本發(fā)明屬于激光晶體，具體涉及一種曲面板條激光晶體元件。

技術(shù)背景

高功率大能量固體激光需要大尺寸激光晶體元件作為激光工作物質(zhì)，尤其以摻雜YAG的激光晶體如Nd:YAG、Yb:YAG等是當(dāng)前高功率大能量固體激光的首選工作物質(zhì)。為了獲得高功率和大能量激光輸出，需要使用大尺寸板條、長(zhǎng)棒作為激光工作物質(zhì)。大尺寸YAG激光晶體毛坯一般采用感應(yīng)加熱的提拉法生長(zhǎng)，存在核心和側(cè)心，故作為YAG晶體元件一般都先以晶體毛坯的中心、沿徑向夾角為120°的平面(側(cè)心位于該平面上)所切割下來(lái)的三個(gè)“瓣”中選料，避開(kāi)核心和側(cè)心，從而加工所需要的板條和長(zhǎng)棒元件。另外一方面，對(duì)于Nd摻雜、Ce和Nd共摻雜的YAG激光晶體來(lái)說(shuō)，有Nd、Ce在YAG中的有效分凝系數(shù)很小，而穩(wěn)定的晶體生長(zhǎng)都是以凸界面生長(zhǎng)的，從而導(dǎo)致在晶體毛坯棒的橫截面上，摻雜離子的濃度是不均勻的，由內(nèi)而外是逐步變高，等濃度線(xiàn)為以晶體毛坯中心點(diǎn)為圓心的同心圓。因此，在YAG的三個(gè)瓣中取料所加工出的板條和長(zhǎng)棒來(lái)說(shuō)，在板條的寬度方向、棒的徑向方向來(lái)說(shuō)，濃度都不是均勻的，也不是對(duì)稱(chēng)的。如果這種不均勻性達(dá)到一定程度，可嚴(yán)重影響激光光速質(zhì)量。

對(duì)于棒狀激光工作物質(zhì)而言，一方面，在現(xiàn)有的YAG晶體毛坯的三個(gè)“瓣”上所能加工出的激光棒最大直徑受限于瓣的尺寸，同時(shí)，棒的直徑越大，棒的熱管理就越困難，棒的均勻冷卻就越困難。棒冷卻的不均勻不僅降低了激光的光束質(zhì)量，還限制了棒的激光輸出功率密度，還有可能產(chǎn)生過(guò)大的熱溫度梯度，導(dǎo)致過(guò)大的熱應(yīng)力引起激光棒的開(kāi)裂，使得激光器工作失效。

對(duì)于現(xiàn)有的矩形板條激光工作物質(zhì)而言，板條的縱向方向一般和晶體毛坯的縱向方向一致，寬度方向一般與“瓣”的橫截面上的弦一致(如圖1所示)，加工板條的寬度受限于YAG毛坯“瓣”截面的弦長(zhǎng)的尺寸，由于晶體毛坯截面上的摻雜濃度是不均勻的，因而矩形板條截面上的濃度是不均勻的，等濃度曲線(xiàn)為截面上些弧線(xiàn)，這會(huì)引起板條的折射率、應(yīng)力的步均勻。

為了能獲得大尺寸的激光晶體元件，維持良好的光學(xué)均勻性，且有利于在工作中均勻冷卻，本發(fā)明提出了一種全新的曲面板條，與現(xiàn)有的板條的主要區(qū)別為板條的大面是曲面，而現(xiàn)有的激光晶體板條元件的大面為平面。曲面板條的兩個(gè)弧面可沿YAG晶體毛坯的徑向等濃度線(xiàn)切割，較矩形板條的濃度均勻性會(huì)更高，如果曲面板條很薄，橫截面上的濃度差會(huì)很小，能具有很高的濃度均勻性；曲面板條較激光棒而言，會(huì)更容易冷卻均勻，有利于獲得高光束質(zhì)量的激光。另外，由于板條大面為弧面，位于避開(kāi)側(cè)心和核心的“瓣”上，所能獲得的YAG板條面積將大于矩形平面板條所能獲得面積，從而可以承載更高功率的激光。另外一方面，當(dāng)板條單獨(dú)使用時(shí)，具有平面板條的激光特性，但具有均勻性更高、體積更大的優(yōu)點(diǎn)；如果數(shù)塊板條組成圓桶狀排布使用，則具有類(lèi)似“空心”激光棒的特點(diǎn)，便于充分冷卻，在提高功率輸出的同時(shí)保持好的光束質(zhì)量，有利于高功率大能量的激光輸出。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種曲面板條激光晶體元件，其特征在于：所述的板條具有兩個(gè)同中心軸的彎曲弧面作為板條的內(nèi)、外表面，作為內(nèi)、外表面的彎曲弧面的曲率半徑分別為r、R，且R>r，作為內(nèi)、外表面的彎曲弧面對(duì)應(yīng)中心軸的弧角度可以相同也可以不同。

沿垂直中心軸的徑向?qū)λ霭鍡l進(jìn)行剖面，得到的剖面可以是梯形也可以是平行四邊形。

所述的作為內(nèi)、外表面的彎曲弧面的兩端之間的面組成板條的兩個(gè)端面，所述的作為內(nèi)、外表面的彎曲弧面兩側(cè)之間的面組成板條的兩個(gè)側(cè)面。

所述的兩個(gè)端面可以作為振蕩激光輸入輸出端面，也可以作為泵浦端面，當(dāng)作為激光輸入輸出端面時(shí)，所述的端面與作為內(nèi)表面的彎曲弧面的夾角γ取值滿(mǎn)足如下條件：

設(shè)板條的折射率為n ，振蕩激光的入射角為i ，則arcsin(1/n )-arcsin[(sin i )/n]≤γ≤90°，其中，arcsin(x)或arcsin[x]表示去正弦值為x的正弦反三角函數(shù)，sin(x)表示角度x的正弦。

所述的兩個(gè)端面需要進(jìn)行精密研磨和拋光，光潔度優(yōu)于20/10，平面度優(yōu)于λ/4，其中λ=632.8nm，粗糙度優(yōu)于0.5nm。

當(dāng)采用彎曲弧面作為閃光燈泵浦面時(shí)，所述的兩個(gè)側(cè)面和兩個(gè)彎曲弧面需要進(jìn)行精密研磨和粗拋，粗糙度為10μm ~200μm；當(dāng)采用彎曲弧面作為激光二極管(LD)泵浦面時(shí)，所述的兩個(gè)彎曲弧面需要精密研磨和精密拋光，光潔度需要優(yōu)于20/10，粗糙度優(yōu)于10nm，兩個(gè)側(cè)面需要進(jìn)行精密研磨和粗拋，粗糙度為10μm ~200μm。

所述的端面和側(cè)面、側(cè)面和彎曲弧面之間的棱均需要進(jìn)行45°角的倒邊保護(hù)，倒邊寬度為0.5mm~2mm。

可以使用一塊所述的板條單獨(dú)作為激光工作物質(zhì)。

可以使用數(shù)塊相同規(guī)格的所述板條組合作為激光工作物質(zhì)，此時(shí)所述各板條的中心軸線(xiàn)位置保持一致，板條側(cè)面間的間隙保持一致即可。

本發(fā)明的有益效果：

本發(fā)明提供的曲面板激光工作物質(zhì)，較激光棒而言，會(huì)更容易冷卻均勻，有利于獲得高光束質(zhì)量的激光。另外，由于板條大面為弧面，位于避開(kāi)側(cè)心和核心的“瓣”上，所能獲得的YAG板條面積將大于矩形平面板條所能獲得面積，從而可以承載更高功率的激光。再者，該曲面板激光工作物質(zhì)可以單獨(dú)使用，也可以組合使用，當(dāng)單獨(dú)使用時(shí)，具有平面板條的激光特性，但具有均勻性更高、體積更大的優(yōu)點(diǎn)；當(dāng)組合使用時(shí)，各板條的中心軸線(xiàn)位置保持一致，板條側(cè)面間的間隙保持一致組成圓桶狀排布，則具有類(lèi)似“空心”激光棒的特點(diǎn)，便于充分冷卻，在提高功率輸出的同時(shí)保持好的光束質(zhì)量，有利于高功率大能量的激光輸出。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明作為內(nèi)、外表面的彎曲弧面對(duì)應(yīng)中心軸的弧角度是α<β的時(shí)的板條俯視圖；

圖2為本發(fā)明作為內(nèi)、外表面的彎曲弧面對(duì)應(yīng)中心軸的弧角度是α=β的情形；

圖3為本發(fā)明作為內(nèi)、外表面的彎曲弧面對(duì)應(yīng)中心軸的弧角度是α>β的情形；

圖4為本發(fā)明沿垂直中心軸的徑向?qū)λ霭鍡l進(jìn)行剖面，得到的剖面的是梯形的情形；

圖5為本發(fā)明沿垂直中心軸的徑向?qū)λ霭鍡l進(jìn)行剖面，得到的剖面的是平行四邊形的情形；

圖6為本發(fā)明剖面是梯形時(shí)的端面激光入射圖；

圖7為本發(fā)明剖面是平行四邊形時(shí)的端面激光入射圖；

實(shí)施案例

如圖1-3所示，一種曲面板條激光晶體元件，其特征在于：所述的板條具有兩個(gè)同中心軸的彎曲弧面作為板條的內(nèi)、外表面，如圖1-3中的面2和面1，作為內(nèi)、外表面的彎曲弧面的曲率半徑分別為r、R，且R>r，作為內(nèi)、外表面的彎曲弧面對(duì)應(yīng)中心軸的弧角度α、β，可以相同也可以不同，其中圖1是α<β的情形，圖2是α=β的情形，圖3實(shí)時(shí)α>β的情形。

當(dāng)沿垂直中心軸的徑向?qū)λ霭鍡l進(jìn)行剖面，得到的剖面可以是梯形，如圖4所示，也可以是平行四邊形如圖5所示。

所述的作為內(nèi)、外表面的彎曲弧面的兩端之間的面組成板條的兩個(gè)端面，如圖3中的面5和面6，所述的作為內(nèi)、外表面的彎曲弧面兩端之間的面組成板條的兩個(gè)側(cè)面，如圖4和圖5中所示的面3和面4。

所述的兩個(gè)端面圖3中的面5和面6可以作為振蕩激光輸入輸出端面，也可以作為泵浦端面，當(dāng)作為激光輸入輸出端面時(shí)，所述的端面與作為內(nèi)表面的彎曲弧面的夾角γ取值滿(mǎn)足如下條件：

設(shè)板條的折射率為n ，振蕩激光的入射角為i ，當(dāng)沿垂直中心軸的徑向?qū)λ霭鍡l進(jìn)行剖面，得到的剖面是如圖3所示的梯形，振蕩激光的入射角為i 如圖6所示，得到的剖面是如圖4所示的平行四邊形，振蕩激光的入射角為i 如圖7所示，此時(shí)，arcsin(1/n )-arcsin[(sin i )/n ]≤γ≤90°，其中，arcsin(x)或arcsin[x]表示去正弦值為x的正弦反三角函數(shù)，sin(x)表示角度x的正弦。

所述的兩個(gè)端面需要進(jìn)行精密研磨和拋光，光潔度優(yōu)于10/20，平面度優(yōu)于λ/4，其中λ=632.8nm，粗糙度優(yōu)于0.5nm；

所述的兩個(gè)側(cè)面和彎曲弧面需要進(jìn)行精密研磨和粗拋，光潔度優(yōu)于10/20，粗糙度為10μm ~200μm。

所述的兩個(gè)彎曲弧面需要進(jìn)行精密研磨拋光，粗糙度優(yōu)于50nm。

所述的端面和側(cè)面、側(cè)面和彎曲弧面之間的棱均需要進(jìn)行45°角的倒邊保護(hù)，倒邊寬度為0.5mm~2mm。

可以使用一塊所述的板條單獨(dú)作為激光工作物質(zhì)。

可以使用數(shù)塊相同規(guī)格的所述板條組合作為激光工作物質(zhì)，所述各板條的中心軸線(xiàn)位置保持一致，板條側(cè)面間的間隙保持一致即可。

下面以使用<111>方向生長(zhǎng)的?130mm×120mm的(1.0at%)Nd:YAG晶體來(lái)加工三片厚度為5mm、長(zhǎng)度為115mm、端面曲面成50°的曲面板條為例進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。首先將Nd:YAG垂直于<111>方向切去頭尾，長(zhǎng)度預(yù)留為120mm，將而端面拋光后，在應(yīng)力儀下觀察其側(cè)心和核心，沿三個(gè)側(cè)心方向?qū)d:YAG從中心用線(xiàn)切割切為三瓣，為避開(kāi)側(cè)心，每個(gè)瓣的角度取100°。對(duì)每一個(gè)瓣，先用內(nèi)徑為?124.4mm、鍍有金剛石粉的鉆頭，沿縱向掏出一個(gè)外弧度半徑為62.2mm的弧面，然后用外徑為?113.6mm、鍍有金剛石粉的鉆頭沿縱向掏出一個(gè)內(nèi)弧度半徑為56.8mm的弧面。由此得到曲面板條毛坯。采用傳統(tǒng)的光學(xué)冷加工研磨拋光技術(shù)，相將板條的兩端面均研磨成與內(nèi)表面與端面成50.1°的面。然后進(jìn)行精磨和精拋，板條的端面光潔度達(dá)到5/10，粗糙度達(dá)到5?，平面度達(dá)到λ/8，而內(nèi)外彎曲表面粗糙度達(dá)到10μm，內(nèi)表面曲率半徑為57mm，外表面曲率半徑達(dá)到62mm，板條的內(nèi)部弧的寬度為10.1mm，外部弧的寬度為10.8mm。