一种大尺寸复合激光增益板条元件以及制备方法与流程

本发明属于激光晶体和固体激光技术领域，具体公开一种大尺寸复合激光增益板条元件以及制备方法。

背景技术：

高功率大能量固体激光需要大尺寸激光工作物质，实践证明大尺寸激光板条元件是能够实现高功率固体激光的优良激光工作物质。目前有很多激光晶体适宜制备高功率激光应用的板条元件，如掺杂激活离子的Y₃Al₅O₁₂(YAG)、Lu₃Al₅O₁₂(LuAG)、Gd₃Ga₅O₁₂(GGG)以及Al₂O₃等，这些晶体的共同特点是熔点高，掺杂晶体的分凝系数相对较小，因此这类优质晶体适宜采用提拉法生长。目前可用提拉法生长这类优质晶体的坩埚是铱金坩埚，其熔点为2400℃，而这类晶体的熔点在2000℃左右，坩埚熔点和晶体熔点之间仅有400℃的差异，晶体生长时需要有适宜的纵横向温度梯度，这就限制了铱坩埚的尺寸，所以生长晶体的口径也受到限制，而Nd:YAG等晶体提拉法生长时存在彼此成120°角的侧心，即使用极限尺寸坩埚生长出的晶体也很难直接加工出所需要的大尺寸激光板条元件；激光陶瓷从理论上讲，其面积是可以达到大尺寸板条元件制备的要求，但是目前激光陶瓷的质量很难在大面积上达到高功率激光应用的要求；所以高功率激光所应用的大尺寸板条元件，需要通过复合方式制备。另一方面，板条激光增益介质在运行时会产生废热，这就需要对板条元件运行时进行有效的热管理，以保证光束质量、激光效率的稳定，高功率激光对增益板条的厚度有一定要求，板条厚度的增加会导致热透镜效应等热效应的增大，不利于热管理；如果不是通过加厚增益板条的厚度来增加板条的输出功率，就需要加长和加宽板条元件，这又会使板条成为超薄元件，这种元件很容易在加工和使用中发生翘曲，使板条元件很难达到板条应用所需要的加工精度。由此可见，板条的增益厚度不能随板条的口径增大而任意增加。所以需要通过复合的方法制备大尺寸激光增益板条元件。

专利CN 101242071 B“三明治结构增益介质板条及其制备方法”提出了一种三明治结构的复合激光增益板条，其特征为中心夹层为非掺杂基质层，其外部两层增益层厚度小于中间层的厚度，从而增大了板条元件的热容量，使板条元件具有较高的热负荷特性；总厚度的增加使板条元件的刚性得到提高，利于光学精密加工。但是该专利对于单块板条元件需要输出10kW以上功率激光的需要来讲，尚存在较多的问题需要解决：1）板条元件的宽度、长度受制于单块晶体所能切割出的尺寸；2) 由于纯基质在中心夹层，热量难以通过热沉等方式导走，复杂的结构并没有改善板条的热管理；3）该专利的板条制备方法比较复杂，有三个大面需要进行高光洁度和高平面度的高精度光学加工，才能进行光胶，再加之后续还需要进行热键合和板条精细加工等制备环节，制备环节多，只要某一环节出现问题，就会导致板条元件制备的失败，不利于批量制备。因此，该专利即使作为制备一般尺寸复合Nd:YAG晶体板条激光元件的方法，制备工艺也过于复杂。

为了获得满足激光输出条件的更大口径的激光增益板条元件，同时又能使大口径板条元件的热负荷水平达到板条元件输出的激光光束质量的要求，并解决板条元件的热负荷水平与板条元件超薄（厚长比大于10:1即为超薄）间的矛盾，使制备的板条元件具有大的口径(如宽度≥120mm)，又可克服超薄元件加工过程中容易翘曲达不到使用要求等问题，本专利提出了由掺杂层和基底层组成的大尺寸双层复合激光增益元件。由于纯基质对泵浦光并不吸收，也不产生发光或激光，对激光和泵浦光均是透明的，因而不会影响泵浦光的吸收及激光的增益。同时纯基质的热导率通常高于掺杂激活离子的基质，可作为热沉起到良好的传热介质作用，改善板条的热管理，增加纯基质厚度可以改善板条的加工特性，但并不会影响板条的热管理性能。另外，本专利可以首先分别进行优质增益介质和基底介质键合制备出大块增益材料和基底材料，然后分别再对大块的增益介质和基底介质按照大尺寸激光增益板条的尺寸要求进行切割，成为进一步制备大尺寸复合激光增益板条的坯料。所以无论是大块增益材料和基底材料的制备，还是大尺寸激光增益板条元件的制备，都只需要进行两个键合面的精加工，简化了制备环节。因此，本专利发明的大尺寸复合增益激光板条的制备，可为高功率固体强激光技术应用提供所需的大口径激光工作物质。

技术实现要素：

本发明提供了一种大尺寸复合激光增益板条元件，可提供长度≥120mm、宽度≥100mm的板条元件，主要应用于高功率大能量固体激光器中，既可用作灯泵浦激光器的激光工作物质，也可用做激光二极管(LD)泵浦或激光泵浦的激光器中。

本发明采用的技术方案如下：

一种大尺寸复合激光增益板条元件，其特征在于：具有通过热键合方法键合在一起的增益层和基底层双层结构，所述的增益层为掺杂激活离子的单晶、透明多晶陶瓷元件，所述的基底层为非掺杂的单晶、透明多晶陶瓷，或者为掺杂与增益层不同的单晶、透明多晶陶瓷；所述的基底层和增益层的基质可以相同，也可以不同。

所述热键合方法具体包括以下步骤：第一步，将需要键合的增益层元件和基底层元件的对应面进行精密研磨抛光，然后将这两个对应面无间隙地紧密互相接触，实现预键合，也称光胶；第二步，在2~10个大气压或等同压强下，在垂直于对应键合面方向上对预键合元件进行均匀施压，在900℃~1700℃温度下进行10~300小时的恒温煅烧，再以5℃~60℃/h的速率冷却到室温，完成两个元件的键合。

所述的板条整体具有六面，所述的六个面包括两个面积最大的平面-大面1和大面2、两个面积最小的平面—端面3和端面4、以及两个侧面-侧面5和侧面6；其中：

所述板条的大面1和大面2之间的平行度优于30"，它们的平面度优于λ/2，其中λ=632.8nm，光洁度为10/5~40/20，粗糙度优于5~10Å；

所述的端面3和端面4分别与大面2成α角，α角的取值需要满足如下条件：

（1）、 增益层和基底层的折射率相同时，不限制增益层和基质层是板条上层或下层，设基底层和增益层折射率同为n，从端面3和端面4出射的振荡激光与端面法线成i₁角，则arcsin(1/n)-arcsin[(sin i₁)/n]≤α≤90°；

（2）、增益层和基底层的折射率不同时，不限制增益层和基质层是板条上层或下层，设板条上层和板条下层折射率分别为n、n'，从增益层端面3、4出射的振荡激光与端面法线成i₁角，则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]表示去正弦值为x的正弦反三角函数, sin(x)表示角度x的正弦；

所述的侧面5和侧面6与大面2成β、γ角，其取值范围分别为：45°<β≤90°，45°<γ≤90°。

所述板条的大面1和大面2经精加工后可作为泵浦面和激光全反射面，作为泵浦面时，大面1和大面2可以是掺杂增益层，也可以是非掺杂基质层。

所述的端面3端面4精加工后可作为激光的通光面，或同时可作为泵浦端面，它们的平面度优于λ/4，其中λ=632.8nm，表面光洁度为10/5~20/10，粗糙度优于0.5nm。

所述的侧面5和侧面6不作为激光泵浦面时，侧面5和侧面6加工的粗糙度为10μm ~200μm即可。

当所述的侧面5和侧面6用作激光泵浦面时，它们的平面度优于λ/4，其中λ=632.8nm，表面光洁度为10/5~20/10，粗糙度优于0.5nm。

一种制备上述大尺寸复合激光增益板条元件的方法，其特征在于：采用增益层元件、基底层元件的任意组合配合热键合方法拼接制成，具体包括以下情况：

（a）先用增益元件和基底层元件通过热键合方法制备成具有增益层和基底层双层结构的小尺寸复合激光增益板条，然后采用多个该小尺寸板条配合热键合或以一个该小尺寸板条为中心在任意一个侧面或多个侧面上通过热键合方法键合，键合中要使被键合的板条间的增益层、基底层分别一一对应，且基底层和增益层的界面位于同一平面上。然后按所需大尺寸板条元件的要求进行切割、研磨和抛光。

（b）先分别采用多个小尺寸增益元件和多个小尺寸基底层元件，通过侧面面热键合方法分别制备大尺寸增益元件和大尺寸基底层元件，然后将大尺寸增益元件和大尺寸基底层元件的大面通过热键合方法键合，获得增益层-基底层的板条元件毛坯，最后按所需大尺寸板条元件的要求进行切割、研磨和抛光。

一种大尺寸复合激光增益板条元件的制备方法，其特征在于：采用增益层元件、基底层元件的任意组合配合热键合方法拼接制备成具有增益层和基底层双层结构的复合激光增益板条，按激光器件的要求将该复合激光增益板条加工成任意形状，只要满足元件由增益层和基底层通过热键合方法键合而成这一条件即可。

一种大尺寸复合激光增益板条元件的制备方法，其特征在于：采用增益层元件、基底层元件的任意组合配合热键合方法拼接制备成具有增益层和基底层双层结构的整体具有六面复合激光增益板条，所述的六个面包括两个面积最大的大面、两个面积最小的端面以及两个侧面，为了改善该整体具有六面复合激光增益板条的泵浦均匀性和散热均匀性，可在该整体具有六面复合激光增益板条的两个相对侧面，或者两个端面，或者同时在整体具有六面复合激光增益板条的侧面和端面，或者在整体具有六面复合激光增益板条的单个侧面和端面，采用热键合方法键合同基质的掺杂材料或纯基质材料，然后根据需要，将键合完成的复合板条元件加工成各种不同形状的激光晶体元件，只要满足如下特征两个特征即可：具有增益层和基底层键合而成的双层结构，一个或多个边上具有同基质或掺杂基质的热键合材料。

本发明提供的大尺寸复合激光增益板条克服了现有的激光增益介质尚不能直接加工出高功率激光所需板条元件的尺寸，又需要解决板条元件的精加工和热负荷等问题，同时为高功率固体强激光技术应用提供所需的大口径激光工作物质。

附图说明

图1（a）是掺杂增益层位于板条上层的板条侧视图；

图1（b）是掺杂增益层位于板条上层的板条俯视图；

图1（c）是掺杂增益层位于板条上层的板条A-A剖面图；

图2（a）是掺杂增益层位于板条下层的板条侧视图；

图2（b）是掺杂增益层位于板条下层的板条俯视图；

图2（c）是掺杂增益层位于板条下层的板条A-A剖面图。

具体实施实例

一种大尺寸复合激光增益板条元件，其特征在于：具有通过热键合方法键合在一起的增益层和基底层双层结构，所述的增益层为掺杂激活离子的单晶、透明多晶陶瓷元件，所述的基底层为非掺杂的单晶、透明多晶陶瓷元件，或者所述的基底层为与增益层掺杂不同的单晶、透明多晶陶瓷；增益层和基底层的上下位置不受限定，图1和图2分别是掺杂增益层位于上层和下层的板条结构图，其中，阴影部分为掺杂增益层，所述的基底层和增益层的基质可以相同，也可以不同。

所述热键合方法具体包括以下步骤：第一步，将需要键合的增益层元件和基底层元件的对应面进行精密研磨抛光，然后将这两个对应面无间隙地紧密互相接触，实现预键合，也称光胶；第二步，在2~10个大气压或等同压强下，在垂直于对应键合面方向上对预键合元件进行均匀施压，在900℃~1700℃温度下进行10~300小时的恒温煅烧，再以5℃~60℃/h的速率冷却到室温，完成两个元件的键合。

所述的板条整体具有六面，所述的六个面包括两个面积最大的平面-大面1和大面2、两个面积最小的平面—端面3和端面4、以及两个侧面-侧面5和侧面6；其中：

所述板条的大面1和大面2之间的平行度小于30"，它们的平面度优于λ/2，其中λ=632.8nm，光洁度为10/5~40/20，粗糙度优于5~10Å；

所述的端面3和端面4分别与大面2成α角，α角的取值需要满足如下条件：

（1）、 增益层和基底层的折射率相同时，不限制增益层和基质层是板条上层或下层，设基底层和增益层折射率同为n，从端面3和端面4出射的振荡激光与端面法线成i₁角，则arcsin(1/n)-arcsin[(sin i₁)/n]≤α≤90°；

（2）、增益层和基底层的折射率不同时，不限制增益层和基质层是板条上层或下层，设板条上层和板条下层折射率分别为n、n'，从增益层端面3、4出射的振荡激光与端面法线成i₁角，则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]表示去正弦值为x的正弦反三角函数, sin(x)表示角度x的正弦；

所述的侧面5和侧面6与大面2成β、γ角，其取值范围分别为：45°<β≤90°，45°<γ≤90°。

所述板条的大面1和大面2经精加工后可作为泵浦面和激光全反射面，作为泵浦面时，大面1和大面2可以是掺杂增益层，也可以是非掺杂基质层。

所述的端面3端面4精加工后可作为激光的通光面，或同时可作为泵浦端面，它们的平面度优于λ/4，其中λ=632.8nm，表面光洁度为10/5~20/10，粗糙度优于0.5nm。

所述的侧面5和侧面6不作为激光泵浦面时，侧面5和侧面6加工的粗糙度为10μm ~200μm即可。

当所述的侧面5和侧面6用作激光泵浦面时，它们的平面度优于λ/4，其中λ=632.8nm，表面光洁度为10/5~20/10，粗糙度优于0.5nm。

一种制备上述大尺寸复合激光增益板条元件的方法，其特征在于：采用增益层元件、基底层元件的任意组合配合热键合方法拼接制成，具体包括以下情况：

（a）先用增益元件和基底层元件通过热键合方法制备成具有增益层和基底层双层结构的小尺寸复合激光增益板条，然后采用多个该小尺寸板条配合热键合或以一个该小尺寸板条为中心在任意一个侧面或多个侧面上通过热键合方法键合，键合中要使被键合的板条间的增益层、基底层分别一一对应，且基底层和增益层的界面位于同一平面上。然后按所需大尺寸板条元件的要求进行切割、研磨和抛光。

（b）先分别采用多个小尺寸增益元件和多个小尺寸基底层元件，通过侧面面热键合方法分别制备大尺寸增益元件和大尺寸基底层元件，然后将大尺寸增益元件和大尺寸基底层元件的大面通过热键合方法键合，获得增益层-基底层的板条元件毛坯，最后按所需大尺寸板条元件的要求进行切割、研磨和抛光。

一种大尺寸复合激光增益板条元件的制备方法，其特征在于：采用增益层元件、基底层元件的任意组合配合热键合方法拼接制备成具有增益层和基底层双层结构的复合激光增益板条，按激光器件的要求将该复合激光增益板条加工成任意形状，只要满足元件由增益层和基底层通过热键合方法键合而成这一条件即可。

一种大尺寸复合激光增益板条元件的制备方法，其特征在于：采用增益层元件、基底层元件的任意组合配合热键合方法拼接制备成具有增益层和基底层双层结构的整体具有六面复合激光增益板条，所述的六个面包括两个面积最大的大面、两个面积最小的端面以及两个侧面，为了改善该整体具有六面复合激光增益板条的泵浦均匀性和散热均匀性，可在该整体具有六面复合激光增益板条的两个相对侧面，或者两个端面，或者同时在整体具有六面复合激光增益板条的侧面和端面，或者在整体具有六面复合激光增益板条的单个侧面和端面，采用热键合方法键合同基质的掺杂材料或纯基质材料，然后根据需要，将键合完成的复合板条元件加工成各种不同形状的激光晶体元件，只要满足如下特征两个特征即可：具有增益层和基底层键合而成的双层结构，一个或多个边上具有同基质或掺杂基质的热键合材料。

下面以制备140mm(宽) ×160mm(长)×15mm Nd:YAG –YAG大尺寸复合激光增益板条元件为例进行详细介绍：

选取两块性能一致并满足高功率激光应用需求的75mm×170mm×10mm的Nd:YAG晶体进行键合获得150mm(宽) ×170mm(长)×10mm的大块激光晶体；选取两块高质量的75mm×170mm×10mm的纯YAG晶体进行键合获得150mm(宽) ×170mm(长)×10mm的大块纯YAG晶，然后对它们各自的一个150mm×170mm大面进行研磨和精密抛光，实现光胶，再通热键合把这两块板条元件毛坯采用热键合方法通过大面键合而复合成150mm(宽) ×170mm(长)×20mm的大尺寸复合激光板条元件毛坯；最后通过光学加工制备成增益层厚6mm，基底层厚9mm的宽150mm、长170mm、厚15mm的大尺寸复合Nd:YAG –YAG板条激光元件。

本发明的大尺寸复合激光增益板条，是由掺杂层和基底层组成的大尺寸双层复合激光增益元件。由于纯基质对泵浦光并不吸收，也不产生发光或激光，对激光和泵浦光均是透明的，因而不会影响泵浦光的吸收及激光的增益，保证了高功率激光输出效率和光束质量。

在实际应用中，高功率大能量固体激光器件都需要大尺寸的激光增益介质作为激光工作物质，上述实施例中基质和基底材料及复合板条元件指标仅是对本发明的实施例进行描述，并非对本发明的范围进行限定。凡是由激光增益介质层和基底层构成的大尺寸复合增益激光板条元件，都应在本专利的权利范围之内。