具有激光熔焊的光学组件的激光谐振器装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种激光谐振器装置(2)，其具有多个光学组件(5，6，7，8，11)以及具有由玻璃、尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由结晶陶瓷构成的载体板(13)，所述光学组件(5，6，7，8，11)中的至少一个固定在所述载体板上，其中，至少一个固定在所述载体板(13)上的光学组件(5，6，7，8，11)由玻璃、尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由结晶陶瓷构成并且与所述载体板(13)或者直接通过至少一个激光熔焊连接(14)材料锁合地连接或者借助于由玻璃——尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由结晶陶瓷构成的中间元件(30)固定，所述中间元件分别通过至少一个激光熔焊连接(141，142)不仅与至少一个光学组件(5，6，7，8，11)而且与所述载体板(13)材料锁合地连接。
【专利说明】具有激光熔焊的光学组件的激光谐振器装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光谐振器装置，其具有多个光学组件并且具有一个载体板，这些光学组件中的至少一个固定在所述载体板上。
【背景技术】
[0002]由US 5，170，409公开了一种激光谐振器装置，其中在由玻璃或石英玻璃构成的平面载体板上借助于UV粘接剂粘接有由石英玻璃构成的谐振器镜保持装置。因为可以由具有相对较低的热膨胀系数的材料制成载体板和镜保持装置，所以改善激光谐振器装置的热稳定性。
[0003]在另一种已知的激光谐振器装置中，金属化待装配的光学组件的表面并且随后借助于焊盘将所述表面钎焊在具有相应金属对应接触部的载体板上。然而，待钎焊的面的金属化导致高成本。此外，在光学组件和载体板的不同膨胀系数的情况下在热负荷的情形中可能出现导致光学组件的失调或甚至可能损坏钎焊连接的材料应力。
[0004]在粘接剂硬化时或者在焊盘凝固时，出现收缩效应，其可能导致光学组件的失调并且仅仅有条件地允许自动装配。此外，在更高的激光功率和更小的结构大小的情况下产生粘接剂或者焊盘由于热负荷蒸发并且污染谐振器空间的危险。这导致激光谐振器装置的不稳定特性直至完全失效。
[0005]为了避免由收缩效应导致的翘曲，在粘接时应使粘接缝厚度最小化并且不出现楔角。在理想情形中，光学组件和载体板平面地接触。因此，将光学组件相对于载体板定位的自由度的数量限制到接触面内的运动上。例如由US 6，320, 706和US2008/0260330公开了在光学组件和载体板之间使用适当成型的辅助元件基本上消除所述限制并且不仅相对光学组件而且相对载体板允许平面接触。
【发明内容】
[0006]本发明的任务是，在激光谐振器装置中避免开始所述类型的收缩效应、材料应力和蒸发并且由此提高光学组件的调节精度以及使用寿命以及说明一种所属的装配方法。
[0007]根据本发明，所述任务通过具有多个光学组件以及具有一个由玻璃——尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由结晶陶瓷构成的载体板的激光谐振器装置解决，所述光学组件中的至少一个固定在所述载体板，其中至少一个固定在载体板上的光学组件由玻璃——尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由结晶陶瓷构成并且与载体板或者直接通过至少一个激光熔焊连接材料锁合地连接或者借助于由玻璃——尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由结晶陶瓷构成的中间元件固定，其分别通过至少一个激光熔焊连接不仅与至少一个光学组件而且与载体板材料锁合地连接。
[0008]根据本发明，激光谐振器装置的一个或多个由玻璃、玻璃陶瓷或结晶陶瓷构成的光学组件通过激光束熔焊(也称作“激光束玻璃熔焊”)装配在同样由玻璃、玻璃陶瓷或结晶陶瓷构成的载体板或者中间元件上。激光熔焊的光学组件例如涉及谐振器镜、固体激光介质、透镜一尤其用于耦合输入泵光的梯度折射率透镜以及可能涉及光学调制器，它们都可以由玻璃或者石英玻璃或者结晶陶瓷(例如BK7、镱玻璃(Yb = Glas)、熔融石英、SF57、陶瓷Nd: YAG)制成。载体板优选由玻璃陶瓷，例如Zerodur或ULE构成。
[0009]激光束玻璃熔焊迄今用于将由硅玻璃构成的玻璃纤维与光学玻璃局部选择性焊接。其前提条件是接合部对于激光束而言是可接近的。因此例如可以将光波导纤维材料锁合地接合到由玻璃构成的、具有高机械品质和光学品质的光学主动组件或者光学被动组件上。借助于CO2激光进行组件熔焊所需的热量导入。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 页)中描述了玻璃纤维激光玻璃熔焊到衬底上。
[0010]特别优选地，所有光学组件由玻璃一尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由结晶陶瓷构成并且通过熔焊连接与载体板或者与中间元件材料锁合地连接。因为所有组件是激光熔焊的，所以在激光谐振器装置中既不存在焊剂也不存在粘接剂。
[0011]此外优选地，所有与载体板材料锁合地连接的光学组件由具有与载体板相同的或类似的热膨胀系数的材料构成。载体板和光学组件的类似的膨胀系数导致即使在热负荷的情况下也几乎无应力的材料锁合的连接。特别优选地，光学组件由与载体板相同的材料构成。
[0012]本发明在另一方面中涉及一种用于制造如以上构造的激光谐振器装置的方法，其中根据本发明将待固定在载体板上的光学组件定位在载体板上以及随后借助于激光束、尤其CO2激光束将所述光学组件与载体板或者直接材料锁合地焊接或者借助于分别材料锁合地焊接的中间元件连接。
[0013]将光学组件首选分别定位在载体板上并且随后通过激光束玻璃熔焊固定。光学组件的定位可以被动地借助于载体板上的止挡进行或者替代地可以在使用不同测量方法(例如基于摄像机的方法、自动准直、检验激光的反射的调节、激光的功率最大化)的情况下手动控制地或也部分自动或全自动地实现。其激光束借助于适当的偏转设备在各个光学组件的相应接合轮廓上方移动的激光、优选CO2激光提供玻璃熔焊所需的局部能量。使用者可以借助于适当的测量仪器求取关于接合轮廓的信息以及将所述信息转发给偏转装置。替代地，适当的测量仪器一例如摄像机系统可以部分自动地或全自动地检测所需的测量数据以及将所述测量数据转发给偏转装置。在使用具有10.6微米的波长的CO2激光的情况下，熔化深度典型地仅仅是10微米。在使用其他激光的情况下，通过以下方式优化激光束的侵入深度和(因此)熔化深度:以外来原子掺杂所使用的玻璃，所述外来原子提高用于激光束熔焊的激光束的吸收。熔化深度也取决于组件的大小以及所使用的激光的功率并且不应大于约500微米并且优选在10微米和30微米之间。
[0014]为了改进散热，尤其可以在导热较差的载体板上附件地接触冷却固体激光介质，以便高效地导出在激光运动期间产生的热量。同样的情况适于主动的品质开关，例如声光调制器。
[0015]以下再次总结根据本发明的激光谐振器装置和所属的制造方法的优点:
[0016]玻璃熔焊比钎焊方法更成本有利，在所述钎焊方法中必须使光学器件表面金属化。
[0017]玻璃熔焊时的熔化深度是非常小的(约10微米至30微米)。仅仅非常局部地加热激光熔焊的组件。因此，与钎焊方法和粘接方法相比，收缩没那么重要。
[0018]消除了在钎焊连接或粘接连接中根据所使用的焊剂/熔剂或者粘接剂可能产生的气体析出的风险。
[0019]所焊接的材料锁合的连接与传统机械保持装置相比相对失调更不敏感。
[0020]制造方法适合于自动化。
[0021]载体板和光学组件的匹配的热膨胀系数导致即使在热负荷的情况下也无应力的连接。
[0022]载体板的小的热膨胀系数导致热稳定结构。
[0023]本发明的其他优点由权利要求书、说明书和附图得出。同样地，以上提及的特征以及以下仍详述的特征分别单独地或多个任意组合地应用。所示出的和所描述的实施方式不应理解为封闭式列举，而是例如具有发明描述的特性。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1:具有根据本发明的激光谐振器装置的固体激光器，所述激光谐振器装置具有多个通过激光熔焊与载体板材料锁合地连接的光学组件；
[0025]图2:在载体板与光学组件之一之间借助于激光束构造材料锁合的激光熔焊连接;
[0026]图3:另一种实施方式，其中光学组件之一借助于激光熔焊的中间元件与载体板连接。
【具体实施方式】
[0027]在图1中示出的固体激光器I具有激光谐振器装置2和用于光学泵吸激光谐振器装置2的激光二极管3。
[0028]激光谐振器装置2包括通过高反射的HR端镜5和耦合输出镜6限定的激光谐振器4、设置在激光谐振器4中的固体激光介质7和设置在激光介质7和耦合输出镜6之间的激光谐振器4中的光学调制器8。
[0029]作为激光二极管3使用通过光纤9耦合的高亮度激光二极管。高亮度能够实现激光介质7中的高泵功率密度。为了激光二极管3的虚线示出的泵光10聚焦到激光介质7中，光纤耦合的激光二极管3的光纤端部拼接到由石英玻璃构成的梯度折射率透镜(GRIN透镜)11上。由此仅须正确地定位GRIN透镜11，由此不需要单独的定位和光纤端部的保持。
[0030]激光介质7例如可以由钕玻璃(Nd = Glas)、铒玻璃(Er = Glas)或镱:玻璃(Yb:Glas)构成。
[0031]激光介质7的朝向GRIN透镜11的端侧设有介电涂层，其对于泵光10是透射的并且对于激光12是高反射的并且因此是HR端镜5。耦合输出镜6通过由石英玻璃构成的单独的光学器件形成，其在朝向激光介质7的端侧上具有介电涂层，其对于激光12而言是部分反射的并且因此表不稱合输出镜6。
[0032]光学调制器8实施为主动品质开关，例如实施为声光调制器或实施为电光调制器，或实施为被动品质开关。
[0033]在所示实施例中，激光谐振器装置2的所有光学组件——即耦合输出镜6、具有设置在其上的HR端镜5的激光介质7、品质开关8和GRIN透镜11在由玻璃陶瓷——例如Ze1dur或ULE ((超低膨胀)钛硅酸盐玻璃)分别通过熔焊连接14材料锁合地装配。两个材料组的特征在于非常低的热膨胀系数，由此可以非常温度稳定地构造激光谐振器装置2。每一个光学组件6、7、8、11通过至少一个激光焊缝、优选两个激光焊缝14固定在载体板13上。
[0034]为了构造激光焊缝14，将耦合输出镜16、具有设置在其上的HR端镜5的激光介质
7、品质开关8和GRIN透镜11定位在载体板13上并且然后如在图2中示出的那样分别在其两个纵向边缘处借助于激光20、例如CO2激光将其与载体板13焊接。激光焊缝14在载体板13中以及在(因此)材料锁合连接的光学组件6、7、8、11中的熔化深度在此仅仅是约10微米至约30微米。
[0035]在图3中，光学组件6、7、8、11与载体板13借助于由玻璃——尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由结晶陶瓷构成的中间元件30固定，其分别通过一个激光熔焊连接14ρ142不仅与光学组件5、6、7、8、11而且与载体板13材料锁合地连接。
【权利要求】
1.一种激光谐振器装置(2)，其具有多个光学组件(5，6，7，8，11)以及具有由玻璃、尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由结晶陶瓷构成的载体板(13)，所述光学组件(5，6，7，8，11)中的至少一个固定在所述载体板上，其中，至少一个固定在所述载体板(13)上的光学组件(5，6，7，8，11)由玻璃、尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由结晶陶瓷构成并且与所述载体板(13)或者直接通过至少一个激光熔焊连接(14)材料锁合地连接或者借助于由玻璃——尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由结晶陶瓷构成的中间元件(30)固定，所述中间元件分别通过至少一个激光熔焊连接(141;142)不仅与至少一个光学组件(5，6，7，8，11)而且与所述载体板(13)材料锁合地连接。
2.根据权利要求1所述的激光谐振器装置，其特征在于，所述至少一个固定在所述载体板(13)上的光学组件是谐振器镜(5，6)。
3.根据权利要求1或2所述的激光谐振器装置，其特征在于，所述至少一个固定在所述载体板(13)上的光学组件是固体激光介质(7)。
4.根据以上权利要求中任一项所述的激光谐振器装置，其特征在于，所述至少一个固定在所述载体板(13)上的光学组件是光学调制器(8)。
5.根据以上权利要求中任一项所述的激光谐振器装置，其特征在于，所述至少一个固定在所述载体板(13)上的光学组件是设置用于耦合输入泵光(10)的耦合输入光学器件(11)、尤其梯度折射率透镜。
6.根据以上权利要求中任一项所述的激光谐振器装置，其特征在于，所有光学组件(5.6.7.8.11)由玻璃——尤其石英玻璃、由玻璃陶瓷或由结晶陶瓷构成并且通过激光熔焊连接(14)与所述载体板(13)或中间元件(30)材料锁合地连接。
7.根据以上权利要求中任一项所述的激光谐振器装置，其特征在于，材料锁合地与所述载体板(13)或所述中间元件(30)连接的光学组件(5，6，7，8，11)中的一个或多个由具有与所述载体板(13)或所述中间元件(30)相同或近似相同的热膨胀系数的材料构成。
8.根据以上权利要求中任一项所述的激光谐振器装置，其特征在于，一个激光熔焊连接(14 ；141；142)通过沿着设置在所述载体板(13)或所述中间元件(30)上的光学组件(5，6,7,8,11)的接合轮廓延伸的至少一个激光焊缝构成。
9.根据以上权利要求中任一项所述的激光谐振器装置，其特征在于，所述激光熔焊连接(14)的熔化深度在所述载体板(13)中以及在所述至少一个与其材料锁合地连接的光学组件(5，6，7，8，11)中最高是约500微米、优选在10微米和30微米之间。
10.根据以上权利要求中任一项所述的激光谐振器装置，其特征在于，所述载体板(13)、所述中间元件(30)和/或所述与其材料锁合地连接的光学组件(5，6，7，8，11)如此以外来原子掺杂，使得产生用于所述激光束熔焊的激光束的对于所述激光熔焊连接(14 ；141；142)最优的侵入深度。
11.根据以上权利要求中任一项所述的激光谐振器装置，其特征在于，所述光学组件(5.6.7.8.11)中的至少一个、优选所述激光介质(7)或所述光学调制器(8)在所述载体板(13)旁与至少一个另外的表面热接触，通过所述至少一个另外的表面所述光学组件被冷却。
12.一种用于制造根据以上权利要求中任一项所述激光谐振器装置(2)的方法，其特征在于，将待固定在所述载体板(13)上的光学组件(5，6，7，8，11)在所述载体板(13)或与其激光熔焊的中间元件(30)上定位以及随后借助于激光束(20)、尤其CO2激光束将所述光学组件与所述载体板(13)或所述中间元件(30)材料锁合地焊接。
13.根据权利要求12的方法，其特征在于，将待固定在所述载体板(13)上的光学组件(5,6,7,8,11)沿着其边缘侧的接合轮廓借助于所述激光束(20)材料锁合地与所述载体板(13)或与所述中间元件(30)焊接。
【文档编号】H01S3/02GK104205526SQ201380015673
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2013年3月13日 优先权日:2012年3月21日
【发明者】D·克鲁泽, C·焦莱克, S·马尔策内尔, H·齐莫尔 申请人:通快激光标记系统公司