用于形成在激光系统或其它系统以及相关联的设备中使用的波导的技术的制作方法
本公开大体针对用于在高能量激光系统和其它系统中使用的波导。更具体地，本公开涉及用于形成在激光系统或其它系统以及相关联的设备中使用的波导的技术。
背景技术：
高能量激光（hel）系统一般是指在提升的能量水平下生成激光输出的系统，诸如大约50千瓦或更多的激光输出。在这些类型的激光系统或其它系统中，冷却激光增益介质通常是主要的工程挑战。常规激光系统使用各种各样的方案来帮助冷却其增益介质。这些方案包括使用经由水或其它液体的直接冷却，或者使用高级冷却器系统，诸如微通道冷却器。这些方案还包括改变波导的几何形状以使热梯度均衡或者使用固体的激光器冷却。
技术实现要素：
本公开提供了用于形成在激光系统或其它系统以及相关联的设备中使用的波导的技术。
在第一实施例中，一种方法包括形成覆盖传导衬底的至少部分的涂层，其中传导衬底配置为输运热能。方法还包括在涂层上形成光学波导的至少部分。光学波导包括多个包覆层和核心，并且光学波导配置为输运光学信号。传导衬底、涂层和光学波导形成集成的单片式波导结构。
在第二实施例中，一种方法包括形成覆盖传导衬底的至少部分的涂层，其中传导衬底配置为输运热能。方法还包括在涂层上形成光学波导。光学波导包括多个包覆层和核心，并且光学波导配置为输运光学信号。传导衬底、涂层和光学波导形成集成的单片式波导结构。形成光学波导包括通过执行重复的沉积以形成核心的多个核心层来形成光学波导的核心。
在第三实施例中，一种装置包括配置为输运热能的传导衬底以及覆盖传导衬底的至少部分的涂层。装置还包括附连到涂层的光学波导。光学波导包括多个包覆层和一核心，并且光学波导配置为输运光学信号。传导衬底、涂层和光学波导形成集成的单片式波导结构。
根据以下附图、描述和权利要求，其它技术特征对于本领域技术人员可以是显而易见的。
附图说明
为了更全面理解本公开及其特征，现在参照结合随附各图给出的以下描述，其中：
图1图示了根据本公开的用于激光系统或其它系统的第一示例波导结构；
图2a到2e图示了根据本公开的用于形成图1的波导结构的示例技术；
图3图示了根据本公开的用于激光系统或其它系统的第二示例波导结构；
图4a到4f图示了根据本公开的用于形成图3的波导结构的示例技术；以及
图5图示了根据本公开的具有波导的示例系统。
具体实施方式
以下描述的图1到5以及用于在本专利文献中描述本发明的原理的各种实施例仅作为说明并且不应当以任何方式解读为限制本发明的范围。本领域技术人员将理解到，本发明的原理可以以任何类型的适当布置的设备或系统来实现。
如上文指出，常规激光系统使用各种各样的方案来帮助冷却其激光增益介质。这些方案包括使用直接液体冷却、高级冷却器系统、对波导的几何形状的改变、以及固体的激光器冷却。然而，在所有这些方案中，热界面材料（tim）典型地被用作常规激光系统中的不同材料之间的界面层。热界面材料表示设计为促进热能的转移的材料。
不幸地，热界面材料本身通常是激光器故障的潜在原因，并且热界面材料的导热性产生了对激光系统的总体性能限制。此外，存在与热界面材料的使用相关联的寿命和污染问题。例如，热界面材料的使用可能引起过度的非均匀加热，其可能引起性能降级或组件故障。此外，使用热界面材料的一些常规系统可以具有严格的要求并且要求关键硬件的大量处置，这增加了制造那些系统的成本和复杂性。
本公开提供了用于形成在高能量激光系统和其它系统中使用的波导的各种技术以及各种波导。在本专利文献中描述的波导和技术克服了在高能量激光系统或其它系统中的常规波导的使用或制造期间经历的许多问题。例如，此处描述的波导和技术可以减少或者完全地消除热界面材料的使用。此外，此处描述的波导和技术可以帮助简化激光系统的组装并且大幅地改进热学性能。
图1图示了根据本公开的用于激光系统或其它系统的第一示例波导结构100。如图1中所示，波导结构100包括传导衬底102a-102b，其一般表示配置为在热学上使热量传导离开波导结构100的结构。传导衬底102a-102b可以通过（一种或多种）任何合适的材料来形成，所述材料诸如铜（cu），铜合金，比如铜钨（cuw），或者电介质。形成传导衬底102a-102b的（一种或多种）材料可以具有基本上与激光增益介质的cte相等的热膨胀系数（cte），传导衬底102a-102b与该激光增益介质一起使用。传导衬底102a-102b还可以具有任何适合的形状因子，诸如固体结构或者管或者其它中空结构。作为特定示例，传导衬底102a-102b可以表示微通道冷却器，每一个具有冷却剂可以流过的一个或多个通道104。传导衬底102a-102b可以进一步以任何适合的方式来形成，诸如通过铸造、注塑成型或者蚀刻。
波导结构100还包括硬涂层106a-106b，其分别至少部分地围绕传导衬底102a-102b。硬涂层106a-106b帮助为传导衬底102a-102b提供保护并且向传导衬底102a-102b输运热能。硬涂层106a-106b可以由（一种或多种）任何适合的材料形成，所述材料诸如亲水性或疏水性材料，比如蓝宝石。而且，硬涂层106a-106b可以以任何适合的方式形成，诸如通过使用纳米级处置技术。此外，硬涂层106a-106b中的每一个可以具有任何适合的厚度。
波导结构100还包括使用包覆层108a-108b和核心110形成的平面波导。包覆层108a-108b一般表示具有比核心110低的折射率的结构。包覆层108a-108b中的每一个可以由（一种或多种）任何合适的材料形成，所述材料诸如薄膜钇铝石榴石（yag）晶体。包覆层108a-108b还可以以任何适合的方式形成，诸如经由电泳涂敷或者热学喷涂技术、射频（rf）磁控溅射技术、激光辅助的离子溅射技术、分子束外延技术、或者“溶胶-凝胶”技术。此外，包覆层108a-108b中的每一个可以具有任何适合的厚度。
核心110可以用于通过波导结构100输运高能量激光信号或者其它光学信号而同时向光学信号提供增益。核心110可以由（一种或多种）任何适合的材料形成，所述材料诸如掺杂yag材料。核心110还可以以任何适合的方式形成并且具有任何适合的厚度。
波导结构100此处可以使用在各种应用中以便输运光学信号，诸如高能量激光（hel）信号。在操作期间，通过硬涂层106a-106b将在核心110和包覆层108a-108b中生成的热量输运至传导衬底102a-102b。传导衬底102a-102b然后可以输运热量离开波导结构100（通过它们自己，或者经由流过传导衬底的冷却剂），帮助冷却波导结构100。硬涂层106a-106b充当到传导衬底102a-102b的热界面，从而帮助促进在波导结构100内生成的热量更容易向传导衬底102a-102b转移。这可以帮助改进波导结构100的性能并且减少系统故障。此外，该结构可以比常规波导更容易地制作，从而帮助减少与波导结构100相关联的等待时间和成本。
尽管图1图示了用于激光系统或其它系统的波导结构100的第一示例，但是可以对图1做出各种改动。例如，在图1中示出的各种组件的相对大小、形状和尺寸仅用于说明。图1中的每一个组件可以具有任何其它大小、形状和尺寸。而且，尽管由包覆层108a-108b和核心110形成的波导的每一侧包括单个传导衬底，但是波导的每一侧可以包括任何数目的传导衬底。例如，波导的每一侧可以包括以任何适合的布置的多个传导衬底，或者波导的一侧可以不包括传导衬底而波导的另一侧包括一个或多个传导衬底。一般地，可以使用传导衬底关于波导的任何适合的布置。
图2a到2e图示了根据本公开的用于形成图1的波导结构100的示例技术。如图2a中所示，过程以传导衬底102a-102b开始。传导衬底102a-102b可以以任何适合的方式来获得，诸如通过制造传导衬底102a-102b或者通过从另一方获取传导衬底102a-102b。尽管没有在图2a中示出为具有通道104，但是每一个传导衬底102a-102b可以具有任何适合的形状因子，其具有或者没有一个或多个通道104。
如图2b中所示，硬涂层106a-106b分别形成在传导衬底102a-102b上。硬涂层106a-106b可以由蓝宝石或者向传导衬底102a-102b提供良好导热性的（一种或多种）其它材料来形成。硬涂层106a-106b还可以以任何适合的方式来形成，诸如通过使用纳米级处置技术。
如图2c中所示，包覆层108a-108b分别形成在硬涂层106a-106b上。每一个包覆层108a-108b可以形成为低等级yag晶体或者提供用于光学信号的包覆的（一种或多种）其它适合的材料。包覆层108a-108b还可以以任何适合的方式形成，诸如经由电泳或热学喷涂技术、rf磁控溅射技术、激光辅助离子溅射技术、分子束外延技术或者“溶胶-凝胶”技术。
如图2d中所示，核心110放置或者形成在包覆层之一（在该示例中，层108b）上。核心110可以由（一种或多种）任何适合的材料形成，所述材料诸如掺杂yag或者其它固态增益材料。核心110还可以以任何适合的方式形成。要指出，核心110可以直接形成在包覆层108b上或者分离地形成并且然后附连到包覆层108b。例如，核心110可以分离地形成并且然后经由扩散接合或钎焊过程附连到包覆层108b。
如图2e中所示，核心110附连到另一个包覆层（在该示例中，层108a）。这可以以任何适合的方式发生，诸如经由扩散接合或钎焊过程。在一些实施例中，总过程导致单片式结构的产生。在该点处，可以进一步处理所得结构以便完成可用波导的形成。例如，可以对结构的表面进行抛光以便产生波导的期望最终形状。
该过程的净结果可以是以下的基本上单片式堆叠：
•第一机械结构和可选的冷却剂管路（传导衬底102a）；
•第一光学惰性热界面（硬涂层106a）；
•平面波导（包覆层108a-108b和核心110）；
•第二光学惰性热界面（硬涂层106b）；以及
•第二机械结构和可选的冷却剂管路（传导衬底102b）。
所得波导结构100可以以各种各样的方式来使用。例如，波导结构100可以集成到平板波导放大器或者其它结构中以用于在hel系统或其它系统中使用。
尽管图2a到2e图示了用于形成图1的波导结构100的技术的一个示例，但是可以对图2a到2e做出各种改动。例如，可以在结构之一上形成仅一个包覆层108b，而不是在图2c中的每一个结构上形成一个包覆层108a-108b。核心110然后可以放置或形成在包覆层108b上，并且另一个包覆层108a可以形成在核心110上。包覆层108a然后可以接合到硬涂层106a，诸如经由扩散接合或钎焊过程。作为另一个示例，包覆层108a-108b可以形成在图2c中的两个结构上，并且多个核心110可以形成在图2d中的两个结构上。核心110然后可以在图2e中的处理期间附连到彼此。一般地，可以使用形成集成结构的任何适合的技术，所述集成结构具有波导和一个或多个传导衬底，所述一个或多个传导衬底具有支持热输运的硬涂层。
图3图示了根据本公开的用于激光系统或其它系统的第二示例波导结构300。如图3中所示，波导结构300包括传导衬底302a-302b（每一个具有或者没有通道304）、硬涂层306a-306b以及包覆层308a-308b。这些组件可以与以上描述的图1中的对应组件相同或相似。
波导结构300还包括核心310，所述核心310经由掺杂固态增益材料的直接沉积而形成。核心310可以由（一种或多种）任何适合的材料形成，所述材料诸如镱掺杂yag（yb:yag）或者其它掺杂yag。核心310还可以以任何适合的方式形成，诸如经由rf磁控溅射技术、激光辅助离子溅射技术、分子束外延技术或者“溶胶-凝胶”技术。
在一些实施例中，核心310可以使用经由适合技术的核心层的重复沉积而形成。这允许核心310一层接一层地构建，直至达到适合的厚度。此外，该过程可以在任何时间处暂停以便允许其它操作发生，诸如在准备用于附加核心层的沉积中的现有核心层的抛光。
尽管图3图示了用于激光系统或其它系统的波导结构200的第二示例，但是可以对图3做出各种改动。例如，图3中示出的各种组件的相对大小、形状和尺寸仅用于说明。图3中的每一个组件可以具有任何其它大小、形状和尺寸。而且，尽管由包覆层308a-308b和核心310形成的波导的每一侧包括单个传导衬底，但是波导的每一侧可以包括任何数目的传导衬底。例如，波导的每一侧可以包括以任何适合的布置的多个传导衬底，或者波导的一侧可以不包括传导衬底，而波导的另一侧包括一个或多个传导衬底。一般地，可以使用传导衬底关于波导的任何适合的布置。
图4a到4f图示了根据本公开的用于形成图3的波导结构300的示例技术。如图4a中所示，过程以传导衬底302a-302b开始。传导衬底302a-302b可以以任何适合的方式来获得，诸如通过制造传导衬底302a-302b或者通过从另一方获取传导衬底302a-302b。尽管没有在图4a中示出为具有通道304，但是每一个传导衬底302a-302b在具有或者没有一个或多个通道304的情况下可以具有任何适合的形状因子。
如图4b中所示，硬涂层306a-306b分别形成在传导衬底302a-302b上。硬涂层306a-306b可以由蓝宝石或者向传导衬底302a-302b提供良好导热性的（一种或多种）其它材料来形成。硬涂层306a-306b还可以以任何适合的方式形成，诸如通过使用纳米级处置技术。
如图4c中所示，包覆层308a形成在硬涂层306a上。包覆层308a可以形成为高等级yag晶体或者提供用于光学信号的包覆的（一种或多种）其它适合的材料。包覆层308a还可以以任何适合的方式形成，诸如经由rf磁控溅射技术、激光辅助离子溅射技术、分子束外延技术或者“溶胶-凝胶”技术。
如图4d中所示，核心310形成在包覆层308a上。核心310可以由（一种或多种）任何适合的材料形成，所述材料诸如掺杂yag或者其它固态增益材料。核心310还可以以任何适合的方式形成，诸如经由rf磁控溅射技术、激光辅助离子溅射技术、分子束外延技术或者“溶胶-凝胶”技术。如上文指出，核心310可以是或者可以不是使用多层材料而形成的。
如图4e中所示，包覆层308b形成在核心310上。包覆层308b可以形成为高等级yag晶体或者提供用于光学信号的包覆的（一种或多种）其它适合的材料。包覆层308b还可以以任何适合的方式形成，诸如经由rf磁控溅射技术、激光辅助离子溅射技术、分子束外延技术或者“溶胶-凝胶”技术。
如图4f中所示，包覆层308b附连到硬涂层306b。这可以以任何适合的方式发生，诸如经由扩散接合或钎焊过程。在一些实施例中，总过程导致单片式结构的产生。在该点处，可以进一步处理所得结构以便完成可用波导的形成。例如，可以对结构的表面进行抛光以便产生波导的期望最终形状。
所得波导结构300可以以各种各样的方式来使用。例如，波导结构300可以集成到平板波导放大器或者其它结构中以用于在hel系统或其它系统中使用。要指出，rf磁控溅射可以在核心310的最大可获得厚度方面受限制。例如，在一些rf磁控溅射方案中，核心310可以限于大约10μm的最大厚度。然而，在一些系统中，作为品质因数的是核心310的交叉体积（宽度x高度x长度），而不是高度本身。如果核心310的高度比使用某种其它制作技术可获得的更短，核心310的宽度和/或高度可以增加以便补偿。此外，由于使用此处描述的方案可获得的增加的冷却效率，可以使用具有较小交叉体积且没有热界面材料的放大器来获得与具有较大交叉体积和热界面材料的放大器相当的性能。
作为这一点的特定示例，在一些50千瓦hel系统中使用的平面波导的大小可以为大概100μmx25mmx100mm。使用常规技术制造这些平面波导所需要的生产时间是以数月来度量的，并且在制造平面波导之后经历清洁、检查以及集成到激光器盒体（cartridge）中。波导到盒体的界面损耗决定了平面波导的冷却速率，其与波导的面积和掺杂浓度组合可以用于计算可获得的总激光功率。使用在本公开中描述的方案，可以在数天内制造10μmx50mmx200mm的单片式放大器，其在一周的过程内进行抛光，检查并且安装。这样的单片式放大器可以在大幅减少的成本以及增加的冷却能力下提供与50千瓦平面波导类似的光学放大。
尽管图4a到4f图示了用于形成图3的波导结构300的技术的一个示例，但是可以对图4a到4f做出各种改动。例如，包覆层308b可以形成在硬涂层306b上并且附连到核心310，而不是在相同的传导衬底302a之上形成包覆层308a-308b和核心310。作为另一个示例，多个核心310可以形成在包覆层308a-308b上并且附连到彼此。
与常规平面波导相比，此处描述的波导结构100、300可以更加容易地制造。此外，此处描述的波导结构100、300可以提供波导结构的改进的冷却。一些示例模拟已经示出，可以获得在冷却效率方面至少25%的改进，这可以在使用高功率光学信号的各种类型hel系统或其它系统中提供显著的优势。此外，常规热界面材料的使用典型地要求平面波导的进入和离开面与安装衬底的表面不齐平，这大幅降低了冷却效率，因为刻面涂层驱使吸收。此处描述的波导结构100、300可以消除这种约束，并且因而解决了与刻面涂层的使用相关联的问题。
图5图示了根据本公开的具有波导502的示例系统500。此处示出的波导502可以表示图1的波导结构100或者图3的波导结构300。然而，如上文指出，存在可以向波导结构100和300做出的数个潜在修改，并且波导502还可以并入任何单个潜在修改或者以上描述的潜在修改的任何组合。
系统500还包括源激光器504和泵浦源506。在该示例中，系统500布置为实现“主振荡器功率放大器”或者“mopa”配置，其支持高功率激光输出的生成。源激光器504一般操作为生成期望输出波形的低功率版本。例如，如果期望输出波形是具有以期望模式的脉冲的高能量激光输出，源激光器504可以生成具有以期望模式的脉冲的较低功率的输出。将源激光器504的输出提供给波导502，波导502对源激光器504的输出进行放大以便生成经放大的激光输出。通过泵浦源506将用于放大的激光能量提供给波导502。
源激光器504包括用于生成较低功率的激光输出的任何适合的结构，诸如一个或多个激光二极管。泵浦源506包括用于提供激光能量以支持放大的任何适合的结构。例如，泵浦源506可以包括一个或多个激光二极管或者一个或多个闪光灯。
尽管图5图示了具有波导502的系统500的一个示例，但是可以对图5做出各种改动。例如，激光系统具有各种各样的配置，并且其中平面波导用于放大或其它功能的任何激光系统可以使用波导结构100或300。
阐述遍及本专利文献使用的某些词语和短语的定义可能是有利的。术语“包括”和“包含”以及其派生词意味着包括但不限于。术语“或”是包括性的，意味着和/或。短语“与…相关联”以及其派生词可以意味着包括、包括在内、与…互连、包含、包含在内、连接到或与…连接、耦合到或与…耦合、可与…通信、与…协作、交错、并置、邻近、结合到或与…结合、具有、具有…性质、具有到或与…的关系等等。当与项目列表一起使用时，短语“…中的至少一个”意味着可以使用所列项目中的一个或多个的不同组合，并且可以需要列表中的仅一个项目。例如，“a、b和c中的至少一个”包括以下组合中的任一个：a、b、c、a和b、a和c、b和c、以及a和b和c。
本申请中的描述不应当解读为暗示着任何特定的元件、步骤或功能是必须包括在权利要求范围中的必不可少或关键的元素。具有专利权的主题的范围仅由以下权利要求限定。此外，关于随附权利要求或权利要求元素中的任一个，权利要求均不意图行使
尽管本公开已经描述了某些实施例以及一般地相关联的方法，但是这些实施例和方法的更改和排列对于本领域技术人员将是显而易见的。因而，示例实施例的以上描述并不限定或约束本公开。在不脱离如由以下权利要求限定的本公开的范围的情况下，其它改动、替换和更改也是可能的。
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