專利名稱：高綜合性能激光晶體及其制備方法
技術領域：
本發(fā)明涉及固體激光技術領域。
背景技術：
摻釹、釔石榴石系列激光晶體具有優(yōu)良的激光及物理化學性質(zhì)，是目前 應用最為廣泛的固體激光增益介質(zhì)。由于該類晶體的量子效率小，非輻射躍遷 產(chǎn)生的大量熱量在增益介質(zhì)中進行傳播時，會產(chǎn)生熱透鏡效應，從而降低激光
效率及激光光束質(zhì)量；特別在高平均功率固體激光器中表現(xiàn)更突出。
為了彌補或減少這種熱效應，1998年R.. Weber等人提出在Nd:YAG激光棒兩端 熱鍵合純YAG晶體的復合結構；2002年D. Ehrentraut等人報道了用改進的提拉法 在純的YAG管內(nèi)部生長Yb摻雜的YAG (Journal of Crystal Growth第242期，2002 年第375頁)；2003年徐軍等人提出電阻加熱外延生長復合YAG/Nd:YAG/YAG,純 YAG晶體不吸收泵浦光或振蕩光，可以有效冷卻增益介質(zhì)，減少熱效應和熱透鏡 效應；然而，釆用上述現(xiàn)有技術復合激光材料，有明顯的缺點(1)通過熱鍵 合而成的復合激光材料，由于純晶體與摻雜晶體間存在明顯的分界，光損耗大； 如長時間運轉，鍵合面處易變形，反而會降低激光輸出和激光的光束質(zhì)量；技 術重復性較低，產(chǎn)品生產(chǎn)周期長、成本高；(2)采用改進提拉法、電阻加熱外 延生長法等生長的復合晶體，晶體質(zhì)量差，存在大量氣泡和包裹物等缺陷，重 復性低，至今未在器件中獲得實際應用。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種高綜合性能激光晶體，它很好地解決了高平 均功率(KW級以上)固體激光器中激光晶體的散熱問題；同時改善了激光光束 質(zhì)量，提高了效率；且結構簡單、制作成本低，適合批量生產(chǎn)的高綜合性能激 光晶體；本發(fā)明的另一目的是提供一種該高綜合性能激光晶體的制備方法。
本發(fā)明的技術方案是 一種高綜合性能激光晶體，包括棒狀激光晶體，棒 狀激光晶體兩端圓柱表面設有高導熱率散熱物質(zhì)的涂敷層，該涂敷層自端面 起的軸向長度為5 10mm，涂敷層厚度為0.01 0.2mm，棒狀激光晶體上非涂敷 的部分圓柱表面呈螺紋或均勻分布的環(huán)形結構，其中，螺紋或環(huán)形結構間距為0. 2 3. 0mm，深度為0. 05 0. 3mm。
本發(fā)明所述棒狀激光晶體包含Nd:YAG、 (Nd， Ce) :YAG、 (Nd， Ce，Tb):YAG、 (Cr，Tm,Ho) :YAG、 (Tm，Ho):YAG、 Ho:YAG、 Er:YAG 、 Yb:YAG、 Nd:GGG、 Yb:GGG、 Nd:YAP中的任意一種基質(zhì)。
本發(fā)明所述高導熱率散熱物質(zhì)為金、銀、銅或金剛石。也可以采用其他的 高導熱率散熱物質(zhì)。
一種高綜合性能激光晶體的制備方法，包括如下步驟
A、 選取無散射、無位錯、應力好、濃度梯度《5X10—5at/Cm、單程損耗系數(shù) 〈2.8X10—Vcm的激光晶體；并按規(guī)定尺寸切割、滾圓、粗拋、精磨、精拋成棒 狀激光晶體，加工技術指標要求為兩端面平行度(平面/平面)應優(yōu)于或等于10"、 端面對棒軸垂直度優(yōu)于或等于5'、端面表面光潔度優(yōu)于或等于10/5;
B、 將符合A步驟要求加工好的棒狀激光晶體中段圓柱表面進行螺紋或環(huán)形結 構加工，該棒狀激光晶體兩端未加工的長度為5 10mm，螺紋或環(huán)形結構間距為 0. 2 3. 0mm，深度為0. 05 0. 3咖；
C、 激光晶體中段的螺紋或環(huán)形結構加工好后，將棒狀激光晶體兩端未進行螺 紋或環(huán)形結構加工的部分涂敷高導熱率的散熱物質(zhì)，涂敷厚度為0. 01 0. 2mm。 所述C步驟的涂敷方式采用鍍膜或燒結方式。所述C步驟的高導熱率散熱物質(zhì) 為金、銀、銅或金剛石。
本發(fā)明的有益效果是激光晶體柱面的螺紋或環(huán)形微結構，不僅克服了水 冷卻中的湍流，提高了泵浦的均勻性，而且增加了激光晶體的表面積，可提高 激光輸出功率約15%，并增加了柱面的散熱；激光晶體兩端的(5 10) mm的 高導熱率的散熱物質(zhì)，大大改善了激光晶體的散熱，提高光束質(zhì)量。經(jīng)試驗， 在同等條件下，采用高綜合性能激光晶體對熱性能改善將達到20%以上，實現(xiàn) 了高密度均勻泵浦無損傷。下面結合附圖和具體實施方式
對本發(fā)明進一步說明。
圖1是本發(fā)明實施例1的結構示意圖2是圖1的A處局部放大圖3是本發(fā)明實施例2的結構示意圖4是圖2的B處局部放大附圖標記l為棒狀激光晶體，2為涂敷層，3為螺紋結構，4為環(huán)形結構。
具體實施例方式
4實施例1
如圖1、圖2所示， 一種高綜合性能激光晶體，包括含有Nd:YAG、 (Nd， Ce) :YAG、 (Nd， Ce, Tb) :YAG 、 (Cr， Tm, Ho) :YAG、 (Tm, Ho) :YAG 、 Ho:YAG 、 Er:YAG 、 Yb:YAG、 Nd:GGG、 Yb:GGG、 Nd:YAP中的任意一種基質(zhì)的棒狀激光晶體1，棒狀 激光晶體1兩端圓柱表面設有高導熱率散熱物質(zhì)的涂敷層2,該涂敷層2的 自端面起的軸向長度L為5 10im,涂敷層2厚度H為0. 01 0. 2mm，棒狀激光 晶體上非涂敷的部分圓柱表面呈螺紋結構，其中，螺紋間距1為0.2 3.0mm， 深度h為0. 05 0. 3mm。本實施例的高導熱率散熱物質(zhì)采用金。
一種上述高綜合性能激光晶體的制備方法，包括如下步驟
A、 選取無散射、無位錯、應力好、濃度梯度《5X10—5at/cm、單程損耗系數(shù) 〈2.8X107cm的激光晶體；并按規(guī)定尺寸切割、、滾圓、粗拋、精磨、精拋成棒 狀激光晶體，加工技術指標要求為兩端面平行度(平面/平面)應優(yōu)于或等于10〃 、 端面對棒軸垂直度優(yōu)于或等于5'、端面表面光潔度優(yōu)于或等于10/5;
B、 將符合A步驟要求加工好的棒狀激光晶體中段圓柱表面進行螺紋結構加 工，該棒狀激光晶體兩端未加工的長度為5 10mm，螺紋結構間距為0.2 3.0mm， 深度為0. 05 0. 3咖；
C、 激光晶體中段的螺紋結構加工好后，將棒狀激光晶體兩端未進行螺紋結構 加工的部分采用鍍膜方式涂敷高導熱率的散熱物質(zhì)金,涂敷厚度為0. 01 0. 2mm。
實施例2
如圖3、圖4所示， 一種高綜合性能激光晶體，包括含有Nd:YAG、 (Nd， Ce) :YAG、 (Nd， Ce， Tb) :YAG 、 (Cr， Tm， Ho) :YAG、 (Tm， Ho) :YAG 、 Ho:YAG 、 Er:YAG 、 Yb:YAG、 Nd:GGG、 Yb:GGG、 Nd:YAP中的任意一種基質(zhì)的棒狀激光晶體1，棒狀 激光晶體1兩端圓柱表面設有高導熱率散熱物質(zhì)的涂敷層2，該涂敷層2的 自端面起的軸向長度L為5 10ran，涂敷層2厚度H為0. 01 0. 2mm，棒狀激光 晶體上非涂敷的部分圓柱表面呈環(huán)形結構，其中，環(huán)形結構間距1為0. 2 3. Omm， 深度h為0. 05 0. 3mm。本實施例的高導熱率散熱物質(zhì)采用銅。
一種上述高綜合性能激光晶體的制備方法，包括如下步驟-A、選取無散射、無位錯、應力好、濃度梯度《5X10—5at/cm、單程損耗系數(shù) 〈2.8X10—7cm的激光晶體；并按規(guī)定尺寸切割、滾圓、粗拋、精磨、精拋成棒 狀激光晶體，加工技術指標要求為兩端面平行度(平面/平面)應優(yōu)于或等于10"、 端面對棒軸垂直度優(yōu)于或等于5'、端面表面光潔度優(yōu)于或等于10/5;B、 將符合A步驟要求加工好的棒狀激光晶體中段圓柱表面進行環(huán)狀結構加 工，該棒狀激光晶體兩端未加工的長度為5 10ram，環(huán)狀結構間距為0.2 3.0iran， 深度為0. 05 0. 3mm;
C、 激光晶體中段的環(huán)狀結構加工好后，將棒狀激光晶體兩端未進行環(huán)狀結構 加工的部分采用燒結方式涂敷高導熱率的散熱物質(zhì)銅，涂敷厚度為0. 01 0. 2mm。
實施例3
一種高綜合性能激光晶體，包括含有Nd:YAG、 (Nd， Ce):YAG、 (Nd， Ce,Tb):YAG 、 (Cr， Tm， Ho) :YAG、 (Tm，Ho):YAG 、 Ho:YAG 、 Er:YAG 、 Yb:YAG、 Nd:GGG、 Yb:GGG、 Nd:YAP中的任意一種基質(zhì)的棒狀激光晶體1，棒狀激光晶體1 兩端圓柱表面設有高導熱率散熱物質(zhì)的涂敷層2，該涂敷層2的自端面起的 軸向長度L為lOmrn，涂敷層2厚度H為0. 2咖，棒狀激光晶體上非涂敷的部分 圓柱表面呈螺紋結構，其中，螺紋間距l(xiāng)為3.0mm，深度h為0.3ram，本實施例的 高導熱率散熱物質(zhì)釆用銀。本實施例的高綜合性能激光晶體結構同圖1、圖2 所示。
一種上述高綜合性能激光晶體的制備方法，包括如下步驟-
A、 選取無散射、無位錯、應力好、濃度梯度《5X10—、t/cm、單程損耗系數(shù)
〈2.8Xl(T/cm的激光晶體；并按規(guī)定尺寸切割、滾圓、粗拋、精磨、精拋成棒
狀激光晶體,加工技術指標要求為兩端面平行度(平面/平面)應優(yōu)于或等于10"、 端面對棒軸垂直度優(yōu)于或等于5'、端面表面光潔度優(yōu)于或等于10/5;
B、 將符合A步驟要求加工好的棒狀激光晶體中段圓柱表面進行螺紋結構加 工，該棒狀激光晶體兩端未加工的長度為lOmm，螺紋結構間距為3.0mm，深度為 0. 3咖j
C、 激光晶體中段的螺紋結構加工好后，將棒狀激光晶體兩端未進行螺紋結構 加工的部分采用鍍膜方式涂敷高導熱率的散熱物質(zhì)銀，涂敷厚度為0. 2mm。 實施例4
—種高綜合性能激光晶體，包括含有Nd:YAG、 (Nd， Ce) :YAG、 (Nd， Ce，Tb):YAG 、 (Cr， Tm， Ho) :YAG、 (Tm，Ho):YAG 、 Ho:YAG 、 Er:YAG 、 Yb:YAG、 Nd:GGG、 Yb:GGG、 Nd:YAP中的任意一種基質(zhì)的棒狀激光晶體1，棒狀激光晶體1 兩端圓柱表面設有高導熱率散熱物質(zhì)的涂敷層2，該涂敷層2的自端面起的 軸向長度L為5mm，涂敷層2厚度H為0. Olmm，棒狀激光晶體上非涂敷的部分圓柱表面呈環(huán)形結構，其中，環(huán)形結構間距1為0.2咖，深度h為0.05mm，本實
施例的高導熱率散熱物質(zhì)采用金剛石。本實施例的高綜合性能激光晶體結構同 圖3、圖4所示。
一種上述高綜合性能激光晶體的制備方法，包括如下步驟
A、 選取無散射、無位錯、應力好、濃度梯度《5X10—Vt/cm、單程損耗系數(shù) 〈2.8X10—Vcm的激光晶體；并按規(guī)定尺寸切割、滾圓、粗拋、精磨、精拋成棒 狀激光晶體，加工技術指標要求為兩端面平行度(平面/平面)應優(yōu)于或等于10〃 、 端面對棒軸垂直度優(yōu)于或等于5'、端面表面光潔度優(yōu)于或等于10/5;
B、 將符合A步驟要求加工好的棒狀激光晶體中段圓柱表面進行環(huán)狀結構加工， 該棒狀激光晶體兩端未加工的長度為5mm，環(huán)狀結構間距為0. 2ram，深度為0. 05mm;
C、 激光晶體中段的環(huán)狀結構加工好后，將棒狀激光晶體兩端未進行環(huán)狀結構 加工的部分采用燒結方式涂敷高導熱率的散熱物質(zhì)金剛石，涂敷厚度為0. Olmm。
需要說明的是雖然上述實施例已經(jīng)詳細描述了本發(fā)明的結構，但本發(fā)明 并不限于上述實施例，凡是本領域技術人員從上述實施例中不經(jīng)過創(chuàng)造性勞動 就可以想到的替換結構，均屬于本發(fā)明的保護范圍。
權利要求
1、 一種高綜合性能激光晶體，包括棒狀激光晶體(1)，其特征在于棒狀激光 晶體(1)兩端圓柱表面設有高導熱率散熱物質(zhì)的涂敷層(2)，該涂敷層(2) 自端面起的軸向長度為5 10mm，涂敷層(2)厚度為0. 01 0. 2ram，棒狀激光 晶體上非涂敷的部分圓柱表面呈螺紋或均勻分布的環(huán)形結構，其中，螺紋或環(huán) 形結構間距為0. 2 3.0mm，深度為0. 05 0. 3mm。
2、 根據(jù)權利要求1用于高綜合性能激光晶體，其特征在于所述棒狀激光晶體 (1)包含Nd:YAG、 (Nd， Ce) :YAG、 (Nd， Ce，Tb):YAG 、 (Cr, Tm, Ho) :YAG、(Tm,Ho):YAG 、 Ho:YAG 、 Er:YAG 、 Yb:YAG、 Nd:GGG、 Yb:GGG、 Nd:YAP中的任意一種基質(zhì)。
3、 根據(jù)權利要求1或2用于高綜合性能激光晶體，其特征在于所述高導熱率 散熱物質(zhì)為金、銀、銅或金剛石。
4、 一種制備權利要求1所述的高綜合性能激光晶體的方法，其特征在于包括如下步驟A、 選取無散射、無位錯、應力好、濃度梯度《5Xl(T5at/cm、單程損耗系數(shù)〈2. 8 X10—Vcm的激光晶體；并按規(guī)定尺寸切割、滾圓、粗拋、精磨、精拋成棒狀激 光晶體，加工技術指標要求為兩端面平行度應優(yōu)于或等于10"、端面對棒軸垂 直度優(yōu)于或等于5'、端面表面光潔度優(yōu)于或等于10/5;B、 將符合A步驟要求加工好的棒狀激光晶體中段圓柱表面進行螺紋或環(huán)形結構 加工，該棒狀激光晶體兩端未加工部分的長度為5 10mm，螺紋或環(huán)形結構間距 為0. 2 3. Omm，深度為0. 05 0. 3mm;C、 激光晶體中段的螺紋或環(huán)形結構加工好后，將棒狀激光晶體兩端未進行螺紋或 環(huán)形結構加工的部分涂敷高導熱率的散熱物質(zhì)，涂敷厚度為0. 01 0. 2mm。
5、 根據(jù)權利要求4所述的一種高綜合性能激光晶體的制備方法，其特征在于 所述C步驟的涂敷方式采用鍍膜或燒結方式。
6、 根據(jù)權利要求4所述的一種高綜合性能激光晶體的制備方法，其特征在于-所述C步驟的高導熱率散熱物質(zhì)為金、銀、銅或金剛石。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高綜合性能激光晶體及其制備方法，屬于固體激光技術領域，該高綜合性能激光晶體包括棒狀激光晶體，棒狀激光晶體兩端圓柱表面設有高導熱率散熱物質(zhì)的涂敷層，棒狀激光晶體上非涂敷的部分圓柱表面呈螺紋或均勻分布的環(huán)形結構；該高綜合性能激光晶體的制備方法包括制作符合加工要求的棒狀激光晶體，將棒狀激光晶體兩端未進行螺紋或環(huán)形結構加工的部分涂敷高導熱率的散熱物質(zhì)；本發(fā)明克服了水冷卻中的湍流，解決了未經(jīng)水冷卻部分的冷卻問題，改善了激光晶體的散熱，提高了泵浦的均勻性和光束質(zhì)量；經(jīng)試驗，在同等條件下，采用本發(fā)明的高綜合性能激光晶體的激光輸出功率提高約15％，熱性能改善20％以上，實現(xiàn)了高密度均勻泵浦無損傷。
文檔編號C30B29/28GK101312285SQ20081004423
公開日2008年11月26日 申請日期2008年4月17日 優(yōu)先權日2008年4月17日
發(fā)明者劉玉清, 周世斌, 彭欽軍, 湯海濤 申請人:成都東駿激光有限責任公司