專利名稱：具有高效率增益介質(zhì)的激光的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
此揭露內(nèi)容是關(guān)于用于高功率應(yīng)用的固態(tài)激光裝置。背景資訊激光是通過集中外部能量源成為特定波長與方向的光波而放大光線，使得造成的 光波是于空間上或時間上準直或同相。激光介質(zhì)可為氣體、液體、或固體狀態(tài)的材料，諸如 晶體。晶體激光介質(zhì)可摻雜另一種材料的原子以變更該激光介質(zhì)的性質(zhì)。如熟悉此技術(shù)人士為眾所周知，激光的基本操作原理是了解為如后當激光介質(zhì) 被供給能量，包含激光介質(zhì)的原子內(nèi)的電子是暫時提升至較高原子能階，該過程稱為激發(fā) (pumping)吸收。當高能量電子返回至較低能量狀態(tài)，原子通過在二個能階之間的間隔而發(fā) 射所決定的波長的光線。此過程是稱為刺激性或自發(fā)性發(fā)射，且發(fā)射過程期間所發(fā)射的可 見光是稱為熒光(fluorescence)。欲達成于特定波長的放大，刺激性發(fā)射事例的數(shù)目是必 須超過刺激性吸收事例的數(shù)目，稱為居量逆轉(zhuǎn)(population inversion)的條件需要相較于 下能階而維持較多的電子于上能階。此居量逆轉(zhuǎn)是通過“激發(fā)”具有外部能量源(諸如電流 或另一激光束)的激光而達成。通過容納激光介質(zhì)于其具有反射光線的內(nèi)部表面的盒或腔 部，由刺激性發(fā)射所產(chǎn)生的光波是共振于該腔部之內(nèi)且強化彼此以形成同調(diào)(coherent)、 準直的光束。因此，允許產(chǎn)生的同調(diào)的激光束的部分漏出通過腔部的一端。脈沖激光束是 可通過周期式中斷連續(xù)束而產(chǎn)生。典型的脈沖重復(fù)頻率是超過每秒100，000個脈沖或100 千赫茲。激光激發(fā)效率是由其定義為激發(fā)能量損失的百分比的“量子缺陷 (quantumdefect)”位準所表示。過量的能量是在激光介質(zhì)中作為熱量。量子缺陷百分比是 假定為q = (1-ω3/ωρ) · 100，其中，是關(guān)聯(lián)于激光能量轉(zhuǎn)變的頻率且ωρ是激發(fā)光線頻率。因此，低的量子缺 陷是合意的。就由強光源所激發(fā)的一種激光材料的情形而論，激發(fā)狀態(tài)吸收(ESA，eXCited state absorption)降低激發(fā)效率。因子Y = [1+( δ ν/Δ v) 2F1是運用以測量于發(fā)射與吸 收線之間的重疊，其中，Sν是于發(fā)射轉(zhuǎn)變與吸收轉(zhuǎn)變之間的頻率差異且Δν是具有激發(fā)二 極管光譜的半強度的全線寬度。小Y值是對應(yīng)于ESA轉(zhuǎn)變的低機率與關(guān)于ESA的高效率 激發(fā)方式。具有功率位準為數(shù)十瓦的高功率、二極管激發(fā)固態(tài)(DPSS，diode-pumpedsolid state)脈沖激光較佳是用于在諸如微機械加工、集成電路的通孔鉆孔、及紫外線(UV， ultraviolet)轉(zhuǎn)換的應(yīng)用。摻雜Nd3+的釩氧化物(VO4)所作成的釹釩酸釔(NchYVO4)與 釹釩酸釓(NchGdVO4)激光是用于高功率應(yīng)用的良好的候選者，因為其特征在于寬帶寬的 激發(fā)波長的高能量吸收系數(shù)。然而，釩酸鹽相較于其它的晶體候選者(例如釹釔鋁石榴 石(Nd:YAG))而具有不良的熱機械性質(zhì)，在于該種材料是堅硬且當受到熱應(yīng)力時為容易 破裂。釩酸鹽是在壓力53百萬帕斯卡(MPa)之下為破裂，而運用于習用激光的Nd: YAG晶 體是可承受高達138百萬帕斯卡的壓力。因此，Nd:YAG相較于釩酸鹽而允許對應(yīng)較大的最大激發(fā)功率。概括而言，由激光介質(zhì)所吸收的功率是自進入點而指數(shù)式減小，根據(jù)P = Ptl(IiaL),其中，Ptl是所施加的激發(fā)功率，α是吸收系數(shù)，且L是晶體桿(rod)的長度。若 激發(fā)功率較佳為沿著晶格的一個軸而吸收，于該軸的方向的吸收系數(shù)為較大。高功率激發(fā) 產(chǎn)生高溫度梯度與關(guān)聯(lián)的拉張應(yīng)力，其可能引起不對稱的“熱透鏡化(Iensing) ”效應(yīng)或晶 體破裂，尤其針對于不對稱吸收為嚴重。對稱吸收系數(shù)指出激發(fā)能量為同等地吸收于所有 方向，其可耗盡沿著增益介質(zhì)的熱量且相繼降低于晶體的過量熱應(yīng)力。NchYVO4晶體單位晶 格的固有結(jié)構(gòu)(具有沿著光軸的尺寸c = 6. 2人,其為不同于垂直于光軸的等效尺寸a = b =7.1人)是造成不對稱的吸收。熱透鏡化是關(guān)于高功率固態(tài)激光的通常為不合意的現(xiàn)象，其中，來自過量能量吸 收的熱量升高材料溫度且使得激光晶體的折射率為失真。此失真是造成有效的“透鏡”，其 中，焦距是隨著吸收的激發(fā)功率而逆向變化。過量的熱透鏡化是因為束失真與降低的激光 轉(zhuǎn)換效率而為不利于固態(tài)激光性能。于激光材料的熱透鏡化的適當控制(例如通過降低 量子缺陷位準)因此為于高功率激光工程的一個關(guān)鍵因素。 諸如熱透鏡化的復(fù)雜化是截至目前為已限制于TEMcitl模式的釩酸鹽DPSS激光的功 率輸出至小于30瓦(W)。由熱透鏡化與熱破裂所引起的限制是描述于Xiaoyuan Peng.Lei Xu、與Anand Asundi的論文“二極管激發(fā)Nd:YVO4激光的功率標度化”(量子電子學的IEEE 期刊，第38冊，第9號，第1291至1299頁，公元2002年9月)。影響非均勻吸收、熱透鏡化、與熒光壽命的因素是包括激光晶體的摻雜濃度與實 際尺寸、以及激發(fā)波長與極化。運用于釩酸鹽晶體的典型的激發(fā)波長是808奈米，且典型的 摻雜濃度是0. 2% at.至0. 5% at.，而低于0. 1 % at.的數(shù)值是難以由目前的制程所提供 的控制程度所達成。典型的晶體桿長度范圍為自7毫米至15毫米。釩酸鹽晶體是各向異性材料，其中，激發(fā)能量吸收(且因此激光增益)是極化相 依，某些極化波是相較于其它者而為較容易吸收。響應(yīng)于溫度波動(熱效應(yīng))、或于極化方 向的隨機的移位，于激發(fā)激光束的極化狀態(tài)的變化是可能因此進而促成非均勻的吸收?？?以具有優(yōu)勢的是強制激發(fā)激光束為極化于某方向或去極化，以控制此效應(yīng)。于熱透鏡化效應(yīng)的40%降低是由Dudley等人(CLE0 2002公報)所描述，通過直 接激發(fā)于880奈米至激光轉(zhuǎn)變的上能階而非為于傳統(tǒng)的808奈米波長。于熱透鏡化效應(yīng)的 此降低是視為于量子缺陷位準的自24%至17%的減小所造成而并非為改良的吸收對稱性 所造成，因為吸收系數(shù)的方向分量仍然差異了三倍。然而，相較于其提供4奈米頻寬的商 品，于880奈米的激發(fā)所遞送的吸收頻寬是僅為2. 5奈米。McDonagh 等人于 Optics Letters 第 31 冊第 22 號(公元 2006 年 11 月 15 日)是 發(fā)表針對于激發(fā)于888奈米的具有0. 5% at. Nd3+摻雜的一種高功率NchYVO4激光的結(jié)果。 參照

圖1，針對于Nd = YVO4的激光波長通常包括914. 5奈米、1064奈米、與1342奈米。如由 A. Schlatter等人于Optics Letters第30冊第1號(公元2005年1月1日)所發(fā)表，當 操作NchYVO4以發(fā)射于914. 5奈米，釹離子是作用為準三階系統(tǒng)。低激光能階Z5是僅為高 于接地狀態(tài)的433CHT1，條件為造成于室溫的5%的高較低狀態(tài)居量。因此，Schlatter結(jié) 論在于達成于914. 5奈米的NchYVO4激光是存在難度，因為極亮的激發(fā)光源是需要以克服 于433cm—1狀態(tài)的高居量所引起的高臨限。
圖2、3、4、與5是說明釩酸鹽晶體的某些限制。一個主要限制是最大激發(fā)功率， 其是可為遞送至晶體而在其破裂之前的激發(fā)能量的量。圖2是繪圖，針對于3毫米X3毫 米X 5毫米的摻雜的釩酸鹽晶體且具有0. 4毫米的激發(fā)束半徑，比較計算的最大激發(fā)功率 階層100與測量的最大激發(fā)功率階層102。于晶體性質(zhì)的破裂限制的激發(fā)功率的相依性是 適當建立。于此情形，晶體尺寸、激發(fā)束半徑、激發(fā)波長、與激光活性離子摻雜濃度決定激光 裝置的功率操作范圍。圖2是比較計算結(jié)果與三個實驗資料點104，其指出針對于種種摻雜 濃度而釩酸鹽晶體于其為實際破裂的激發(fā)功率。運用以預(yù)測于圖2所示的曲線的計算是一 種三維的有限元素模型，其通過求解傅立葉(Fourier’ s)熱傳導方程式以仿真激發(fā)摻雜晶 體的熱效應(yīng)。圖2是顯示的是低摻雜濃度是合意以防止破裂，0.3% at.摻雜濃度是最佳， 允許37瓦W的最大激發(fā)功率。圖3是顯示的是針對于施加的激發(fā)功率30瓦(低于自圖 2的最大值)，通過激發(fā)其具有0. 5%摻雜濃度的釩酸鹽激光所達成的預(yù)測的輸出功率108 是最佳化于9瓦。于圖2與3的結(jié)果是運用于808奈米的習用激發(fā)波長的二極管激光激發(fā) 而得到。圖4與5是顯示其沿著作為激光增益介質(zhì)的15毫米釩酸鹽晶體桿的長度的激發(fā) 功率的空間分布。實線110與虛線112是于沿著桿(a類型(a-cut))長度的不同點而分別 描繪針對于極化于a軸方向所吸收的平均功率、及針對于極化于晶體桿c軸所吸收的平均 功率。理想的晶體桿是呈現(xiàn)對稱的功率吸收，其中，實線與虛線曲線是均為平坦線而重合為 沿著桿全長。釩酸鹽晶體桿是具有不對稱的功率吸收，且平均為具有針對于極化于c軸方 向所吸收的較多功率。再者，當激發(fā)功率是施加至激光增益介質(zhì)的末端，較多的功率是吸收 于接近末端處而較少的功率是到達中央，即稱為“末端凸起(end-bulging) ” 120的情況。 此均適用于c軸與a軸；然而，較極端的末端凸起122是發(fā)生于c方向。當摻雜位準為增大 自0. 3% at.(圖5)至0. 5% at.(圖5)，于末端凸起124的降低與于不對稱性126的降低 均發(fā)生。相較于a軸方向，于激光晶體的橫截面的整體溫度梯度是于c軸方向為較大。揭露摘要通過最佳化操作參數(shù)，離子摻雜的釩酸鹽激光是可增強以產(chǎn)生于例如1064奈米 的TEMcitl模式的輸出功率100瓦或更大而無晶體破裂，而且降低熱透鏡化40%。已經(jīng)確定 的是由a-與C-吸收系數(shù)所描述的沿著正交晶格軸的能量吸收的程度是可通過設(shè)定激發(fā) 波長至914. 5奈米而作成為對稱，且此對稱性是維持于范圍的摻雜濃度。先前發(fā)現(xiàn)的于880 奈米與888奈米的于熱透鏡化的40%降低持續(xù)于914. 5奈米，而且量子缺陷位準于914. 5 奈米降低。以下表格是比較針對于不同激發(fā)波長的1064奈米釹激光的量子缺陷位準
權(quán)利要求
一種產(chǎn)生具有高效率的激光輸出發(fā)射的輸出波長的方法，其響應(yīng)于遞送至激光介質(zhì)的激發(fā)波長的光學激發(fā)能量，包含構(gòu)成包括釩酸鹽晶體的激光介質(zhì)，其產(chǎn)生激光輸出能量的發(fā)射以響應(yīng)于光學激發(fā)能量的遞送，該釩酸鹽晶體的特征在于摻雜稀土離子的多角形晶體結(jié)構(gòu)；及遞送至該激光介質(zhì)的激發(fā)波長的光學激發(fā)能量設(shè)定至一數(shù)值，該數(shù)值是建立在對應(yīng)于該光學激發(fā)能量與于輸出波長的激光輸出能量之間的差異的低量子缺陷且展現(xiàn)于該釩酸鹽晶體的多角形晶體結(jié)構(gòu)的一般對稱能量吸收。
2.如權(quán)利要求1的方法，其中，該釩酸鹽晶體的進一步特征為激光活性離子摻雜濃度， 其中該激發(fā)波長設(shè)定的數(shù)值使該釩酸鹽晶體展現(xiàn)小于2cm—1的標稱能量吸收系數(shù)，且其中 該激光介質(zhì)的構(gòu)成是更包含設(shè)定該離子摻雜濃度至數(shù)值，其補償于該激發(fā)波長數(shù)值所展 現(xiàn)的光學激發(fā)能量的標稱能量吸收系數(shù)。
3.如權(quán)利要求1的方法，其中，該釩酸鹽晶體的進一步特征是在數(shù)值約0.5% at與約 3.0% at.之間的激光活性離子摻雜濃度。
4.如權(quán)利要求3的方法，其中，該離子摻雜濃度的數(shù)值設(shè)定為約1.5%或更高。
5.如權(quán)利要求3的方法，其中，該離子摻雜濃度的數(shù)值是由釹離子摻雜于釔基質(zhì)所建立。
6.如權(quán)利要求3的方法，其中，該離子摻雜濃度的數(shù)值是由釹離子摻雜于釓基質(zhì)所建立。
7.如權(quán)利要求3的方法，其中，該離子摻雜濃度的數(shù)值是由釹離子摻雜于鎦基質(zhì)所建立。
8.如權(quán)利要求3的方法，其中，該離子摻雜濃度的數(shù)值是由釹離子摻雜于釓與釔混合 基質(zhì)所建立。
9.如權(quán)利要求1的方法，其中，該激發(fā)波長的數(shù)值是在約910奈米與約920奈米之間。
10.如權(quán)利要求9的方法，其中，該激光輸出能量的發(fā)射是產(chǎn)生在約1064奈米。
11.如權(quán)利要求9的方法，其中，該激光輸出能量的發(fā)射是產(chǎn)生在約1342奈米。
12.如權(quán)利要求1的方法，其中，該釩酸鹽晶體的進一步特征為具有激光模式尺寸的激 光模式，其中，該釩酸鹽晶體形成于其具有桿長度與橫截面面積的桿的形狀，且該激光介質(zhì) 的構(gòu)成是更包含設(shè)定該桿長度至一數(shù)值，該數(shù)值為足夠以吸收該光學激發(fā)能量；及 設(shè)定該橫截面面積至一數(shù)值，該數(shù)值為實質(zhì)等于該激光模式尺寸，使得該光學激發(fā)能 量實質(zhì)地重疊于該激光模式，且因此抑制較高階的模式以提供具有高質(zhì)量的束形狀的激光 輸出能量。
13.如權(quán)利要求12的方法，其中，該桿長度是大于40毫米。
14.如權(quán)利要求12的方法，其中，該桿的橫截面是八角形狀者。
15.如權(quán)利要求1的方法，更包含遞送至激光介質(zhì)的輸出波長的種子激光輸出能量， 使得激光輸出能量是大于種子激光輸出能量。
16.如權(quán)利要求15的方法，其中，該種子激光輸出能量是由二極管激發(fā)固態(tài)激光所發(fā)射。
17.如權(quán)利要求15的方法，其中，該種子激光輸出能量是由光纖激光所發(fā)射。
18.如權(quán)利要求15的方法，其中，該種子激光輸出能量是由半導體激光所發(fā)射。
19.如權(quán)利要求1的方法，其中，該激光輸出發(fā)射是傳播自激光腔。
20.如權(quán)利要求1的方法，其中，該激光輸出發(fā)射是傳播自激光功率放大器。
全文摘要
高功率、二極管激發(fā)固態(tài)(DPSS)脈沖激光較佳地是用于諸如微機械加工、集成電路的通孔鉆孔、及紫外線(UV)轉(zhuǎn)換的應(yīng)用。Nd:YVO4(釩酸鹽；vanadate)激光是用于高功率應(yīng)用的良好的候選者，因為其特征在于寬帶寬的激發(fā)波長的高能量吸收系數(shù)。然而，釩酸鹽具有不良的熱機械性質(zhì)，其中該種材料為堅硬且當受到熱應(yīng)力時為容易破裂。通過最佳化激光參數(shù)且選擇激發(fā)波長及摻雜增益介質(zhì)(240)的濃度以控制吸收系數(shù)為小于2cm-1(諸如在約910奈米與約920奈米之間的激發(fā)波長(241))，摻雜的釩酸鹽激光(237，240)是可增強以產(chǎn)生如同100瓦之多的輸出功率(236)而未使得晶體材料破裂，而且實現(xiàn)了于熱透鏡化的40％的降低。
文檔編號H01S3/091GK101981766SQ200980111017
公開日2011年2月23日 申請日期2009年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月28日
發(fā)明者任文生, 彭曉原 申請人:伊雷克托科學工業(yè)股份有限公司