一种基于晶体键合技术的碟片激光器激光晶体

摘要

本发明具体涉及一种基于晶体键合技术的碟片激光器激光晶体，用于解决目前增大激光碟片径厚比的同时更容易发生形变的问题，以及解决目前抑制高功率激光器中的ASE效应不理想的问题。基于晶体键合技术的碟片激光器激光晶体，包括碟片激光器激光晶体、端帽、晶体增透膜、晶体高反膜；所述端帽通过晶体键合技术与所述碟片激光器激光晶体连接，所述激光晶体增透膜设置在所述端帽的上表面，所述晶体高反膜设置在所述碟片激光器激光晶体的下表面，所述碟片激光器激光晶体的下表面用于连接热处理模块。

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光器激光晶体，具体涉及一种基于晶体键合技术的碟片激光器激光晶体。

背景技术

自激光出现以来，提高激光的输出功率和输出能量一直是国内外研究机构的重要研究方向。高输出功率、高输出能量的激光意味有能力作为工具应用于工业加工领域，如宝石材料的表面处理，医用血管支架制备，钢材的切割和焊接等。

目前，固体激光器凭借其高输出功率、高光束质量等特点成为高功率激光器的重要实现手段。随着激光晶体碟片构型的出现，进一步提高了固体激光器的输出指标。与传统棒状固体激光器相比，碟片激光器有着明显的优势，其中最为显著的是，激光晶体较大的径厚比使得晶体可以忽略径向的热梯度，仅需要考虑轴向的一维热梯度，其结果是晶体在整个激光振荡过程中散热效率得到极大提升，热效应带来的负面影响有效缓解、激光器输出功率提高、光束质量提高。

但是，碟片晶体的厚度又限制了高功率碟片激光器的输出水平和光束质量。虽然增加碟片晶体径厚比可以提高碟片晶体的散热性能，薄的碟片晶体在进行镀膜、焊接等光学、机械加工时更容易发生形变，使得加工难度显著提升。

同时激光晶体的放大自发辐射(ASE)也是限制高功率碟片激光器的输出性能的一个因素，ASE光子会与受激辐射光子竞争反转粒子数，降低整体增益，造成信号光放大效率的下降。为了抑制高功率激光器中的ASE效应，人们提出了多种方法并进行了相关研究。

目前常用的方法有三种，一是改变激光晶体的结构，使用类似光纤包边的结构，或者在晶体侧面采用倒角的结构但包边、倒角结构的制作工艺复杂；二是使用激光晶体的梯度掺杂，降低低温区掺杂浓度，降低ASE光子增益，抑制ASE效应。但是这种方法在抑制ASE的同时降低了激光器的输出功率。三是在激光晶体上表面粘合一块和晶体折射率一致或相匹配的材料，这种方法增加了ASE光子吸收面积，可以更有效的抑制ASE效应，但是使用如光学胶水、扩散粘合等传统方法会在两晶体结合面处的引入不可避免的热学和光学的负面影响。

发明内容

本发明提供了一种基于晶体键合技术的碟片激光器激光晶体结构，用于解决目前增大激光碟片径厚比的同时更容易发生形变的问题，以及解决目前抑制高功率激光器中的ASE效应不理想的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于晶体键合技术的碟片激光器激光晶体，包括激光晶体，其特殊之处在于：还包括端帽、晶体增透膜和晶体高反膜；

所述端帽通过晶体键合技术与所述激光晶体的上表面连接，所述晶体增透膜设置在所述端帽的上表面，所述激光晶体的下表面用于连接热处理模块，所述晶体高反膜镀制在所述激光晶体的下表面。

进一步地，所述端帽与所述激光晶体的材质相同，且端帽中无掺杂。

进一步地，所述端帽为圆柱体或立方体。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

1.本发明中通过晶体键合技术将端帽和碟片激光器激光晶体键合在一起，键合后的两块晶体依靠化学键的相互作用力结合，可以视作一块晶体，不存在结构上的分界面，避免了由分界面引入热学，光学不利影响的问题，稳定并提高了激光光束质量。

2.本发明中将端帽和碟片激光器激光晶体连接在一起，加厚了碟片晶体整体的厚度，提高了整个碟片晶体的机械强度和刚度，便于后续的光学和机械加工。

3.本发明中通过将端帽设置为与碟片激光器激光晶体的材质一致且无掺杂，使得ASE光子得不到进一步放大，降低ASE光子在被吸收或折射出晶体前对增益长度内反转粒子数的消耗，减少ASE光子的增益，有效抑制ASE效应。

附图说明

图1为本发明中带端帽的碟片激光器激光晶体结构示意图。

附图标记如下：

1、晶体增透膜；2、端帽；3、激光晶体；4、晶体高反膜；5、热处理模块。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式对本发明作进一步阐述。

一种基于晶体键合技术的碟片激光器激光晶体，如图1所示，包括激光晶体3，激光晶体3上表面通过晶体键合技术与端帽2的下表面连接，通过晶体键合技术键合后的端帽2和激光晶体3厚度明显大于原来未键合的碟片激光器激光晶体3，提高了整体晶体的刚度。

端帽2是使用与激光晶体3相同但无掺杂的衬底材料制作的一层晶体，例如当激光晶体3为Ho:YLF激光晶体时，对应的端帽2就是使用无掺杂的YLF晶体制作。端帽2包括但不限于圆柱体、立方体，端帽2的形状可根据实际情况调整。

晶体键合技术区别于传统使用扩散粘合或光学胶水粘合晶体的方法，是一种利用化学键的相互作用力将两块晶体结合的方法。

键合后的两块晶体依靠化学键的相互作用力结合，可以视作一块晶体，在维持增益激光晶体厚度很薄的情况下，提升了整体晶体的厚度。表征材料抵抗形变能力的物理量一般使用刚度k，刚度k由下述公式决定。

其中，P是作用于结构的恒力；δ是由力产生的形变量，δ与厚度成反比，所以通过端帽增加整体晶体厚提高了整体激光晶体的刚度。同时，由于键合技术的使用不会产生结构上的分界面，这让端帽的加入不会影响激光晶体的热性能。

在持续泵浦过程中，泵浦区域中会产生ASE光子，ASE光子的传播方向完全随机。由于端帽2与激光晶体3衬底材料一致，折射率几乎一样，ASE光子至多在激光晶体3下表面反射一次就会进入端帽2中。又因为端帽2中泵浦光光斑较大，能量密度低，增益很小，ASE光子得不到进一步放大，最后绝大部分ASE光子会逐渐衰减至消失，从而有效抑制ASE效应，实现信号光的放大效率提升。

端帽2的上表面设置有晶体增透膜1，激光晶体2的下表面用于与热处理模块5连接，激光晶体3与热处理模块5之间还设置有晶体高反膜4，晶体高反膜4用于反射泵浦光和信号光。

在泵浦过程中，通过光学系统调节泵浦光和信号光通过晶体增透膜1射入含端帽2的碟激光晶体3，并让泵浦光和信号光的光腰出现在激光晶体3的内部，随后泵浦光和信号光被晶体底部的晶体高反膜4反射，再依次通过激光晶体3、端帽2、晶体增透膜1射出。

在泵浦光和信号光通过激光晶体3、端帽2、增透膜1射出的同时，ASE光子会从激光晶体3中传播到端帽2中，极大减少消耗激光晶体3中的反转粒子数，有效抑制ASE效应，实现信号光的放大效率提升。