飞秒激光辅助焊接Nd: YAG晶体的坚固无粘结接头世界自然保护联盟

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长三角G60激光联盟导读
本文通过显微Raman光谱、扫描电子显微镜和高分辨率透射电子显微镜研究了所制备焊缝的结构。
摘要
我们证明了激光辅助钇铝石榴石（YAG）晶体之间的键合，剪切强度高达110 MPa 。通过显微Raman光谱、扫描电子显微镜和高分辨率透射电子显微镜研究了所制备焊缝的结构。可靠地建立了Raman峰展宽与非晶相存在的相关性。电子显微镜证实了非晶相的形成。 TEM和HR-TEM表明，晶体的键合是由80–90nm厚的纳米周期性非晶纳米平面与晶体区域交织而成。通过将样品放置在电炉中以及通过功率密度高达15 kW/cm2的808 nm连续光纤耦合激光二极管泵浦，激光诱导焊接可以承受快速加热至1000°C 。所获得的结果是发展具有良好光束质量的高功率固体激光器被动冷却技术的关键一步。

图形摘要：通过飞秒激光辅助焊接（缺陷），证明了两个Nd:YAG晶体之间由于纳米周期性非晶纳米平面而形成的牢固、无粘性和耐热接头。缺陷法在大功率固体激光器晶体光学元件的制造中具有很高的潜力。
1、介绍
新型集成光学器件（具有用于信号输入和输出的光纤）和片上实验室设备的开发意味着使用各种材料相互粘合的技术。广泛使用的粘合和焊接确保了牢固的连接，但一般来说，很难提供均匀的粘合层厚度，这会导致精度损失和透明度降低。此外，胶水会引入不需要的杂质，不适合需要提高耐热性、化学性、强度和粘接选择性的应用。在这方面，利用飞秒脉冲激光对材料进行局部焊接在快速建立紧密、牢固和耐热连接方面具有突出的前景。由于超短脉冲能量的多光子吸收和热积累效应，加热区高度局部化，熔化区实际上可以受到束腰大小的限制，从而使焊接区的体积变化最小化。飞秒激光辅助焊接（缺陷）证明了产生不同粘接类型的可能性：玻璃到玻璃、玻璃到金属、硅到玻璃和碳化硅到玻璃接头。
在这项研究中，首次证明了创建激光辅助Nd:YAG到Nd:YAG无粘合剂粘接的可能性。为了揭示制造的焊接接头的高强度和耐温度梯度的起源，通过显微拉曼光谱和高分辨率透射电子显微镜研究了后者的结构。
2、材料和方法
2.1. 材料准备
采用提拉法生长了Nd:YAG（0.4at.%）单晶。将样品板切割、研磨并抛光至约λ/4的平面度，以防止激光束散射，并确保夹紧更紧密。
2.2. 夹紧方法
连接材料之间的间隙大小在产生牢固结合方面起着重要作用。最小化焊接样品之间的间隙，可以减少冷却软化区域时不可避免地出现的拉伸应力，并防止烧蚀和等离子体逸出。由于表面缺陷，在实际条件下，很少能达到光学接触的最小间隙。使用各种配置的夹紧机构是最小化间隙的有效方法。
2.3. 实验装置
在激光焊接实验中使用了基于Yb:KGW飞秒激光Pharos SP的飞秒实验室系统，该系统在1030 nm波长下发射持续时间为180 fs的脉冲。晶体样品的激光焊接在500 kHz脉冲重复率和0.6–1μJ脉冲能量下进行，以提供热积累模式。极化平面平行于平移方向。激光焊接后，对键合晶体的小平面进行研磨和抛光，使焊接接头直接位于表面。
在缺陷之前，两个切割的晶体板在不完美的光学接触中相互接触，这由组合板边缘上出现的彩色条纹表示。激光束聚焦在两个铆接晶体的接触面上（图1a）。

图1 a）实验激光焊接方案；焊接晶体的束腰轨迹：b）平行轨迹；c）同心圆；在泵浦电阻测试中，红十显示激光泵浦的方向。
通过缺陷，通过平行（图1b）路径写入一系列焊接轨迹，用于剪切应力测试，或通过同心圆（图1c）轨迹写入连续激光泵测试。轨道之间的距离为10和20μm ，不包括重叠。
3 ，结果和讨论
3.1. 加热条件的计算
到目前为止，对玻璃-玻璃和玻璃-金属粘接的缺陷条件研究最多。在致力于生产高强度玻璃焊接接头的研究中，研究了各种脉冲重复率、扫描速度和脉冲能。结果表明，激光作用的热模式在激光束聚焦区域提供高于玻璃软化温度的温度，有利于玻璃的缺陷。研究还表明，与非热模式相比，蓄热状态下的玻璃-金属键合更快、更可靠。合理的假设是，只有软化的材料才能进行激光焊接。

飞秒激光辅助焊接Nd: YAG晶体的坚固无粘结接头

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