本發明涉及全固態激光器領域，特別涉及一種板條激光增益介質及其制備方法。

背景技術：

常用的固體激光增益介質有三種結構：棒狀結構、片狀結構、及板條結構。光束在板條結構的增益介質中以“之”字形傳輸，可以補償由于溫度梯度所造成的波前畸變和偏振特性變化，有利于提高輸出功率，有利于獲得良好的光束質量。目前采用板條結構增益介質的固體激光器在連續運轉或脈沖運轉等方面，都得到了廣泛應用

在理想情況下，“之”字型光路的板條狀增益介質激光器輸出激光光束幾乎不受熱畸變的影響。但在實際研制的板條固體激光器中，由于復雜的工藝要求，難以實現完全的一維溫度場，因此在實際工作中不存在理想的絕熱。此外，由于端面效應及側面的邊緣效應等問題，一般情況下板條狀增益介質激光器的工作狀態與理想狀況還有很大的偏離。目前固體激光技術都是采用均勻摻雜激光材料，在板條激光增益介質端頭鍵合不摻雜的基質晶體，通過調整泵浦分布和散熱結構來實現增益分布與熱管理的平衡，從而消除端面的熱效應。但是新一代激光武器、光電對抗裝備、光電探測等軍事應用對各類固體激光器提出了更高功率、更高光束質量、更高效率、更小體積的迫切要求，需要更有效的增益材質提高泵浦光注入功率，將激光晶體與泵浦源和冷卻熱沉等激光器元件融合，發展出結構緊湊、光束質量優異的固體激光器。

技術實現要素：

為了滿足對固體激光器更高功率、更高光束質量、更高效率、更小體積的需求，提供提高泵浦光注入功率，本發明提供了一種板條激光增益介質及其制備方法。

本發明提供的板條激光增益介質，包括：復合區，及分別位于所述復合區左右兩端的兩個非摻雜區；所述復合區包括三層，由上到下依次為上摻雜層、非摻雜層及下摻雜層；

所述非摻雜區及所述非摻雜層均由未摻雜激活離子的基質材料構成；

所述上摻雜層和所述下摻雜層均由摻雜激活離子的基質材料構成，在所述上摻雜層和所述下摻雜層中所述激活離子具有多種摻雜濃度。

本發明提供了一種板條激光增益介質的制備方法，當所述基質材料為激光晶體時，包括以下步驟：

將若干個摻雜單晶板的端面進行鍵合，得到激活離子具有多種摻雜濃度的單晶板；其中，所述摻雜單晶板為摻雜有激活離子的激光晶體；

將所述具有多種摻雜濃度的單晶板進行切割和拋光，分別得到上摻雜層和下摻雜層；

選擇第一非摻雜單晶板，將所述上摻雜層的水平面與所述第一非摻雜單晶板的水平面進行鍵合；

將所述第一非摻雜單晶板非鍵合的水平面進行減薄后精拋光，并與所述下摻雜層的水平面進行鍵合，得到復合區，將復合區的兩端進行拋光；

選擇兩個第二非摻雜單晶板，將兩個所述第二非摻雜單晶板分別與所述復合區的左右兩端進行端面鍵合，并進行拋光和切割。

本發明還提供了一種板條激光增益介質的制備方法，當所述基質材料為激光陶瓷時，包括以下步驟：

選擇若干個非摻雜陶瓷坯料、及若干個摻雜陶瓷坯料；

將若干個所述非摻雜陶瓷坯料和摻雜陶瓷坯料按照權利要求1～5任一項所述的板條激光增益介質的結構壓合在一起，進行燒結成型后，切割、減薄和精拋光。

本發明的有益效果如下：

本發明實施例設計了一種板條激光增益介質的復合結構，上摻雜層和下摻雜層為摻雜區，摻雜區集中在板條激光增益介質的表面，且上摻雜層和下摻雜層中所述激活離子具有多種摻雜濃度，這種多種摻雜濃度區的板條激光增益介質不僅可以大大提高泵浦吸收效率，還可以實現板條激光增益介質工作時產生的廢熱通過最短的路徑排出，從而保證了整個板條激光增益介質具有較高熱負荷特性，同時維持了板條足夠的剛性，利于光學精密加工。另外，由于板條具有中心不摻雜區，因此通光孔徑要比超薄板條大，有利于短脈沖激光運轉。

附圖說明

圖1是本發明裝置實施例的板條激光增益介質的縱剖圖；

圖2是本發明方法實施例的一種板條激光增益介質的制備方法的流程圖；

圖3是本發明方法實施例的另一種板條激光增益介質的制備方法的流程圖；

其中：1、上摻雜層；2、非摻雜層；3、下摻雜層；4、非摻雜區。

具體實施方式

為了滿足對固體激光器更高功率、更高光束質量、更高效率、更小體積的需求，提供提高泵浦光注入功率，本發明提供了一種板條激光增益介質及其制備方法，以下結合附圖以及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不限定本發明。

根據本發明的裝置實施例，提供了一種板條激光增益介質，圖1是本發明裝置實施例的板條激光增益介質的縱剖圖；如圖1所示，根據本發明裝置實施例的板條激光增益介質，包括：復合區，及分別位于所述復合區左右兩端的兩個非摻雜區；所述復合區包括三層，由上到下依次為上摻雜層、非摻雜層及下摻雜層；

所述非摻雜區及所述非摻雜層均由未摻雜激活離子的基質材料構成；

所述上摻雜層和所述下摻雜層均由摻雜激活離子的基質材料構成，在所述上摻雜層和所述下摻雜層中所述激活離子具有多種摻雜濃度。

具體地，所述板條激光增益介質的縱剖面為梯形或平行四邊形的板條狀結構，所述板條激光增益介質中所述復合區為立方體結構。

所述板條激光增益介質的端頭優選采用布氏角切割或45°角切割。

具體的，在所述上摻雜層和所述下摻雜層中激活離子的摻雜濃度為連續漸變或區域階變。目前受限于板條激光增益介質的摻雜技術，區域階變是最為可行的方案，通過合理設計板條摻雜區的長度、厚度以及摻雜濃度等參數保證泵浦光的充分吸收。

本發明實施例中所述基質材料優選為激光晶體、激光玻璃或激光陶瓷。

本發明實施例的多種摻雜濃度區的復合結構板條激光增益介質，其中所述的激活離子優選為Nd，也可以為其他各種類型離子(例如Yb離子、Er離子、Tm離子)以及依需要設計的各種摻雜濃度。

本發明實施例的多種摻雜濃度區的復合結構板條激光增益介質，其中所述的多種摻雜濃度區的摻雜區的厚度最好小于等于1mm，所述中間不摻雜區的厚度大于等于3mm，優選為3～5mm。

本發明裝置實施例的多種摻雜濃度區的復合結構板條激光增益介質，可以采用傳導冷卻技術進行冷卻，也可以采用冷卻液直接冷卻，較厚的板條結構在冷卻液直接沖刷時不易因震動而變形。

本發明裝置實施例的多種摻雜濃度區的復合結構板條激光增益介質，泵浦耦合設計可以采用端面泵浦，也可以采用大面泵浦。

本發明裝置實施例的多種摻雜濃度區的復合結構板條激光增益介質，該種結構板條摻雜區的摻雜濃度依據所設計板條的長度，摻雜區厚度，以及所需的吸收效率確定。

本發明裝置實施例的多種摻雜濃度區的復合結構板條激光增益介質，可以用在諧振腔中，連續運轉，脈沖運轉，調Q運轉；也可以作為放大器使用，采用行波放大、再生放大以及多程放大各種工作方式放大各種運轉方式的激光束。

本發明裝置實施例的多種摻雜濃度區的復合結構板條激光增益介質按照上述尺寸加工成型后配合適當的泵浦耦合技術、冷卻技術、諧振腔技術可以實現大于1KW的激光輸出。

本發明的多種摻雜濃度區的復合結構板條激光增益介質可以采用晶體的擴散鍵合、陶瓷的燒結、玻璃的熔接或薄膜的外延生長等方式來實現。

當所述基質材料為激光晶體時，根據本發明的方法實施例，提供了一種板條激光增益介質的制備方法，圖2是本發明方法實施例的一種板條激光增益介質的制備方法的流程圖，如圖2所示，根據本發明方法實施例的板條激光增益介質的制備方法包括如下處理：

步驟201，將若干個摻雜單晶板的端面進行鍵合，得到激活離子具有多種摻雜濃度的單晶板；其中，所述摻雜單晶板為摻雜有激活離子的激光晶體；

步驟202，將所述具有多種摻雜濃度的單晶板進行切割和拋光，分別得到上摻雜層和下摻雜層；

步驟203，選擇第一非摻雜單晶板，將所述上摻雜層的水平面與所述第一非摻雜單晶板的水平面進行鍵合；

步驟204，將所述第一非摻雜單晶板非鍵合的水平面進行減薄后精拋光，并與所述下摻雜層的水平面進行鍵合，得到復合區，將復合區的兩端面進行拋光；

步驟205，選擇兩個第二非摻雜單晶板，將兩個所述第二非摻雜單晶板分別與所述復合區的左右兩端進行端面鍵合，并進行切割、減薄和拋光。

具體的，當所述基質材料為激光晶體時，一種板條激光增益介質的制備方法包括以下步驟：

首先選擇厚度適宜精拋光的具有高低不同摻雜濃度的Nd：YAG單晶板若干塊，按照標準的擴散鍵合工藝，將這幾塊不同摻雜濃度的Nd：YAG單晶板按照低濃度、高濃度、低濃度的順序依次進行端面鍵合，得到一塊具有不同摻雜濃度的Nd：YAG單晶板，對此Nd：YAG單晶板進行切割加工并精拋光，獲得兩塊尺寸較薄的具有不同摻雜濃度的Nd：YAG單晶板。將其中一塊不同摻雜濃度Nd：YAG單晶板和一塊厚度適宜精拋光的YAG單晶板進行大面的鍵合，形成YAG—Nd：YAG結構單晶板，然后將其中的YAG單晶部分剪薄至所需厚度精拋光。然后再將另一塊不同摻雜濃度Nd：YAG單晶板與上述的YAG—Nd：YAG結構單晶板的YAG單晶面進行大面的鍵合，得到Nd：YAG—YAG—Nd：YAG結構的空心摻雜板條，將此摻雜板條的兩端面精拋光。然后選擇厚度適宜精拋光的YAG單晶板兩塊，分別和上述的Nd：YAG—YAG—Nd：YAG結構的空心摻雜板條的兩端進行端面鍵合，獲得了板條兩面中間位置具有不同摻雜濃度的Nd：YAG單晶板，最后將此Nd：YAG單晶板兩面的YAG—Nd：YAG—YAG單晶部分剪薄至所需厚度，切割端頭至所需角度及所需的板條長度，精拋光。

當所述基質材料為激光陶瓷時，根據本發明的方法實施例，提供了一種板條激光增益介質的制備方法，圖3是本發明方法實施例的另一種板條激光增益介質的制備方法的流程圖，如圖3所示，根據本發明方法實施例的板條激光增益介質的制備方法包括如下處理：

步驟301，選擇若干個非摻雜陶瓷坯料、及若干個摻雜陶瓷坯料；

步驟302，將若干個所述非摻雜陶瓷坯料和摻雜陶瓷坯料按照權利要求1～5任一項所述的板條激光增益介質的結構壓合在一起，進行燒結成型后，切割、減薄和精拋光。

具體的，當所述基質材料為激光陶瓷時，一種板條激光增益介質的制備方法包括以下步驟：

首先制備尺寸符合要求的YAG陶瓷坯料三塊以及高低不同摻雜濃度的Nd：YAG陶瓷坯料若干塊，將這幾塊坯料按照設計結構直接壓合在一起，然后按照標準激光陶瓷燒結工藝對坯料經行燒結，成型后減薄兩表面YAG—Nd：YAG—YAG陶瓷部分至所需厚度，切割端頭至所需要角度以及所需的板條長度，精拋光。

為了更加詳細的說明本發明實施例，給出實例1～實例3。

實例1

以Nd：YAG材料為例：采用單晶擴散鍵合的方法，首先將尺寸為30mm×26mm×6mm精拋光的Nd摻雜0.5at％、Nd摻雜1.0at％、Nd摻雜0.5at％的Nd：YAG單晶板依次進行26mm×6mm端面的鍵合，獲得一塊尺寸為90mm×26mm×6mm的具有不同摻雜濃度的Nd：YAG單晶板1，對Nd：YAG單晶板1進行切割加工及精拋光，獲得兩塊尺寸為90mm×26mm×1.2mm的具有不同摻雜濃度的Nd：YAG單晶板2和Nd：YAG單晶板3。將Nd：YAG單晶板2和一塊厚度為3.5mm精拋光的無摻雜YAG單晶板進行90mm×26mm大面鍵合，獲得有不同摻雜濃度的YAG—Nd：YAG單晶板4，對Nd：YAG單晶板4的無摻雜的YAG單晶部分剪薄至3mm，精拋光。然后再將Nd：YAG單晶板3和Nd：YAG單晶板4的無摻雜的YAG單晶面進行90mm×26mm大面鍵合，獲得Nd：YAG—YAG—Nd：YAG結構的Nd：YAG單晶板5。將Nd：YAG單晶板5的兩端精拋光后分別和兩塊尺寸為20mm×26mm×5.4mm的精拋光的無摻雜YAG單晶板進行26mm×5.4mm端面鍵合，最后形成兩面中間位置具有不同摻雜濃度Nd：YAG單晶板6。然后將Nd：YAG單晶板6兩面的YAG—Nd：YAG—YAG單晶部分剪薄至1mm，切割端頭至45度角以及尺寸為146mm×26mm×5mm的板條，精拋光。

實例2

以Nd：YAG材料為例：采用單晶擴散鍵合的方法，首先將尺寸為18mm×26mm×6mm精拋光的Nd摻雜0.3at％、Nd摻雜0.6at％、Nd摻雜1.0at％、Nd摻雜0.6at％、Nd摻雜0.3at％的Nd：YAG單晶板依次進行26mm×6mm端面的鍵合，獲得一塊尺寸為90mm×26mm×6mm的具有不同摻雜濃度的Nd：YAG單晶板1，對Nd：YAG單晶板1進行切割加工及精拋光，獲得兩塊尺寸為90mm×26mm×6mm的具有不同摻雜濃度的Nd：YAG單晶板2和Nd：YAG單晶板3。將Nd：YAG單晶板2和一塊厚度為3.5mm精拋光的無摻雜YAG單晶板進行90mm×26mm大面鍵合，獲得有不同摻雜濃度的YAG—Nd：YAG單晶板4，對Nd：YAG單晶板4的無摻雜的YAG單晶部分剪薄至3mm，精拋光。然后再將Nd：YAG單晶板3和Nd：YAG單晶板4的無摻雜的YAG單晶面進行90mm×26mm大面鍵合，獲得Nd：YAG—YAG—Nd：YAG結構的Nd：YAG單晶板5。將Nd：YAG單晶板5的兩端精拋光后分別和兩塊尺寸為20mm×26mm×6mm的精拋光的無摻雜YAG單晶板進行26mm×5.4mm端面鍵合，最后形成兩面中間位置具有不同摻雜濃度Nd：YAG單晶板6。然后將Nd：YAG單晶板6兩面的YAG—Nd：YAG—YAG單晶部分剪薄至1mm，精拋光，切割端頭為布氏角度以及尺寸為146mm×26mm×5mm的板條，精拋光。

實例3

采用陶瓷燒結工藝實現不同摻雜濃度板條的步驟是，首先制備尺寸為20mm×26mm×5.4mm的YAG陶瓷坯料兩塊、尺寸為90mm×26mm×3mm的YAG陶瓷坯料一塊，尺寸為30mm×26mm×1.2mm的Nd摻雜0.5at％的Nd：YAG陶瓷坯料四塊、尺寸為30mm×26mm×1.2mm的Nd摻雜1.0at％的Nd：YAG陶瓷坯料兩塊，九塊坯料按照圖1所示的順序排列組合后直接壓合在一起，然后按照激光陶瓷燒結工藝對坯料進行燒結，成型后剪薄兩面YAG—Nd：YAG—YAG陶瓷部分至1mm，切割端頭至45度角以及尺寸為146mm×26mm×5mm的板條，精拋光。

本發明實施例創新設計的多種摻雜濃度區復合結構板條激光增益介質，通過對板條激光增益介質的幾何構型與摻雜分布區的合理設計，使摻雜區的摻雜濃度實現連續漸變或區域階變，處理增益介質內部的廢熱，減小熱效應的影響，降低板條激光增益介質引起的被放大光束的波前畸變，同時提高增益介質端面的抗損傷能力，實現固體激光器的高功率、高光束質量的激光輸出。

除特殊說明外，本申請中涉及到的名詞作如下解釋：

Nd：釹

Yb：鐿

Er：鉺

Tm：銩

YAG：釔鋁石榴石

Nd：YAG：摻釹釔鋁石榴石

以上所述僅為本發明的實施例而已，并不用于限制本發明，對于本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的權利要求范圍之內。