具有激光熔焊的光學(xué)組件的激光諧振器裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種激光諧振器裝置(2)，其具有多個光學(xué)組件(5，6，7，8，11)以及具有由玻璃、尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由結(jié)晶陶瓷構(gòu)成的載體板(13)，所述光學(xué)組件(5，6，7，8，11)中的至少一個固定在所述載體板上，其中，至少一個固定在所述載體板(13)上的光學(xué)組件(5，6，7，8，11)由玻璃、尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由結(jié)晶陶瓷構(gòu)成并且與所述載體板(13)或者直接通過至少一個激光熔焊連接(14)材料鎖合地連接或者借助于由玻璃——尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由結(jié)晶陶瓷構(gòu)成的中間元件(30)固定，所述中間元件分別通過至少一個激光熔焊連接(141，142)不僅與至少一個光學(xué)組件(5，6，7，8，11)而且與所述載體板(13)材料鎖合地連接。
【專利說明】具有激光熔焊的光學(xué)組件的激光諧振器裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種激光諧振器裝置，其具有多個光學(xué)組件并且具有一個載體板，這些光學(xué)組件中的至少一個固定在所述載體板上。
【背景技術(shù)】
[0002]由US 5，170，409公開了一種激光諧振器裝置，其中在由玻璃或石英玻璃構(gòu)成的平面載體板上借助于UV粘接劑粘接有由石英玻璃構(gòu)成的諧振器鏡保持裝置。因為可以由具有相對較低的熱膨脹系數(shù)的材料制成載體板和鏡保持裝置，所以改善激光諧振器裝置的熱穩(wěn)定性。
[0003]在另一種已知的激光諧振器裝置中，金屬化待裝配的光學(xué)組件的表面并且隨后借助于焊盤將所述表面釬焊在具有相應(yīng)金屬對應(yīng)接觸部的載體板上。然而，待釬焊的面的金屬化導(dǎo)致高成本。此外，在光學(xué)組件和載體板的不同膨脹系數(shù)的情況下在熱負荷的情形中可能出現(xiàn)導(dǎo)致光學(xué)組件的失調(diào)或甚至可能損壞釬焊連接的材料應(yīng)力。
[0004]在粘接劑硬化時或者在焊盤凝固時，出現(xiàn)收縮效應(yīng)，其可能導(dǎo)致光學(xué)組件的失調(diào)并且僅僅有條件地允許自動裝配。此外，在更高的激光功率和更小的結(jié)構(gòu)大小的情況下產(chǎn)生粘接劑或者焊盤由于熱負荷蒸發(fā)并且污染諧振器空間的危險。這導(dǎo)致激光諧振器裝置的不穩(wěn)定特性直至完全失效。
[0005]為了避免由收縮效應(yīng)導(dǎo)致的翹曲，在粘接時應(yīng)使粘接縫厚度最小化并且不出現(xiàn)楔角。在理想情形中，光學(xué)組件和載體板平面地接觸。因此，將光學(xué)組件相對于載體板定位的自由度的數(shù)量限制到接觸面內(nèi)的運動上。例如由US 6，320, 706和US2008/0260330公開了在光學(xué)組件和載體板之間使用適當成型的輔助元件基本上消除所述限制并且不僅相對光學(xué)組件而且相對載體板允許平面接觸。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0006]本發(fā)明的任務(wù)是，在激光諧振器裝置中避免開始所述類型的收縮效應(yīng)、材料應(yīng)力和蒸發(fā)并且由此提高光學(xué)組件的調(diào)節(jié)精度以及使用壽命以及說明一種所屬的裝配方法。
[0007]根據(jù)本發(fā)明，所述任務(wù)通過具有多個光學(xué)組件以及具有一個由玻璃——尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由結(jié)晶陶瓷構(gòu)成的載體板的激光諧振器裝置解決，所述光學(xué)組件中的至少一個固定在所述載體板，其中至少一個固定在載體板上的光學(xué)組件由玻璃——尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由結(jié)晶陶瓷構(gòu)成并且與載體板或者直接通過至少一個激光熔焊連接材料鎖合地連接或者借助于由玻璃——尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由結(jié)晶陶瓷構(gòu)成的中間元件固定，其分別通過至少一個激光熔焊連接不僅與至少一個光學(xué)組件而且與載體板材料鎖合地連接。
[0008]根據(jù)本發(fā)明，激光諧振器裝置的一個或多個由玻璃、玻璃陶瓷或結(jié)晶陶瓷構(gòu)成的光學(xué)組件通過激光束熔焊(也稱作“激光束玻璃熔焊”)裝配在同樣由玻璃、玻璃陶瓷或結(jié)晶陶瓷構(gòu)成的載體板或者中間元件上。激光熔焊的光學(xué)組件例如涉及諧振器鏡、固體激光介質(zhì)、透鏡一尤其用于耦合輸入泵光的梯度折射率透鏡以及可能涉及光學(xué)調(diào)制器，它們都可以由玻璃或者石英玻璃或者結(jié)晶陶瓷(例如BK7、鐿玻璃(Yb = Glas)、熔融石英、SF57、陶瓷Nd: YAG)制成。載體板優(yōu)選由玻璃陶瓷，例如Zerodur或ULE構(gòu)成。
[0009]激光束玻璃熔焊迄今用于將由硅玻璃構(gòu)成的玻璃纖維與光學(xué)玻璃局部選擇性焊接。其前提條件是接合部對于激光束而言是可接近的。因此例如可以將光波導(dǎo)纖維材料鎖合地接合到由玻璃構(gòu)成的、具有高機械品質(zhì)和光學(xué)品質(zhì)的光學(xué)主動組件或者光學(xué)被動組件上。借助于CO2激光進行組件熔焊所需的熱量導(dǎo)入。例如在L.Schaefer和M.Schmit所著的((Welding of glass fibres onto lagre-scale substrates with high mechanicalstability and optical quality)) (Physics Procedia 5 (2010),第 145-152 頁)中描述了玻璃纖維激光玻璃熔焊到襯底上。
[0010]特別優(yōu)選地，所有光學(xué)組件由玻璃一尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由結(jié)晶陶瓷構(gòu)成并且通過熔焊連接與載體板或者與中間元件材料鎖合地連接。因為所有組件是激光熔焊的，所以在激光諧振器裝置中既不存在焊劑也不存在粘接劑。
[0011]此外優(yōu)選地，所有與載體板材料鎖合地連接的光學(xué)組件由具有與載體板相同的或類似的熱膨脹系數(shù)的材料構(gòu)成。載體板和光學(xué)組件的類似的膨脹系數(shù)導(dǎo)致即使在熱負荷的情況下也幾乎無應(yīng)力的材料鎖合的連接。特別優(yōu)選地，光學(xué)組件由與載體板相同的材料構(gòu)成。
[0012]本發(fā)明在另一方面中涉及一種用于制造如以上構(gòu)造的激光諧振器裝置的方法，其中根據(jù)本發(fā)明將待固定在載體板上的光學(xué)組件定位在載體板上以及隨后借助于激光束、尤其CO2激光束將所述光學(xué)組件與載體板或者直接材料鎖合地焊接或者借助于分別材料鎖合地焊接的中間元件連接。
[0013]將光學(xué)組件首選分別定位在載體板上并且隨后通過激光束玻璃熔焊固定。光學(xué)組件的定位可以被動地借助于載體板上的止擋進行或者替代地可以在使用不同測量方法(例如基于攝像機的方法、自動準直、檢驗激光的反射的調(diào)節(jié)、激光的功率最大化)的情況下手動控制地或也部分自動或全自動地實現(xiàn)。其激光束借助于適當?shù)钠D(zhuǎn)設(shè)備在各個光學(xué)組件的相應(yīng)接合輪廓上方移動的激光、優(yōu)選CO2激光提供玻璃熔焊所需的局部能量。使用者可以借助于適當?shù)臏y量儀器求取關(guān)于接合輪廓的信息以及將所述信息轉(zhuǎn)發(fā)給偏轉(zhuǎn)裝置。替代地，適當?shù)臏y量儀器一例如攝像機系統(tǒng)可以部分自動地或全自動地檢測所需的測量數(shù)據(jù)以及將所述測量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給偏轉(zhuǎn)裝置。在使用具有10.6微米的波長的CO2激光的情況下，熔化深度典型地僅僅是10微米。在使用其他激光的情況下，通過以下方式優(yōu)化激光束的侵入深度和(因此)熔化深度:以外來原子摻雜所使用的玻璃，所述外來原子提高用于激光束熔焊的激光束的吸收。熔化深度也取決于組件的大小以及所使用的激光的功率并且不應(yīng)大于約500微米并且優(yōu)選在10微米和30微米之間。
[0014]為了改進散熱，尤其可以在導(dǎo)熱較差的載體板上附件地接觸冷卻固體激光介質(zhì)，以便高效地導(dǎo)出在激光運動期間產(chǎn)生的熱量。同樣的情況適于主動的品質(zhì)開關(guān)，例如聲光調(diào)制器。
[0015]以下再次總結(jié)根據(jù)本發(fā)明的激光諧振器裝置和所屬的制造方法的優(yōu)點:
[0016]玻璃熔焊比釬焊方法更成本有利，在所述釬焊方法中必須使光學(xué)器件表面金屬化。
[0017]玻璃熔焊時的熔化深度是非常小的(約10微米至30微米)。僅僅非常局部地加熱激光熔焊的組件。因此，與釬焊方法和粘接方法相比，收縮沒那么重要。
[0018]消除了在釬焊連接或粘接連接中根據(jù)所使用的焊劑/熔劑或者粘接劑可能產(chǎn)生的氣體析出的風(fēng)險。
[0019]所焊接的材料鎖合的連接與傳統(tǒng)機械保持裝置相比相對失調(diào)更不敏感。
[0020]制造方法適合于自動化。
[0021]載體板和光學(xué)組件的匹配的熱膨脹系數(shù)導(dǎo)致即使在熱負荷的情況下也無應(yīng)力的連接。
[0022]載體板的小的熱膨脹系數(shù)導(dǎo)致熱穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。
[0023]本發(fā)明的其他優(yōu)點由權(quán)利要求書、說明書和附圖得出。同樣地，以上提及的特征以及以下仍詳述的特征分別單獨地或多個任意組合地應(yīng)用。所示出的和所描述的實施方式不應(yīng)理解為封閉式列舉，而是例如具有發(fā)明描述的特性。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1:具有根據(jù)本發(fā)明的激光諧振器裝置的固體激光器，所述激光諧振器裝置具有多個通過激光熔焊與載體板材料鎖合地連接的光學(xué)組件；
[0025]圖2:在載體板與光學(xué)組件之一之間借助于激光束構(gòu)造材料鎖合的激光熔焊連接;
[0026]圖3:另一種實施方式，其中光學(xué)組件之一借助于激光熔焊的中間元件與載體板連接。
【具體實施方式】
[0027]在圖1中示出的固體激光器I具有激光諧振器裝置2和用于光學(xué)泵吸激光諧振器裝置2的激光二極管3。
[0028]激光諧振器裝置2包括通過高反射的HR端鏡5和耦合輸出鏡6限定的激光諧振器4、設(shè)置在激光諧振器4中的固體激光介質(zhì)7和設(shè)置在激光介質(zhì)7和耦合輸出鏡6之間的激光諧振器4中的光學(xué)調(diào)制器8。
[0029]作為激光二極管3使用通過光纖9耦合的高亮度激光二極管。高亮度能夠?qū)崿F(xiàn)激光介質(zhì)7中的高泵功率密度。為了激光二極管3的虛線示出的泵光10聚焦到激光介質(zhì)7中，光纖耦合的激光二極管3的光纖端部拼接到由石英玻璃構(gòu)成的梯度折射率透鏡(GRIN透鏡)11上。由此僅須正確地定位GRIN透鏡11，由此不需要單獨的定位和光纖端部的保持。
[0030]激光介質(zhì)7例如可以由釹玻璃(Nd = Glas)、鉺玻璃(Er = Glas)或鐿:玻璃(Yb:Glas)構(gòu)成。
[0031]激光介質(zhì)7的朝向GRIN透鏡11的端側(cè)設(shè)有介電涂層，其對于泵光10是透射的并且對于激光12是高反射的并且因此是HR端鏡5。耦合輸出鏡6通過由石英玻璃構(gòu)成的單獨的光學(xué)器件形成，其在朝向激光介質(zhì)7的端側(cè)上具有介電涂層，其對于激光12而言是部分反射的并且因此表不稱合輸出鏡6。
[0032]光學(xué)調(diào)制器8實施為主動品質(zhì)開關(guān)，例如實施為聲光調(diào)制器或?qū)嵤殡姽庹{(diào)制器，或?qū)嵤楸粍悠焚|(zhì)開關(guān)。
[0033]在所示實施例中，激光諧振器裝置2的所有光學(xué)組件——即耦合輸出鏡6、具有設(shè)置在其上的HR端鏡5的激光介質(zhì)7、品質(zhì)開關(guān)8和GRIN透鏡11在由玻璃陶瓷——例如Ze1dur或ULE ((超低膨脹)鈦硅酸鹽玻璃)分別通過熔焊連接14材料鎖合地裝配。兩個材料組的特征在于非常低的熱膨脹系數(shù)，由此可以非常溫度穩(wěn)定地構(gòu)造激光諧振器裝置2。每一個光學(xué)組件6、7、8、11通過至少一個激光焊縫、優(yōu)選兩個激光焊縫14固定在載體板13上。
[0034]為了構(gòu)造激光焊縫14，將耦合輸出鏡16、具有設(shè)置在其上的HR端鏡5的激光介質(zhì)
7、品質(zhì)開關(guān)8和GRIN透鏡11定位在載體板13上并且然后如在圖2中示出的那樣分別在其兩個縱向邊緣處借助于激光20、例如CO2激光將其與載體板13焊接。激光焊縫14在載體板13中以及在(因此)材料鎖合連接的光學(xué)組件6、7、8、11中的熔化深度在此僅僅是約10微米至約30微米。
[0035]在圖3中，光學(xué)組件6、7、8、11與載體板13借助于由玻璃——尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由結(jié)晶陶瓷構(gòu)成的中間元件30固定，其分別通過一個激光熔焊連接14ρ142不僅與光學(xué)組件5、6、7、8、11而且與載體板13材料鎖合地連接。
【權(quán)利要求】
1.一種激光諧振器裝置(2)，其具有多個光學(xué)組件(5，6，7，8，11)以及具有由玻璃、尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由結(jié)晶陶瓷構(gòu)成的載體板(13)，所述光學(xué)組件(5，6，7，8，11)中的至少一個固定在所述載體板上，其中，至少一個固定在所述載體板(13)上的光學(xué)組件(5，6，7，8，11)由玻璃、尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由結(jié)晶陶瓷構(gòu)成并且與所述載體板(13)或者直接通過至少一個激光熔焊連接(14)材料鎖合地連接或者借助于由玻璃——尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由結(jié)晶陶瓷構(gòu)成的中間元件(30)固定，所述中間元件分別通過至少一個激光熔焊連接(141;142)不僅與至少一個光學(xué)組件(5，6，7，8，11)而且與所述載體板(13)材料鎖合地連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光諧振器裝置，其特征在于，所述至少一個固定在所述載體板(13)上的光學(xué)組件是諧振器鏡(5，6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光諧振器裝置，其特征在于，所述至少一個固定在所述載體板(13)上的光學(xué)組件是固體激光介質(zhì)(7)。
4.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的激光諧振器裝置，其特征在于，所述至少一個固定在所述載體板(13)上的光學(xué)組件是光學(xué)調(diào)制器(8)。
5.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的激光諧振器裝置，其特征在于，所述至少一個固定在所述載體板(13)上的光學(xué)組件是設(shè)置用于耦合輸入泵光(10)的耦合輸入光學(xué)器件(11)、尤其梯度折射率透鏡。
6.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的激光諧振器裝置，其特征在于，所有光學(xué)組件(5.6.7.8.11)由玻璃——尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由結(jié)晶陶瓷構(gòu)成并且通過激光熔焊連接(14)與所述載體板(13)或中間元件(30)材料鎖合地連接。
7.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的激光諧振器裝置，其特征在于，材料鎖合地與所述載體板(13)或所述中間元件(30)連接的光學(xué)組件(5，6，7，8，11)中的一個或多個由具有與所述載體板(13)或所述中間元件(30)相同或近似相同的熱膨脹系數(shù)的材料構(gòu)成。
8.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的激光諧振器裝置，其特征在于，一個激光熔焊連接(14 ；141；142)通過沿著設(shè)置在所述載體板(13)或所述中間元件(30)上的光學(xué)組件(5，6,7,8,11)的接合輪廓延伸的至少一個激光焊縫構(gòu)成。
9.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的激光諧振器裝置，其特征在于，所述激光熔焊連接(14)的熔化深度在所述載體板(13)中以及在所述至少一個與其材料鎖合地連接的光學(xué)組件(5，6，7，8，11)中最高是約500微米、優(yōu)選在10微米和30微米之間。
10.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的激光諧振器裝置，其特征在于，所述載體板(13)、所述中間元件(30)和/或所述與其材料鎖合地連接的光學(xué)組件(5，6，7，8，11)如此以外來原子摻雜，使得產(chǎn)生用于所述激光束熔焊的激光束的對于所述激光熔焊連接(14 ；141；142)最優(yōu)的侵入深度。
11.根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述的激光諧振器裝置，其特征在于，所述光學(xué)組件(5.6.7.8.11)中的至少一個、優(yōu)選所述激光介質(zhì)(7)或所述光學(xué)調(diào)制器(8)在所述載體板(13)旁與至少一個另外的表面熱接觸，通過所述至少一個另外的表面所述光學(xué)組件被冷卻。
12.一種用于制造根據(jù)以上權(quán)利要求中任一項所述激光諧振器裝置(2)的方法，其特征在于，將待固定在所述載體板(13)上的光學(xué)組件(5，6，7，8，11)在所述載體板(13)或與其激光熔焊的中間元件(30)上定位以及隨后借助于激光束(20)、尤其CO2激光束將所述光學(xué)組件與所述載體板(13)或所述中間元件(30)材料鎖合地焊接。
13.根據(jù)權(quán)利要求12的方法，其特征在于，將待固定在所述載體板(13)上的光學(xué)組件(5,6,7,8,11)沿著其邊緣側(cè)的接合輪廓借助于所述激光束(20)材料鎖合地與所述載體板(13)或與所述中間元件(30)焊接。
【文檔編號】H01S3/02GK104205526SQ201380015673
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2013年3月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月21日
【發(fā)明者】D·克魯澤, C·焦萊克, S·馬爾策內(nèi)爾, H·齊莫爾 申請人:通快激光標記系統(tǒng)公司