一种曲面板条激光晶体元件制造技术

本发明专利技术属于激光晶体技术领域，具体公开一种曲面板条激光晶体元件，其特征在于：所述的板条具有两个同中心轴的弯曲弧面作为板条的内、外表面，作为内、外表面的弯曲弧面的曲率半径分别为r、R，且R>r，作为内、外表面的弯曲弧面对应中心轴的弧角度可以相同也可以不同。本发明专利技术提供的曲面板激光工作物质，会更容易冷却均匀，以承载更高功率的激光，有利于获得高光束质量的激光。

Curved plate strip laser crystal element

The invention belongs to the technical field of laser crystal, in particular discloses a curved panel laser crystal element, characterized in that the slab has two with central axis bending arc slab as the inner and outer surfaces, as the radius of curvature of curved cambered surface of the inner surface and the outer surface were r, R, and R> R, as a curved arc inner surface and the outer surface corresponding to the central axis of the arc angle may be the same or different. The laser working material provided by the invention can be more easily cooled uniformly to carry a higher power laser, which is favorable for obtaining a laser with high beam quality.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于激光晶体，具体涉及一种曲面板条激光晶体元件。技术背景高功率大能量固体激光需要大尺寸激光晶体元件作为激光工作物质，尤其以掺杂YAG的激光晶体如Nd:YAG、Yb:YAG等是当前高功率大能量固体激光的首选工作物质。为了获得高功率和大能量激光输出，需要使用大尺寸板条、长棒作为激光工作物质。大尺寸YAG激光晶体毛坯一般采用感应加热的提拉法生长，存在核心和侧心，故作为YAG晶体元件一般都先以晶体毛坯的中心、沿径向夹角为120°的平面(侧心位于该平面上)所切割下来的三个“瓣”中选料，避开核心和侧心，从而加工所需要的板条和长棒元件。另外一方面，对于Nd掺杂、Ce和Nd共掺杂的YAG激光晶体来说，有Nd、Ce在YAG中的有效分凝系数很小，而稳定的晶体生长都是以凸界面生长的，从而导致在晶体毛坯棒的横截面上，掺杂离子的浓度是不均匀的，由内而外是逐步变高，等浓度线为以晶体毛坯中心点为圆心的同心圆。因此，在YAG的三个瓣中取料所加工出的板条和长棒来说，在板条的宽度方向、棒的径向方向来说，浓度都不是均匀的，也不是对称的。如果这种不均匀性达到一定程度，可严重影响激光光速质量。对于棒状激光工作物质而言，一方面，在现有的YAG晶体毛坯的三个“瓣”上所能加工出的激光棒最大直径受限于瓣的尺寸，同时，棒的直径越大，棒的热管理就越困难，棒的均匀冷却就越困难。棒冷却的不均匀不仅降低了激光的光束质量，还限制了棒的激光输出功率密度，还有可能产生过大的热温度梯度，导致过大的热应力引起激光棒的开裂，使得激光器工作失效。对于现有的矩形板条激光工作物质而言，板条的纵向方向一般和晶体毛坯的纵向方向一致，宽度方向一般与“瓣”的横截面上的弦一致(如图1所示)，加工板条的宽度受限于YAG毛坯“瓣”截面的弦长的尺寸，由于晶体毛坯截面上的掺杂浓度是不均匀的，因而矩形板条截面上的浓度是不均匀的，等浓度曲线为截面上些弧线，这会引起板条的折射率、应力的步均匀。为了能获得大尺寸的激光晶体元件，维持良好的光学均匀性，且有利于在工作中均匀冷却，本专利技术提出了一种全新的曲面板条，与现有的板条的主要区别为板条的大面是曲面，而现有的激光晶体板条元件的大面为平面。曲面板条的两个弧面可沿YAG晶体毛坯的径向等浓度线切割，较矩形板条的浓度均匀性会更高，如果曲面板条很薄，横截面上的浓度差会很小，能具有很高的浓度均匀性；曲面板条较激光棒而言，会更容易冷却均匀，有利于获得高光束质量的激光。另外，由于板条大面为弧面，位于避开侧心和核心的“瓣”上，所能获得的YAG板条面积将大于矩形平面板条所能获得面积，从而可以承载更高功率的激光。另外一方面，当板条单独使用时，具有平面板条的激光特性，但具有均匀性更高、体积更大的优点；如果数块板条组成圆桶状排布使用，则具有类似“空心”激光棒的特点，便于充分冷却，在提高功率输出的同时保持好的光束质量，有利于高功率大能量的激光输出。
技术实现思路
一种曲面板条激光晶体元件，其特征在于：所述的板条具有两个同中心轴的弯曲弧面作为板条的内、外表面，作为内、外表面的弯曲弧面的曲率半径分别为r、R，且R>r，作为内、外表面的弯曲弧面对应中心轴的弧角度可以相同也可以不同。沿垂直中心轴的径向对所述板条进行剖面，得到的剖面可以是梯形也可以是平行四边形。所述的作为内、外表面的弯曲弧面的两端之间的面组成板条的两个端面，所述的作为内、外表面的弯曲弧面两侧之间的面组成板条的两个侧面。所述的两个端面可以作为振荡激光输入输出端面，也可以作为泵浦端面，当作为激光输入输出端面时，所述的端面与作为内表面的弯曲弧面的夹角γ取值满足如下条件：设板条的折射率为n ，振荡激光的入射角为i ，则arcsin(1/n )-arcsin[(sin i )/n]≤γ≤90°，其中，arcsin(x)或arcsin[x]表示去正弦值为x的正弦反三角函数，sin(x)表示角度x的正弦。所述的两个端面需要进行精密研磨和抛光，光洁度优于20/10，平面度优于λ/4，其中λ=632.8nm，粗糙度优于0.5nm。当采用弯曲弧面作为闪光灯泵浦面时，所述的两个侧面和两个弯曲弧面需要进行精密研磨和粗抛，粗糙度为10μm ~200μm；当采用弯曲弧面作为激光二极管(LD)泵浦面时，所述的两个弯曲弧面需要精密研磨和精密抛光，光洁度需要优于20/10，粗糙度优于10nm，两个侧面需要进行精密研磨和粗抛，粗糙度为10μm ~200μm。所述的端面和侧面、侧面和弯曲弧面之间的棱均需要进行45°角的倒边保护，倒边宽度为0.5mm~2mm。可以使用一块所述的板条单独作为激光工作物质。可以使用数块相同规格的所述板条组合作为激光工作物质，此时所述各板条的中心轴线位置保持一致，板条侧面间的间隙保持一致即可。本专利技术的有益效果：本专利技术提供的曲面板激光工作物质，较激光棒而言，会更容易冷却均匀，有利于获得高光束质量的激光。另外，由于板条大面为弧面，位于避开侧心和核心的“瓣”上，所能获得的YAG板条面积将大于矩形平面板条所能获得面积，从而可以承载更高功率的激光。再者，该曲面板激光工作物质可以单独使用，也可以组合使用，当单独使用时，具有平面板条的激光特性，但具有均匀性更高、体积更大的优点；当组合使用时，各板条的中心轴线位置保持一致，板条侧面间的间隙保持一致组成圆桶状排布，则具有类似“空心”激光棒的特点，便于充分冷却，在提高功率输出的同时保持好的光束质量，有利于高功率大能量的激光输出。附图说明图1为本专利技术作为内、外表面的弯曲弧面对应中心轴的弧角度是α<β的时的板条俯视图；图2为本专利技术作为内、外表面的弯曲弧面对应中心轴的弧角度是α=β的情形；图3为本专利技术作为内、外表面的弯曲弧面对应中心轴的弧角度是α>β的情形；图4为本专利技术沿垂直中心轴的径向对所述板条进行剖面，得到的剖面的是梯形的情形；图5为本专利技术沿垂直中心轴的径向对所述板条进行剖面，得到的剖面的是平行四边形的情形；图6为本专利技术剖面是梯形时的端面激光入射图；图7为本专利技术剖面是平行四边形时的端面激光入射图；实施案例如图1-3所示，一种曲面板条激光晶体元件，其特征在于：所述的板条具有两个同中心轴的弯曲弧面作为板条的内、外表面，如图1-3中的面2和面1，作为内、外表面的弯曲弧面的曲率半径分别为r、R，且R>r，作为内、外表面的弯曲弧面对应中心轴的弧角度α、β，可以相同也可以不同，其中图1是α<β的情形，图2是α=β的情形，图3实时α>β的情形。当沿垂直中心轴的径向对所述板条进行剖面，得到的剖面可以是梯形，如图4所示，也可以是平行四边形如图5所示。所述的作为内、外表面的弯曲弧面的两端之间的面组成板条的两个端面，如图3中的面5和面6，所述的作为内、外表面的弯曲弧面两端之间的面组成板条的两个侧面，如图4和图5中所示的面3和面4。所述的两个端面图3中的面5和面6可以作为振荡激光输入输出端面，也可以作为泵浦端面，当作为激光输入输出端面时，所述的端面与作为内表面的弯曲弧面的夹角γ取值满足如下条件：设板条的折射率为n ，振荡激光的入射角为i ，当沿垂直中心轴的径向对所述板条进行剖面，得到的剖面是如图3所示的梯形，振荡激光的入射角为i 如图6所示，得到的剖面是如图4所示的平行本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种曲面板条激光晶体元件，其特征在于：所述的板条具有两个同中心轴的弯曲弧面作为板条的内、外表面，作为内、外表面的弯曲弧面的曲率半径分别为r、R，且R>r，作为内、外表面的弯曲弧面对应中心轴的弧角度可以相同也可以不同。

【技术特征摘要】
1.一种曲面板条激光晶体元件，其特征在于：所述的板条具有两个同中心轴的弯曲弧面作为板条的内、外表面，作为内、外表面的弯曲弧面的曲率半径分别为r、R，且R>r，作为内、外表面的弯曲弧面对应中心轴的弧角度可以相同也可以不同。2.如权利要求1所述的一种曲面板条激光晶体元件，其特征在于：沿垂直中心轴的径向对所述板条进行纵剖，得到的剖面可以是梯形也可以是平行四边形。3.如权利要求1所述的一种曲面板条激光晶体元件，其特征在于：所述的作为内、外表面的弯曲弧面的两端之间的面组成板条的两个端面，所述的作为内、外表面的弯曲弧面两侧之间的面组成板条的两个侧面。4.如权利要求3所述的一种曲面板条激光晶体元件，其特征在于：所述的两个端面可以作为振荡激光输入输出端面，也可以作为泵浦端面，当作为激光输入输出端面时，所述的端面与作为内表面的弯曲弧面的夹角γ取值满足如下条件：设板条的折射率为n ，振荡激光的入射角为i ，则arcsin(1/n )-arcsin[(sin i )/n]≤γ≤90°。5.如权利要求3所述的一种曲面...

【专利技术属性】
技术研发人员：张庆礼，张琦，孙贵花，刘文鹏，高进云，孙敦陆，罗建乔，谷长江，殷绍唐，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，安徽火天晶体科技有限公司，
类型：发明
国别省市：安徽;34