[发明专利]三明治结构增益介质板条及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及固体激光技术，特别是涉及一种应用在高功率板条激光器上的固体增益激光介质。

背景技术

高平均功率且高光束质量的激光束应用广阔，在军事上，可用作硬杀伤激光武器，在工业加工上，可用于金属及非金属的切割焊接。产生高平均功率激光的已有方法：圆棒状增益介质，板条状增益介质，片状增益介质。其中增益介质加工成板条状，让光束在激光晶体内呈“之”字型传输，泵浦和冷却结构设计保证增益介质晶体板条内只存在一维热流，热效应被之字形光路所补偿，输出功率提高，光束质量改善；故而目前采用板条结构增益介质的固体激光器无论是连续运转还是脉冲运转，都得到了广泛应用。早期的板条一般采用宽厚比大于二的结构，厚度一般大于5mm，以利于光学加工；但是由于增益介质材料的热导率有限，采用该种结构的板条结构增益介质的板条激光器的输出功率受到增益介质中心温度上限的影响，继续增大泵浦时，输出功率不再提高；随着光学加工技术和泵浦耦合技术的发展，超薄结构的增益介质板条设计被提出，并且得到了很好的实验结果，当前已经开始采用超薄结构的板条激光器，在大面冷却的条件下，同样泵浦功率注入时，增益介质的中心温度较低，达到温度上限时，可以实现更高的激光输出。这种结构的增益介质板条的通光截面积较小，有利于连续运转，但不利于短脉冲大能量激光输出。另一方面，超薄大尺寸的增益介质的光学加工较为困难，限制了该种结构激光器的应用。目前采用片状结构增益介质的有源反射镜激光器设计同样是采用超薄结构的增益介质，无论是斯图加特大学的Adolf.Geissen发明的薄片有源反射镜激光器，还是波音公司的John.Vetrovec提出的压力吸附紧凑有源反射镜的新概念，都需要面对超薄晶体加工的困难，更重要的是这种结构需要实现增益介质通光面上二维方向的均匀泵浦，这也是很困难的技术挑战。

发明内容

本发明所解决的技术问题是提供一种新型结构的增益介质板条，增益介质板条采用三明治夹心结构，中层不掺杂，两侧掺杂，掺杂区满足超薄设计，和非掺杂中心区共同组成厚度适宜光学精加工的板条结构，大大降低光学精加工的难度，同时利于短脉冲运转、可以提高输出激光功率。

本发明达到此技术目的的技术方案是：一种三明治结构增益介质板条，包括由掺杂有激活离子的介质材料构成的掺杂区和由介质材料构成的不掺杂区，所述不掺杂区位于板条中层，所述掺杂区位于板条上下两层将所述不掺杂区夹于其中，所述掺杂区的厚度小于所述不掺杂区的厚度，所述三明治结构增益介质板条的宽厚比大于二。

本发明三明治结构增益介质板条，其中所述掺杂区优选位于板条上下两层的中间段，即板条两端头可以掺杂，也可以不掺杂，此时可以降低端头效应。

本发明三明治结构增益介质板条，其中所述板条状增益介质的端头优选采用布氏角切割或45°角切割，两端面可以是平行的，板条成平行四边形结构；或者两端面也可以是相向成梯形结构。

本发明三明治结构增益介质板条，其中所述介质材料优选为激光晶体、激光玻璃或激光陶瓷。

本发明三明治结构增益介质板条，其中所述激活离子优选为Nd，也可以为其他各种类型的离子(例如Yb离子、Ho离子)以及依需要设计各种掺杂浓度。

本发明三明治结构增益介质板条，其中所述掺杂区的厚度最好小于等于1mm，所述不掺杂区的厚度为3～5mm，也可以更厚一些。

本发明三明治结构增益介质板条可以采用晶体的扩散键合、陶瓷的烧结、玻璃的熔接或薄膜的外延生长等方式来实现。其中一种制备方法可以是：

首先选择厚度适宜精抛光的YAG单晶板一块以及Nd:YAG单晶板两块，按照标准的扩散键合工艺，将YAG单晶板与一块Nd:YAG单晶板键合在一起，而后将其中的YAG单晶部分剪薄，直至所需厚度；然后再将另一块Nd:YAG单晶板与上述键合好的YAG-Nd:YAG板键合在一起，形成Nd:YAG-YAG-Nd:YAG结构的三明治夹心结构增益板条。然后将三明治夹心结构增益板条两边的Nd:YAG单晶部分剪薄至所需厚度，精抛光，切割端头至所需角度以及所需的板条长度，精抛光。

也可以采用如下的制备方法：首先制备尺寸符合要求的YAG陶瓷坯料一块以及Nd:YAG陶瓷坯料两块，三块坯料直接压合在一起，然后按照标准激光陶瓷烧结工艺对坯料进行烧结，成型后剪薄Nd:YAG陶瓷部分至所需厚度，精抛光，切割端头至所需角度以及所需的板条长度，精抛光。