出的单模激光束的位置稳定性和抑制输出强度的波动。
为了细处理，因为激光波长越短越合适，在很多情况，使用波长转换元件，对单模激光束进行波长转换。在转换效率饱和前，波长转换效率与激光束的输出的平方成比例地变化。相应地，在基波的激光束的输出中存在波动时，转换效率会与波动的平方成比例地变化。另外，在非线性元件上光入射角变化时，不能够达到相位匹配角的光分量增加。相应地，在光束的位置稳定性变化时，波长转换光的输出大幅度变化。由于这些原因，在使用波长转换光的激光处理器的情况下，基波的激光束的位置稳定性必须提高，输出强度的波动必须尽量降低。
克服这个问题的一个对策是，将冷却激光杆的冷却水和散热器的冷却功率保持在固定水平上。但是，因为在冷却功率被控制时，控制温度测量点上的温度以在允许的温度范围，将这个温度范围设定在摄氏±0度是不可能的。另外，特别是在使用冷却水时，因为一旦通过将冷却水返回冷却器的方式控制提升的水温，则很难使得水温波动完全为0。
另外，在循环水时存在水压变化。因此，仅通过设计激光杆的冷却方法，满足要求的激光束的位置稳定性或输出稳定性有困难。
而且，在用水冷却激光杆时，存在的问题是，由于水流的振动含有与激光杆谐振频率匹配的分量，因此，激光杆开始振动。再者，在固定到激光杆上的散热器空气冷却时，激光杆拾取诸如冷却风扇等的振动，结果，这成为使得激光束位置稳定性和输出稳定性降低的一个因素。
在激光杆直径较大从而激光杆的体积增加时，激光杆的谐振频率会降低从而可以克服振动的问题。但是，在细激光处理需要的单模激光束振荡时，激光杆的直径仅能够大到约2毫米。因此，激光杆不能够超过一种直径，在该直径下由冷却水或冷却风扇引起的外部振动影响较小。
另外，提高激光振荡效率也是一个大目标。为了促进单模激光束的振荡，需要将激发光集中在激光杆的中心附近。但是，此时，从激发光到振荡光的转换效率低到约为10-15％。因此，促进激光杆有效地吸收激发光从而提高单模激光束的振荡效率是一项任务。
另外，在振荡单模激光束时，因为加热集中到细长杆，所以造成热透镜效应，其结果，输出激光束不能够直线传播。为了克服这个问题，现有技术中，考虑在单晶激光杆的外围设置单晶不搀杂层。但是，在此现有技术中，很难将单晶不搀杂层置于能够获得单模的具有2毫米以下直径的激光杆上。
因此，本发明拟提供一种外围结合不搀杂管的复合激光杆，它是一种能够克服这些问题的结构，并且受冷却水的冷却能力和冷却激光杆的散热器和冷却介质的振动的影响较小。即，本发明提供一种复合激光杆，它的制造方法和带有它的激光装置，所述复合激光杆能够实现在输出稳定性和光束位置稳定性优良的激光装置，从而提高激光处理装置的如处理精度和处理速度的性能，能够提高振荡效率，和能够振荡光束质量优良的激光束。一种复合激光杆的生产方法和一种使用复合激光杆的装置。
在所述激光杆中，吸收激发光并产生热的部分是搀杂了活性元素的部分。因此，在冷却水或散热器直接接触此部分时，冷却能力的变化直接影响激光杆的折射率的变化。因此，在用激光活性元素搀杂的激光杆的外围用不搀杂的管包围时，冷却能力变化的影响，在不直接传递到杆的情况，通过不搀杂管传递。因此，因为冷却能力的微小变化在不搀杂管上平均，所以能够抑制搀杂活性元素的杆的温度变化。
另外，在搀杂活性元素的激光杆的直径小于2毫米以获得单模和不搀杂层的管在其外围时，在保持激光振荡单模的同时，能够使得杆的直径较大。因为在杆的直径较大时，杆的特性频率偏移到较低频率侧，所以能够抑制与在杆外的冷却水和冷却风扇来的高频振荡分量的谐振分量。结果，能够抑制激光杆的振动，诸如激光束的位置稳定性和输出稳定性等特性明显地提高。
制造不搀杂管贴附到所述激光杆外围的结构的方法，根据上述专利公报，存在几种方案。所有这些中，都是将单晶激光杆和单晶不搀杂层结合。在晶体和晶体的结合结构中，完全地将激光杆和其外围的不搀杂层结合是很困难的。
在根据本发明的复合激光杆中，具有与激光杆相同的晶体结构的陶瓷材料用于不搀杂层管。结果，激光杆和不搀杂管完全结合。为此，首先，预焙烧不搀杂活性元素的陶瓷粉末形成中空的陶瓷管。随后，将激光杆插入到管中，跟着焙烧。结果，在焙烧时，所述管的直径收缩从而激光杆和管结合。因为激光杆和陶瓷管具有相同的结晶结构，所以在它们的界面上，产生少量元素扩散，造成它们的结合。通过将结合的材料处理成为预定形状，随后抛光，能够制造复合激光杆。
在使用通过将不搀杂的陶瓷管结合到激光杆的外围制造的复合激光杆时，能够抑制从杆的外面的振动和杆产生热引起的影响。因此，能够提高激光杆振荡的激光束的位置稳定性和输出稳定性。
对于激光杆，除了已使用的单晶杆，也能够使用陶瓷激光杆。
另外，在具有榴石结构的激光杆用在本发明的激光杆中时，除了含有激光活性元素的Nd2O3或Yb2O3外，也能够加诸如稀土氧化物Lu2O3，Ga2O3等三氧化物。即，如在光学通信Optics Communications，卷115，1995年，491页，或结晶生长杂志Journal of crystal Growth中提出的，在晶体和陶瓷激光杆中都能够改变折射率。
这就是说，为了在与不搀杂的管的界面上产生折射率差，激光杆的折射率高于其外围的不搀杂管的折射率，则能够抑制向激光杆输入的激发光漏向不搀杂管。结果，与折射率没有不同的情况比，能够加强将激发光限制在中心的激光杆内的效果，能够增加在激光杆中的激发光的吸收效率，使振荡光的振荡效率的提高。
作为使得激光杆的折射率高于不搀杂管的方法，可以使用折射率比YAG的高的激光材料的钆镓榴石(GGG)，并且在管中可以使用YAG。此外，在通过结合具有立方系晶体结构的材料使得激光杆的折射率高于陶瓷管时，能够提高振荡效率。在激光杆具有比陶瓷管高0.3％以上折射率时，传播在激光杆内的光开始在与陶瓷管的界面上反射，并且在折射率高于那个值时，光的限制效果进一步变大。
另外，在激光振荡器中，保持激光杆的部分因为不能够从侧表面吸收激发光，所以对振荡不起作用。在不能够激发的部分中的激光杆中的活性元素因为吸收振荡光，所以引起振荡效率的降低。作为解决这个问题的措施，例如在量子电子学IEEE杂志(IEEEJournal ofQuantum Electronics)卷33，1997年，1592页，公开一种方法是，向不激发的与激光杆结构相同的不搀杂单晶的激光杆的两个端部结合，通过向本发明的复合激光杆应用此结构，不搀杂的陶瓷杆结合到激光杆的两端时，提高位置稳定性提高和抑制输出波动的同时，能够达到提高振荡效率的效果。
另外，在结合到激光杆的外围的陶瓷管的热传导率高于激光杆时，能够有效地冷却激光杆。Y2O3或Sc2O3的热传导率基本是榴石系材料的两倍。因此，在将Y2O3系统陶瓷管结合到榴石系激光杆的外围时，能够抑制激光杆的热透镜效应。
如上所述，在不搀杂陶瓷管结合到激光杆的外围上时，能够达到，提高位置稳定性、和输出稳定性、和振荡效率、和抑制热透镜效应的结果。
下面说明它的工作。
在本发明中说明的单晶是，根据如拉拔方法的晶体生长方法，从熔化的熔体长大的材料，并不具有晶界。另外，陶瓷是尺寸为微米以下的单晶细颗粒的聚结材料，具有晶界，并能够在不完全熔化原材料的粉末颗粒情况下，通过烧结晶粒长大获得。
在构成陶瓷的颗粒的结晶系统是立方系晶体结构(或等距晶系)时，在本发明中使用的陶瓷管能够有效地工作。这是因为，立方系晶体结构晶体的晶格常数是三维各向同性的，所以热膨胀系数也是三维各向同性的。因此，构成陶瓷材料的颗粒的无论什麽方向晶粒彼此结合，在烧结结合后，不存在残余应变。因为烧结的陶瓷的物理性能基本与单晶相同，所以在将单晶和陶瓷结合时，在界面上不产生应变。
作为能够用作激光晶体的晶体，除了具有榴石结构的那些，本发明也可以使用，例如Re2O3，Y2O3，Sc2O3等，属于如Re等三价金属氧化物当中的立方系晶体结构的材料。另外，即使在激光杆和陶瓷管具有不同的成分或晶体结构时，在激光杆和陶瓷管是由立方系晶体结构的材料制造并且在热膨胀时不具有各向异性和它们的热膨胀系数的差在10％内时，也能够将它们结合。
在陶瓷粉末被烧结并促使显示出与晶体相同的物理性能时，必须去掉孔穴。为了获得具有这样的晶体物理性能的陶瓷材料，制备在成分一致性和颗粒形状一致方面优良的开始的原始材料是很重要的。所需的是开始的原料的颗粒的尺寸为几微米以下，颗粒直径越小越好。在颗粒尺寸存在差别时，引起由于颗粒尺寸的差别造成的烧结性能的差别，在焙烧后造成晶粒尺寸的不一致，并且在一些位置机械性能变化。在将颗粒尺寸的分散抑制到±1微米以下，能够克服上述问题。
作为获得具有一致颗粒直径的开始原料的方法，存在两种方法。其中之一，在称重使得具有与晶体相同的成分后，混合并预焙烧原料，随后用球磨机再次研磨到那诺级。通过几次重复这个过程，获得与晶体相同成分的超细颗粒。在另一个方法中，利用溶液中的化学反应，共沉淀与晶体相同成分的盐。在称重的原料粉末溶解在溶液中后，通过调整到预定的pH值，正电荷和负电荷彼此反应，能够获得成分均匀的陶瓷原料。通过处理加工这个沉淀，能够获得陶瓷原料。
在陶瓷管的原料中，上述获得的陶瓷材料与粘结剂有机材料诸如水或醇，甲苯，二甲苯等溶剂一起搅拌，获得并使用低粘度状态的浆。在从浆去掉水后预焙烧，能够获得管结构。在这个状态，构成陶瓷的单个颗粒没有完全结合。但是，通过进行实际的焙烧，构成陶瓷的各个颗粒彼此烧结，在颗粒界面上的空间变窄，最后消失。在颗粒尺寸均匀时，没有晶粒的不规则长大，颗粒的全体均匀长大。
预焙烧的陶瓷管在与插入其中的激光杆接触前，继续在内径收缩的方向变形。但是，在这个收缩进行到一定程度，而且陶瓷管与插入的激光杆接触时，管的收缩力在力压缩激光杆的方向不起作用，而是在管的径向分散。这被称为在烧结陶瓷颗粒时显示的塑性变形效果。根据本发明的复合激光杆利用一种大的塑性变形，所述塑性变形是陶瓷颗粒被烧结时的特征现象。因此，在不引起在陶瓷管的中心插入的激光杆上压缩应变的情况下，能够将激光杆与包围的陶瓷管结合。塑性是，即使是在硬材料情况，在构成材料的原子或颗粒之间引起缺陷和位错，从而材料变形的一种效应。在陶瓷被烧结时，在颗粒之间的结合状态改变，引起实行变形。
中心的激光杆在陶瓷被烧结的温度是化学稳定的，形状不改变。但是，在与陶瓷管结合的激光杆的部分上，引起少量的原子扩散，造成结合。因此，在结合后，激光杆不会脱离陶瓷管。
虽然在结合界面使得原子扩散的距离决定于激光杆和陶瓷管烧结的温度和时间，但是，温度的影响是较大的。在烧结温度较高时，在激光杆中搀杂的激光活性元素扩散到陶瓷管中，造成激光振荡模式的变坏。但是在本发明中，复合激光杆形成的温度设定在中心的激光杆熔点的90％以下。在此温度，激光杆中的激光活性元素几乎不扩散到陶瓷管侧，并且激光振荡模式不变坏。
激光振荡模式由激光杆的直径或在激光杆中产生的热引起的透镜效应，和激发方法，或构成谐振器的输出镜和后镜各自的曲率决定。从侧表面激发的激光杆来的激光振荡模式取决于含有激光活性元素的激光杆的直径。在希望单模激光是通过用侧表面激发产生时，激光杆的直径必须是2毫米以下。在激光杆的直径是2毫米以下时，因为该晶体很难牢固地固定，所以引起热波动或振动问题，造成光束输出稳定性和位置稳定性的问题。但是，在陶瓷管结合到2毫米激光杆上时，能够实现具有单模振荡光束和2毫米以上直径的复合激光杆。因此，由于本发明，能够克服关于输出稳定性和位置稳定性的问题。
优选实施例的说明下面参照附图进一步详细说明本发明。实施例1

图1A-1C和2A-2C是透视图，示出本发明所述的复合激光杆的制造过程的一种实施方式。
根据图1A-1C示出的复合激光杆的制造方法，首先，根据共沉淀方法制备，含有YAG成分Y3Al5O12成分的颗粒。回收沉淀的颗粒并焙烧，获得YAG成分和100纳米直径的细颗粒。这个粉末与有机粘结剂和溶剂(醇，甲苯，二甲苯等)一起在球磨机中混合，制备YAG细粉末浆4。浆4被填充(步骤S1-1)到石膏1的孔2中，如图1A所示，并在其中保持1小时，石膏1部分地吸收浆4的水分。然后，去掉石膏1的孔2的底盖3，并且如图所示，留在中心部分的富于水的浆4从孔2排出。浆4的排量决定于被石膏1吸收的水的程度。在浆4保持在孔2中的时间准确控制时，能够控制浆4的排量。
即，排量决定从在孔2中留下的浆4中形成的骨干部分(fleshportion)5的中心部分的直径。因此，通过控制在石膏1中的浆4的保持时间，能够准确控制骨料部分5的孔2的直径。在盖3打开后的浆4流出的时间是0.1秒以下，获得的在孔2中留下管形的骨料部分5的内壁表面是平滑的。在通过脱水(步骤S1-3)完全除掉水后，从石膏1取出在石膏1的孔2的内表面上留下的骨料部分5。
随后，管形骨料部分5在摄氏800度预焙烧(步骤S1-4)10小时脱脂，产生2.1毫米内径4毫米外径50毫米长的预焙烧陶瓷YAG管6。
在下面，如图2A-2C所示，2毫米直径35毫米长的单晶YAG激光杆7，其中活性元素Nd加入浓度为1原子％，被插入到预焙烧的管6中(步骤S1-5)。激光杆7的侧表面在插入前被镜面抛光。在插入激光杆7的预焙烧管6在摄氏1700度焙烧10小时时(步骤S1-6)，由于焙烧使预焙烧管收缩，产生焙烧陶瓷管8。
结果，由于塑性变形效应的作用，激光杆7和陶瓷管8能够在结合界面上结合。结合的界面，经仔细研究确认，仅在与几个原子层相应的几十埃的区域，激光杆7和陶瓷管8由于扩散结合，并且Nd原子向陶瓷管8的扩散几乎能够忽略。
焙烧后激光杆和陶瓷管结合的材料的尺寸分别是3.9毫米外径，50毫米长经处理后成为3毫米外径和30毫米长，以使陶瓷管的厚度能够形成为0.5毫米的在激光杆外围的覆层，随后抛光侧表面和端部表面(步骤S1-7)，从而能够形成如图所示的，激光杆7和陶瓷表皮层9结合的复合激光杆10。
下面说明使用复合激光杆10的图3示出的激光振荡器的实施例。
在图示的激光振荡器中，冷却水12沿在两端固定的复合激光杆10的侧表面流动，用激发LD(激光二极管)11从激光杆外施加侧表面激发。用Q开关13实现脉冲振荡，从输出镜15输出脉冲激光束的脉冲。
输出脉冲激光束的每个脉冲的波形示波器检测的测量结果，与普通的单晶YAG激光杆比较，后者没有不搀杂管，2.0毫米直径，30毫米长，Nd的浓度为1原子％。
图4和5示出在10kHZ振荡的，1.064纳米波长的激光束的脉冲-脉冲稳定性。
如图4所示，在普通单晶YAG激光杆的情况，输出稳定性是±7.5％，相对照，如图5所示，在复合激光杆10时，输出稳定性为±2.5％。即，输出的离散性为普通激光杆的三分之一，输出稳定性提高三倍。输出模式在两种情况都是单模。
下面，参照图6说明用复合激光杆10的另一个测量结果。在图6中，对图3所示的激光振荡器，在输出的激光束路径中添加透镜，第二谐波发生元件16和第三谐波发生元件17。
在图示的激光振荡器中，用透镜聚焦激光束，输入到第二谐波发生元件16和第三谐波发生元件17，振荡产生的第三谐波的355纳米。用光束剖面仪(profiler)研究这个装置的光束位置稳定性。为了研究在放大时的波动数量级，使得激光束从第三谐波输出表面向空间传播2米，用所述的光束摸接收光束加以研究。
结果，如图7所示，在普通2毫米直径YAG激光杆的输出光束的波动在X轴方向为±100微米，在Y轴方向为±75微米时，3毫米直径的复合激光杆在X轴方向为±50微米，在Y轴方向为±50微米。即，可以证明，波长转换的光的光束位置稳定性在X轴方向提高50％，在Y轴方向提高66％。由此结果能够证明，不仅提高了输出的位置稳定性，而且使得在X轴方向在Y轴方向的差较小，均衡了波动。这样一来，在用激光束进行激光加工时，可以认为，加工的精度以与位置稳定性提高的相同比例提高，加工的孔的形状纵宽比从4∶3提高到1∶1。
图示的复合激光杆20的制造如下。首先，为了获得高质量单模窄激光束，制备Nd浓度为0.7原子％，1毫米直径15毫米长的单晶YAG激光杆21。接着，根据与上述实施例相同的方法将YAG激光杆21结合到陶瓷YAG管22，制备出3毫米直径15毫米长的复合激光杆20。如图所示，复合激光杆20设置在输出镜25和后镜24之间。与图3相似，用激光二极管从侧表面激发复合激光杆20，在不设置孔的情况下，能够输出具有1毫米直径的光束的单模振荡光束。在激光振荡器中，在激光束在空间传播1米后的位置上，脉冲-脉冲输出稳定性为±2.5％，在长度和幅度方向的激光束的位置稳定性为±10微米，位置稳定性的纵横比为1∶1。
为了比较，制备具有1毫米直径15毫米长，Nd浓度为0.7原子％的单晶YAG激光杆。并根据与图8相同的谐振器结构进行振荡试验。其结果，因为激光杆的窄度，激光杆在谐振器中固定有困难，并且由于在激光杆外围流动的冷却水的振动使得激光杆振动，虽然是在单模中振荡，但是脉冲-脉冲的输出位置稳定性为±10％。
然后，如图9所示，制备3毫米直径15毫米长的单晶YAG激光杆31，在输出镜35前设置具有1毫米直径的孔36，与上述方法相似地振荡激光杆31。结果，能够输出2毫米直径的单模振荡光束。但是，脉冲-脉冲输出稳定性为±7％。从激发光到振荡光的振荡效率，与图8的实施例比，降低到三分之二。这是因为，存在对激光杆中振荡不起作用的ND搀杂部分，它吸收激发光。
首先，制备2毫米直径30毫米长Nd原子浓度为1.5％的YAG陶瓷激光杆42。陶瓷激光杆42，如图所示，被设置在圆柱形浆容器41的中心部分。在这个状态，将根据与上述相同的过程制备的，形成YAG陶瓷使用的浆4排出填充在容器中(步骤S2-1)。然后，将浆中的水蒸发，随后在摄氏800度预焙烧10小时，形成预焙烧的陶瓷材料43。随后，除掉浆容器41(步骤S2-2)。另外，将插入激光杆42的预焙烧的陶瓷材料43在摄氏1700度焙烧10小时(步骤S1-3)，从而透明陶瓷YAG材料44包围，Nd搀杂的陶瓷杆42的外围。将陶瓷YAG材料44抛光(步骤S2-4)，形成0.5毫米厚陶瓷管45作为表皮层，形成3毫米外径30毫米长的复合激光杆40。
在用复合激光杆40进行激光束的振荡试验时，分别获得±2.5％的激光束输出稳定性和±0.75微米的第三谐波光束位置稳定性。即，获得与使用单晶YAG激光杆7的复合激光杆相同的结果。另外，因为Nd的浓度为1.5原子％，比激光杆7的1.0％高出0.5％，所以，可以证明，在相同的激光二极管的激发功率，振荡输出提高约20％。
进行试验，以制造复合激光杆，其中激光杆的折射率比陶瓷管的高。制备含有Nd，Lu，Ga的浓度为分别为1原子％，10原子％和20原子％的，长为5毫米，直径为2毫米，镜面抛光侧表面的陶瓷YAG杆。陶瓷YAG杆插入到，根据与上述相同程序制造的10毫米长，2.1毫米内径5.1毫米外径，预焙烧的陶瓷YAG管中，随后在摄氏1700度焙烧10小时。在焙烧后，将外围加工，形成复合激光杆50，以致5.0毫米直径5毫米长的Nd，Lu，Ga搀杂的陶瓷YAG激光杆51外围，结合到不搀杂的陶瓷YAG管52。
在复合激光杆50中，在中心的陶瓷YAG激光杆51具有1.84的折射率，它比在其外围的陶瓷YAG管52的1.82高出0.02，即1.1％。因此，如图所示，用激发激光二极管56通过侧表面激发的复合激光杆50中的激发光57被限制在Nd，Lu，Ga搀杂的陶瓷激光杆51中。其结果，激发光57被陶瓷YAG激光杆51有效地吸收。
振荡效率与使用Nd浓度为1原子％的单晶YAG激光杆为激光杆的复合激光杆比。其结果，可以证明，在相同的激发光强度下，在使用Nd，Lu，Ga搀杂的陶瓷YAG激光杆51时的激发效率是Nd浓度为1原子％搀杂的单晶YAG激光杆的1.2倍。
相似地，在使用Nd浓度为1原子％，Lu浓度为70原子％，相同尺寸的陶瓷YAG杆作为激光杆时，杆的折射率为1.83，即，比陶瓷YAG管的高0.5％。在用激光杆进行相同的试验时，激光束强度为Nd浓度为1原子％搀杂的单晶YAG激光杆的1.1倍。另外，搀杂Nd浓度为1原子％，Ga浓度18原子％的陶瓷杆的折射率也是1.83，并且在结合陶瓷YAG管的激光杆的特性通过相同的试验比时，可以证明，激光束强度为搀杂Nd浓度1原子％的单晶YAG激光杆的1.1倍。
首先，制备搀杂Nd浓度1原子％，2毫米直径35毫米长的单晶钆镓榴石(Gd3Ga5O12，GGG)激光杆61，侧表面被镜面抛光。用激光杆61在其外围，根据上述相同的过程，形成不搀杂的陶瓷YAG管62。其结果，形成具有3毫米直径35毫米长的复合激光杆60。因为GGG的折射率是1.94，YAG的是1.82，它们之间存在6％的折射率差。因此，从复合激光杆60的侧表面激发的光能够限制在其中心GGG激光杆61中。
利用侧表面激发振荡激光杆，其结果与在陶瓷管中使用GGG的陶瓷的复合激光杆比，以致不存在折射率差。结果，在相同的激发光强度下，振荡效率能够提高10％。根据这个结果证明，在构成复合激光杆的激光杆的折射率高于其外围的陶瓷管的时，与普通的杆比，能够提高光束的位置稳定性和输出稳定性，并与不存在折射率差的复合激光杆比，提高振荡效率。实施例6下面参照图13A和13B说明与上述不同的复合激光杆70。
首先，代替上述的Nd搀杂单晶YAG激光杆，制备陶瓷Y2O3激光杆71，它含有5％的Yb原子2毫米直径，35毫米长。用Y2O3粉末浆制造在其外围的不搀杂的陶瓷管。如图所示，在预焙烧的Y2O3管72插入Yb搀杂的陶瓷Y2O3激光杆71后，分开制备的2毫米直径，5毫米长的不搀杂的陶瓷Y2O3杆73从两端插入到陶瓷Y2O3管72的中空部分。为了促进Y2O3激光杆71和不搀杂陶瓷Y2O3杆73之间的结合，在陶瓷Y2O3管72的间隙中填充Y2O3浆。然后通过在摄氏1700度10小时焙烧，将在陶瓷Y2O3管72中的激光杆71和72结合，从而形成陶瓷覆盖体74，其中不搀杂的陶瓷完全盖住搀杂的陶瓷Y2O3激光杆71。在焙烧后取的样制造成复合激光杆70，它具有45毫米长3毫米直径。
复合激光杆70形成的杆中，在两端上，管72和不搀杂陶瓷Y2O3制造的两个杆73完全地结合。在用从侧表面施加激光二极管激发的谐振器，测量复合激光杆的振荡特性时发现，与在两端没有不搀杂的部分的复合激光杆比，输出约提高15％。
作为激光杆，制备单晶YAG激光杆81，它的直径为2毫米，30毫米长，Nd含量为0.8原子％。作为在其外围的不搀杂陶瓷管，制备用Y2O3浆制造的不搀杂陶瓷管。在预焙烧的Y2O3陶瓷管中，插入单晶YAG激光杆81，随后在摄氏1700度焙烧10小时，接着加工，制备复合激光杆80，它的直径为2毫米，30毫米长，在单晶YAG杆81的外围结合陶瓷Y2O3管82。用与图3相似的谐振器振荡所述杆，并将热透镜效应与将陶瓷YAG管结合到外围的复合激光杆比。因为Y2O3管的导热率为YAG管的两倍，所以这个杆能够更有效地被冷却，造成热透镜效应降低30％以上。
如上所述，根据本发明，实现了复合激光杆，其中激光杆和成为激光杆的外围的表皮层的不搀杂陶瓷管被焙烧完全结合。本发明的复合激光杆能够抑制，在激光振荡时，与冷却能力变化相关的激光杆的热波动，并能够降低从冷却介质接受的振动的影响。因此，能够提高从激光杆振荡的激光束的位置稳定性和输出稳定性。另外，制备在结合中激光杆的折射率高于陶瓷管的复合激光杆时，因为激发光能够被激光杆有效地吸收，所以能够提高振荡效率。再者，在用导热率比激光杆高的材料形成陶瓷管时，因为杆能够被有效冷却，能够降低热透镜效应。在将本发明的激光杆应用到激光加工装置上时，则能够高速有效地进行高精度稳定的激光加工。
因此，例如，改进了在印刷电路板中钻孔的加工准确度，也增加激光杆的脉冲能量。结果，对于同样的加工需要的脉冲的数目较少，加工速度也提高。另外，在使用激光束的修整装置中，在测量要修整的元件的特征的同时，将激光束辐射到所述元件上。在使用本发明的复合激光杆时，能够实现元件特征的精细控制。即使在修理装置，使用激光束的焊接器和表面精修装置中，通过提高激光束的输出稳定性和位置稳定性，能够提高加工准确度和加工速度。因此，本发明对应用激光装置的行业的发展作出了贡献。
权利要求
1.一种复合激光杆，它包括激光杆，它含有激光活性元素，并振荡激光束；和表皮层，它在激光杆的外围，其中在与激光杆的界面中的颗粒，由于塑性变形，与激光杆完全结合。
2.根据权利要求1所述的复合激光杆，其中表皮层是不含有激光活性元素的陶瓷材料。
3.根据权利要求1所述的复合激光杆，其中表皮层是属于立方系晶体结构的结构的材料制造的。
4.根据权利要求1所述的复合激光杆，其中表皮层是具有榴石结构的材料制造的。
5.根据权利要求1所述的复合激光杆，其中表皮层是具有三价正离子Re的氧化物Re2O3成分的材料制造的。
6.根据权利要求2-5中任一权利要求所述的复合激光杆，其中激光杆是含有激光活性元素的单晶材料制造的。
7.根据权利要求2-5中任一权利要求所述的复合激光杆，其中激光杆是含有激光活性元素的陶瓷材料制造的。
8.根据权利要求2-5中任一权利要求所述的复合激光杆，其中激光杆是具有立方系晶体结构的材料制造的。
9.根据权利要求2-5中任一权利要求所述的复合激光杆，其中激光杆是具有榴石结构的材料制造的。
10.根据权利要求2-5中任一权利要求所述的复合激光杆，其中激光杆是具有三价正离子Re的氧化物Re2O3成分的材料制造的。
11.根据权利要求2-5中任一权利要求所述的复合激光杆，其中激光杆是具有加入Lu和Ga至少一种的Nd搀杂钇铝榴石成分的单晶材料和陶瓷材料任何一种制造的。
12.根据权利要求1所述的复合激光杆，其中激光杆的折射率比激光杆外围的表皮层的高0.3％。
13.根据权利要求1所述的复合激光杆，其中表皮层的导热率比激光杆的高。
14.根据权利要求1所述的复合激光杆，其中不含有激光活性元素的陶瓷材料制造的杆结合到复合激光杆的两端的至少一个上。
15.一种制造复合激光杆的方法，包括步骤制备激光杆；制备陶瓷管；将激光杆插入到陶瓷管；和将激光杆和插入激光杆的陶瓷管结合。
16.根据权利要求15所述的制造复合激光杆的方法，其中激光杆是在焙烧前和后不改变形状的单晶杆和焙烧陶瓷杆任何一种。
17.根据权利要求15所述的制造复合激光杆的方法，其中制备陶瓷管的步骤含有制备预先焙烧的不搀杂陶瓷管。
18.根据权利要求15所述的制造复合激光杆的方法，其中将陶瓷管和激光杆结合的步骤含有焙烧。
19.一种制造复合激光杆的方法，包括步骤制备原料粉末在溶剂中分散的浆，所述原料粉末用于形成不搀杂陶瓷管和粘结剂；使用浆制备陶瓷管；将激光杆插入陶瓷管；和将陶瓷管作为表皮层结合到插入的激光杆的外围。
20.根据权利要求15或19的制造复合激光杆的方法，其中在制备形成不搀杂陶瓷管用的浆中使用的材料粉末，具有与榴石材料相同的结晶结构和在±1微米内均匀的颗粒直径。
21.根据权利要求15或19的制造复合激光杆的方法，其中在将不搀杂的管结合到激光杆外围中，为了抑制在激光杆中含有的激光活性元素，在不搀杂陶瓷管中扩散的距离，在激光杆熔点的90％温度以下进行焙烧。
22.一种激光装置，其中用复合激光杆振荡的激光束的模式控制，由构成复合激光杆的激光杆的直径提供，并且振荡的激光束是单模的，并且其中复合激光杆包括含有激光活性元素的激光杆，并振荡激光束；和在激光杆的外围存在表皮层，并且其中由于塑性变形，与激光杆界面中的颗粒与激光杆完全结合。
23.一种激光装置，其中通过使用复合激光杆，包括固定到冷却激光杆的冷却件上的激光杆的较高模(mode)的特性频率，和从冷却冷却件的冷却装置到激光杆的供给的频率，被抑制匹配，并且其中复合激光杆包括含有激光活性元素的激光杆，并振荡激光束；和表皮层，它存在在激光杆的外围，其中与激光杆的界面中的颗粒，由于塑性变形，与激光杆完全结合。
24.一种激光装置，其中包括激光谐振器，它包括激光杆和激发激光杆的光源；和冷却激光杆的机构；其中，激光杆使用复合激光杆，它包括含有激光活性元素的激光杆，并振荡激光束，和表皮层，它存在在激光杆的外围，其中与激光杆界面中的颗粒，由于塑性变形，完全与激光杆结合。
25.根据权利要求24所述的激光装置，其中还包括波长转换功能；其中使用复合激光杆使得从波长转换元件输出的激光束中的光束位置稳定性的纵横比接近于1比1。
全文摘要
作为能够满足激光束位置稳定性和输出稳定性要求的复合激光杆，是这样形成的，搀杂激光活性元素的激光杆紧密插入到与激光杆相同结晶结构的不搀杂的陶瓷管中空部分中，随后焙烧，除掉在激光杆和陶瓷管之间的界面上的间隙和应变，在焙烧后抛光陶瓷管的表面，形成陶瓷表皮层。在复合激光杆中，由于冷却水或散热器的冷却能力的波动造成的影响，通过不搀杂的表皮层均匀化，激光杆的温度波动被抑制，和从冷却水或冷却风扇来的振动的影响能够被抑制。在激光杆的折射率高于陶瓷管的时，能够实现高效率振荡，另外，在陶瓷管的导热率高于激光杆的时，能够减轻热透镜效应。
文档编号C04B37/00GK1441522SQ0310647
公开日2003年9月10日 申请日期2003年2月27日 优先权日2002年2月27日
发明者古宇田光, 铃木良和, 工藤秀悦, 常包正树, 向原克治, 柳谷高公, 八木秀喜 申请人:日本电气株式会社, 神岛化学工业株式会社