飞秒激光辅助焊接Nd: YAG晶体的坚固无粘结接头( 三 )
HR-TEM图(图4d)显示了光学接触配合过程中两个取向不同的焊接晶体接触界面的近景 。 没有可见的气隙表明接头是完全单片的 。 接触表面本身 ， 由一个厚度为几十纳米的层 ， 在裂纹过程中经历了结构重排 ， 导致晶体晶格的重大取向错误 ， 直至非晶化 。 重要的是 ， 初始晶体相对取向对激光焊接的可能性没有任何影响 ， 这说明了裂纹法的普用性 。
由于在非晶相演化过程中存在晶体包裹体 ， 一些非晶纳米面似乎没有完全统一(图5a) 。 这也可能是由于纳米平面复杂的3D形状 ， 不能完全通过平面投影显示 。 电子衍射映射图(图5b)显示了在缺陷过程中初始样品的方向保存情况(图2a) 。 图中每个点的亮度与衍射峰的拟合质量相关 ， 换句话说 ， 最暗的部分是无定形区域或峰拟合失败的区域 。
图5 a)焊接区内垂直方向薄片切割TEM图像 。 b)焊接区内垂直方向薄片切割的SAED方位图 。
对其他几种焊接轨迹的更全面的研究可以揭示出三维非晶纳米区域的复杂形状——除了非晶纳米平面外 ， 在晶体接触处 ， 从球状(图6a)到细长(图6b) 。
图6 垂直方向焊接区切割的HR-TEM图像:a)球状非晶区域;B)长条形非晶区 。 表示法:c1 -上晶 ， c2 -下晶 ， *-非晶区 。
这些结构位于非晶纳米平面之间 ， 可以作为焊接表面之间的补充“桥梁” ， 增加焊接接头的强度 。 对于100道分离形成的1x1 mm焊缝 ， 焊接晶体的粘接剪切强度可达110 MPa ， 而最小测量值仅为30 MPa 。 这一数值远低于整体YAG晶体的强度 ， 这是由键合的性质所解释的 。 另一方面 ， 激光诱导应力的存在会使晶体接头的强度显著降低 。 可以预期 ， 额外的退火阶段将有助于提高焊接接头的强度 。 增加每单位表面的焊接轨道密度也可能增加焊接接头的强度 ， 但在这种情况下 ， 应考虑将增加的应力的贡献 。 剪切强度测试后的表面检查发现 ， 晶体不易分离 ， 这一点被大量材料证实(图7a) 。
图7 a)剪切强度试验后Nd:YAG晶体表面SEM图像;b)分离焊接轨道的SEM图像 。
焊缝最均匀部位放大后显示出周期约500 nm的波纹结构 ， 与非晶态纳米面周期吻合较好 。 因此 ， 纳米尺度非晶化在缺陷过程中起着关键作用 。
3.5. 耐热性测试
耐热性试验表明 ， 该接头具有较高的抗热冲击性能 。 即使在快速加热到1000℃ ， 风冷到室温的情况下 ， 焊接的晶板也没有出现脱落现象 ， 但由于热冲击 ， 一些微裂纹的长度有所增加 。 所有这些裂纹都位于应力最大的地方-在焊接轨道的末端 。 因此 ， 为避免裂缝的形成 ， 宜采用螺旋或圆形轨迹 。 加热到1100℃会导致试样分离和焊缝破坏 。
3.6. 泵送功率电阻测试
采用连续波光纤耦合激光器在808 nm的钕吸收带抽运Nd:YAG焊接样品 ， 功率密度可达15 kW/cm2 ， 接近于Nd:YAG的饱和吸收通量 。 所使用的泵浦功率密度比通常用于泵浦固态激光器的功率密度高 。 研究中的样品被证明可以抵抗高强度泵辐射 ， 这为使用10 W的技术也不会导致晶片分离打开了可能 。 此外 ， 泵送停止后 ， 焊缝未发现裂纹 。 这些结果表明 ， 裂纹在高功率固体激光器被动冷却制造技术中具有广阔的应用前景 。
4、结论
我们证明了超快激光焊接具有不同晶轴方向的Nd:YAG晶体的可能性 。 根据在0.75μJ脉冲能量下形成的焊接轨迹的微条纹分析 ， 揭示了双折射慢轴和入射激光束偏振面的相互垂直方向 ， 这是称为纳米光栅的纳米周期结构的典型方向 。 在2D拉曼图中检测到的特征拉曼峰展宽表明所研究的轨迹中存在非晶相 。 实际上 ， 焊缝的扫描透射电子显微镜显示 ， 在Nd:YAG晶体的表面接触界面上 ， 存在厚度为80–90nm的纳米级薄非晶层 ， 与垂直于激光束偏振方向的较厚晶体区交错 。 观察到的高度无序的晶体结构 ， 直至无任何气隙的非晶态结构 ， 提供高达110 MPa的高剪切强度和对焊接接头热负荷的耐受性 。 证明了焊缝的抗热震性高达1000°C ， 808 nm连续激光泵浦高达10 W 。 飞秒激光辅助焊接YAG晶体为高功率固体激光系统制造可靠的光学元件提供了一种新方法 。
来源：Robust and adhesive-free joint of Nd:YAG crystals by femtosecond laser-assisted welding Optics & Laser Technology doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107594
【飞秒激光辅助焊接Nd: YAG晶体的坚固无粘结接头】参考文献：Advances of laser welding technology of glass -science and technology- J. Laser Micro Nanoeng. 15 (2020) 10.2961/jlmn.2020.02.1001
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