Лазеры с оптической накачкой, усиливающая среда которых содержит кристаллическое или стеклообразное твердое тело, которое также называется кристаллом-основой или материалом-основой, обычно называют твердотельными лазерами. Кристалл-основу легируют ионами инородного материала. При введении энергии в лазерную среду электроны возбуждаются и переходят на более высокий энергетический уровень, так что возникают возбужденные атомы. Этот процесс также называется накачкой. Обычно твердотельные лазеры накачивают оптически. Когда атом, который таким образом был возбужден, стимулируется фотоном, имеющим энергию для испускания, тогда возбужденный атом снова возвращается в свое нормальное состояние и, тем самым, испускает фотон с такой же энергией, а также такой же фазой, как и у стимулирующего фотона. Направления движения обоих фотонов одинаковы. Благодаря этому дублированию стимулирующего фотона лазерная среда действует как усилитель излучения, что также называют классической "лазерной генерацией". Такие твердотельные лазеры хорошо известны из уровня техники. Лазерная активность, главным образом, инициируется спонтанным испусканием, посредством которого электроны статистически, по прошествии специфического для материала периода полужизни, возвращаются в свое нормальное состояние и, тем самым, испускают фотоны, каждый из которых имеет индивидуальное направление и фазу. Обычно функционирование в качестве лазера достигается, когда в дополнение к активной среде существует резонатор из по меньшей мере частично отражающих зеркал, между которыми фотоны, имеющие определенное направление, снова направляются через активную среду и затем стимулируют дальнейшее испускание. Тогда будут преобладать фотоны, имеющие это направление и имеющие одинаковую фазу. Обычно фотоны, которые испускаются в другом направлении при спонтанном испускании, не усиливаются.
Хорошо известным кристаллом-основой является сапфир. Сапфир является кристаллической формой Al2O3, которая характеризуется особенно высокой твердостью. Сапфировый кристалл представляет собой оптически отрицательный одноосный кристалл, который может быть описан кристаллографической осью c и кристаллографическими осями a и b, перпендикулярными по отношению к c и друг по отношению к другу. В случае сапфира кристаллографическая ось c является оптической осью. В случае сапфира наибольшее усиление излучения может быть достигнуто для излучения, которое распространяется ортогонально по отношению к оптической оси. Но так как ось a, так и ось b ортогональны оси c, то, таким образом, существуют две оси (a, b), вдоль которых может возникать усиление излучения, которые в свою очередь, соответственно, ортогональны друг другу. Тем не менее, обычно требуется усиление только в одном из двух направлений, так что только в одном из этих направлений предусмотрен выход усиленного излучения. Усиление спонтанного испускания, возникающего перпендикулярно по отношению к этому предпочтительному направлению, также называют паразитной лазерной активностью. Вследствие паразитной лазерной активности дополнительные возбужденные атомы стимулируются к испусканию без возможности использования испускаемых фотонов для требуемого функционирования лазера, поскольку они распространяются не вдоль предпочтительной ориентации, но в перпендикулярной к ней ориентации. Таким образом, паразитная лазерная активность связана с уменьшением эффективности лазера, поскольку энергия, накачиваемая в лазерную среду, остается неиспользованной и таким образом теряется. Таким образом, эффективность лазера снижается.
Спонтанное испускание в направлениях, которые отличаются от направления лазера, не может быть подавлено в лазерной среде. Однако это явление становится особенно проблематичным, когда на граничной поверхности между кристаллом сапфира и окружающей средой (обычно воздухом) часть излучения отражается обратно в кристалл или даже несколько раз отражается назад и вперед и, таким образом, обеспечивает дополнительное усиление паразитной лазерной активности и рассеивает дополнительную энергию посредством стимулированного испускания. Этот случай называется паразитными колебаниями. Когда усиление (также амплификация) лазерного излучения в активной среде в паразитном направлении высоко, то достаточно лишь низкого коэффициента отражения, такого как, например, в случае неотражающей граничной поверхности между лазерной средой и воздухом, чтобы вызвать значительную потерю энергии. Таким образом, паразитная лазерная активность может быть ослаблена посредством предотвращения обратного отражения излучения, перпендикулярного направлению излучения лазера в сапфировый кристалл, или посредством по меньшей мере его значительного ослабления.
В случае легированного сапфира усиление излучения, возникающего из-за паразитной лазерной активности (паразитное лазерное излучение), в частности ортогонально предпочтительной ориентации усиления и ортогонально кристаллографической оси c сапфира, настолько высоко, что даже и в случае противоотражающего покрытия на боковой поверхности лазерного кристалла имеют место сильные отражения, так что эта проблема решается с помощью мер, которые еще больше подавляют отражения паразитного лазерного излучения.
Такое решение заключается в следующем: приведение дииодметана (в качестве жидкого материала кладинга) в контакт с боковой поверхностью лазерной среды. Эта жидкость имеет согласованный показатель преломления и поглощает паразитное излучение, так что отражения подавляются. Но эта жидкость имеет несколько несомненных недостатков. Во-первых, тот факт, что это жидкость, а не твердое вещество приводит к более сложной и менее отказоустойчивой лазерной системе. Во-вторых, область, через которую лазерная среда находится в контакте с жидкостью, ограничена, поскольку лазерная среда должна удерживаться и фиксироваться также за пределами лазерных областей. В-третьих, эта жидкость опасна для здоровья. В-четвертых, эта жидкость разлагается с течением времени и должна подвергаться замене с регулярными интервалами. В-пятых, для такого решения проблемы показатель преломления должен быть согласован в определенном диапазоне длин волн, и, хотя коэффициент отражения на центральной длине волны можно минимально изменить с помощью добавления добавок, дисперсия (зависимость показателя преломления от длины волны) является более или менее постоянной и отличается от дисперсии сапфира.
Поэтому были предприняты попытки уменьшить паразитные колебания с помощью твердотельного кладинга и таким образом повысить эффективность лазера. Один из принципов функционирования, который основан на подавлении паразитного излучения с помощью стекла кладинга, описан в US 4217382 A, но это изобретение относится к специальному случаю фторофосфатного стекла, легированного неодимом. В этой системе длина волны паразитного лазерного излучения, подлежащего подавлению, составляет 1052 нм, а показатель преломления активной среды составляет примерно 1,46, т.е. изобретение, которое описано в US 4217382 A, совсем не подходит в качестве кладинга для легированного сапфира.
Поэтому задача настоящего изобретения состоит в предоставлении средства, которое в случае легированного сапфира подходит для подавления паразитного излучения в видимом диапазоне и преодолевает недостатки стекла, известные из предшествующего уровня техники. Данная задача достигается объектом формулы изобретения.
Настоящее изобретение обеспечивает стекло кладинга для легированного сапфира, которое идеально подходит для этой цели. Предпочтительно, стекло кладинга расположено на поверхности легированного сапфирового кристалла так, что излучение от паразитной лазерной активности падает на граничную поверхность кристалл/стекло кладинга вместо граничной поверхности кристалл/воздух. Благодаря тому, что показатель преломления стекла кладинга согласован с показателем преломления сапфирового кристалла, так что их различия очень малы, возникающее отражение сильно уменьшается, и становится возможным прохождение большей части излучения от кристалла в стекло кладинга. В этом случае, однако, необходимо учитывать, что сапфировый кристалл из-за сильной анизотропии материала характеризуется двумя основными показателями преломления, а именно обыкновенным показателем преломления no и необыкновенным показателем преломления ne. Необыкновенный показатель преломления относится к свету, который поляризован в параллельном направлении к оптической оси (π-поляризованный свет). Поскольку создающая затруднения часть паразитного лазерного излучения по большей части является π-поляризованным светом, предпочтительно, чтобы стекло кладинга имело показатель преломления, который согласован с необыкновенным показателем преломления легированного сапфира. В настоящем описании термины "показатель преломления", "коэффициент преломления" и "коэффициент рефракции" используются как синонимы.
Существует риск того, что паразитное лазерное излучение, входящее в стекло кладинга, отразится на граничной поверхности стекла кладинга/воздух, не обращенной к активному элементу, и после повторного прохождения стекла кладинга снова войдет в легированный сапфир. Для того чтобы это предотвратить, выгодно, чтобы стекло кладинга в диапазоне длин волн паразитного лазерного излучения имело внутренний коэффициент пропускания, который является настолько низким, насколько возможно. Поскольку, когда паразитное лазерное излучение эффективно поглощается в стекле кладинга, отсутствует возможность того, что он снова войдет в легированный сапфир.
Настоящее изобретение относится к лазерному компоненту, содержащему
a) активный элемент из легированного сапфира, и
b) стекло кладинга, помещенное на упомянутом активном элементе, которое в случае толщины 1 мм в диапазоне длин волн от 750 нм до 850 нм имеет внутренний коэффициент пропускания не более 0,8, предпочтительно не более 0,5, более предпочтительно не более 0,4, более предпочтительно не более 0,3, более предпочтительно не более 0,2, более предпочтительно не более 0,15, более предпочтительно не более 0,1,
причем для излучения в диапазоне длин волн от 750 нм до 850 нм необыкновенный показатель преломления легированного сапфира и показатель преломления стекла кладинга отличаются друг от друга не более чем на 0,05, предпочтительно не более 0,04, более предпочтительно не более 0,03, более предпочтительно не более 0,02, более предпочтительно не более 0,01, более предпочтительно не более 0,005, более предпочтительно не более 0,002, более предпочтительно не более 0,001, более предпочтительно не более 0,0005.
В предпочтительных вариантах осуществления стекло кладинга с толщиной 1 мм даже имеет в диапазоне длин волн от 700 нм до 900 нм внутренний коэффициент пропускания не более 0,8, более предпочтительно не более 0,5, более предпочтительно не более 0,4, более предпочтительно не более 0,3, более предпочтительно не более 0,2, более предпочтительно не более 0,15, более предпочтительно не более 0,1, и для излучения в диапазоне длин волн от 700 нм до 900 нм необыкновенный показатель преломления легированного сапфира и показатель преломления стекла кладинга отличаются друг от друга не более чем на 0,05, предпочтительно не более 0,04, более предпочтительно не более 0,03, более предпочтительно не более 0,02, более предпочтительно не более 0,01, более предпочтительно не более 0,005, более предпочтительно не более 0,002, более предпочтительно не более 0,0015.
В еще более предпочтительных вариантах осуществления стекло кладинга с толщиной 1 мм даже в диапазоне длин волн от 650 нм до 950 нм имеет внутренний коэффициент пропускания не более 0,8, более предпочтительно не более 0,5, более предпочтительно не более 0,4, более предпочтительно не более 0,3, более предпочтительно не более 0,2, более предпочтительно не более 0,15, более предпочтительно не более 0,1, и для излучения в диапазоне длин волн от 650 нм до 950 нм необыкновенный показатель преломления легированного сапфира и показатель преломления стекла кладинга отличаются друг от друга не более чем на 0,05, предпочтительно не более 0,04, более предпочтительно не более 0,03, более предпочтительно не более 0,02, более предпочтительно не более 0,01, более предпочтительно не более 0,005, более предпочтительно не более 0,0025.
В еще более предпочтительных вариантах осуществления стекло кладинга с толщиной 1 мм даже в диапазоне длин волн от 600 нм до 1000 нм имеет внутренний коэффициент пропускания не более 0,8, более предпочтительно не более 0,5, более предпочтительно не более 0,4, более предпочтительно не более 0,3, более предпочтительно не более 0,2, более предпочтительно не более 0,15, более предпочтительно не более 0,1, и для излучения в диапазоне длин волн от 600 нм до 1000 нм необыкновенный показатель преломления легированного сапфира и показатель преломления стекла кладинга отличаются друг от друга не более чем на 0,05, предпочтительно не более 0,04, более предпочтительно не более 0,03, более предпочтительно не более 0,02, более предпочтительно не более 0,01, более предпочтительно не более 0,005, более предпочтительно не более 0,0035.
В еще более предпочтительных вариантах осуществления стекло кладинга с толщиной 1 мм даже в диапазоне длин волн от 600 нм до 1100 нм имеет внутренний коэффициент пропускания не более 0,8, более предпочтительно не более 0,5, более предпочтительно не более 0,4, более предпочтительно не более 0,3, более предпочтительно не более 0,2, более предпочтительно не более 0,15, более предпочтительно не более 0,1, и для излучения в диапазоне длин волн от 600 нм до 1100 нм необыкновенный показатель преломления легированного сапфира и показатель преломления стекла кладинга отличаются друг от друга не более чем на 0,05, предпочтительно не более 0,04, более предпочтительно не более 0,03, более предпочтительно не более 0,02, более предпочтительно не более 0,01, более предпочтительно не более 0,005, более предпочтительно не более 0,0035.
Сапфир характеризуется очень высоким числом Аббе. Число Аббе сапфира составляет примерно vd=73. Это означает, что зависимость показателей преломления (обыкновенного и необыкновенного) от длины волны относительно низка. С тем результатом, что стекло кладинга особенно хорошо согласовано с сапфиром, выгодно, чтобы число Аббе стекла кладинга также было очень высоким. Поэтому предпочтительно, чтобы число Аббе стекол по настоящему изобретению составляло по меньшей мере 35, более предпочтительно по меньшей мере 40, более предпочтительно по меньшей мере 45, более предпочтительно по меньшей мере 47, более предпочтительно по меньшей мере 48. Таким образом, число Аббе стекол по настоящему изобретению ниже, чем число Аббе сапфира, предпочтительно, не более чем на 38, более предпочтительно не более 33, более предпочтительно не более 28, более предпочтительно не более 26, более предпочтительно не более 25. Таким образом, становится возможным удовлетворительное согласование показателя преломления стекла с показателем преломления сапфира в сравнительно большом диапазоне длин волн. Предпочтительно, число Аббе стекол по настоящему изобретению не выше 55, более предпочтительно не выше 52.
Формально показатель преломления (стекла или сапфира) может быть аппроксимирован к длине волны λ0 по формуле Тейлора: n(λ)=n(λ0)+(λ-λ0)×(∂n(λ)/∂λ)|λ0+…. Для того чтобы могла быть гарантирована хорошая эффективность оптического компонента, целесообразно согласовать не только показатель преломления стекла с пиком испускания, но также локальное дифференцирование этого показателя преломления (∂n(λ)/∂λ)|λ0 по длине волны при λ0=800 [нм]. Это характерное значение (∂n(λ)/∂λ)|λ0 указывает на то, насколько хорошим будет согласование показателя преломления в предполагаемом диапазоне длин волн (например, от 750 нм до 850 нм). Для Ti:Sa это дифференцирование составляет приблизительно -2,68×10-5 [нм-1]. Для стекла предпочтительным является значение между -3,00×10-5 и -4,00×10-5 [нм-1].
Лазерный компонент по настоящему изобретению содержит активный элемент из легированного сапфира. Предпочтительно, сапфир легирован легирующей примесью, выбранной из группы, состоящей из ионов элементов титана, хрома, железа и ванадия. Более предпочтительно, легирующую примесь выбирают из группы, состоящей из ионов элементов титана и хрома. Особенно предпочтительно, когда легирующая примесь представляет собой ион титана. Предпочтительно, доля оксида легирующей примеси (например Ti2O3) находится в диапазоне от 0,01 до 1% по весу, более предпочтительно от 0,05 до 0,5% по весу, более предпочтительно от 0,05 до 0,3% по весу, более предпочтительно от 0,1 до 0,2% по весу, по массе оксида алюминия (Al2O3) в легированном сапфире. При таких долях легирующих примесей получают особенно эффективные лазерные среды.
Стекло кладинга, помещенное на активный элемент, с толщиной 1 мм в диапазоне длин волн от λ=750 нм до λ=850 нм имеет внутренний коэффициент пропускания не более 0,8. Предпочтительно, внутренний коэффициент пропускания стекла кладинга с толщиной 1 мм в диапазоне длин волн от 750 нм до 850 нм составляет даже только не более 0,5, более предпочтительно не более 0,4, более предпочтительно не более 0,3, более предпочтительно не более 0,2, более предпочтительно не более 0,15, более предпочтительно не более 0,1. Низкий внутренний коэффициент пропускания связан с высоким поглощением паразитного лазерного излучения в стекле кладинга, так что значительно уменьшается доля света, которая из стекла кладинга снова входит в легированный сапфир.
Предпочтительно, помещенное на активный элемент стекло кладинга, с толщиной 1 мм, в диапазоне длин волн от λ=700 нм до λ=900 нм имеет внутренний коэффициент пропускания не более 0,8, более предпочтительно не более 0,5, более предпочтительно не более 0,4, более предпочтительно не более 0,3, более предпочтительно не более 0,2, более предпочтительно не более 0,15, более предпочтительно не более 0,1.
Предпочтительно, помещенное на активный элемент стекло кладинга с толщиной 1 мм в диапазоне длин волн от λ=650 нм до λ=950 нм имеет внутренний коэффициент пропускания не более 0,8, более предпочтительно не более 0,5, более предпочтительно не более 0,4, более предпочтительно не более 0,3, более предпочтительно не более 0,2, более предпочтительно не более 0,15, более предпочтительно не более 0,1.
Предпочтительно, помещенное на активный элемент стекло кладинга с толщиной 1 мм в диапазоне длин волн от λ=600 нм до λ=1000 нм имеет внутренний коэффициент пропускания не более 0,8, более предпочтительно не более 0,5, более предпочтительно не более 0,4, более предпочтительно не более 0,3, более предпочтительно не более 0,2, более предпочтительно не более 0,15, более предпочтительно не более 0,1.
Предпочтительно, помещенное на активный элемент стекло кладинга с толщиной 1 мм в диапазоне длин волн от λ=600 нм до λ=1100 нм имеет внутренний коэффициент пропускания не более 0,8, более предпочтительно не более 0,5, более предпочтительно не более 0,4, более предпочтительно не более 0,3, более предпочтительно не более 0,2, более предпочтительно не более 0,15, более предпочтительно не более 0,1.
При других длинах волн стекло кладинга, однако, предпочтительно имеет значительно более низкий внутренний коэффициент пропускания. Предпочтительно, помещенное на активный элемент стекло кладинга с толщиной 1 мм в диапазоне длин волн от λ=450 нм до λ=550 нм имеет внутренний коэффициент пропускания по меньшей мере 0,4, более предпочтительно по меньшей мере 0,5, более предпочтительно по меньшей мере 0,6.
В альтернативных вариантах осуществления, предпочтительно, помещенное на активный элемент стекло кладинга с толщиной 1 мм в диапазоне длин волн от λ=1025 нм до λ=1125 нм имеет внутренний коэффициент пропускания по меньшей мере 0,2, более предпочтительно по меньшей мере 0,25, более предпочтительно по меньшей мере 0,3.
На фигуре 1 показаны кривые внутреннего коэффициента пропускания предпочтительного примера стекла кладинга.
Разница между необыкновенным показателем преломления легированного сапфира и показателем преломления стекла кладинга для излучения в диапазоне длин волн от 750 нм до 850 нм составляет не более 0,05. Предпочтительно, разница между необыкновенным показателем преломления легированного сапфира и показателем преломления стекла кладинга для излучения в диапазоне длин волн от 750 нм до 850 нм составляет не более 0,04, более предпочтительно не более 0,03, более предпочтительно не более 0,02, более предпочтительно не более 0,01, более предпочтительно не более 0,005, более предпочтительно не более 0,002, более предпочтительно не более 0,001, более предпочтительно не более 0,0005. Небольшая разница между упомянутыми показателями преломления связана с низким отражением на граничной поверхности сапфировый кристалл/стекло кладинга, так что особенно большая доля паразитного лазерного излучения из легированного сапфира может входить в стекло кладинга.
Предпочтительно, разница между необыкновенным показателем преломления легированного сапфира и показателем преломления стекла кладинга для излучения в диапазоне длин волн от 700 нм до 900 нм составляет не более 0,05, более предпочтительно не более 0,04, более предпочтительно не более 0,03, более предпочтительно не более 0,02, более предпочтительно не более 0,01, более предпочтительно не более 0,005, более предпочтительно не более 0,002, более предпочтительно не более 0,0015.
Предпочтительно, разница между необыкновенным показателем преломления легированного сапфира и показателем преломления стекла кладинга для излучения в диапазоне длин волн от 650 нм до 950 нм составляет не более 0,05, более предпочтительно не более 0,04, более предпочтительно не более 0,03, более предпочтительно не более 0,02, более предпочтительно не более 0,01, более предпочтительно не более 0,005, более предпочтительно не более 0,0025.
Предпочтительно, разница между необыкновенным показателем преломления легированного сапфира и показателем преломления стекла кладинга для излучения в диапазоне длин волн от 600 нм до 1000 нм составляет не более 0,05, более предпочтительно не более 0,04, более предпочтительно не более 0,03, более предпочтительно не более 0,02, более предпочтительно не более 0,01, более предпочтительно не более 0,005, более предпочтительно не более 0,0035.
Предпочтительно, разница между необыкновенным показателем преломления легированного сапфира и показателем преломления стекла кладинга для излучения в диапазоне длин волн от 600 нм до 1100 нм составляет не более 0,05, более предпочтительно не более 0,04, более предпочтительно не более 0,03, более предпочтительно не более 0,02, более предпочтительно не более 0,01, более предпочтительно не более 0,005, более предпочтительно не более 0,0035.
Предпочтительно, необыкновенный показатель преломления легированного сапфира для излучения в диапазоне длин волн от 750 нм до 850 нм находится в диапазоне от 1,70 до 1,80, более предпочтительно от 1,72 до 1,78, более предпочтительно от 1,73 до 1,77, более предпочтительно от 1,74 до 1,77. Особенно предпочтительно, когда необыкновенный показатель преломления легированного сапфира для излучения в диапазоне длин волн от 750 нм до 850 нм составляет примерно 1,75. Поэтому, в соответствии с настоящим изобретением, показатель преломления стекла кладинга для излучения в диапазоне длин волн от 750 нм до 850 нм находится, предпочтительно, в диапазоне от 1,65 до 1,85, более предпочтительно от 1,67 до 1,83, более предпочтительно от 1,68 до 1,82, более предпочтительно от 1,69 до 1,82, более предпочтительно от 1,70 до 1,80, более предпочтительно от 1,72 до 1,78, более предпочтительно от 1,73 до 1,77, более предпочтительно от 1,74 до 1,77, более предпочтительно от 1,750 до 1,765, более предпочтительно от 1,750 до 1,760. Особенно предпочтительно, когда показатель преломления стекла кладинга для излучения в диапазоне длин волн от 750 нм до 850 нм составляет примерно 1,755.
Предпочтительно, необыкновенный показатель преломления легированного сапфира для излучения в диапазоне длин волн от 700 нм до 900 нм находится в диапазоне от 1,70 до 1,80, более предпочтительно от 1,72 до 1,78, более предпочтительно от 1,73 до 1,77, более предпочтительно от 1,74 до 1,77. Особенно предпочтительно, когда необыкновенный показатель преломления легированного сапфира для излучения в диапазоне длин волн от 700 нм до 900 нм составляет примерно 1,75. Поэтому в соответствии с настоящим изобретением показатель преломления стекла кладинга для излучения в диапазоне длин волн от 700 нм до 900 нм находится, предпочтительно, в диапазоне от 1,65 до 1,85, более предпочтительно от 1,67 до 1,83, более предпочтительно от 1,68 до 1,82, более предпочтительно от 1,69 до 1,82, более предпочтительно от 1,70 до 1,80, более предпочтительно от 1,72 до 1,78, более предпочтительно от 1,73 до 1,77, более предпочтительно от 1,74 до 1,77, более предпочтительно от 1,750 до 1,765, более предпочтительно от 1,750 до 1,760. Особенно предпочтительно, когда показатель преломления стекла кладинга для излучения в диапазоне длин волн от 700 нм до 900 нм составляет примерно 1,755.
Предпочтительно, необыкновенный показатель преломления легированного сапфира для излучения в диапазоне длин волн от 650 нм до 950 нм находится в диапазоне от 1,70 до 1,80, более предпочтительно от 1,72 до 1,78, более предпочтительно от 1,73 до 1,77, более предпочтительно от 1,74 до 1,77. Особенно предпочтительно, когда необыкновенный показатель преломления легированного сапфира для излучения в диапазоне длин волн от 650 нм до 950 нм составляет примерно 1,75. Поэтому, в соответствии с настоящим изобретением показатель преломления стекла кладинга для излучения в диапазоне длин волн от 650 нм до 950 нм находится, предпочтительно, в диапазоне от 1,65 до 1,85, более предпочтительно от 1,67 до 1,83, более предпочтительно от 1,68 до 1,82, более предпочтительно от 1,69 до 1,82, более предпочтительно от 1,70 до 1,80, более предпочтительно от 1,72 до 1,78, более предпочтительно от 1,73 до 1,77, более предпочтительно от 1,74 до 1,77, более предпочтительно от 1,750 до 1,765, более предпочтительно от 1,750 до 1,760. Особенно предпочтительно, когда показатель преломления стекла кладинга для излучения в диапазоне длин волн от 650 нм до 950 нм составляет примерно 1,755.
Предпочтительно, необыкновенный показатель преломления легированного сапфира для излучения в диапазоне длин волн от 600 нм до 1000 нм находится в диапазоне от 1,70 до 1,80, более предпочтительно от 1,72 до 1,78, более предпочтительно от 1,73 до 1,77, более предпочтительно от 1,74 до 1,77. Особенно предпочтительно, когда необыкновенный показатель преломления легированного сапфира для излучения в диапазоне длин волн от 600 нм до 1000 нм составляет примерно 1,75. Поэтому в соответствии с настоящим изобретением показатель преломления стекла кладинга для излучения в диапазоне длин волн от 600 нм до 1000 нм находится, предпочтительно, в диапазоне от 1,65 до 1,85, более предпочтительно от 1,67 до 1,83, более предпочтительно от 1,68 до 1,82, более предпочтительно от 1,69 до 1,82, более предпочтительно от 1,70 до 1,80, более предпочтительно от 1,72 до 1,78, более предпочтительно от 1,73 до 1,77, более предпочтительно от 1,74 до 1,77, более предпочтительно от 1,750 до 1,765, более предпочтительно от 1,750 до 1,760. Особенно предпочтительно, когда показатель преломления стекла кладинга для излучения в диапазоне длин волн от 600 нм до 1000 нм составляет примерно 1,755.
Предпочтительно, необыкновенный показатель преломления легированного сапфира для излучения в диапазоне длин волн от 600 нм до 1100 нм находится в диапазоне от 1,70 до 1,80, более предпочтительно от 1,72 до 1,78, более предпочтительно от 1,73 до 1,77, более предпочтительно от 1,74 до 1,77. Особенно предпочтительно, когда необыкновенный показатель преломления легированного сапфира для излучения в диапазоне длин волн от 600 нм до 1100 нм составляет примерно 1,75. Поэтому в соответствии с настоящим изобретением показатель преломления стекла кладинга для излучения в диапазоне длин волн от 600 нм до 1100 нм находится, предпочтительно, в диапазоне от 1,65 до 1,85, более предпочтительно от 1,67 до 1,83, более предпочтительно от 1,68 до 1,82, более предпочтительно от 1,69 до 1,82, более предпочтительно от 1,70 до 1,80, более предпочтительно от 1,72 до 1,78, более предпочтительно от 1,73 до 1,77, более предпочтительно от 1,74 до 1,77, более предпочтительно от 1,750 до 1,765, более предпочтительно от 1,750 до 1,760. Особенно предпочтительно, когда показатель преломления стекла кладинга для излучения в диапазоне длин волн от 600 нм до 1100 нм составляет примерно 1,755.
В конкретных вариантах осуществления разница между показателем преломления стекла кладинга и средним значением обыкновенного и необыкновенного показателей преломления легированного сапфира для излучения в диапазоне длин волн от 750 нм до 850 нм составляет не более 0,05, предпочтительно не более 0,04, более предпочтительно не более 0,03, более предпочтительно не более 0,02, более предпочтительно не более 0,01, более предпочтительно не более 0,005, более предпочтительно не более 0,002, более предпочтительно не более 0,001, более предпочтительно не более 0,0005.
В конкретных вариантах осуществления разница между показателем преломления стекла кладинга и средним значением обыкновенного и необыкновенного показателей преломления легированного сапфира для излучения в диапазоне длин волн от 700 нм до 900 нм составляет не более 0,05, предпочтительно не более 0,04, более предпочтительно не более 0,03, более предпочтительно не более 0,02, более предпочтительно не более 0,01, более предпочтительно не более 0,005, более предпочтительно не более 0,002, более предпочтительно не более 0,0015.
В конкретных вариантах осуществления разница между показателем преломления стекла кладинга и средним значением обыкновенного и необыкновенного показателей преломления легированного сапфира для излучения в диапазоне длин волн от 650 нм до 950 нм составляет не более 0,05, предпочтительно не более 0,04, более предпочтительно не более 0,03, более предпочтительно не более 0,02, более предпочтительно не более 0,01, более предпочтительно не более 0,005, более предпочтительно не более 0,002, более предпочтительно не более 0,0025.
В конкретных вариантах осуществления разница между показателем преломления стекла кладинга и средним значением обыкновенного и необыкновенного показателей преломления легированного сапфира для излучения в диапазоне длин волн от 600 нм до 1000 нм составляет не более 0,05, предпочтительно не более 0,04, более предпочтительно не более 0,03, более предпочтительно не более 0,02, более предпочтительно не более 0,01, более предпочтительно не более 0,005, более предпочтительно не более 0,002, более предпочтительно не более 0,0035.
В конкретных вариантах осуществления разница между показателем преломления стекла кладинга и средним значением обыкновенного и необыкновенного показателей преломления легированного сапфира для излучения в диапазоне длин волн от 600 нм до 1100 нм составляет не более 0,05, предпочтительно не более 0,04, более предпочтительно не более 0,03, более предпочтительно не более 0,02, более предпочтительно не более 0,01, более предпочтительно не более 0,005, более предпочтительно не более 0,002, более предпочтительно не более 0,0035.
Предпочтительно, разница между необыкновенным показателем преломления легированного сапфира и обыкновенным показателем преломления легированного сапфира для излучения в диапазоне длин волн от 750 нм до 850 нм, более предпочтительно от 700 нм до 900 нм, более предпочтительно от 650 нм до 950 нм, более предпочтительно от 600 нм до 1000 нм, более предпочтительно от 600 нм до 1100 нм составляет не более 0,01. Предпочтительно, разница находится в диапазоне от 0,008 до 0,009. Поэтому, разница между средним значением обыкновенного и необыкновенного показателей преломления легированного сапфира и необыкновенным показателем преломления легированного сапфира составляет, предпочтительно, не более 0,005.
Предпочтительно, показатель преломления в диапазоне длин волн от 600 нм до 1100 нм определяют с помощью призменного соединителя. В альтернативном варианте показатель преломления может также быть определен при более низких длинах волн с помощью рефрактометра с V-блоком, а показатель преломления в диапазоне длин волн от 600 нм до 1100 нм можно экстраполировать с помощью формул дисперсии Зелмейера и/или Гармтмана. В случае легирования CuO в зависимости от его интенсивности могут быть использованы и другие способы определения показателя преломления.
Стекло кладинга помещают на активный элемент. Для эффективного подавления паразитного лазерного излучения выгодно, чтобы стекло кладинга было по меньшей мере расположено на больших участках частей поверхности легированного сапфира, через которые паразитное лазерное излучение может потенциально выходить из легированного сапфира. В данном случае, в частности, под частями поверхности легированного сапфира понимаются те, вектор нормали к которым, как правило, параллелен направлению распространения паразитного лазерного излучения. Паразитное лазерное излучение распространяется во всех направлениях. Но усиление этого паразитного излучения является особенно сильным, в частности, в ортогональном направлении по отношению к предпочтительному направлению лазерного излучения и в ортогональном направлении по отношению к кристаллографической оси c. Есть два противоположных направления, которые удовлетворяют этим условиям. Поэтому выгодно, чтобы стекло кладинга было расположено на поверхности легированного сапфира таким образом, чтобы оно было способно облегчать выход паразитного лазерного излучения из сапфирового кристалла с обеих сторон, с упомянутой одной стороны, а также с упомянутой противоположной стороны легированного сапфира. Напротив, со стороны, с которой лазерное излучение с предпочтительной ориентацией может выходить из легированного сапфира, стекло кладинга не должно присутствовать, поскольку желателен выход лазерного излучения без помех. На остальных боковых областях легированного сапфира, через которые из кристалла может выходить меньше паразитного лазерного излучения, стекло кладинга может быть расположено на легированном сапфире. Это, однако, связано со значительно меньшим преимуществом и, как правило, приводит к дополнительным расходам, так что на этих сторонах легированного сапфира, предпочтительно, стекло кладинга отсутствует.
Фигура 2 показывает предпочтительное расположение стекла кладинга на противоположных сторонах легированного сапфирового кристалла примерным и схематическим образом.
На фигуре 2a) показан схематический трехмерный вид легированного сапфирового кристалла 3 со стеклами 2 кладинга, расположенными на противоположных сторонах кристалла 3. Стекло 2 кладинга расположено на поверхности легированного сапфира 3 так, что оно способно облегчать выход паразитного лазерного излучения 5 из сапфирового кристалла с обеих сторон, упомянутой одной стороны, а также упомянутой противоположной стороны легированного сапфира 3. Напротив, со стороны, с которой лазерное излучение с предпочтительной ориентацией 4 может выходить из легированного сапфира 3, стекло 2 кладинга отсутствует, так что там имеет место выход лазерного излучения 4 из сапфирового кристалла 3 без помех. В обоих случаях показаны лазерное излучение с предпочтительным направлением 4, а также паразитное лазерное излучение 5 направлениями наибольшего усиления, ортогональными кристаллографической оси c (ссылочная позиция 1) сапфирового кристалла. На фигуре 2a), кроме того, показана плоскость виртуального разреза. На фигурах 2b) и 2c) показан вид на эту плоскость виртуального разреза.
На фигуре 2b) показано распространение лазерного излучения с предпочтительным направлением 4 и паразитного лазерного излучения 5, ортогонального кристаллографической c оси 1 сапфирового кристалла.
Фигура 2c) показывает увеличенный вид граничной поверхности между стеклом кладинга (слева) и легированным сапфиром (справа). Порции паразитного лазерного излучения 5 из сапфира входят в стекло кладинга. На фигуре 2c) эти части обозначены ссылочной позицией 6. Благодаря поглощению этих частей 6 паразитного лазерного излучения 5 в стекле кладинга паразитное лазерное излучение может быть эффективно подавлено, и, таким образом, мощность лазера может быть увеличена.
Поскольку стекло кладинга находится на легированном сапфире, в случае изменений температуры могут возникать напряжения, если стекло кладинга и легированный сапфир характеризуются сильно отличающимся поведением при тепловом расширении. Такие напряжения могут приводить к отслаиванию или даже к разламыванию кладинга. Поэтому выгодно, чтобы коэффициент линейного теплового расширения стекла кладинга был согласован с коэффициентом линейного теплового расширения легированного сапфира.
Коэффициент линейного продольного теплового расширения определяется как: α(T)=(1/L)×(∂L/∂T), где L представляет собой длину измеряемого образца, а T представляет собой температуру.
В настоящем документе средний коэффициент линейного продольного теплового расширения в определенном диапазоне температур, например [T0;T0+ΔT], определяется следующим образом: <α>[T0;T0+ΔT]=1/(ΔT)∫T0T0+ΔTα(T)dT.
В целях упрощения в следующей части данного текста измеряемые значения <α> относятся к среднему коэффициенту линейного продольного теплового расширения в диапазоне [-30;70]°C.
Но в этом случае необходимо учитывать, что сапфир в связи с его кристаллографической анизотропией характеризуется двумя коэффициентами линейного продольного теплового расширения, причем один определяется для предпочтительных направлений, параллельных кристаллографической оси c (<αsapphire>//c), и один определяется для предпочтительных направлений, ортогональных кристаллографической оси c (<αsapphire>┴c).
- <αsapphire>//c=средний коэффициент линейного продольного теплового расширения сапфира для предпочтительных направлений, параллельных кристаллографической оси c
- <αsapphire>┴c=средний коэффициент линейного продольного теплового расширения сапфира для предпочтительных направлений, ортогональных кристаллографической оси c
- <αsapphire>=среднее значение среднего коэффициента линейного продольного теплового расширения сапфира для предпочтительных направлений, параллельных кристаллографической оси c и среднего коэффициента линейного продольного теплового расширения для предпочтительных направлений, ортогональных кристаллографической оси c.
- Верно следующее: <αsapphire>=(<αsapphire>//c+<αsapphire>┴c)/2
Значения <αsapphire>┴c и <αsapphire>//c различаются. Поскольку стекло кладинга, предпочтительно, присутствует на преобладающей части из упомянутых частей поверхности легированного сапфира, вектор нормали которой параллелен направлению распространения паразитного лазерного излучения, как различия между коэффициентом линейного продольного теплового расширения стекла кладинга <αglass> и <αsapphire>//c, так и различия между <αglass> и <αsapphire>┴c вносят вклад в зависящие от температуры напряжения между легированным сапфиром и стеклом кладинга, которое находится на нем. Поэтому выгодно, чтобы разница между значением <αglass> и средним значением значений <αsapphire>//c и <αsapphire>┴c (другими словами <αsapphire>=(<αsapphire>//c+<αsapphire>┴c)/2) была мала.
Подходящей мерой для линейного теплового расширения стекла кладинга является <αglass>. Поэтому, предпочтительно, разница между <αglass> и <αsapphire>=(<αsapphire>//c+<αsapphire>┴c)/2 составляет не более 0,5×10-6 К-1, более предпочтительно не более 0,3×10-6 К-1, более предпочтительно не более 0,2×10-6 К-1, более предпочтительно не более 0,1×10-6 К-1.
В диапазоне температур от -30°C до 70°C значение <αsapphire> составляет примерно 5,8×10-6 К-1. Поэтому в диапазоне температур от -30°C до 70°C <αglass> находится, предпочтительно, в диапазоне от 4,5×10-6 К-1 до 7,0×10-6 К-1, более предпочтительно от 5,0×10-6 К-1 до 6,5×10-6 К-1, более предпочтительно от 5,2*10-6 К-1 до 6,4×10-6 К-1, более предпочтительно от 5,5×10-6 К-1 до 6,0×10-6 К-1, более предпочтительно от 5,7×10-6 К-1 до 5,9×10-6 К-1. Особенно предпочтительно, когда в диапазоне температур от -30°C до 70°C значение <αglass> составляет примерно 5,8×10-6 К-1.
Авторы настоящего изобретения обнаружили, что боросиликатное стекло, содержащее CuO, особенно хорошо подходит в качестве стекла кладинга для легированного сапфира. Боросиликатное стекло различается по содержанию как SiO2, так и B2O3 в качестве структурообразователей. Было показано, что боросиликатное стекло с лантаном является особенно подходящим.
Предпочтительно, стекло кладинга содержит La2O3 в пропорции 30-60% по весу. La2O3 используется для увеличения показателя преломления. Предпочтительно, доля La2O3 составляет по меньшей мере 35% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 40% по весу. Но когда доля La2O3 является слишком высокой, повышается риск кристаллизации. Поэтому доля La2O3 составляет, предпочтительно, не более 55% по весу.
B2O3 является структурообразователем, и он, предпочтительно, присутствует в стекле кладинга в пропорции 15-45% по весу. В некоторых условиях, однако, возможна утечка B2O3 во время этапа плавления, так что в зависимости от условий процесса композиции стекла с очень высоким содержанием B2O3 и, следовательно, также физические и химические свойства стекла оказываются подвержены нежелательным флуктуациям по отношению к точному составу (например, из-за выпаривания во время плавления). Слишком высокая доля B2O3 может делать стекло более подверженным водной коррозии. Кроме того, слишком высокая доля B2O3 делает стекло короче (технический термин, который относится к стеклам), т.е. таким, что в очень узком диапазоне температур сильно изменяется вязкость, что является невыгодным для калибровки способа. Кроме того, высокие доли B2O3 связаны с уменьшением показателя преломления, что в соответствии с настоящим изобретением нежелательно. Поэтому, предпочтительно, доля B2O3 в стекле кладинга составляет не более 40% по весу, более предпочтительно не более 35% по весу. Но доля B2O3 в стекле кладинга также должна быть не очень низкой, поскольку иначе увеличивается склонность к кристаллизации. Предпочтительно, доля B2O3 в стекле кладинга составляет по меньшей мере 20% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 25% по весу.
SiO2 является структурообразователем, и он, предпочтительно, присутствует в стекле кладинга в количествах 1-15% по весу. Когда SiO2 используют в слишком большом количестве, растворимость лантана в матрице снижается, что может приводить к кристаллизации. Предпочтительно, доля SiO2 в стекле кладинга составляет не более 12% по весу, более предпочтительно не более 10% по весу, более предпочтительно не более 7% по весу. Однако SiO2 вносит вклад в улучшение химической стабильности стекол кладинга. Кроме того, SiO2 делает стекло длиннее, т.е. таким, что вязкость стекла не так сильно изменяется в зависимости от температуры, что выгодно для калибровки способа получения. Поэтому доля SiO2 в стекле кладинга составляет, предпочтительно, по меньшей мере 2% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 3% по весу.
Предпочтительно, сумма долей SiO2 и B2O3 в стекле кладинга составляет не более 60% по весу, более предпочтительно не более 50% по весу, более предпочтительно не более 45% по весу, более предпочтительно не более 40% по весу, более предпочтительно не более 35% по весу, более предпочтительно не более 34% по весу, более предпочтительно не более 33% по весу, более предпочтительно не более 30% по весу. Поскольку эти два структурообразователя вносят вклад в уменьшение показателя преломления, сумма этих двух компонентов не должна быть слишком большой, поскольку это может быть невыгодным для корректировок оптических свойств стекла.
Для получения оптимального показателя преломления и оптимальной растворимости лантана в матрице выгодно, чтобы относительное содержание La2O3 и B2O3 было выбрано так, чтобы весовое отношение La2O3 к B2O3 находилось в диапазоне значений от 0,66 до 4. Более предпочтительным является отношение в диапазоне от 0,8 до 3, еще более предпочтительным от 1 до 2,5, еще более предпочтительным от 1,5 до 2.
Аналогичные соображения приводят к предпочтительному выбору весового отношения La2O3 к сумме оксидов SiO2 и B2O3 так, чтобы получить значения от 0,5 до 3,75, более предпочтительно от 0,7 до 2,5, более предпочтительно от 0,8 до 2, еще более предпочтительно от 1 до 1,5.
ZrO2, предпочтительно, содержится в стекле кладинга пропорции 0-15% по весу. С помощью ZrO2 может быть подобрано оптическое положение стекла (на диаграмме Аббе), другими словами ZrO2 обеспечивает коррекцию показателя преломления и числа Аббе. Кроме того, ZrO2 повышает химическую устойчивость стекла к водной коррозии. Поэтому стекло кладинга содержат ZrO2, предпочтительно, в пропорции по меньшей мере 1% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 2% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 3% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 5% по весу. Но доля ZrO2 также не должно быть очень высокой, поскольку ZrO2 увеличивает склонность стекла к кристаллизации. ZrO2 кристаллизуется относительно быстро и легко образует стехиометрические фазы. Кроме того, ZrO2 трудно расплавить, и даже несколько остаточных кристаллов могут увеличивать склонность стекла к кристаллизации, в частности в случае охлаждения. Поэтому доля ZrO2 составляет, предпочтительно, не более 15% по весу, более предпочтительно не более 12% по весу, более предпочтительно не более 10% по весу.
Предпочтительно, стекла кладинга содержат Y2O3 в пропорции 0-15% по весу. Предпочтительно, доля Y2O3 составляет по меньшей мере 0,25% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 0,5% по весу. Предпочтительно, доля Y2O3 составляет не более 12% по весу, более предпочтительно не более 10% по весу. Высокие доли Y2O3 связаны с повышением склонности стекла к кристаллизации.
Компонент Nb2O5, предпочтительно, содержится в стекле кладинга пропорции 0-5% по весу. Предпочтительно, доля Nb2O5 составляет по меньшей мере 0,1% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 0,2% по весу. Предпочтительно, доля Nb2O5 составляет не более 3% по весу, более предпочтительно не более 2% по весу, более предпочтительно не более 1,7% по весу, более предпочтительно не более 1,5% по весу, более предпочтительно не более 1% по весу. Высокие доли Nb2O5 связаны с повышением склонности стекла к кристаллизации.
Y2O3 и Nb2O5 используют для корректировки высокого показателя преломления. Кроме того, эти два компонента благодаря их различному воздействию на число Аббе могут быть объединены для максимизации числа Аббе. Но следует иметь в виду, что количества, в которых используются эти компоненты, следует ограничивать, поскольку слишком высокие количества могут приводить к повышению склонности стекла к кристаллизации. Было показано, что Y2O3 и Nb2O5, предпочтительно, используются в общем количестве от 0 до 20 процентов по весу, более предпочтительно от 0,1 до 18 процентов по весу, более предпочтительно 0,5 до 15 процентов по весу, более предпочтительно 1 до 12 процентов по весу и наиболее предпочтительно 1,5 до 10 процентов по весу. Кроме того, необходимо учитывать, что упомянутые здесь компоненты очень дороги, и также по этой причине их используемое количество должно быть ограничено.
Предпочтительно, сумма долей компонентов La2O3, ZrO2, Nb2O5 и Y2O3 в стекле кладинга составляет по меньшей мере 30% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 40% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 45% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 47% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 50% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 55% по весу, так что достигается высокий показатель преломления.
Предпочтительно, сумма долей компонентов Li2O, Na2O и K2O в стекле кладинга составляет не более 5% по весу, более предпочтительно не более 2% по весу, более предпочтительно не более 1% по весу, более предпочтительно не более 0,1% по весу. Оксиды щелочных металлов уменьшают химическую стойкость стекол. Кроме того, они уменьшают показатель преломления, так что для компенсации этого эффекта необходимы повышенные доли оксидов редкоземельных элементов. Таким образом, высокие доли оксидов щелочных металлов невыгодны для стекол по настоящему изобретению. Поэтому особенно предпочтительно, если стекла кладинга вообще свободны от Li2O, Na2O и K2O.
Стекла кладинга по настоящему изобретению могут содержать BaO. Предпочтительно, доли BaO в стеклах кладинга составляют 0-5% по весу. BaO повышает показатель преломления стекол и используется для корректировки зависимости вязкости от температуры. Предпочтительно, доля BaO в стекле кладинга составляет по меньшей мере 0,1% по весу. Но когда используют очень много BaO, вязкость становится слишком высокой. Поэтому, предпочтительно, доля BaO в стекле кладинга составляет не более 3% по весу, более предпочтительно не более 2% по весу, более предпочтительно не более 1% по весу, более предпочтительно не более 0,5% по весу.
Предпочтительно, сумма долей компонентов MgO, CaO, SrO и BaO в стекле кладинга составляет не более 10% по весу, более предпочтительно не более 8% по весу, более предпочтительно не более 5% по весу, более предпочтительно не более 2% по весу, более предпочтительно не более 1% по весу, более предпочтительно не более 0,5% по весу. В особенности сильно увеличивают склонность стекла к кристаллизации MgO и CaO. Поэтому стекла кладинга, предпочтительно, свободны от MgO, CaO и SrO.
В соответствии с некоторыми альтернативными вариантами осуществления SrO содержится в стекле кладинга в соответствии с настоящим изобретением в пропорции по меньшей мере 0,5% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 0,75% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 1% по весу. Однако, предпочтительно, стекло кладинга содержит не более 2% по весу, более предпочтительно не более 1,5% по весу SrO. В более предпочтительных вариантах осуществления стекло даже содержит не более 1% по весу, более предпочтительно не более 0,5% по весу, более предпочтительно не более 0,1% по весу SrO. Особенно предпочтительно, когда стекло кладинга вообще свободно от SrO.
Кроме того, в соответствии с некоторыми альтернативными вариантами осуществления стекло кладинга, предпочтительно, содержит CaO в пропорции по меньшей мере 2% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 5% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 7% по весу. Предпочтительно, стекло содержит CaO в пропорции не более 10% по весу. В особенно предпочтительных вариантах осуществления стекло кладинга содержит даже не более 1% по весу, более предпочтительно не более 0,5% по весу, более предпочтительно не более 0,1% по весу CaO. Особенно предпочтительно, когда стекло кладинга вообще свободно от CaO.
Щелочноземельные металлы позволяют плавить стекло при низкой температуре за счет образования эвтектики. Но эти компоненты вносят вклад в образование стехиометрических фаз и, следовательно, в склонность стекла к кристаллизации. Поэтому, предпочтительно, отношение суммы долей по весу компонентов MgO, CaO, SrO и BaO к доле по весу SiO2 в стекле кладинга составляет не более 0,5, более предпочтительно не более 0,2, более предпочтительно не более 0,1.
Предпочтительно, стекло кладинга содержит ZnO в пропорции0-30% по весу. ZnO используют для корректировки вязкости стекла и для уменьшения склонности к кристаллизации. Поэтому, предпочтительно, стекло кладинга содержит ZnO в пропорции по меньшей мере 0,5% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 1% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 2% по весу. Но если используется очень много ZnO, вязкость очень сильно изменяется при изменении температуры. Кроме того, в случае слишком высокой концентрации ZnO уменьшается показатель преломления. Поэтому, предпочтительно, относительное содержание ZnO составляет не более 27% по весу, более предпочтительно не более 25% по весу, более предпочтительно не более 20% по весу, более предпочтительно не более 15% по весу, более предпочтительно не более 9% по весу, предпочтительно не более 8,5% по весу, более предпочтительно не более 7% по весу, еще более предпочтительно не более 5% по весу.
Стекло по настоящему изобретению может содержать TiO2 в пропорции 0-5% по весу. Доля TiO2 в стекле составляет, предпочтительно, не более 4% по весу, более предпочтительно не более 3% по весу, более предпочтительно не более 2% по весу. Предпочтительно, содержание TiO2 составляет даже не более 1% по весу, более предпочтительно не более 0,1% по весу. В некоторых вариантах осуществления даже предпочтительно, чтобы они были свободны от TiO2. В соответствии с некоторыми альтернативными вариантами осуществления, предпочтительно, стекло содержит TiO2 в пропорции по меньшей мере 0,5% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 1% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 1,5% по весу.
P2O5 ухудшает водостойкость стекла, так что применение охлаждающей жидкости на поверхности стекла кладинга становится более сложным или даже вовсе перестает быть возможным. Кроме того, P2O5 уменьшает показатель преломления и приводит к повышению коэффициента теплового расширения. Поэтому, предпочтительно, стекло кладинга содержит P2O5 в пропорции не более 5% по весу, более предпочтительно не более 2% по весу, более предпочтительно не более 1% по весу, более предпочтительно не более 0,5% по весу, более предпочтительно не более 0,2% по весу, более предпочтительно не более 0,1% по весу. В особенно предпочтительных вариантах осуществления стекло вообще свободно от P2O5.
PbO является менее предпочтительным компонентом, поскольку PbO вреден для окружающей среды и опасен для здоровья. Кроме того, PbO приводит к образованию полос и, следовательно, ухудшает однородность стекла. PbO также способен разрушать платиновые тигли, так что такие тигли нельзя использовать для получения стекла, когда доля PbO слишком велика. Предпочтительно, стекло кладинга содержит PbO в пропорции не более 5% по весу, более предпочтительно не более 2% по весу, более предпочтительно не более 1% по весу, более предпочтительно не более 0,5% по весу, более предпочтительно не более 0,2% по весу, более предпочтительно не более 0,1% по весу. В особенно предпочтительных вариантах осуществления стекло вообще свободно от PbO.
Предпочтительно, стекло в соответствии с настоящим изобретением содержит один или более поглощающих компонентов в количестве от 0,1 до 10% по весу. Предпочтительно, общая доля упомянутых одного или более поглощающих компонентов составляет от 0,2 до 7% по весу, более предпочтительно от 0,3 до 5% по весу, более предпочтительно от 0,5 до 3% по весу, более предпочтительно от 0,7 до 2% по весу, более предпочтительно от 1 до 1,5% по весу.
Упомянутые один или более поглощающих компонентов используют для поглощения паразитного лазерного излучения, вошедшего в стекло кладинга. Предпочтительно, поглощающие компоненты выбирают из группы, состоящей из CuO, CoO, NiO, CrO и SeO2, более предпочтительно из группы, состоящей из CuO, CoO, NiO и CrO, более предпочтительно из группы, состоящей из CuO, CoO и NiO. Поглощающий компонент CuO является особенно предпочтительным.
Предпочтительно, стекло кладинга содержит CuO в пропорции 0-10% по весу. Было показано, что CuO особенно полезен для достижения эффективного поглощения паразитного лазерного излучения, вошедшего в стекло кладинга. Поэтому, предпочтительно, доля CuO в стекле кладинга составляет по меньшей мере 0,1% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 0,2% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 0,3% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 0,5% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 0,7% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 1% по весу. Но доля CuO также не должна быть слишком высоким, поскольку иначе возникает возможность восстановления CuO до металлического Cu, и, следовательно, возникает возможность содержания в стекле коллоидных частиц. Эти частицы могут приводить к сильному поглощению в широком спектре, что является невыгодным для контроля качества, обнаружения дефектов и отвода тепла. Кроме того, высокие доли CuO также увеличивает склонность стекла к кристаллизации. Поэтому, предпочтительно, доля CuO в стекле кладинга составляет не более 10% по весу, более предпочтительно не более 7% по весу, более предпочтительно не более 5% по весу, более предпочтительно не более 3% по весу, более предпочтительно не более 2% по весу, более предпочтительно не более 1,5% по весу, более предпочтительно не более 1,2% по весу.
Как правило, стекло по настоящему изобретению подходит в качестве стекла кладинга. Посредством выбора поглощающих компонентов стекло может быть согласовано по длине волны паразитного лазерного излучения. Как описано выше, предпочтительно, для достижения эффективного поглощения паразитного лазерного излучения, вошедшего в стекло кладинга, используют CuO. В качестве альтернативы или дополнения к CuO, однако, можно также использовать другие поглощающие компоненты, как описано выше. Такими компонентами, которые, предпочтительно, можно использовать в качестве альтернативы или дополнения к CuO, являются, в соответствии с настоящим изобретением, CoO, NiO, CrO и SeO2. Особенно предпочтительным являются CoO, NiO и CrO, более предпочтительными являются CoO и NiO.
Предпочтительно, стекло кладинга может содержать один или более из компонентов CoO, NiO, CrO и SeO2 с общей долей 0-10% по весу. В некоторых вариантах осуществления общая доля CoO, NiO, CrO и/или SeO2 в стекле кладинга составляет даже по меньшей мере 0,1% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 0,2% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 0,5% по весу, более предпочтительно по меньшей мере 0,7% по весу. Но доля CoO, NiO, CrO и/или SeO2 также не должна быть слишком высоким, поскольку иначе возникает возможность восстановления CoO, NiO, CrO и/или SeO2 до соответствующих металлов, и, следовательно, возникает возможность содержания в стекле коллоидных частиц. Эти частицы могут приводить к сильному поглощению в широком спектре, что является невыгодным для контроля качества, обнаружения дефектов и отвода тепла. Кроме того, высокие доли CoO, NiO, CrO и SeO2 также увеличивает склонность стекла к кристаллизации. Поэтому, предпочтительно, общая доля CoO, NiO, CrO и SeO2 в стекле кладинга составляет не более 10% по весу, более предпочтительно не более 7% по весу, более предпочтительно не более 5% по весу, более предпочтительно не более 3% по весу, более предпочтительно не более 2% по весу, более предпочтительно не более 1,5% по весу. В предпочтительных вариантах осуществления общая доля CoO, NiO, CrO и SeO2 в стекле составляет даже не более 1% по весу, более предпочтительно не более 0,5% по весу, более предпочтительно не более 0,1% по весу. Особенно предпочтительно, когда стекло вообще свободно от CoO, NiO, CrO и SeO2.
As2O3 и/или Sb2O3 могут быть использованы в качестве предпочтительных осветляющих средств. Предпочтительно, доля As2O3 или Sb2O3 составляет 0-1% по весу, более предпочтительно 0,1-0,5% по весу. Кроме того, As2O3 и Sb2O3 снова поглощают газ и/или кислород, не растворенный в стекле. Эту реакцию можно использовать для регулировки окислительно-восстановительного состояния стекла. Она также косвенно влияет на спектр поглощения переходных металлов (например, CuO), так что с помощью As2O3 и/или Sb2O3 можно целенаправленно управлять эффективностью поглощения используемого CuO.
По соображениям экологической совместимости стекла, предпочтительно, свободны от компонентов, которые особенно вредны для окружающей среды, в частности, они свободны от PbO, Bi2O3, As2O3 и Sb2O3.
Особенно предпочтительное стекло кладинга содержит следующие компоненты (в % по весу):
В еще более предпочтительных вариантах осуществления стекло кладинга содержит следующие компоненты (в % по весу):
В альтернативных вариантах осуществления стекло кладинга содержит следующие компоненты (в % по весу):
Когда в настоящем описании упоминается, что стекла кладинга свободны от одного или более компонентов, или что они не содержат одного или более компонентов, это должно означать, что эти компоненты не были добавлены к стеклу намеренно, и что они могут присутствовать только в виде примесей в долях по весу не более 500 ч/млн, более предпочтительно не более 200 ч/млн, более предпочтительно не более 100 ч/млн.
Стекло кладинга должно быть достаточно толстым, чтобы гарантировать достаточное поглощение паразитного лазерного излучения. С другой стороны, стекло кладинга не должно быть спроектировано значительно толще, чем это необходимо для достаточного поглощения паразитного лазерного излучения, поскольку более толстая конструкция обычно связана с дополнительными затратами и, кроме того, размеры лазерного компонента при этом увеличиваются, что в связи с современной миниатюризацией воспринимается как недостаток. Кроме того, поглощение паразитного излучения вызывает внутри стекла кладинга генерацию тепла и, следовательно, расширение. Это означает, что стекло кладинга должно эффективно охлаждаться для предотвращения термомеханических проблем. Соответственно, толщина стекла должна быть относительно низкой. В принципе, однако, возможен очень широкий диапазон толщины кладинга, когда это выгодно для технической реализации. Так что небольшие лазерные компоненты, например, могут удерживаться и фиксироваться с помощью кладинга. Стекло кладинга имеет, предпочтительно, толщину от 0,05 до 100 мм. Более предпочтительно, стекло кладинга имеет, предпочтительно, толщину от 0,5 до 20 мм, еще более предпочтительно от 1 до 15 мм, более предпочтительно от 1 до 5 мм. Более предпочтительно, толщина стекла кладинга даже составляет по меньшей мере 1,5 мм, более предпочтительно по меньшей мере 2,0 мм. Толщина стекла кладинга составляет, предпочтительно, не более 10 мм, более предпочтительно не более 5 мм, более предпочтительно не более 3 мм. Особенно предпочтительно, когда толщина стекла кладинга составляет от 2,4 до 2,6 мм, особенно предпочтительно примерно 2,5 мм. В альтернативных вариантах осуществления толщина стекла составляет, предпочтительно, от 3 до 10 мм. Толщина стекла кладинга в соответствии с настоящим изобретением означает его размер ортогонально к поверхности активного элемента, которая находится ниже стекла кладинга, и/или параллельно вектору нормали к этой поверхности. Малая толщина облегчает согласование кладинга с формой тела легированного сапфира. Таким образом, могут быть покрыты кладингом даже круглые лазерные стержни.
Предпочтительно, лазерный компонент по настоящему изобретению содержит ровно одно стекло кладинга.
В определенных вариантах осуществления стекло кладинга может иметь покрытие. Предпочтительно, покрытие находится на не обращенной к активному элементу поверхности стекла кладинга. В этом случае, как правило, поверхность стекла кладинга отполирована и, следовательно, гладкая. Предпочтительно, в таких вариантах осуществления среднеквадратическое (RMS) среднее поверхностной шероховатости стекла кладинга находится в диапазоне от 0,05 нм до 20 нм, более предпочтительно от 0,1 нм до 10 нм, более предпочтительно от 0,3 нм до 5 нм, более предпочтительно от 0,5 нм до 3 нм, более предпочтительно от 1 нм до 2 нм. Шероховатость в нанометровом диапазоне и субнанометровом диапазоне, предпочтительно, измеряют оптическим способом, особенно предпочтительно с помощью интерферометра белого света или с помощью атомно-силовой микроскопии (AFM).
Предпочтительное покрытие на не обращенной к активному элементу поверхности стекла кладинга представляет собой слоистую противоотражающую систему. Такая слоистая система, как правило, состоит из диэлектрических слоев с низким показателем преломления или ряда диэлектрических слоев с различным показателем преломления.
В альтернативном варианте не обращенная к активному элементу поверхность может также быть выполнена матовой посредством придания шероховатости для предотвращения направленного отражения. В этом случае внешняя сторона, предпочтительно, характеризуется среднеквадратическим (RMS) средним поверхностной шероховатости в диапазоне от 0,1 мкм до 100 мкм, более предпочтительно от 0,5 мкм до 50 мкм, особенно предпочтительно от 1 мкм до 10 мкм. Шероховатость в диапазоне от микрометров, предпочтительно, измеряют тактильным образом или, особенно предпочтительно, с помощью интерферометра белого света. Предпочтительно, матовость расположена на не обращенной к активному элементу поверхности стекла кладинга. Поглощающее покрытие также может быть нанесено на матовую поверхность.
Другим покрытием, которое может быть предусмотрено в качестве альтернативы или дополнения к упомянутым противоотражающим мерам, является защитный слой, служащий в качестве защиты стекла кладинга от коррозии. Обычно из-за увеличения тепла, генерируемого благодаря поглощению паразитного лазерного излучения, необходимо охлаждать стекло кладинга. Для этой цели имеет смысл приводить стекло кладинга в контакт с хладагентом. Предпочтительно, хладагент представляет собой охлаждающую жидкость. Существует возможность того, что охлаждающая жидкость будет разрушать стекло кладинга и приводить к коррозии, так что ионы смогут вымываться из стекла. Это, в частности, имеет место при использовании боросодержащих стекол, поскольку они обладают сравнительно низкой химической стабильностью по отношению к водной коррозии. Соответственно, предпочтительно, чтобы на поверхности стекла кладинга, обращенной не к активному элементу, а к хладагенту, был нанесен защитный слой, защищающий от коррозии. Такие слои могут, например, представлять собой органические лаки.
В другом предпочтительном варианте осуществления в качестве альтернативы или дополнения к вышеупомянутым покрытиям предусмотрен уплотняющий слой, который запечатывает граничную поверхность стекла кладинга и активный элемент снаружи. Преимущество его использования заключается в том, что предотвращается проникновение воздуха или хладагента, которое могло бы приводить к отсоединению стекла кладинга от активного элемента. Для эффективного предотвращения проникновения воздуха или хладагента на граничной поверхности стекла кладинга и активного элемента уплотняющий слой должен быть нанесен так, что он покрывает соответствующую граничную поверхность снаружи настолько полностью, насколько возможно. Предпочтительно, уплотняющий слой содержит по меньшей мере одну смолу.
В соответствии с настоящим изобретением защитные слои могут быть нанесены, например посредством процесса CVD (химическое осаждение из паровой фазы), такого как, например, осаждение атомных слоев (ALD). Они могут идеально соответствовать форме и поверхностной шероховатости. Предпочтительно, для таких барьерных слоев используют, например, SiO2, Al2O3, TiO2 или смеси этих материалов. Покрытия, которые наносят снаружи, могут также демонстрировать некоторые полезные свойства. Так, например, может быть выбрано покрытие, которое с одной стороны поглощает остаточное излучение лазера, а с другой стороны также защищает стекло кладинга. В альтернативном варианте различные покрытия могут быть объединены, например, посредством нанесения защитного слоя на полностью поглощающий слой.
Предпочтительно, лазерный компонент в соответствии с настоящим изобретением содержит стекло кладинга, содержащее покрытие и/или являющееся шероховатым по меньшей мере на одной боковой области.
В соответствии с настоящим изобретением также предлагается способ получения лазерного компонента в соответствии с по меньшей мере одним из предшествующих требований, содержащий следующие этапы
a) обеспечение легированного сапфира,
b) обеспечение стекла кладинга, и
c) расположение стекла кладинга на легированном сапфире.
Обеспечение стекла кладинга в соответствии с этапом b) данного способа, предпочтительно, содержит этапы
b1) обеспечения подходящей композиции стекла,
b2) плавления обеспеченной композиции и
b3) охлаждения расплава до стекла.
Этап охлаждения расплава в соответствии с этапом b3) данного способа может быть проведен с различной скоростью охлаждения. Предпочтительно, средняя скорость охлаждения в случае охлаждения от температуры T1, которая по меньшей мере выше температуры стеклования TG стекла, до температуры T2, которая составляет примерно 20°C, находится в диапазоне от 0,1 К в час до 50 К в час, более предпочтительно от 0,5 К в час до 40 К в час, более предпочтительно в диапазоне от 1 К в час до 30 К в час, еще более предпочтительно от 2 К в час до 7 К в час, еще более предпочтительно примерно 5 К в час. В альтернативном предпочтительном варианте осуществления, напротив, средняя скорость охлаждения в случае охлаждения от температуры T1, которая по меньшей мере выше температуры стеклования TG стекла, до температуры T2, которая составляет примерно 20°C, составляет не более 15 К в час, более предпочтительно не более 10 К в час, более предпочтительно не более 5 К в час. Таким образом, может быть повышен показатель преломления стекла, так что можно использовать композиции стекла с пониженным содержанием высокопреломляющих компонентов, в частности с пониженным содержанием Y2O3. В конкретных вариантах осуществления скорость охлаждения в случае охлаждения от температуры T1, которая по меньшей мере выше температуры стеклования TG стекла, до температуры T2, которая составляет примерно 20°C, практически постоянна. "Практически постоянна" означает, что разница между максимальной скоростью охлаждения и минимальной скоростью охлаждения составляет не более 10 К в час, более предпочтительно не более 7 К в час, более предпочтительно не более 5 К в час, еще более предпочтительно не более 3 К в час.
Кроме того, с помощью скорости охлаждения оптические свойства стекла кладинга могут быть согласованы с показателем преломления легированного сапфирового кристалла, который в свою очередь зависит с одной стороны от соответствующей партии, а с другой стороны от участка в легированном сапфировом кристалле. Причиной этого является то, что ионы легирующей примеси, в частности ионы Ti, не однородно распределены в сапфировом кристалле, в частности в случае кристаллов, которые были получены по методу Чохральского или по методу Бриджмена-Стокбаргера. Эти неоднородности обусловлены явлениями макросегрегации. Соответственно, эти локальные вариации концентрации Ti в монокристалле Ti:Sa приводят к локальным вариациям показателей преломления Ti:Sa. Значения генерирующего кристалла Ti:Sa, кроме того, зависят от положения точки пересечения в монокристалле Ti:Sa. Поэтому необходимо, чтобы уже изготовленные стекла кладинга также учитывали такие вариации показателя преломления. Это может быть достигнуто с помощью способа скорректированного охлаждения.
Таким образом, показатель преломления кристалла Ti:Sa характеризуется флуктуациями не только между различными партиями, но также в одном кристалле. Производитель стекла вряд ли сможет согласовать показатель преломления стекла кладинга с помощью соответствующего изменения композиции стекла к переменному показателю преломления кристалла Ti:Sa, поскольку это будет связано с огромными трудностями. Поэтому выгодно, что существует возможность согласования показателя преломления стекол по настоящему изобретению гибким образом с помощью скорости охлаждения.
Низкая скорость охлаждения является выгодной, поскольку так получают стекла с меньшими внутренними напряжениями. Такие стекла имеют высокую однородность, так что происходит меньшее двойное преломление. Кроме того, такие стекла можно превосходно обрабатывать.
Предпочтительно, способ содержит дополнительный этап b4) полировки стекла кладинга, так что, предпочтительно, получают полированное стекло кладинга.
Предпочтительно, стекло кладинга по настоящему изобретению характеризуется низким среднеквадратическим (RMS) средним поверхностной шероховатости. Предпочтительно, поверхностная шероховатость (RMS) находится в диапазоне от 0,05 нм до 20 нм, более предпочтительно от 0,1 нм до 10 нм, более предпочтительно от 0,3 нм до 5 нм, более предпочтительно от 0,5 нм до 3 нм, более предпочтительно от 1 нм до 2 нм. Это, в частности, важно для обращенной к активному элементу поверхности стекла кладинга. Так достигается особенно хорошая адгезия между стеклом кладинга и активным элементом. Кроме того, низкая шероховатость также выгодна по той причине, что благодаря ей может быть улучшена диффузия тепла, и поэтому тепло, которое, например, генерируется из-за поглощения паразитного лазерного излучения, может лучше отводиться от стекла. На не обращенной к активному элементу поверхности стекла кладинга низкая поверхностная шероховатость может быть выгодна для нанесения покрытия, такого как описанные выше. Шероховатость в нанометровом диапазоне и субнанометровом диапазоне, предпочтительно, измеряют оптическим способом, особенно предпочтительно с помощью интерферометра белого света.
Способ может, необязательно, содержать дополнительный этап b5) нанесения покрытия на стекло кладинга. Предпочтительно, покрытие наносят с помощью физического осаждения из паровой фазы (PVD). Это особенно важно для внешних покрытий, которые с одной стороны находятся в контакте со стеклом кладинга, а с другой стороны находятся в контакте с окружающей средой, в частности с воздухом.
Стекло кладинга по настоящему изобретению не ограничено какой-либо геометрией. Кроме того, поперечное сечение легированного сапфирового кристалла не обязательно должно иметь квадратную или прямоугольную форму, оно может также иметь круговую (также с плоскими участками) или многоугольную форму.
В соответствии с настоящим изобретением также предлагается стекло, имеющее показатель преломления по меньшей мере 1,70, содержащее следующие компоненты (в % по весу):
Предпочтительно, стекло находится в состоянии охлаждения, которое соответствует постепенному охлаждению от температуры T1 до температуры T2 со средней скоростью охлаждения в диапазоне от 0,5 К в час до 40 К в час, причем температура T1 по меньшей мере выше температуры стеклования Tg, а температура T2 составляет 20°C. В данном случае "постепенный" означает процесс непрерывного охлаждения от T1 до T2 без выдерживания стекла при определенных уровнях температуры. В частности, подразумевается процесс охлаждения с практически постоянной скоростью охлаждения.
Предпочтительно, стекло содержит следующие компоненты (в % по весу):
Предпочтительно, показатель преломления стекла находится в диапазоне от 1,70 до 1,80, более предпочтительно от 1,72 до 1,78, более предпочтительно от 1,73 до 1,77, более предпочтительно от 1,74 до 1,77, более предпочтительно от 1,750 до 1,765, более предпочтительно от 1,750 до 1,760.
Предпочтительно, число Аббе стекла составляет по меньшей мере 35, более предпочтительно по меньшей мере 40, более предпочтительно по меньшей мере 45, более предпочтительно по меньшей мере 47, более предпочтительно по меньшей мере 48. предпочтительно, число Аббе стекла не выше 55, более предпочтительно не выше 52.
Предпочтительно, средний коэффициент линейного продольного теплового расширения <α> стекла в диапазоне температур от -30°C до 70°C находится в диапазоне от 4,5×10-6 К-1 до 7,0×10-6 К-1, более предпочтительно от 5,0×10-6 К-1 до 6,5×10-6 К-1, более предпочтительно от 5,2×10-6 К-1 до 6,4×10-6 К-1, более предпочтительно от 5,5×10-6 К-1 до 6,0×10-6 К-1, более предпочтительно от 5,7×10-6 К-1 до 5,9×10-6 К-1.
Состояние охлаждения стекла может также быть определено для заданного стекла без каких-либо знаний об условиях получения. Когда доступен образец P стекла, то вначале определяют его показатель преломления nλ (для заданной длины волны λ) и/или его массовую плотность ρ. Затем, предпочтительно, образец разделяют на несколько отдельных образцов P1, P2, P3 и т.д., и каждый образец нагревают до температуры T1, причем T1 по меньшей мере выше температуры стеклования Tg, а затем его охлаждают до температуры T2 с различными скоростями охлаждения Q1, Q2, Q3 и т.д. После охлаждения до температуры T2 и, предпочтительно, дальнейшего охлаждения до комнатной температуры снова определяют показатель преломления nλ и/или массовую плотность ρ, чтобы они могли быть назначены для всех значений скорости охлаждения. Затем пары полученных значений могут быть отложены на логарифмической системе координат с помощью линейной интерполяции, причем ордината используется для значений плотности, а абсцисса используется для логарифмических значений скорости охлаждения. Затем по кривой охлаждения можно сделать вывод исходя из плотности образца P стекла в отношении состояния его охлаждения. Верно следующее: nλ(Q)=nλ(Qi)+mnλ.log(Q/Qi), где mnλ и nλ(Qi) являются параметрами регрессии, которые определяются с помощью экспериментальных анализов. Значение nλ(Qi) является значением показателя преломления, измеренным на длине волны λ, стекла, охлажденного со скоростью Qi. Зависимость показателя преломления от скорости охлаждения показана на фигуре 3. В разделе примеров показан экспериментальный пример.
С помощью этой зависимости скорость охлаждения/показатель преломления стекла кладинга можно оптимально согласовать с легированным сапфировым материалом посредством вторичного охлаждения, так что отражение на поверхности легированный сапфир/стекло кладинга может быть минимизировано.
Таким образом, состояние охлаждения стекла является мерой для условий во время процесса охлаждения стекла. Обычное "закаленное" стекло, которое очень быстро охлаждают после плавления (например >>300 К/ч), имеет высокое состояние охлаждения. Атомы в таком стекле "заморожены" в сравнительно беспорядочном состоянии. Таким образом, посредством быстрого охлаждения расплава стекло будет как бы "заморожено" на высокоэнергетическом уровне. Проход через диапазоны высокой температуры, в которых остается возможным пространственное сближение компонентов кристалла благодаря низкой вязкости, является быстрым. Поэтому быстро охлажденное стекло, имеющее высокое состояние охлаждения, имеет сравнительно низкую плотность или показатель преломления. Отличия показателя преломления стекла в зависимости от его состояния охлаждения сравнительно низки. Но, тем не менее, поскольку эти свойства могут быть надежно измерены вплоть до шестого знака после запятой, данный способ подходит для обеспечения надежного результата измерений.
Расположение стекла кладинга на активном материале лазера должно быть выполнено так, чтобы на граничной поверхности не возникало мешающее отражение паразитного лазерного излучения до того, как оно будет успешно поглощено в стекле кладинга и, таким образом, уничтожено. Когда имеются адгезивы с показателями преломления в диапазоне показателя преломления обоих компонентов, причем их показатели преломления могут быть точно согласованы (например, посредством смешивания по меньшей мере двух адгезивов с различными показателями преломления в правильном соотношении), то таким образом паразитные колебания также могут быть подавлены кладингом, который прикреплен с помощью адгезионного соединения. Но в случае лазерных материалов с очень высоким усилением (амплификацией) отражающая способность граничных поверхностей должна быть очень низкой, и, следовательно, корректировка показателя преломления должна быть очень точной. Для лазерных стекол возможно прикрепление стекла кладинга посредством адгезионного соединения. В основном показатели преломления находятся между 1,5 и 1,55, и усиление паразитного отраженного излучения не слишком велико.
Случай титановых/сапфировых лазеров, склеенных вместе является более сложным. Усиление настолько велико, что отражающая способность граничной поверхности должна быть очень низка, а, следовательно, корректировка показателя преломления должна быть очень точной, тогда как показатель преломления относительно высок. В принципе, покрытие кладинга титанового/сапфирового кристалла посредством прикрепления стекла кладинга с помощью адгезионного соединения возможно, но органическое сцепление, наряду с упомянутыми трудностями, также связано с другими недостатками, такими как, например, низкая температурная стойкость и химические изменения со временем.
Предпочтительное решение, предлагаемое в соответствии с настоящим изобретением, использует в качестве технологии соединения так называемое соединение при помощи оптического контакта. Таким образом, предпочтительно, расположение стекла кладинга на легированном сапфире осуществляется посредством соединения при помощи оптического контакта. Когда две подходящие поверхности (в простейшем случае две плоские грани) сближают вплоть до примерно 1 нм или менее, то образуются межмолекулярные связи (например, ковалентные связи). Часто достаточно начать в небольшой области большей по размеру поверхности. Затем в соседних областях это приводит к все большему сближению обеих поверхностей, и процесс соединения при помощи оптического контакта распространяется по большим областям поверхностей. Для этого выгодно, когда тела, которые должны быть соединены посредством соединения при помощи оптического контакта, характеризуются некоторой минимальной эластичностью, но, тем не менее, необходима хорошая точность формы. Такое соединение при помощи оптического контакта может быть выполнено с различными материалами, такими как, например, металлы, полупроводниковые металлы, стекла, кристаллы. В данном случае для соединения при помощи оптического контакта также можно использовать различные материалы вместе, такие как, например, различные стекла или стекло и кристалл. Когда произошел такой процесс соединения, оба тела нельзя отделить друг от друга без по меньшей мере частичного повреждения или даже разрушения. Для оптических компонентов способ соединения при помощи оптического контакта долгое время применялся в качестве способа соединения, например, для плоских поверхностей, например в случае призм и делителей луча, а также, например, для искривленных поверхностей, например в случае систем линз. В данном случае поверхностей должно быть две, они должны идеально совпадать, и они также должны быть свободны от загрязнений (например, жира или пыли). Тогда как слои загрязнений, таких как, например, жир, препятствуют образованию межмолекулярных связей между обоими телами, пыль и другие частицы приводят к захвату воздуха, который отражает излучение от поверхности.
Когда по меньшей мере одно из двух тел достаточно эластично, то, конечно, точность прилегания областей, подлежащих соединению, не обязательно составляет 1 нм. В зависимости от других параметров, таких как толщина и эластичность, предпочтительно, когда отклонение формы между легированным сапфировым кристаллом и стеклом кладинга составляет менее 1000 нм, причем особенно предпочтительно менее 200 нм и особенно предпочтительно менее 50 нм. Предпочтительной мерой для отклонения формы является расстояние "от выступа до впадины" между обеими поверхностями.
Стекло способно выдерживать огромные сжимающие напряжения и в основном трескается под растягивающим напряжением, причем микротрещины проходят через стекло и приводят к разрыву стекла. Если нужно стабилизировать стекло или стеклянные композиты, то выгодно увеличивать сжимающие поверхностные напряжения, поскольку сначала трещина должна их преодолеть. Именно на этом факте основаны технологии термического или химического отпуска. Соответственно, также выгодно, когда отклонение обеих областей, которые должны быть соединены посредством соединения при помощи оптического контакта, являются вогнутыми по форме, т.е. когда области, теоретически, расположены в центре на небольшом расстоянии, когда края находятся в контакте друг с другом, и оба тела не могут быть деформированы упругим образом. Когда затем области подходят все ближе друг к другу в процессе распространения соединения при помощи оптического контакта, оба края находятся под сжимающими напряжениями, и композит характеризуется более высокой прочностью. Конечно, участок, в котором граничные поверхности обоих материалов примыкают к поверхности сбоку, остается подходящей точкой для разлома. Прочность композита может быть дополнительно увеличена, если этот участок на поверхности запечатывают, например, с помощью лака или адгезива.
Решение в соответствии с настоящим изобретением для поглощения паразитного лазерного излучения с помощью стекла кладинга в соответствии с настоящим изобретением по сравнению с применением поглощающей жидкости, известной из уровня техники, имеет множество преимуществ. Известные жидкости подвергаются процессу старения, и поэтому их необходимо регулярно заменять. Кроме того, поглощение жидкости необходимо корректировать добавлением окрашивающего раствора. Это сложная задача, потому что показатель преломления должен быть очень точно откалиброван. Кроме того, используемые жидкости являются токсичными, так что работа с ними становится еще более сложной. Особенно большим недостатком использования поглощающей жидкости для поглощения паразитного лазерного излучения является то, что дисперсия известных жидкостей сильно отличается от дисперсии сапфира, так что согласование показателя преломления жидкости с показателем преломления сапфира может приводить к удовлетворительным результатам только в очень узком диапазоне длин волн.
Преимущества стекла в соответствии с настоящим изобретением по сравнению с поглощающей жидкостью в отношении согласования показателя преломления с показателем преломления сапфира в относительно широком диапазоне длин волн можно также понять из фигуры 4. Такое согласование в широком диапазоне длин волн особенно выгодно, поскольку паразитное лазерное излучение обычно также характеризуется длинами волн в широком диапазоне. Это, в частности, имеет место, когда используются лазеры, отличающиеся короткими импульсами, такие как, например, фемтосекундные лазеры, для которых, в соответствии с соотношением неопределенностей, из-за короткого импульса получается широкий диапазон длин волн.
Примеры
Пример стекол
Были получены различные стекла кладинга. Примеры стекол 1-3 представляют собой боросиликатные стекла с лантаном, содержащие CuO. Используемые для сравнения стекла A-C не содержат CuO. Пример стекла 3 охлаждали со скоростью охлаждения 5 К в минуту. Остальные стекла охлаждали со скоростью охлаждения 40 К в минуту.
Оптические свойства
Для сравнения необыкновенный показатель преломления, а также значение <αsapphire>//c и значение <αsapphire>┴c определяли для Ti-легированного сапфирового кристалла (Ti:Sa). Необыкновенный показатель преломления составил 1,75. В диапазоне температур от 20°C до 50°C значение <αsapphire>//c составило 5,0×10-6 К-1, а значение <αsapphire>┴c составило 6,6×10-6 К-1, так что среднее значение <αsapphire> составило 5,8×10-6 К-1.
Все примеры стекол 1-3 имели очень низкий внутренний коэффициент пропускания на длине волны 800 нм. Кроме того, различия между показателем преломления примеров стекол и необыкновенным показателем преломления Ti-легированного сапфирового кристалла очень малы. Кроме того, разница между значением <αglass> стекол кладинга и средним значением <αsapphire> очень мала. Таким образом, примеры стекол 1-3 идеально подходят в качестве стекол кладинга для Ti-легированного сапфирового кристалла.
Показатели преломления и числа Аббе стекол сравнения A-C близки к значениям примеров стекол 1-3. Но стекла сравнения A-C имеют высокий внутренний коэффициент пропускания на длине волны 800 нм, и поэтому эти стекла сравнения не следует использовать в качестве стекол кладинга для уменьшения паразитного лазерного излучения.
Влияние скорости охлаждения на показатель преломления
Два образца, имеющие композицию в соответствии с сравнительным примером A, охлаждали с различной скоростью охлаждения, и исследовали показатели преломления образцов для определения влияния скорости охлаждения на показатель преломления. Из кривой охлаждения по плотности образца стекла может быть сделан вывод в отношении его состояния охлаждения. Верно следующее: nλ(Q)=nλ(Qi)+mnλ.log(Q/Qi), где mnλ и nλ(Qi) являются параметрами регрессии, которые определяют с помощью экспериментальных анализов. В этом случае в качестве опорного значения для регрессии авторы выбрали Qi=5 [К/ч].
Данные приведены в следующей таблице.
Экспериментальные значения показателей преломления со своей стороны зависят от скорости охлаждения. Для сравнительного примера A коэффициенты охлаждения для показателя преломления n(λ=800 [нм]) были скорректированы с помощью оптических значений для 40 [К/ч] и 5 [К/ч]. Значения показателя преломления n(λ) для λ=800 [нм] были рассчитаны с помощью уравнения Гартмана, n(λ)=n0+A/(λ-λ0)C. Коэффициенты этого уравнения n0, A, λ0, C основаны на экспериментальных значениях nd, ne, ng, nF´, ne, nC´, nC, nr, которые были рассчитаны для Q=40 [К/ч] и Q=5 [К/ч]. Можно видеть, что при более низкой скорости охлаждения может быть достигнут более высокий показатель преломления.
Зависимость показателя преломления от скорости охлаждения показана на фигуре 3 для сравнительного примера A.
Зависимость показателя преломления от длины волны
На фигуре 4 показана зависимость показателя преломления от длины волны для стекла в соответствии с настоящим изобретением, для жидкости (Cargille Refraction Index Matching Liquid, Series M), а также для обыкновенного (no) и необыкновенного (ne) показателей преломления сапфира для диапазона длин волн от 700 нм до 900 нм.
Можно видеть, что стекло в соответствии с настоящим изобретением идеально согласовано с необыкновенным показателем преломления сапфира во всем диапазоне длин волн. Напротив, различия между показателем преломления жидкости и показателем преломления сапфира значительно выше в самом верхнем и в самом нижнем диапазонах показанного диапазона длин волн. Можно видеть, что зависимость показателя преломления от длины волны гораздо сильнее в случае жидкости, чем в случае стекла в соответствии с настоящим изобретением или в случае сапфира. Поэтому согласование показателя преломления с показателем преломления сапфира в широком диапазоне длин волн в гораздо большей степени возможно в случае стекла в соответствии с настоящим изобретением, чем в случае жидкости.
Описание фигур
Фигура 1 показывает кривые внутреннего коэффициента пропускания у примера стекла кладинга различной толщины.
Фигура 2 схематично показывает предпочтительное расположение стекла кладинга на легированном сапфире.
Фигура 3 показывает зависимость показателя преломления от скорости охлаждения.
Фигура 4 показывает зависимость показателя преломления от длины волны.
Список ссылочных позиций
1 кристаллографическая ось c
2 стекло кладинга
3 легированный сапфировый кристалл
4 лазерное излучение в предпочтительном направлении
5 паразитное лазерное излучение
6 части паразитного лазерного излучения, которые вошли в стекло кладинга.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ЛАЗЕРНЫЙ ЭКРАН ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ ТРУБКИ | 1992 |
|
RU2042227C1 |
| СВЕТОИЗЛУЧАЮЩИЙ ПРИБОР, ВКЛЮЧАЮЩИЙ В СЕБЯ ФОТОННЫЙ КРИСТАЛЛ И ЛЮМИНЕСЦЕНТНУЮ КЕРАМИКУ | 2008 |
|
RU2479072C2 |
| ИМПУЛЬСНО-ПЕРИОДИЧЕСКИЙ ЛАЗЕР НА НЕОДИМОВОМ СТЕКЛЕ ДЛЯ НАКАЧКИ МОЩНЫХ ТИТАН-САПФИРОВЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ, РАБОТАЮЩИЙ С ЧАСТОТОЙ ПОВТОРЕНИЯ ИМПУЛЬСОВ НЕ МЕНЕЕ 0,02 ГЦ | 2013 |
|
RU2548688C1 |
| УЛЬТРАШИРОКОПОЛОСНЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ СТЕКЛА ДЛЯ КОРОТКОИМПУЛЬСНЫХ ЛАЗЕРОВ С ВЫСОКОЙ ПИКОВОЙ МОЩНОСТЬЮ | 2013 |
|
RU2629499C2 |
| АКТИВНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ИЗ ИТТРИЙ-АЛЮМИНИЕВОГО ГРАНАТА, ЛЕГИРОВАННОГО НЕОДИМОМ, С ПЕРИФЕРИЙНЫМ ПОГЛОЩАЮЩИМ СЛОЕМ | 2012 |
|
RU2516166C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ РЕЛЬЕФА НА ПОВЕРХНОСТИ | 2013 |
|
RU2546719C1 |
| ОПТИЧЕСКАЯ КОМПОЗИЦИЯ | 2010 |
|
RU2567915C2 |
| ОПТИЧЕСКИЙ ЛАЗЕРНЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ | 2009 |
|
RU2428778C2 |
| СЛЭБ-ЛАЗЕР И УСИЛИТЕЛЬ И СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ | 2013 |
|
RU2650807C9 |
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ФЛЮИДА В СКВАЖИНЕ | 2004 |
|
RU2361192C2 |
Лазерный компонент содержит a) активный элемент, содержащий легированный сапфир, и b) стекло кладинга, помещенное на упомянутый активный элемент, которое в случае толщины 1 мм в диапазоне длин волн от 750 нм до 850 нм имеет внутренний коэффициент пропускания не более 0,8, причем для излучения в диапазоне длин волн от 750 нм до 850 нм необыкновенный показатель преломления легированного сапфира и показатель преломления стекла кладинга отличаются друг от друга не более чем на 0,05. Способ получения лазерного компонента включает обеспечение легированного сапфира, обеспечение стекла кладинга и расположение стекла кладинга на легированном сапфире. Технический результат – повышение эффективности за счет подавления паразитного излучения в видимом диапазоне. 4 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил., 6 табл.
1. Лазерный компонент, содержащий
a) активный элемент, содержащий легированный сапфир, и
b) стекло кладинга, помещенное на упомянутый активный элемент, которое в случае толщины 1 мм в диапазоне длин волн от 750 нм до 850 нм имеет внутренний коэффициент пропускания не более 0,8,
причем для излучения в диапазоне длин волн от 750 нм до 850 нм необыкновенный показатель преломления легированного сапфира и показатель преломления стекла кладинга отличаются друг от друга не более чем на 0,05.
2. Лазерный компонент по п. 1, причем стекло кладинга с толщиной 1 мм в диапазоне длин волн от 700 нм до 900 нм имеет внутренний коэффициент пропускания не более 0,8 и причем для излучения в диапазоне длин волн от 700 нм до 900 нм необыкновенный показатель преломления легированного сапфира и показатель преломления стекла кладинга отличаются друг от друга не более чем на 0,05.
3. Лазерный компонент по п. 1 или 2, причем сапфир легирован легирующей примесью, выбранной из группы, состоящей из ионов элементов титана, хрома, железа и ванадия.
4. Лазерный компонент по любому из предшествующих пунктов, причем стекло кладинга с толщиной 1 мм в диапазоне длин волн от 750 нм до 850 нм имеет внутренний коэффициент пропускания не более 0,2.
5. Лазерный компонент по любому из предшествующих пунктов, причем для излучения в диапазоне длин волн от 750 нм до 850 нм необыкновенный показатель преломления легированного сапфира и показатель преломления стекла кладинга отличаются друг от друга не более чем на 0,02.
6. Лазерный компонент по любому из предшествующих пунктов, причем дифференцирование коэффициента преломления ((∂n(λ)/∂λ)|λ0) на длине волны λ0=800 [нм] дает между -3,00×10-5 и -4,00×10-5 [нм-1].
7. Лазерный компонент по любому из предшествующих пунктов, причем в диапазоне температур от -30°C до 70°C средний коэффициент линейного продольного теплового расширения α стекла кладинга отличается от среднего значения среднего коэффициента линейного продольного теплового расширения легированного сапфира параллельно кристаллографической оси c сапфира и среднего коэффициента линейного продольного теплового расширения легированного сапфира ортогонально кристаллографической оси c сапфира не более чем на 0,5×10-6 К-1.
8. Лазерный компонент по любому из предшествующих пунктов, причем стекло кладинга содержит следующие компоненты (в % по весу):
9. Лазерный компонент по любому из предшествующих пунктов, причем стекло кладинга имеет толщину от 0,05 до 100 мм, предпочтительно от 1 до 5 мм.
10. Лазерный компонент по любому из предшествующих пунктов, причем стекло кладинга содержит покрытие и причем стекло кладинга является шероховатым на по меньшей мере одной боковой области.
11. Способ получения лазерного компонента по любому из пп. 1-10, содержащий следующие этапы:
a) обеспечение легированного сапфира,
b) обеспечение стекла кладинга и
c) расположение стекла кладинга на легированном сапфире.
12. Способ по п. 11, причем расположение стекла кладинга на легированном сапфире осуществляют посредством соединения при помощи оптического контакта.
13. Стекло, имеющее показатель преломления по меньшей мере 1,70 и содержащее следующие компоненты (в % по весу):
причем стекло характеризуется состоянием охлаждения, которое соответствует постепенному охлаждению от температуры T1 до температуры T2 со средней скоростью охлаждения в диапазоне от 0,5 К в час до 40 К в час, причем температура T1 по меньшей мере выше температуры стеклования Tg, а температура T2 составляет 20°C.
14. Применение стекла по п. 13 в качестве стекла кладинга для активного элемента твердотельного лазера, причем активный элемент имеет показатель преломления по меньшей мере 1,6.
| US 2009111677 A1, 30.04.2009 | |||
| US 2012051082 A1, 01.03.2012 | |||
| US 6160824 A1, 12.12.2000 | |||
| US 4217382 A, 12.08.1980 | |||
| ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕР С ЗИГЗАГООБРАЗНЫМ ХОДОМ ЛУЧЕЙ | 2005 |
|
RU2269848C1 |
