专利名称：具有高效率增益介质的激光的制作方法
技术领域：
此揭露内容是关于用于高功率应用的固态激光装置。背景资讯激光是通过集中外部能量源成为特定波长与方向的光波而放大光线，使得造成的 光波是于空间上或时间上准直或同相。激光介质可为气体、液体、或固体状态的材料，诸如 晶体。晶体激光介质可掺杂另一种材料的原子以变更该激光介质的性质。如熟悉此技术人士为众所周知，激光的基本操作原理是了解为如后当激光介质 被供给能量，包含激光介质的原子内的电子是暂时提升至较高原子能阶，该过程称为激发 (pumping)吸收。当高能量电子返回至较低能量状态，原子通过在二个能阶之间的间隔而发 射所决定的波长的光线。此过程是称为刺激性或自发性发射，且发射过程期间所发射的可 见光是称为荧光(fluorescence)。欲达成于特定波长的放大，刺激性发射事例的数目是必 须超过刺激性吸收事例的数目，称为居量逆转(population inversion)的条件需要相较于 下能阶而维持较多的电子于上能阶。此居量逆转是通过“激发”具有外部能量源(诸如电流 或另一激光束)的激光而达成。通过容纳激光介质于其具有反射光线的内部表面的盒或腔 部，由刺激性发射所产生的光波是共振于该腔部之内且强化彼此以形成同调(coherent)、 准直的光束。因此，允许产生的同调的激光束的部分漏出通过腔部的一端。脉冲激光束是 可通过周期式中断连续束而产生。典型的脉冲重复频率是超过每秒100，000个脉冲或100 千赫兹。激光激发效率是由其定义为激发能量损失的百分比的“量子缺陷 (quantumdefect)”位准所表示。过量的能量是在激光介质中作为热量。量子缺陷百分比是 假定为q = (1-ω3/ωρ) · 100，其中，是关联于激光能量转变的频率且ωρ是激发光线频率。因此，低的量子缺 陷是合意的。就由强光源所激发的一种激光材料的情形而论，激发状态吸收(ESA，eXCited state absorption)降低激发效率。因子Y = [1+( δ ν/Δ v) 2F1是运用以测量于发射与吸 收线之间的重叠，其中，Sν是于发射转变与吸收转变之间的频率差异且Δν是具有激发二 极管光谱的半强度的全线宽度。小Y值是对应于ESA转变的低机率与关于ESA的高效率 激发方式。具有功率位准为数十瓦的高功率、二极管激发固态(DPSS，diode-pumpedsolid state)脉冲激光较佳是用于在诸如微机械加工、集成电路的通孔钻孔、及紫外线(UV， ultraviolet)转换的应用。掺杂Nd3+的钒氧化物(VO4)所作成的钕钒酸钇(NchYVO4)与 钕钒酸钆(NchGdVO4)激光是用于高功率应用的良好的候选者，因为其特征在于宽带宽的 激发波长的高能量吸收系数。然而，钒酸盐相较于其它的晶体候选者(例如钕钇铝石榴 石(Nd:YAG))而具有不良的热机械性质，在于该种材料是坚硬且当受到热应力时为容易 破裂。钒酸盐是在压力53百万帕斯卡(MPa)之下为破裂，而运用于习用激光的Nd: YAG晶 体是可承受高达138百万帕斯卡的压力。因此，Nd:YAG相较于钒酸盐而允许对应较大的最大激发功率。概括而言，由激光介质所吸收的功率是自进入点而指数式减小，根据P = Ptl(IiaL),其中，Ptl是所施加的激发功率，α是吸收系数，且L是晶体杆(rod)的长度。若 激发功率较佳为沿着晶格的一个轴而吸收，于该轴的方向的吸收系数为较大。高功率激发 产生高温度梯度与关联的拉张应力，其可能引起不对称的“热透镜化(Iensing) ”效应或晶 体破裂，尤其针对于不对称吸收为严重。对称吸收系数指出激发能量为同等地吸收于所有 方向，其可耗尽沿着增益介质的热量且相继降低于晶体的过量热应力。NchYVO4晶体单位晶 格的固有结构(具有沿着光轴的尺寸c = 6. 2人,其为不同于垂直于光轴的等效尺寸a = b =7.1人)是造成不对称的吸收。热透镜化是关于高功率固态激光的通常为不合意的现象，其中，来自过量能量吸 收的热量升高材料温度且使得激光晶体的折射率为失真。此失真是造成有效的“透镜”，其 中，焦距是随着吸收的激发功率而逆向变化。过量的热透镜化是因为束失真与降低的激光 转换效率而为不利于固态激光性能。于激光材料的热透镜化的适当控制(例如通过降低 量子缺陷位准)因此为于高功率激光工程的一个关键因素。 诸如热透镜化的复杂化是截至目前为已限制于TEMcitl模式的钒酸盐DPSS激光的功 率输出至小于30瓦(W)。由热透镜化与热破裂所引起的限制是描述于Xiaoyuan Peng.Lei Xu、与Anand Asundi的论文“二极管激发Nd:YVO4激光的功率标度化”(量子电子学的IEEE 期刊，第38册，第9号，第1291至1299页，公元2002年9月)。影响非均勻吸收、热透镜化、与荧光寿命的因素是包括激光晶体的掺杂浓度与实 际尺寸、以及激发波长与极化。运用于钒酸盐晶体的典型的激发波长是808奈米，且典型的 掺杂浓度是0. 2% at.至0. 5% at.，而低于0. 1 % at.的数值是难以由目前的制程所提供 的控制程度所达成。典型的晶体杆长度范围为自7毫米至15毫米。钒酸盐晶体是各向异性材料，其中，激发能量吸收(且因此激光增益)是极化相 依，某些极化波是相较于其它者而为较容易吸收。响应于温度波动(热效应)、或于极化方 向的随机的移位，于激发激光束的极化状态的变化是可能因此进而促成非均勻的吸收。可 以具有优势的是强制激发激光束为极化于某方向或去极化，以控制此效应。于热透镜化效应的40%降低是由Dudley等人(CLE0 2002公报)所描述，通过直 接激发于880奈米至激光转变的上能阶而非为于传统的808奈米波长。于热透镜化效应的 此降低是视为于量子缺陷位准的自24%至17%的减小所造成而并非为改良的吸收对称性 所造成，因为吸收系数的方向分量仍然差异了三倍。然而，相较于其提供4奈米频宽的商 品，于880奈米的激发所递送的吸收频宽是仅为2. 5奈米。McDonagh 等人于 Optics Letters 第 31 册第 22 号(公元 2006 年 11 月 15 日)是 发表针对于激发于888奈米的具有0. 5% at. Nd3+掺杂的一种高功率NchYVO4激光的结果。 参照
图1，针对于Nd = YVO4的激光波长通常包括914. 5奈米、1064奈米、与1342奈米。如由 A. Schlatter等人于Optics Letters第30册第1号(公元2005年1月1日)所发表，当 操作NchYVO4以发射于914. 5奈米，钕离子是作用为准三阶系统。低激光能阶Z5是仅为高 于接地状态的433CHT1，条件为造成于室温的5%的高较低状态居量。因此，Schlatter结 论在于达成于914. 5奈米的NchYVO4激光是存在难度，因为极亮的激发光源是需要以克服 于433cm—1状态的高居量所引起的高临限。
图2、3、4、与5是说明钒酸盐晶体的某些限制。一个主要限制是最大激发功率， 其是可为递送至晶体而在其破裂之前的激发能量的量。图2是绘图，针对于3毫米X3毫 米X 5毫米的掺杂的钒酸盐晶体且具有0. 4毫米的激发束半径，比较计算的最大激发功率 阶层100与测量的最大激发功率阶层102。于晶体性质的破裂限制的激发功率的相依性是 适当建立。于此情形，晶体尺寸、激发束半径、激发波长、与激光活性离子掺杂浓度决定激光 装置的功率操作范围。图2是比较计算结果与三个实验资料点104，其指出针对于种种掺杂 浓度而钒酸盐晶体于其为实际破裂的激发功率。运用以预测于图2所示的曲线的计算是一 种三维的有限元素模型，其通过求解傅立叶(Fourier’ s)热传导方程式以仿真激发掺杂晶 体的热效应。图2是显示的是低掺杂浓度是合意以防止破裂，0.3% at.掺杂浓度是最佳， 允许37瓦W的最大激发功率。图3是显示的是针对于施加的激发功率30瓦(低于自图 2的最大值)，通过激发其具有0. 5%掺杂浓度的钒酸盐激光所达成的预测的输出功率108 是最佳化于9瓦。于图2与3的结果是运用于808奈米的习用激发波长的二极管激光激发 而得到。图4与5是显示其沿著作为激光增益介质的15毫米钒酸盐晶体杆的长度的激发 功率的空间分布。实线110与虚线112是于沿着杆(a类型(a-cut))长度的不同点而分别 描绘针对于极化于a轴方向所吸收的平均功率、及针对于极化于晶体杆c轴所吸收的平均 功率。理想的晶体杆是呈现对称的功率吸收，其中，实线与虚线曲线是均为平坦线而重合为 沿着杆全长。钒酸盐晶体杆是具有不对称的功率吸收，且平均为具有针对于极化于c轴方 向所吸收的较多功率。再者，当激发功率是施加至激光增益介质的末端，较多的功率是吸收 于接近末端处而较少的功率是到达中央，即称为“末端凸起(end-bulging) ” 120的情况。 此均适用于c轴与a轴；然而，较极端的末端凸起122是发生于c方向。当掺杂位准为增大 自0. 3% at.(图5)至0. 5% at.(图5)，于末端凸起124的降低与于不对称性126的降低 均发生。相较于a轴方向，于激光晶体的横截面的整体温度梯度是于c轴方向为较大。揭露摘要通过最佳化操作参数，离子掺杂的钒酸盐激光是可增强以产生于例如1064奈米 的TEMcitl模式的输出功率100瓦或更大而无晶体破裂，而且降低热透镜化40%。已经确定 的是由a-与C-吸收系数所描述的沿着正交晶格轴的能量吸收的程度是可通过设定激发 波长至914. 5奈米而作成为对称，且此对称性是维持于范围的掺杂浓度。先前发现的于880 奈米与888奈米的于热透镜化的40%降低持续于914. 5奈米，而且量子缺陷位准于914. 5 奈米降低。以下表格是比较针对于不同激发波长的1064奈米钕激光的量子缺陷位准
权利要求
一种产生具有高效率的激光输出发射的输出波长的方法，其响应于递送至激光介质的激发波长的光学激发能量，包含构成包括钒酸盐晶体的激光介质，其产生激光输出能量的发射以响应于光学激发能量的递送，该钒酸盐晶体的特征在于掺杂稀土离子的多角形晶体结构；及递送至该激光介质的激发波长的光学激发能量设定至一数值，该数值是建立在对应于该光学激发能量与于输出波长的激光输出能量之间的差异的低量子缺陷且展现于该钒酸盐晶体的多角形晶体结构的一般对称能量吸收。
2.如权利要求1的方法，其中，该钒酸盐晶体的进一步特征为激光活性离子掺杂浓度， 其中该激发波长设定的数值使该钒酸盐晶体展现小于2cm—1的标称能量吸收系数，且其中 该激光介质的构成是更包含设定该离子掺杂浓度至数值，其补偿于该激发波长数值所展 现的光学激发能量的标称能量吸收系数。
3.如权利要求1的方法，其中，该钒酸盐晶体的进一步特征是在数值约0.5% at与约 3.0% at.之间的激光活性离子掺杂浓度。
4.如权利要求3的方法，其中，该离子掺杂浓度的数值设定为约1.5%或更高。
5.如权利要求3的方法，其中，该离子掺杂浓度的数值是由钕离子掺杂于钇基质所建立。
6.如权利要求3的方法，其中，该离子掺杂浓度的数值是由钕离子掺杂于钆基质所建立。
7.如权利要求3的方法，其中，该离子掺杂浓度的数值是由钕离子掺杂于镏基质所建立。
8.如权利要求3的方法，其中，该离子掺杂浓度的数值是由钕离子掺杂于钆与钇混合 基质所建立。
9.如权利要求1的方法，其中，该激发波长的数值是在约910奈米与约920奈米之间。
10.如权利要求9的方法，其中，该激光输出能量的发射是产生在约1064奈米。
11.如权利要求9的方法，其中，该激光输出能量的发射是产生在约1342奈米。
12.如权利要求1的方法，其中，该钒酸盐晶体的进一步特征为具有激光模式尺寸的激 光模式，其中，该钒酸盐晶体形成于其具有杆长度与横截面面积的杆的形状，且该激光介质 的构成是更包含设定该杆长度至一数值，该数值为足够以吸收该光学激发能量；及 设定该横截面面积至一数值，该数值为实质等于该激光模式尺寸，使得该光学激发能 量实质地重叠于该激光模式，且因此抑制较高阶的模式以提供具有高质量的束形状的激光 输出能量。
13.如权利要求12的方法，其中，该杆长度是大于40毫米。
14.如权利要求12的方法，其中，该杆的横截面是八角形状者。
15.如权利要求1的方法，更包含递送至激光介质的输出波长的种子激光输出能量， 使得激光输出能量是大于种子激光输出能量。
16.如权利要求15的方法，其中，该种子激光输出能量是由二极管激发固态激光所发射。
17.如权利要求15的方法，其中，该种子激光输出能量是由光纤激光所发射。
18.如权利要求15的方法，其中，该种子激光输出能量是由半导体激光所发射。
19.如权利要求1的方法，其中，该激光输出发射是传播自激光腔。
20.如权利要求1的方法，其中，该激光输出发射是传播自激光功率放大器。
全文摘要
高功率、二极管激发固态(DPSS)脉冲激光较佳地是用于诸如微机械加工、集成电路的通孔钻孔、及紫外线(UV)转换的应用。Nd:YVO4(钒酸盐；vanadate)激光是用于高功率应用的良好的候选者，因为其特征在于宽带宽的激发波长的高能量吸收系数。然而，钒酸盐具有不良的热机械性质，其中该种材料为坚硬且当受到热应力时为容易破裂。通过最佳化激光参数且选择激发波长及掺杂增益介质(240)的浓度以控制吸收系数为小于2cm-1(诸如在约910奈米与约920奈米之间的激发波长(241))，掺杂的钒酸盐激光(237，240)是可增强以产生如同100瓦之多的输出功率(236)而未使得晶体材料破裂，而且实现了于热透镜化的40％的降低。
文档编号H01S3/091GK101981766SQ200980111017
公开日2011年2月23日 申请日期2009年3月19日 优先权日2008年3月28日
发明者任文生, 彭晓原 申请人:伊雷克托科学工业股份有限公司