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键合激光晶体介绍 | 原理与粘合工艺

产品名称：键合激光晶体
简化化学式：

  1. 对于Nd:YAG+Cr:YAG晶体： Nd :YAG（Nd:Y₃Al5O₁2） + Cr:YAG（Cr:Y₃Al₅O₁2）
  2. 对于YAG+Nd:YAG+Cr:YAG 晶体： YAG (Y₃Al₅O₁₂) + Nd :YAG (Nd:Y₃Al₅O₁₂) + Cr:YAG (Cr:Y₃Al₅O₁₂)

材质成分：

  1. 对于Nd:YAG+Cr:YAG晶体：（成分：钇41.2%、铝20.8%、氧37.0%、稀土0.6 %、铬0.4 % ）
  2. 对于YAG+Nd:YAG+Cr:YAG 晶体：（成分：钇 41.2%、铝 20.8%、氧 37.0%、钕 0.5%、铬：0.5%）

产品图片：

键合激光晶体

  1. 产品概述：

键合激光晶体，又称扩散键合激光晶体，是通过一种特殊的工艺，即扩散键合技术，将不同的激光晶体物理连接起来而制成的复合晶体材料。其原理如下：

由独立的成品晶体连接而成：键合激光晶体由预先生长的独立晶体组成，这些晶体像拼接积木一样紧密连接。

连接过程是一种物理结合，不会产生新的物质：所使用的“扩散键合”技术是一种高温高压工艺。该过程只是在原子层面上将晶体的接触面结合在一起，引发化学反应。它不会改变单个晶体的原始化学成分和物理结构，也不会产生任何新的化学成分。

在这两种独立的晶体中，钇元素都以一种非常稳定、不可分离的化学状态（与铝和氧等元素以化学键结合）存在于晶体结构中，而非以单一元素或简单化合物的形式存在。键合过程不会改变这种稳定状态。

键合激光晶体的常见搭配有两种：

  1. Nd:YAG+Cr:YAG键合激光晶体，用于产生1064nm调Q激光
  2. YAG+Nd:YAG+Cr:YAG键合激光晶体，也用于产生1064nm Q开关激光，但额外的YAG成分作为端盖来散热并提高热稳定性。

其他成分包括：
YAG+Nd:YAG+YAG
YAG+Cr4+:YAG
YAG+Nd:YAG
YAG+Nd:YAG+Cr4+:YAG+YAG
YAG+Cr4+:YAG+Nd:Ce:YAG+YAG
YVO4+钕:YVO4+YVO4

Shalom EO 均有提供这些材料。Nd 的掺杂比例也可根据客户要求进行调整。但在 Shalom EO 的这篇文章中，我们仅讨论 Nd:YAG+Cr:YAG 或 YAG+Nd:YAG+Cr:YAG 作为两个常见示例。

下面分别对两种键合激光晶体进行描述：

  1. Nd:YAG+Cr:YAG键合激光晶体，组成：
  1. 钇铝石榴石晶体（Nd:YAG）

钇铝石榴石 (YAG)，化学式简化为Nd:YAG ，是由三价负离子 (Nd³⁺) 掺入 YAG 晶格而形成的。它在复合激光棒中充当激光介质。在泵浦下，YAG发射 1064 nm 激光，具有高量子效率、长荧光寿命和优异的热机械性能。

  1. 镀铬钇铝石榴石晶体（Cr :YAG）

铝镀石榴石晶体，化学名称为Cr:YAG ，是在YAG中镀上铬离子（Cr⁴⁺）制成的吸收体。它在复合激光棒中起调Q作用，实现激光脉冲输出。其物理化学性质与YAG晶体一致，具有较高的损伤阈值和优异的热稳定性。

扩散键合晶体充分利用了Nd：YAG的高激光增益特性和Cr：YAG相应的吸收特性，实现了高效、简便、高损伤阈值的激光输出。

Nd:YAG+Cr:YAG激光晶体键合棒保留了YAG基体的立方结构，具有光学各向同性、高机械性能（莫氏硬度约8.5）、高熔点（约1950℃）以及耐水、耐常见酸碱等特点。其结构稳定性使其适用于高功率激光器和高重复频率脉冲激光器。

  1. YAG+Nd:YAG+Cr:YAG键合激光晶体，组成：
  2. 钇铝石榴石晶体（YAG）

钇铝石榴石 (YAG) 晶体，化学式简化为YAG ，具有立方结构，光学各向同性优异，硬度高（莫氏硬度约为 8.5），熔点高（约 1950°C），化学稳定性好。YAG 不溶于水和常见的酸碱。在YAG 晶体键合棒中，YAG 通常用作端盖，起到散热和防止端面损坏的作用。

  1. 掺钕钇铝石榴石（Nd:YAG）

 

  1. 掺铬钇铝石榴石晶体（Cr :YAG）

YAG+Nd:YAG+Cr:YAG激光棒与Nd:YAG+Cr:YAG激光棒相比，增加了YAG段作为端盖，在以下几个方面进行了优化：
热量管理：当激光器被泵浦（由灯或二极管激发）时，Nd:YAG 增益介质会吸收能量，但并非所有能量都会转化为激光；相当一部分能量会转化为热量。这些热量集中在泵浦光进入的端面附近。未掺杂的 YAG 端盖由于其高导热性（YAG 晶体的一个关键特性）而可充当有效的散热器。

降低热透镜效应/应力：通过将热量从激发区带走，YAG 帽可降低激光棒横截面上的温度梯度。这最大限度地减少了热透镜效应（由于热量导致的折射率变化，从而导致光束畸变）和热应力，从而获得更高质量的光束和更稳定的激光器运行，尤其是在高功率或高重复率下。

晶体的生长：
YAG晶坯生长： YAG晶坯生长采用提拉法，这是一种高温化学反应工艺。将高纯度氧化钇（Y₂O₃）和氧化铝（Al₂O₃）按3:5的摩尔比混合，放入高温炉中加热至完全熔化。然后采用提拉法从熔体中缓慢拉制出YAG籽晶。通过精确控制温度梯度、拉晶速率和转速，使熔体在籽晶上重结晶，从而生长出完整的YAG单晶。整个生长过程包括原料熔化、晶体成核、等径生长、退火冷却等关键步骤。
掺钕钇铝石榴石( Nd:YAG) 晶体毛坯是将高纯度Y₂O₃ 、 Al₂O₃ 和 Nd₂O₃按精确比例混合而成。然后将它们在超过 1970°C 的温度下熔化（通常在惰性或还原气氛下的钼坩埚中）。这种高温化学反应形成均匀的 Nd:YAG 熔体，然后使用提拉法生长。生长过程包括原材料预处理和配料、高温熔化和化学反应、引晶、缩颈和缩肩、均匀直径生长以及退火。整个过程需要精确控制 Nd³⁺ 掺杂浓度，以确保整个晶体中离子分布均匀。
Cr掺杂YAG晶体生长： Cr掺杂YAG晶体的制备同样是通过高温化学反应实现的：将Y₂O₃、Al₂O₃、Cr₂O₃按设计比例混合，在高温炉中加热至1970℃以上熔化，然后采用提拉法生长。关键在于精确控制生长气氛和温度场，确保Cr离子以所需的价态和浓度进入YAG晶格。

扩散键合工艺
利用扩散键合技术将晶体连接在一起，形成Nd:YAG+Cr:YAG键合晶棒。扩散键合是一种无需改性剂即可连接不同晶体的物理技术。首先，将两块晶体的接触面精密加工成原子级光栅，并使其紧密对齐。高温热处理使界面处的原子相互扩散，形成永久的刚性键合。
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键合激光晶体常根据客户要求制成直径、长度的棒状，发光面需经过精密抛光，并镀上增透膜。

  1. 工作原理：

复合激光棒的工作原理是基于其组成晶体的协同效应，通过精确的能级设计和光学结构，实现高效的脉冲激光输出，具体输出波长为1064nm 。

键合晶体棒经过精密加工和适当的光学镀膜后，与高反镜、输出镜等部件组合安装在激光腔内。当通过卤素灯或激光二极管等泵浦源向键合晶体棒输入能量时，键合晶体棒输出1064nm的脉冲激光。

  1. 生产流程：
  2. 晶坯生长

 

  1. 键合前：使用金刚石线锯对组成晶体的毛坯进行初步切割，以获得所需的几何形状。然后对每个晶体接触面进行精密抛光和超声波清洗，以达到原子级的状态和清洁度。
  1. 扩散键合是一种晶体连接工艺：在超洁净环境中，将组成晶体在高温炉中精确对准和定位。在特定温度（约 1000-1200°C）和压力下，原子在界面处扩散，形成具有优异光学性能的间歇键。这种物理键合依赖于范德华力。

 

  1. 消除：粘合完成后，应缓慢进行，以方便消除。
  1. 精密加工：采用铣削、磨削、抛光等精密加工工艺，确保晶体满足严格的几何公差和优异的光学表面质量。

 

6）表面处理：根据需要在抛光后的晶体表面镀上所需的介质膜（减反射膜或反射膜）。

    • 应用领域：
    • 工业激光加工：打标、切割、焊接等。
    • 医疗设备：激光手术、皮肤治疗等。
    • 光学研究领域的激光实验和非线性研究

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