專利名稱：雙激光束分離光學晶體裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于激光加工應用技術領域，具體涉及雙激光束分離光學晶體的一種裝置，該裝置尤其適用于磷酸二氫鉀(KDP)光學晶體。
背景技術：
KDP光學晶體是用水溶液培養的一種人工光學晶體，屬于四方光學晶體。屬于這一類型的光學晶體還有ADP (磷酸二氫氨)、KD*P (磷酸二氘鉀)等。由于磷酸二氫鉀(KDP)容易生長成大塊均勻光學晶體，在0. 2 2. 5 μ m波長范圍內透明度很高，且抗激光破壞閾值很高，所以在光電子技術中得到廣泛的應用，是高功率驅動器中的倍頻件和電光器件的重要材料，長期以來在非線性光學方面一直廣泛用于光的倍頻、和頻、差頻和混頻等。而大尺寸、高質量KDP光學晶體材料則是在核爆模擬技術領域中，不可替代的關鍵材料，是核能發電中核聚變反應器的關鍵材料之一。由于西方發達國家禁止出口其大尺寸、高質量KDP光學晶體材料及其相關技術，致使該材料在國際市場上十分緊俏。需求大尺寸、高質量的KDP 光學晶體，是我國自行研制核發電機組工作的當務之急，隨著核能發電業的發展，KDP光學晶體的需求量將越來越大，建立擁有我國自主知識產權的KDP光學晶體材料生產企業將會帶來非常大的經濟和社會效益。目前在大尺寸KDP生長工藝技術上已獲得了較大的突破， 但在大尺寸KDP光學晶體坯體切割分離加工方面，仍然是一個較大的瓶頸。目前我國的KDP 光學晶體切割分離方法主要是采用機械方法-油冷鋸條切割分離方法，這種分割方法具有如下問題1、由于油冷鋸條切割加工時產生震動和熱效應對具有各向異性、質軟、脆性高、易潮解、對加工溫度敏感，內部應力大、易開裂的KDP光學晶體造成破壞性傷害極大，使得光學晶體在機械加工時極易發生碎裂；2、機械切割分離總是存在一定寬度的切口，導致光學晶體分離尺寸精度較差；3、機械切割分離方位受KDP光學晶體自身各項異性的影響；4、機械切割分離KDP光學晶體過程中不可避免的產生粉塵和碎屑，將會污染KDP 光學晶體表面，破壞高質量的KDP光學晶體表面質量，嚴重時，將會導致成型KDP光學晶體報廢。
發明內容針對KDP光學晶體在機械切割加工過程中存在以上的問題，本實用新型提供了一種將高峰值功率、低能量超短脈沖激光束與低峰值功率、高能量激光束相結合的雙激光束分離光學晶體裝置，該裝置實現在分離光學晶體過程中無碎裂、分離精度高、可任意方向分離和無污染的目的。本實用新型提供的一種雙激光束分離光學晶體裝置，其特征在于，該裝置包括第一、第二激光加工系統和二維工作臺，第一激光加工系統包括第一 Z軸移動機構以及依次位于第一光路上的第一激光器、第一擴束準直鏡、第一反射鏡和第一聚焦鏡；第一聚焦鏡固定在第一 Z軸移動機構上；第二激光加工系統包括第二 Z軸移動機構以及依次位于第二光路上的第二激光器、第二擴束準直鏡、第二反射鏡和第二聚焦鏡；第二聚焦鏡固定在第二 Z 軸移動機構上，第一光路與第二光路平行，用于固定光學晶體的二維工作臺位于第一和第二聚焦鏡下方。本實用新型利用激光與材料相互作用無機械作用力和對激光具有透明性的特點， 對光學晶體進行分離，實現在分離光學晶體過程中無碎裂、分離精度高、可任意方向分離和無污染的目的。該裝置的基本原理是利用高峰值功率、低能量超短脈沖激光束在光學晶體對在0.2 2.5μπι波長范圍內吸收率較低(約為10%左右)的特點，將激光束聚焦在光學晶體內部某一點，使該點處被光學晶體吸收的激光功率密度高于光學晶體的損傷閾值，誘發多光子電離而產生大量的“電子氣體”引起強烈的激光的非線性吸收；導致局部燒傷、熔化或微裂，從而可大幅度提高光學晶體對激光的吸收率。此外，采用低能量脈沖激光和超快時間與光學晶體相互作用以及控制光學晶體與激光作用點尺寸，可避免光學晶體因吸收過多的能量和長時間照射下，引起溫度過高而產生較大的熱應力，導致光學晶體發熱開裂的現象；而且還可以忽略不計激光對物質作用時產生的熱擴散作用，消除熱影響區影響，使未被激光作用區域仍保持光學晶體的固有光學和機械物理性能。將超短脈沖激光的聚焦點自下而上沿分離方向掃描，即可實現對光學晶體內部任意作用截面區域對激光能量吸收率的提高，同時又因化學鍵斷裂或局部熔化而導致該截面區域結合力大幅度減弱，達到分離方向控制的目的。然后采用低峰值功率、高能量激光束沿著高峰值功率、低能量激光束與光學晶體相互作用區域的方向進行掃描。由于光學晶體與高峰值功率、低能量超快脈沖激光束相互作用截面區對激光能量吸收率大幅提高和結合力大幅度減弱，而未被激光作用區域仍保持光學晶體的固有光學和機械物理性能(透過率仍然很高以及結合力依然較大)，使入射激光能量被光學晶體選擇性的吸收；即，只有光學晶體提高吸收率區域的光學晶體吸收激光束能量，而未提高吸收率區域則仍具有較高透射率，故光學晶體沿激光掃描方向處的溫度迅速達到熔化汽化溫度，產生較大的熱內應力并沿被激光作用結合力薄弱截面區域迅速擴展，瞬間完成光學晶體的分離，因而本實用新型具有以下優點1、由于激光束與光學晶體相互作用是非接觸性，因而消除了機械方法在切割過程中產生導致光學晶體破碎的震動和機械應力；2、激光分離光學晶體可以比機械切割分離獲得更精確的分離尺寸；3、不受光學晶體自身各項異性的影響，可進行任意方向的分離；4、由于雙激光束分離光學晶體過程中無粉塵碎屑，也無需油冷卻，消除了分離光學晶體過程中對光學晶體表面污染破壞；5、本實用新型特別適用于KDP光學晶體的分離。
圖1為雙激光束分離光學晶體裝置的一種具體實施方式
的示意圖；圖2為雙激光束分離光學晶體裝置的另一種具體實施方式
的示意圖。
具體實施方式
下面通過附圖和實例對本實用新型作進一步詳細的說明。[0018]本實用新型定義高峰值功率、低脈沖能量的激光束為第一激光束，低峰值功率、高脈沖能量的另一激光束為第二激光束。本實用新型提供的技術方案可以采用兩種實施方式來完成，具體說明如下第一種具體實施方式
包括下述步驟(1)將第一激光束(峰值功率不低于2 X IO4W,脈沖能量為40nJ到ImJ范圍)沿Z 軸方向(即垂直方向)經聚焦鏡后形成聚焦激光束入射到光學晶體內，并聚焦在光學晶體底部。第一激光束在晶體的聚焦處獲得超過光學晶體的損傷閾值的激光功率密度，產生微小的明亮的閃光點，使局部燒傷、熔化或微裂。光學晶體的激光損傷閾值是指引起光學晶體的光學性能降低，甚至完全喪失光學性能，造成光學晶體激光誘導損傷，定義損傷幾率(損傷點數占測定點數的概率)50%時的能量值為激光損傷能量，此值與焦斑面積之比就是激光損傷閾值；(2)第一激光束與光學晶體沿所需分離的χ方向(即光學晶體分離的方向)產生相對移動，使第一激光束在光學晶體底部形成一條光損傷線。移動速度(即掃描速度)取決于激光的峰值功率，通常不小于0. 3m/min ；(3)然后沿Z軸向上移動第一激光束的聚焦點，移動距離為聚焦光斑直徑的1到 4倍，使第一激光束再沿χ相反方向以相同掃描速度沿所需分離方向與光學晶體作相對移動，在光學晶體內的第一條光損傷線上方再形成另一條光損傷線；(4)重復步驟(3)，直到整個光學晶體厚度沿分離方向形成一個被第一激光束作用的激光損傷截面；(5)采用第二激光束沿Z軸方向經聚焦鏡后形成點或線聚焦激光束入射到光學晶體的所述激光損傷截面上，焦平面位于光學晶體內，第二激光束為分離光學晶體所需能量源，其峰值功率為50W到1 X 104W，脈沖能量不小于2mJ ；(6)使第二激光束與光學晶體沿所需分離的χ方向產生多次相對移動，直至激光損傷截面的溫度達到熔化或汽化溫度，產生較大的熱內應力沿光學晶體結合力薄弱區域迅速擴展，瞬間完成光學晶體的分離為止。移動速度(即掃描速度)取決于激光能量的大小， 通常不小于lm/min。第二種具體實施方式
包括下述步驟(1)將第一激光束沿Z軸方向(即垂直方向)經聚焦鏡后形成聚焦激光束入射到光學晶體內，并聚焦在光學晶體底部，在該處獲得超過光學晶體的激光損傷閾值的激光功率密度，產生微小的明亮的閃光點，使局部燒傷、熔化或微裂；(2)第一激光束與光學晶體沿所需分離的χ方向產生相對移動，使第一激光束在光學晶體底部形成一條光損傷線；(3)采用第二激光束沿Z軸方向經聚焦鏡后形成點或線聚焦激光束入射到光學晶體的所述一條光損傷線上；(4)使第二激光束與光學晶體沿所需分離的χ方向以掃描不小于lm/min的速度產生多次相對移動，形成溝槽；(5)沿Z軸向上移動第一、第二激光束的聚焦點，移動距離為聚焦光斑直徑的1到 4倍；[0035](6)使第一激光束再沿χ相反方向以相同掃描速度沿所需分離方向與光學晶體作相對移動，在光學晶體內的第一條溝槽上方再形成另一條光損傷線；(7)使第二激光束與光學晶體沿所需分離的χ方向產生多次相對移動，使光損傷線達到熔化汽化溫度而被去除或因熱應力使光學晶體沿結合力薄弱區域迅速裂開，與先形成溝槽聯通；(8)判斷整個光學晶體是否完成分離，如果是，結束，否則轉入步驟(5)。第二種具體實施方式
與第一種具體實施方式
相比只是二束激光束使用順序有所不同，不需要改變其工藝參數。如圖1所示，本實用新型裝置包括第一、第二激光加工系統和二維工作臺22，第一激光加工系統包括第一 Z軸移動機構6以及依次位于第一光路上的第一激光器1、第一擴束準直鏡2、第一反射鏡3和第一聚焦鏡4 ；第一聚焦鏡4固定在第一 Z軸移動機構6上。第一激光器1的峰值功率不低于2 X 104W，脈沖能量在40nJ到ImJ范圍。第二激光加工系統包括第二 Z軸移動機構16以及依次位于第二光路上的第二激光器10、第二擴束準直鏡11、 第二反射鏡12和第二聚焦鏡13 ；第二聚焦鏡4固定在第二 Z軸移動機構16上，其峰值功率為50W到IX 104W，脈沖能量不小于2mJ。第一光路與第二光路平行，二維工作臺22位于第一、第二聚焦鏡4、16下方，用于固定光學晶體20。雙激光束分離光學晶體具體實施方式
之一(如圖1所示)是先采用對光學晶體20 具有較高的透明度的高峰值功率、低能量超短脈沖激光束(即第一激光束)7(波長范圍為 0. 2 2. 5 μ m)，經聚焦鏡4后，沿ζ軸方向入射到光學晶體20內，成為點聚焦激光束8，并被聚焦在光學晶體20底部，在該處獲得超過光學晶體的損傷閾值的激光功率密度，產生微小的局部燒傷、熔化或微裂；并沿所需分離的χ方向，以一定的速度移動工作臺22，使激光束8在光學晶體20底部形成一條光損傷線5。然后通過移動機構6帶動聚焦鏡4向ζ軸上方移動一個距離，再沿χ相反方向以相同的速度移動工作臺22，使激光束8在光學晶體20 內又形成另一條光損傷線。再移動機構6帶動聚焦鏡4向ζ軸上方移動一個距離，重復以上過程，直到整個光學晶體厚度沿分離方向形成一個被激光束8作用的損傷截面9 ；從而實現對光學晶體內部作用面的吸收率的提高和大幅度減弱該截面區域結合力，達到分離方向的控制，而又不會因光學晶體因吸收過多的能量和長時間照射下產生較大的熱應力導致光學晶體發熱開裂的現象。然后再采用對光學晶體20具有較高的透明度的低峰值功率不高于 1 X 104W、脈沖能量不小于2mJ的激光束(即第二激光束)17 (波長范圍為0. 2 2. 5 μ m)， 經聚焦鏡13后，成為點或線聚焦激光束18，沿ζ軸方向入射到光學晶體20被激光束8作用截面9上。移動機構16再帶動聚焦鏡13使點或線聚焦激光束18的焦平面光學晶體20 內，沿所需分離的χ方向，快速移動工作臺22。光學晶體20的作用截面9由于對激光吸收率大幅度提高而迅速吸收較多的能量，使沿激光掃描方向處的溫度迅速達到熔化汽化溫度，產生較大的熱內應力沿光學晶體結合力薄弱區域迅速擴展，瞬間完成光學晶體的分離。雙激光束分離光學晶體具體實施方式
之二如圖2所示，先采用對光學晶體20具有較高的透明度的高峰值功率、低能量超短脈沖激光束7 (波長范圍為0. 2 2. 5 μ m)，經聚焦鏡4后，沿ζ軸方向入射到光學晶體20內，成為點聚焦激光束8，并被聚焦在光學晶體20底部，在該處獲得超過光學晶體的損傷閾值的激光功率密度，產生微小的局部加熱或光損傷； 沿所需分離的χ方向，以一定的速度移動工作臺22，使激光束8在光學晶體20底部形成一條光損傷線5。然后再采用對光學晶體20具有較高的透明度的低峰值功率、高能量激光束 17 (波長范圍為0. 2 2. 5 μ m)，經聚焦鏡13后，成為點或線聚焦激光束18，沿ζ軸方向入射到光學晶體20被激光束8作用線(即光損傷線5)上；沿所需分離的χ方向，快速移動工作臺22，光學晶體20的作用線5由于對激光吸收率大幅度提高而迅速吸收較多的能量，使沿激光掃描方向處的溫度迅速達到熔化汽化溫度而被去除，形成溝槽19。然后同時移動機構6和13帶動聚焦鏡4和16向ζ軸上方移動一個距離，先讓高峰值功率、低能量超短脈沖激光束7再沿所需分離的χ方向，以相同速度移動工作臺22，使激光束8在光學晶體20又產生一條光損傷線。然后再讓低峰值功率、高能量激光束17沿所需分離的χ方向，快速移動工作臺22，使光損傷線迅速達到熔化汽化溫度而被去除或因熱應力使光學晶體結沿合力薄弱區域迅速裂開，與先形成溝槽19聯通。然后再同時移動機構6和13帶動聚焦鏡4和 16向ζ軸上方移動一個距離，重復以上過程直至整個光學晶體完成分離為止。實例1 本實用新型采用了脈沖寬度為50fs、波長為800nm、最高脈沖峰值功率為 4X10"W、最大單脈沖能量為2mJ的飛秒脈沖激光器作為高峰值功率、低能量超短脈沖激光束和1R-50型號光釬激光器，輸出波長為1070nm，輸出峰值激光功率為50W，脈沖能量為IJ 作為低峰值功率、高能量激光束，聚焦光斑直徑分別為10 μ m和50 μ m,分離KDP試樣尺寸為長度60mm，厚度11. 18mm。實驗方法采用雙激光束分離KDP光學晶體具體實施方式
之一， 調節飛秒激光器脈沖能量為lmj，脈沖峰值功率為？父^^卞，掃描速度。』!!!/!^!!。光纖激光器輸出峰值功率為50W，脈沖能量為1J，掃描速度lm/min。實驗結果光學晶體沿激光掃描線方向分離，分離端面平滑，無微裂紋產生，只需稍作拋光處理便可得到應用中所要求的光學平面。實例2 本實用新型采用了 UVP^6-0. 25型號皮秒紫外激光器，輸出波長為^6nm，脈沖寬度為15ps，輸出最大單脈沖能量為250nJ，最高脈沖峰值功率為1. 7 X IO11W的紫外激光器作為高峰值功率、低能量超短脈沖激光束和YLM-200型號光釬激光器，輸出波長為1070nm，輸出連續激光功率200W作為低峰值功率、高能量激光束，聚焦光斑直徑分別為6 μ m和80 μ m， 分離KDP試樣尺寸為長度40mm，厚度55mm。實驗方法采用雙激光束分離KDP光學晶體具體實施方式
之二，調節紫外激光器輸出脈沖能量為40nJ，脈沖峰值功率為2. 6 X IO4W,掃描速度0. 3m/min，光纖激光器輸出功率為175W，掃描速度1. Sm/min。實驗結果光學晶體沿激光掃描線方向分離，分離端面較為粗糙，但無微裂紋產生，需要作拋光處理便可得到應用中所要求的光學平面。實例3 本實用新型采用了 AwaVe-532-20-2^(型皮秒綠光激器，輸出波長為532nm，脈沖寬度為12ps，輸出最大單脈沖能量為40 μ J，最高脈沖峰值功率為3Χ IO7W作為高峰值功率、低能量超短脈沖激光束，聚焦光斑直徑分別為10 μ m，采用了 YLR-6000-QCW型號光釬激光器，輸出波長為1070nm，輸出激光最大峰值功率為6X103W，脈沖能量為50J作為低峰值功率、高能量激光束，線聚焦面積為1mm2，分離KDP試樣1尺寸為長度98mm，厚度100mm。實驗方法采用雙激光束分離KDP光學晶體具體實施方式
之一，調節皮秒激光器脈沖能量為 40 μ J，脈沖峰值功率為3 X 106W，掃描速度1.5m/min。光纖激光器輸出功率為6 X 103W，脈沖能量為50J，掃描速度3. 5m/min。實驗結果光學晶體沿激光掃描線方向分離，分離端面較為平滑，在光學晶體內部的其他方向不產生裂紋，需作簡單的機械修平然后拋光處理便可得到應用中所要求的光學平面。實例4 本實用新型采用了 s-pulse HP飛秒激光器，脈沖寬度為500fs、波長為1030nm， 最大單脈沖能量為1. 2mJ，最高脈沖峰值功率為2. 4X IO9W作為高峰值功率、低能量超短脈沖激光束和YLP-2/500/50型號光釬激光器，輸出波長為1070nm，輸出激光最大峰值功率為 1 X 104W，脈沖能量為2mJ作為低峰值功率、高能量激光束，聚焦光斑直徑分別為10 μ m和 50 μ m,分離KDP試樣1尺寸為長度98mm，厚度10mm。實驗方法采用雙激光束分離KDP光學晶體具體實施方式
之二，調節飛秒激光器脈沖能量為10nJ，脈沖峰值功率為2 X IO4W,掃描速度0.3m/min。光纖激光器輸出峰值功率為1 X 104W，脈沖能量為2mJ，掃描速度1. 5m/ min0實驗結果光學晶體沿激光掃描線方向分離，分離端面較為平滑，在光學晶體內部的其他方向不產生裂紋，需作簡單的機械修平然后拋光處理便可得到應用中所要求的光學平本實用新型也同樣可以用于雙激光束分離其它的光學晶體，如酸鋰(LiNb03_LN)、 磷酸二氘鉀(KD2P04-DKDP)、碘酸鋰(LiI03_LI)、磷酸氧鈦鉀(KTi0P04_KTP)、偏硼酸鋇 (-BaB204-BB0)、三硼酸鋰(LiB305_LB0)、鈮酸鉀(KNb03_KN)、硼酸銫(CSB305-CB0)、硼酸銫鋰(LiCSB6010-CLB0)、氟硼酸鉀鈹(KBe2B03F2_KBBF)以及硫銀鎵(AgGaS2_AGS)、砷鎘鍺 (CdGeAs-CGA)、磷鍺鋅(&iGeP2-ZGP)等非線性光學光學晶體。以上所述為本實用新型的較佳實施例而已，但本實用新型不應該局限于該實施例和附圖所公開的內容。所以凡是不脫離本實用新型所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本實用新型保護的范圍。
權利要求1. 一種雙激光束分離光學晶體裝置，其特征在于，該裝置包括第一、第二激光加工系統和二維工作臺，第一激光加工系統包括第一 Z軸移動機構以及依次位于第一光路上的第一激光器、第一擴束準直鏡、第一反射鏡和第一聚焦鏡；第一聚焦鏡固定在第一 Z軸移動機構上；第二激光加工系統包括第二 Z軸移動機構以及依次位于第二光路上的第二激光器、 第二擴束準直鏡、第二反射鏡和第二聚焦鏡；第二聚焦鏡固定在第二 Z軸移動機構上，第一光路與第二光路平行，用于固定光學晶體的二維工作臺位于第一、第二聚焦鏡下方。
專利摘要本實用新型公開了一種雙激光束分離光學晶體裝置，裝置包括二維工作臺和兩套激光加工系統，激光加工系統均包括Z軸移動機構以及依次位于同一光路上的激光器、擴束準直鏡、反射鏡和聚焦鏡；聚焦鏡固定在Z軸移動機構上。該裝置利用高峰值功率、低脈沖能量的第一激光束在光學晶體內形成光損傷線形成的一個損傷截面，利用低峰值功率、高脈沖能量的第二激光束作用于所述損傷線所形成的損傷截面上，使光學晶體分離。本實用新型利用激光與材料相互作用無機械作用力和對激光具有透明性的特點，對光學晶體進行分離，實現在分離光學晶體過程中無碎裂、分離精度高、可任意方向分離和無污染的目的。本實用新型特別適用于KDP光學晶體的分離。
文檔編號B23K26/40GK201970019SQ20112004634
公開日2011年9月14日 申請日期2011年2月24日 優先權日2011年2月24日
發明者劉建國, 曾曉雁, 李祥友, 段軍, 王澤敏, 胡乾午, 高明 申請人:華中科技大學