微米波段固体激光器用激光材料模块的制作方法

本发明属于激光器领域，具体涉及一种微米波段固体激光器用激光材料模块。

背景技术：

微型高功率激光系统是高科技产业发展的重要部件，在微制造、激光测距、3d扫遥感勘测描成像、天气测控、污染监控、激光告警系统、agv叉车、家庭清洁机器人、娱乐机器人、数据存储等领域具有广阔的应用前景。尤其波长大于1.3微米的激光，对人眼损伤阈值较高，相对安全，应用优势明显。

目前产生1.5微米左右波段的固体激光主要有以下两种技术路线：一是用现有成熟的1.06微米激光，采用非线性转换的方法把波长移到1.5微米左右，该技术的缺点是装置复杂、成本高、且激光效率低；二是ld泵浦固态材料如激光玻璃、激光晶体直接产生激光，然后再通过调q技术实现脉冲激光输出，这种方式结构相对简单，但是激光输出效率、光束质量和稳定性问题未能得到有效解决。以上所述的技术路线在制作激光器时，通常还存在整个激光器都采用是分立的光学元件，系统较为复杂，受温度波动和振动等环境的影响较大，且激光输出稳定性差等问题。

针对上述存在的技术问题，研发人员不断改进激光器，发展至今，采用nd：yv04和ktp光胶或胶合而成的绿光激光材料模块已获得了在商业上的成熟应用。前期工作中，设计了基于掺铒激光玻璃基质和钴尖晶石的1.5微米人眼安全激光器模块(zl201720123227.4)，但随着对激光功率要求的不断提高，激光玻璃基质由于热导率等因素，存在较大的局限性，同时在较高能量场合，对整个模块的散热结构也需要进一步优化。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种微米波段固体激光器用激光材料模块。

为了达到上述目的，本发明的技术方案如下：

微米波段固体激光器用激光材料模块，包括：激光物质单元、被动调q材料单元、第一光学膜以及第二光学膜，第一光学膜与第二光学膜相对平行设置并形成平行平面腔，激光单元和被动调q材料单元置于该平行平面腔内，且激光单元置于靠近模块入光侧，被动调q材料单元置于靠近模块出光侧，第一光学膜镀于模块入光侧端面上，第二光学膜镀于模块出光侧端面上，激光单元采用nd：yag晶体或者nd：yag陶瓷；被动调q材料单元采用co：mgal2o4晶体或co：mgal6o10晶体或co2：lamgal11o19晶体或co掺杂玻璃陶瓷。

本发明激光物质单元采用nd：yag晶体或nd：yag陶瓷，其具有优异的物理化学性质和激光性质，机械性能和热特性良好，且增益高。由于激光物质在工作时产生较大热量，因此合理的导热和散热设计对提高激光性能有很大帮助。对晶体或者陶瓷来说，随掺杂浓度不同热导率会有明显变化，浓度越高热导率越低。如在常温下，0.5％浓度的nd：yag晶体，热导率约为7.8w/m*k(掺杂yag和ggg激光晶体热导率研究，激光技术，2017.04)；而纯yag晶体的热导率约为14w/m*k，约为高浓度nd：yag晶体的2倍；al2o3晶体(氧化铝)的热导率约为25w/m*k。由于高浓度激光基质材料的热导率较不掺杂材料偏低，合理的导热结构对提高激光性能会有明显益处。通过键合等手段在nd：yag晶体的一端或者两端连接高热导率的纯yag晶体或者纯al2o3晶体，可有效传递热量，增强散热，提升激光晶体的工作性能。

本发明公开一种微米波段固体激光器用激光材料模块，该模块包括：激光物质单元、被动调q材料单元、第一光学膜以及第二光学膜，选择合适的激光物质单元和被动调q材料单元，能在半导体泵浦照射下直接出激光，通过平行平面腔腔体的设计，可以出1.064um、1.319um或者1.338um等微米波段的激光。

在上述技术方案的基础上，还可做如下改进：

作为优选的方案，还包括：一个或多个散热晶体单元，散热晶体单元置于平行平面腔内。

作为优选的方案，散热晶体单元设置于模块入光侧；或，设置于模块入光侧以及相邻的两个任意单元之间。

作为优选的方案，散热晶体单元为纯yag基质或纯al2o3基质。

采用上述优选的方案，当该模块包括：散热晶体单元时，使用时，泵浦光源从第一光学膜入射，通过散热晶体单元进入激光物质单元，并在被动调q材料单元带第二光学膜的一侧出射。

作为优选的方案，当模块入光侧设置的单元为散热晶体单元时，第一光学膜镀于该散热晶体单元表面；

当模块入光侧设置的单元为激光物质单元时，第一光学膜镀于该激光物质单元表面。

作为优选的方案，当模块出光侧设置的单元为被动调q材料单元时，第二光学膜镀于该被动调q材料单元表面；

当模块出光侧设置的单元为散热晶体单元时，第二光学膜镀于该散热晶体单元表面。

作为优选的方案，对于散热晶体单元、激光物质单元与被动调q材料单元，相邻的两个任意单元采用键合或胶合的方式连接。

作为优选的方案，在模块侧外表面设有金属膜，金属膜与金属热沉连接。

采用上述优选的方案，模块侧外表面镀金属膜，可以提高散热效果，金属膜可以通过焊接或者银胶等方式与金属热沉直接连接，有效降低热阻。

作为优选的方案，在模块侧外表面也设有散热晶体单元。

作为优选的方案，当模块侧外表面设有散热晶体单元时，在该散热晶体单元表面镀有金属膜，通过金属膜与金属热沉连接。

采用上述优选的方案，提高散热效果。

本发明的有益效果如下：

本发明公开一种微米波段固体激光器用激光材料模块，其设计简单、结构紧凑、成本较低，便于大批量生产；在使用时散热晶体单元，激光物质单元、被动调q材料单元和平行平面腔(或称谐振腔)不需要任何调整；由于nd：yag材料本身的优异性能，纯yag和氧化铝等晶体通过不同键合方式的辅助导热，而且模块侧外表面的金属膜与金属热沉可具有优异的低热阻连接，该模块可以实现较高的能量输出。通过合适的设计，还可以实现双波长输出，在太赫兹波等前沿领域有较大应用前景。

附图说明

图1为本发明实施例提供的激光材料模块的结构示意图之一。

图2为本发明实施例提供的激光材料模块的结构示意图之二。

图3为本发明实施例提供的激光材料模块的结构示意图之三。

图4为本发明实施例提供的激光材料模块的结构示意图之四。

图5为本发明实施例提供的激光材料模块的结构示意图之五。

其中：1-激光物质单元，2-被动调q材料单元，3-散热晶体单元，4-第一光学膜，5-第二光学膜，6-金属膜，71-模块入光侧，72-模块出光侧，73-模块侧外表面。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的优选实施方式。

下面将结合本专利实施例中的附图，对本专利实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本专利及其应用或使用的任何限制。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本本专利保护的范围。除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件的相对布置。表达式和数值不限制本本专利的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。

为了达到本发明的目的，微米波段固体激光器用激光材料模块的其中一些实施例中，微米波段固体激光器用激光材料模块，包括：激光物质单元1、被动调q材料单元2、第一光学膜4以及第二光学膜5，第一光学膜4与第二光学膜5相对平行设置并形成平行平面腔，激光物质单元1和被动调q材料单元2置于该平行平面腔内，且激光物质单元1置于靠近模块入光侧71，被动调q材料单元2置于靠近模块出光侧72，第一光学膜4镀于模块入光侧71端面上，第二光学膜5镀于模块出光侧72端面上，激光物质单元1采用nd：yag晶体或者nd：yag陶瓷；被动调q材料单元2采用co：mgal2o4晶体或co：mgal6o10晶体或co2：lamgal11o19晶体或co掺杂玻璃陶瓷。

本发明激光物质单元1采用nd：yag晶体或nd：yag陶瓷，其具有优异的物理化学性质和激光性质，机械性能和热特性良好，且增益高。由于激光物质在工作时产生较大热量，因此合理的导热和散热设计对提高激光性能有很大帮助。对晶体或者陶瓷来说，随掺杂浓度不同热导率会有明显变化，浓度越高热导率越低。如在常温下，0.5％浓度的nd：yag晶体，热导率约为7.8w/m*k(掺杂yag和ggg激光晶体热导率研究，激光技术，2017.04)；而纯yag晶体的热导率约为14w/m*k，约为高浓度nd：yag晶体的2倍；al2o3晶体(氧化铝)的热导率约为25w/m*k。由于高浓度激光基质材料的热导率较不掺杂材料偏低，合理的导热结构对提高激光性能会有明显益处。通过键合等手段在nd：yag晶体的一端或者两端连接高热导率的纯yag晶体或者纯al2o3晶体，可有效传递热量，增强散热，提升激光晶体的工作性能。

在选用光学膜时，保证第一光学膜4对泵浦光808nm波段增透(r＜0.5％)同时对出射激光波段高反(r＞99.5％)；第二光学膜5对出射激光波长部分透射(r约90％)。具体的为对于第一光学膜4为808nm附近波长增透的模块可采用目前最常用的808nm附近波长的ld泵浦，其具有吸收系数大，吸收带宽宽的优点。

本发明公开一种微米波段固体激光器用激光材料模块，该模块包括：激光物质单元1、被动调q材料单元2、第一光学膜4以及第二光学膜5，选择合适的激光物质单元1和被动调q材料单元2，能在半导体泵浦照射下直接出激光，通过平行平面腔腔体的设计，可以出1.064um、1.319um或者1.338um等微米波段的激光。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，还包括：一个或多个散热晶体单元3，散热晶体单元3置于平行平面腔内。

进一步，散热晶体单元3设置于模块入光侧71；或，设置于模块入光侧71以及相邻的两个任意单元之间。

进一步，散热晶体单元3为纯yag基质或纯al2o3基质。

采用上述优选的方案，当该模块包括：散热晶体单元3时，使用时，泵浦光源从第一光学膜4入射，通过散热晶体单元3进入激光物质单元1，并在被动调q材料单元2带第二光学膜5的一侧出射。为了保证模块结构的紧凑性，散热晶体单元3，激光物质单元1，被动调q材料单元2的整体尺寸控制在一定范围。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，当模块入光侧71设置的单元为散热晶体单元3时，第一光学膜4镀于该散热晶体单元3表面；

当模块入光侧71设置的单元为激光物质单元1时，第一光学膜4镀于该激光物质单元1表面。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，当模块出光侧72设置的单元为被动调q材料单元2时，第二光学膜5镀于该被动调q材料单元2表面；

当模块出光侧72设置的单元为散热晶体单元3时，第二光学膜5镀于该散热晶体单元3表面。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，对于散热晶体单元3、激光物质单元1与被动调q材料单元2，相邻的两个任意单元采用键合或胶合的方式连接。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，在模块侧外表面73设有金属膜6，金属膜6与金属热沉连接。

采用上述优选的方案，模块侧外表面73镀金属膜6，可以提高散热效果，金属膜6可以通过焊接或者银胶等方式与金属热沉直接连接，有效降低热阻。金属膜6可以为，但不限于黄金、铂金或者铜。

为了进一步地优化本发明的实施效果，在另外一些实施方式中，其余特征技术相同，不同之处在于，在模块侧外表面73也设有散热晶体单元3。

进一步，当模块侧外表面73设有散热晶体单元3时，在该散热晶体单元3表面镀有金属膜6，通过金属膜6与金属热沉连接。

采用上述优选的方案，提高散热效果。

激光材料模块的使用方法：激光材料模块固定在金属热沉中，使其与周围具有良好导热和散热性能。根据不同的膜系设计，对于第一光学膜4镀制808nm附近波长增透的模块可采用通过整形聚焦系统后的808nm附近波长的ld泵浦照射下，可以出1064nm、1319nm或者1338nm等微米波段的激光。通过谐振器的设计，该模块还可以出1319nm/1338nm等双波长激光。

本发明的有益效果如下：

本发明公开一种微米波段固体激光器用激光材料模块，其设计简单、结构紧凑、成本较低，便于大批量生产；在使用时散热晶体单元3，激光物质单元1、被动调q材料单元2和平行平面腔(或称谐振腔)不需要任何调整；由于nd：yag晶体本身的优异性能，纯yag和氧化铝等晶体通过不同键合方式的辅助导热，而且模块侧外表面73的金属膜6与金属热沉可具有优异的低热阻连接，该模块可以实现较高的能量输出。通过合适的设计，还可以实现双波长输出，在太赫兹波等前沿领域有较大应用前景。

以上多种实施方式可交叉并行实现。

为了更好的说明本申请的优越性，下面对几个具体实施例进行描述。

实施例1：

如图1所示，其为一个1.34微米激光器用激光材料模块。

散热晶体单元3采用纯yag晶体，尺寸为φ5mm×4mm；激光物质单元1采用掺杂浓度1％，尺寸为φ5mm×12mm的nd：yag晶体；被动调q材料单元2采用初始透过率为90％，尺寸为φ5mm×1.2mm的co：mgal2o4晶体，三种晶体通过键合的方式固定在一起。

镀制在模块入光侧71端面的第一光学膜4对ld泵浦光808nm增透(r＜0.5％)同时对产生的1338nm波段高反(r＞99.5％)，镀制在模块出光侧72端面的第二光学膜5对1338nm波长部分透射(t＝10％)。由第一光学膜4和第二光学膜5构成平行平面腔结构的光学谐振腔。

使用时，激光材料模块固定在金属cu热沉中，使其与周围良好接触散热，通过整形聚焦系统后的808nm波长的ld泵浦照射下直接出1338nm波长的脉冲激光。

实施例2：

如图2所示，其为一个1.34微米激光器用激光材料模块。

激光物质单元1采用掺杂浓度1％，尺寸为φ3mm×10mm的nd：yag晶体；被动调q材料单元2采用尺寸为φ3mm×1.5mm的co掺杂玻璃陶瓷(51sio2-24.5al2o3-23mgo2-1.5k2o)，两种材料通过键合的方式固定在一起。

镀制在模块入光侧71端面的第一光学膜4对ld泵浦光808nm增透(r＜0.5％)同时对产生的1338nm波段高反(r＞99.5％)，镀制在模块出光侧72端面的第二光学膜5对1338nm波长部分透射(t＝10％)。由第一光学膜4和第二光学膜5构成平行平面腔结构的光学谐振腔。

使用时，激光材料模块固定在金属cu热沉中，使其与周围良好接触散热，通过整形聚焦系统后的808nm波长的ld泵浦照射下直接出1338nm波长的脉冲激光。

实施例3：

如图3所示，其为一个1.34微米激光器用激光材料模块。

散热晶体单元3采用纯yag晶体，尺寸为3mm×3mm×4mm；激光单元采用掺杂浓度为1.1％，尺寸为3mm×3mm×10mm的nd：yag陶瓷；被动调q材料单元2采用初始透过率为90％，尺寸为3mm×3mm×1mm的co：mga16o10晶体，三种晶体通过键合的方式固定在一起，模块侧外表面73镀有金属膜6。

镀制在模块入光侧71端面的第一光学膜4对ld泵浦光808nm增透(r＜0.5％)同时对产生的1319nm波段高反(r＞99.5％)，镀制在模块出光侧72端面的第二光学膜5对1319nm波长部分透射(t＝10％)。由第一光学膜4和第二光学膜5构成平行平面腔结构的光学谐振腔。

使用时，激光材料模块焊接在金属cu热沉中，使其与周围良好接触散热，通过整形聚焦系统后的808nm波长的ld泵浦照射下直接出1319nm波长的脉冲激光。

实施例4：

如图3所示，其为一个1.064微米激光器用激光材料模块。

散热晶体单元3采用纯yag晶体，尺寸为3mm×3mm×4mm；激光物质单元1采用掺杂浓度为1.1％，尺寸为3mm×3mm×10mm的nd：yag晶体；被动调q材料单元2采用初始透过率为90％，尺寸为3mm×3mm×1mm的co：mgal2o4晶体，三种晶体通过键合的方式固定在一起。模块侧外表面73镀有金属膜6。

镀制在模块入光侧71端面的第一光学膜4对ld泵浦光808nm增透(r＜0.5％)同时对产生的1064nm波段高反(r＞99.5％)，镀制在模块出光侧72端面的第二光学膜5对1064nm波长部分透射(t＝10％)。由第一光学膜4和第二光学膜5构成平行平面腔结构的光学谐振腔。

使用时，激光材料模块焊接在金属cu热沉中，使其与周围良好接触散热，通过整形聚焦系统后的808nm波长的ld泵浦照射下直接出1064nm波长的脉冲激光。

实施例5：

如图4所示，其为一个1.34微米激光器用激光材料模块。

散热晶体单元3采用纯yag晶体，尺寸为φp5mm×4mm(1片)和φp5mm×2mm(2片)；激光物质单元1采用掺杂浓度为1％，尺寸为φ5mm×5mm的nd：yag晶体，数量两片；被动调q材料单元2采用初始透过率为90％，尺寸为φ5mm×1.2mm的co：mgal2o4晶体。三种晶体单元依次为纯yag晶体(4mm)，nd：yag晶体，纯yag晶体(2mm)，nd：yag晶体，纯yag晶体(2mm)，co：mgal2o4晶体，通过键合的方式固定在一起。模块侧外表面73镀有金属膜6。

镀制在模块入光侧71端面的第一光学膜4对ld泵浦光808nm增透(r＜0.5％)同时对产生的1.34μm波段高反(r＞99.5％)，镀制在模块出光侧72端面的第二光学膜5对1.34μm波长部分透射(t＝10％)。由第一光学膜4和第二光学膜5构成平行腔结构的光学谐振腔。

使用时，激光材料模块固定在金属热沉中，使其与周围良好接触散热，通过整形聚焦系统后的808nm波长的ld泵浦照射下直接出1338nm波长的脉冲激光。

实施例6：

如图5所示，其为一个1.34微米激光器用激光材料模块。

散热晶体单元3采用纯al2o3晶体，尺寸为5mm×5mm×4mm(2片)和5mm×4mm×15.2mm(2片)；激光物质单元1采用掺杂浓度为1％，尺寸为5mm×5mm×10mm的nd：yag晶体；被动调q材料单元2采用初始透过率为90％，尺寸为5mm×5mm×1.2mm的co：mgal2o4晶体。三种晶体依次为纯al2o3晶体(4mm)，nd：yag晶体，纯al2o3晶体(4mm)和co：mgal2o4晶体，通过键合的方式沿纵向固定在一起。然后在其两个侧外表面分别与2片5mm×4mm×15.2mm纯al2o3晶体键合。

镀制在模块入光侧71端面的第一光学膜4对ld泵浦光808nm增透(r＜0.5％)同时对产生的1338nm波段高反(r＞99.5％)，镀制在模块出光入侧端面的第二光学膜5对1338nm波长部分透射(t＝10％)。由第一光学膜4和第二光学膜5构成平行腔结构的光学谐振腔。

使用时，激光材料模块固定在金属热沉中，使其与周围良好接触散热，通过整形聚焦系统后的808nm波长的ld泵浦照射下直接出1338nm波长的脉冲激光。

整片散热晶体单元3，除了在图示的两面键合外，还可以在其他侧外表面进行键合，以增强导热效果。

实施例7：

如图3所示，其为一个1319nm/1338nm等双波长激光器用激光材料模块。

散热晶体单元3采用纯yag晶体，尺寸为φ5mm×4mm；激光物质单元1采用掺杂浓度1％，尺寸为φ5mm×12mm的nd：yag晶体；被动调q材料单元2采用初始透过率为90％，尺寸为φ5mm×1.2mm的co：mgal2o4晶体，三种晶体单元通过键合的方式固定在一起。

镀制在模块入光侧71端面的第一光学膜4对ld泵浦光808nm增透(r＜0.5％)同时对产生的1319nm/1338nm波段高反(r＞99.5％)，镀制在模块出光侧72端面的第二光学膜5对1319nm和1338nm波长的透过率略有不同，分别为10.3％和9.8％。由第一光学膜4和第二光学膜5构成平行平面腔结构的光学谐振腔。

使用时，激光材料模块固定在金属cu热沉中，使其与周围良好接触散热，通过整形聚焦系统后的808nm波长的ld泵浦照射下直接出1319nm和1338nm波长的脉冲激光。

在其他具体实施例中，公开一种1.34微米小型化激光器用紧凑型材料模块，其具体与实施例1、2、3、4、5不同的是散热晶体单元3，激光物质单元1和被动调q材料单元2的固定方式为胶合或光胶。

对于本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。