專利名稱：帶有錐形波導(dǎo)節(jié)段的光泵浦波導(dǎo)激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及包括波導(dǎo)的光泵浦波導(dǎo)激光器，這種波導(dǎo)帶有光學(xué)傳 播層和用于形成諧振腔的兩個諧振器鏡，其中，這種傳播層包括至少沿著這種波導(dǎo)的一個節(jié)段的增益介質(zhì)(gain medium),這種增益介質(zhì) 允許入射泵浦光的上變換 (up-conversion ) 或下變換 (down-conversion),且這種泵浦光至少部分地透過這些諧振器鏡的第 一諧振器鏡，以允許這種波導(dǎo)激光器穿過這種波導(dǎo)的第 一端面的端面 泵浦(end pumping )。本發(fā)明尤其可用于將從激光二極管或激光二極 管條發(fā)射的在紅外(IR)或深藍(lán)波長范圍內(nèi)的光上變換或下變換成在 可視波長范圍內(nèi)的光。
背景技術(shù)：
波長變換是一種用于從半導(dǎo)體光源產(chǎn)生可視輻射的重要技術(shù)，這 些半導(dǎo)體光源在IR或深藍(lán)波長范圍內(nèi)最有效。可用由半導(dǎo)體激光器光 學(xué)泵浦的波導(dǎo)激光器來實(shí)現(xiàn)這種上變換或下變換過程。這種波導(dǎo)激光 器通常包括一種波導(dǎo)，這種波導(dǎo)具有在兩個諧振器鏡之間的光學(xué)傳播 層，這兩個諧振器鏡布置在波導(dǎo)的兩個端面。傳播層包括一種增益介 質(zhì)，這種增益介質(zhì)也稱為活性介質(zhì)，這種活性介質(zhì)提供入射泵浦光的 上變換或下變換。這種傳播層由折射指數(shù)低于傳播層的材料的折射指 數(shù)的材料包圍。這種包圍材料也稱為覆層。在這種波導(dǎo)激光器中，入 射泵浦光由這種增益介質(zhì)吸收且變換成不同波長的光，即波導(dǎo)激光器 的激光發(fā)射波長。基于上變換過程的波導(dǎo)激光器在如WO 2005/022708 Al或在US 5，379，311 A中進(jìn)行了描述。在這兩個文獻(xiàn)中，波導(dǎo)激光器由激光二極 管或激光二極管條穿過諧振器鏡中的一個端面泵浦。波導(dǎo)的輸入截面 即波導(dǎo)的傳播層的輸入截面選擇為大于或等于激光二極管出口 ，以將 由激光二極管發(fā)射的泵浦光有效地耦合到波導(dǎo)激光器的傳播層中。這 種傳播層的截面在波導(dǎo)的這兩個端面之間保持恒定。任何激光器的效率由達(dá)到激光閾值所要求的輸入功率量確定，并且由這種閾值上的差動效率(differential efficiency)確定。激光活動要求 離子數(shù)反轉(zhuǎn)(population reversion )，即激光躍遷的受激態(tài)中的離子量 必須大于基態(tài)中的離子量。泵浦能量密度越高，就越容易達(dá)到這種條 件。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種具有提高的效率的波導(dǎo)激光器，這種 波導(dǎo)激光器尤其用于可視輻射。這種目的由根據(jù)權(quán)利要求1的光泵浦波導(dǎo)激光器來實(shí)現(xiàn)。這種波 導(dǎo)激光器的有利實(shí)施例是從屬權(quán)利要求的主題，或者在本說明書的隨 后的部分中以及示例中進(jìn)行描述。所提出的光泵浦波導(dǎo)激光器包括波導(dǎo)，這種波導(dǎo)帶有光學(xué)傳播層 和用于形成諧振腔的兩個諧振器鏡。這種傳播層包括至少沿著這種波 導(dǎo)的一個節(jié)段的增益介質(zhì)，這種增益介質(zhì)提供入射泵浦光的上變換或 下變換。這種泵浦光至少部分地透過這些諧振器鏡的笫一諧振器鏡， 以允許這種波導(dǎo)激光器穿過這種波導(dǎo)的第一端面的端面泵浦。本發(fā)明 的波導(dǎo)的特征在于這種傳播層具有一種幾何寬度或截面，這種幾何寬 度或截面在從波導(dǎo)的第一節(jié)段中的第一端面開始向第二端面的至少一 個維度減小，從而在該第一節(jié)段的端部增加入射泵浦光的能量密度。在運(yùn)行這種波導(dǎo)激光器時，將優(yōu)選來自一個或幾個激光二極管的 光學(xué)泵浦光穿過該第一端面耦合到波導(dǎo)的第一節(jié)段。傳播層的幾何寬 度以入射泵浦光的傳播方向的減小致使能量密度壓縮在位于第一節(jié)段 的端部的較小體積中。這就降低了激光閾值并提高了這種布置的效率。 因此，在本發(fā)明中，所要求的輸入功率由波導(dǎo)內(nèi)的泵浦光的功率密度 的增加減小，該傳播層的這種特殊幾何形狀導(dǎo)致這種波導(dǎo)內(nèi)的泵浦光 的功率密度的增加。在所提出的波導(dǎo)激光器的優(yōu)選實(shí)施例中，將一個或幾個激光二極 管優(yōu)選是激光二極管條用作用于波導(dǎo)激光器的泵浦源。對于高功率要 求而言，可使用寬條發(fā)射器，例如，這種寬條發(fā)射器具有約為lum的 厚度和介于50um與200um之間的寬度。這種激光二極管布置的以 小幾何范圍的方向的發(fā)散角通常在2x30°至2x50。。由于這種極大 的發(fā)散，所以也將這種軸稱為快軸。以其它軸的方向的發(fā)散非常小，5為慢軸。保存這種角向表現(xiàn)用于沿著此波導(dǎo)激光 器的波導(dǎo)行進(jìn)的泵浦輻射。在上述優(yōu)選實(shí)施例中，僅以二極管泵浦激 光器的慢軸的方向減小該傳播層的幾何寬度。這考慮到了這種波導(dǎo)設(shè) 計(jì)用于有效地耦合由這種激光二極管發(fā)射的泵浦射束的最大部分。因 此，選擇傳播層的材料和傳播層的包圍介質(zhì)的材料，以提供足夠高的 折射指數(shù)差異以確?？燧S泵浦輻射的正確引導(dǎo)，傳播層的包圍介質(zhì)的 材料的光折射指數(shù)低于傳播層的材料的光折射指數(shù)。本實(shí)施例采用泵 浦射束的極為不對稱的角向分布。雖然快軸輻射的引導(dǎo)通過折射指數(shù) 的正確選擇進(jìn)行處理，但帶有遠(yuǎn)的較低發(fā)散的慢軸并不重要。這樣， 只要在傳播層的邊界上的慢軸輻射的入射角不超過在邊界層上的快軸 輻射的入射角，就可在上述意義上以慢軸的方向形成傳播層的幾何形 狀。這就意味著可按照5至10的系數(shù)減小以此方向的傳播層的幾何寬 度。傳播層的幾何寬度或截面的減小導(dǎo)致波導(dǎo)的第一節(jié)段中這種傳播 層的錐形幾何形狀。寬度的減小可以是一種線性減小或者可具有導(dǎo)致 入射激光泵浦光聚集到較小體積內(nèi)的其它任何適當(dāng)?shù)男螤?。在一個優(yōu) 選實(shí)施例中，這種錐形節(jié)段具有拋物面形狀，最優(yōu)選具有復(fù)合拋物面 聚光器(CPC)的形狀。幾何截面的減小增加了沿著波導(dǎo)行進(jìn)的泵浦 光的傳播層的邊界上的入射角。優(yōu)選對幾何截面或?qū)挾鹊臏p小進(jìn)行選 擇以保存量角*維度，其中，維度是指傳播層的寬度?？捎蒙鲜鰪?fù)合拋 物面聚光器滿足這種條件?？蓮娜鏦.T.Welford等人所著的"高聚集 非成像光學(xué)裝置，，(1989年，尤其是在第4章或在附錄D和E中)一 文中獲知用于理想的聚光器形式的適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方程式，該文獻(xiàn)通過參 考結(jié)合在本發(fā)明中。在這種波導(dǎo)激光器中，這種波導(dǎo)包括第一節(jié)段和第二節(jié)段，第一 節(jié)段從該第一端面開始，且第二節(jié)段將該第一節(jié)段與波導(dǎo)的第二端面 連接。傳播層的錐形形狀應(yīng)用于波導(dǎo)的第一節(jié)段。優(yōu)選傳播層在整個 第二節(jié)段中具有恒定的截面或?qū)挾?。傳播層可由增益介質(zhì)在整個波導(dǎo)中形成，即整個第一節(jié)段和第二節(jié)段。不過，在優(yōu)選實(shí)施例中，傳播 層僅在第二節(jié)段中包括增益介質(zhì)。這可通過如在傳播層中使用適當(dāng)?shù)?基質(zhì)材料如ZBLAN來實(shí)現(xiàn)，這種基質(zhì)材料僅在與濃度足夠高的適當(dāng)?shù)?元素?fù)诫s時起到增益介質(zhì)的作用。在此情形中，這種基質(zhì)材料僅與在6第二區(qū)域中的適當(dāng)?shù)脑負(fù)诫s。這些元素的示例有稀土離子，優(yōu)選這種稀土離子是Er+。摻有Er的ZBLAN用作用于紅外泵浦光的增益介 質(zhì)。在ZBLAN作為傳播層的基本材料的情形中，包圍材料也可包括帶 有不同理想配比成分的ZBLAN，以實(shí)現(xiàn)折射指數(shù)中所要求的差異?？蓪⒉▽?dǎo)激光器和二極管泵浦激光器或激光條置于相同的基板上 或分立的基板上。這些基板可以是玻璃材料和、或陶乾材料和、或金 屬，如銅。優(yōu)選二極管激光器或二極管激光條發(fā)出在紅外或深藍(lán)波長 區(qū)域中的泵浦光，且對增益介質(zhì)進(jìn)行選擇，以將這種泵浦光變換成可 視區(qū)域內(nèi)的光，例如，藍(lán)色、綠色或紅色輻射。優(yōu)選以在波導(dǎo)的該端 面的二向色涂層的形式實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的諧振器鏡。在波導(dǎo)激光器的這些實(shí) 施例中的一個中，還可將第一諧振器鏡布置在波導(dǎo)的第一節(jié)段與第二 節(jié)段之間。在此情形中，優(yōu)選將第一端鏡形成為一種分布布喇格反射 器(DBR)，且諧振腔僅包括波導(dǎo)的第二節(jié)段。將第一諧振器鏡制成 使入射泵浦光高度透過并對所產(chǎn)生的波導(dǎo)激光器的激光高度反射。第 二鏡可使激光部分地透過，以能夠?qū)⑺a(chǎn)生的激光的一部分耦合輸出。在說明書和權(quán)利要求書中，詞語"包括"并不排除其它的要素或 步驟，且"一種，，并不排除復(fù)數(shù)形式。不應(yīng)將權(quán)利要求書中的任何附 圖標(biāo)記解釋為對權(quán)利要求書的范圍進(jìn)行限制。


下面的描述涉及參考附圖的所提出的波導(dǎo)激光器的示范性實(shí)施 例，這些示范性實(shí)施例并不對本發(fā)明的范圍進(jìn)行限制。在這些圖中 圖l是所提出的波導(dǎo)激光器的第一實(shí)施例的示意圖； 圖2是所提出的波導(dǎo)激光器的第二實(shí)施例的示意圖； 圖3是所提出的波導(dǎo)激光器的第三實(shí)施例的示意圖；以及 圖4是所提出的波導(dǎo)激光器的示意性側(cè)視圖。
具體實(shí)施方式
圖1是根據(jù)本發(fā)明的波導(dǎo)激光器的第一實(shí)施例的示意圖。該示意 圖垂直于二極管激光器泵浦光的慢軸方向。垂直于快軸方向的示意圖 在圖4中示出。這些圖示出了二極管激光器l, 二極管激光器l布置成 使其出口表面接近于波導(dǎo)激光器2的第一端面8。波導(dǎo)激光器2包括由覆層材料5包圍的傳播層3、 4，覆層材料5的折射指數(shù)小于傳播層3、 4的材料的折射指數(shù)。正如可從圖中看出的那樣，這種傳播層的寬度在波導(dǎo)激光器2的 第一節(jié)段顯著減小，并且在該波導(dǎo)激光器的整個第二節(jié)段保持恒定。 傳播層的錐形部分3具有復(fù)合拋物面聚光器的形狀，從而將入射在波 導(dǎo)激光器2上的泵浦光聚集在傳播層的笫二部分4中的較小體積內(nèi)。 由于二極管激光器條1的泵浦光的這種聚集，所以波導(dǎo)中的能量密度 增加且更容易地達(dá)到激光閾值。而且，由這種波導(dǎo)激光器所發(fā)射的能 量的濃度更高。傳播層以在波導(dǎo)激光器2的第一端面8的寬度開始， 這種寬度幾乎等于二極管激光器條1的發(fā)射寬度。笫一諧振器鏡6布 置在波導(dǎo)激光器2的這個側(cè)面上，這種第一諧振器鏡6傳送二極管激 光器條l的波長。傳播層3、 4包括一種增益介質(zhì)，這種增益介質(zhì)強(qiáng)烈 地吸收泵浦波長并在可視波長范圍內(nèi)發(fā)射。第一諧振器鏡6在圖4中 示出，且第二諧振器鏡7在波導(dǎo)激光器2的第二端面9上?？梢暭す?在此側(cè)面以所示出的方向離開波導(dǎo)激光器2。正如可從圖1與圖4的比 較中看出的那樣，以二極管激光器光的慢軸的方向減小傳播層3、 4的 寬度。圖2示出了另一個示例，該示例與圖1中的示例的不同之處僅在 于傳播層的錐形部分3的形狀。在圖2的示例中，傳播層3、 4傳播層 3、 4呈簡單的錐形，即寬度線性減小。在此情形中，在整個錐形部分 3僅適當(dāng)?shù)剡m當(dāng)?shù)乇４媪拷?維度。由此實(shí)施例所實(shí)現(xiàn)的側(cè)向維度的減 小略小于圖1中的側(cè)向維度的減小。圖3示出了所提出的波導(dǎo)激光器的第三實(shí)施例，在此實(shí)施例中， 傳播層3、 4在幾何方面與圖1中的傳播層3、 4相同。不過，在圖3 的實(shí)施例中，僅有傳播層的第二部分4提供增益介質(zhì)。這通過這兩個 部分中傳播層的適當(dāng)?shù)幕|(zhì)材料的選擇來實(shí)現(xiàn)，以使僅有第二部分4 足夠地?fù)接性斐杉す庠鲆娴南⊥岭x子。該實(shí)施例的優(yōu)點(diǎn)在于必須不泵 浦傳播層的錐形部分3中相對較大的體積，即在此部分中并不吸收泵 浦光，以更多地降低波導(dǎo)激光器的閾值。該實(shí)施例要求傳播層的特殊 淀積工序，該工序在該層的不同部分中提供不同的摻雜水平。在此第 三實(shí)施例中，可將第一諧振器鏡6布置在第一端面8，或者在第一諧振 器鏡6作為DBR時，將其布置在傳播層的第一部分3與第二部分4之間。在圖3中用虛線示出該傳播層?？傊?，可通過在基板上的薄膜淀積和隨后以側(cè)向方向的波導(dǎo)激光 器的理想層的構(gòu)造制造波導(dǎo)激光器?？扇菀椎赝ㄟ^直接寫或標(biāo)準(zhǔn)的光 刻技術(shù)來實(shí)現(xiàn)本發(fā)明中所描述的特征形狀。附圖標(biāo)記清單1 二極管激光器條2 波導(dǎo)激光器3 傳播層的第一部分4 傳播層的第二部分5 覆層材料6 第一諧振器鏡7 第二諧振器鏡8 第一端面9 笫二端面
權(quán)利要求
1.光泵浦波導(dǎo)激光器，所述光泵浦波導(dǎo)激光器包括波導(dǎo)，所述波導(dǎo)帶有光學(xué)傳播層(3、4)和用于形成諧振腔的兩個諧振器鏡(6、7)，其中，所述傳播層(3、4)包括至少沿著所述波導(dǎo)的節(jié)段的增益介質(zhì)，所述增益介質(zhì)提供入射泵浦光的上變換或下變換，以及其中，所述泵浦光至少部分地透過這些諧振器鏡的第一諧振器鏡(6)，以允許所述波導(dǎo)激光器穿過所述波導(dǎo)的第一端面(8)的端面泵浦，其特征在于所述傳播層(3、4)的厚度在所述波導(dǎo)的第一節(jié)段中減小，所述波導(dǎo)的第一節(jié)段從所述第一端面(8)開始到第二端面(9)。
2. 如權(quán)利要求l所述的波導(dǎo)激光器，其特征在于將所述波導(dǎo)激 光器(2)耦合到二極管激光器或二極管激光器條(1)，以由所述二 極管激光器或二極管激光器條(1)將所述波導(dǎo)激光器(2)端面泵浦。
3. 如權(quán)利要求2所述的波導(dǎo)激光器，其特征在于所述二極管激 光器條(1)發(fā)射在IR或深藍(lán)波長區(qū)域內(nèi)的泵浦光。
4. 如權(quán)利要求2所述的波導(dǎo)激光器，其特征在于以所述泵浦光 的慢軸的方向減小所述傳播層(3、 4)的厚度。
5. 如權(quán)利要求1或4所述的波導(dǎo)激光器，其特征在于根據(jù)復(fù)合 拋物面聚光器(CPC)的幾何形狀減小所述寬度。
6. 如權(quán)利要求1或4所述的波導(dǎo)激光器，其特征在于線性減小 所述寬度。
7. 如權(quán)利要求1至6中的任一項(xiàng)所述的波導(dǎo)激光器，其特征在于所述傳播層具有沿著所述波導(dǎo)的第二節(jié)段的恒定的寬度或截面，所述 第二節(jié)段將所述波導(dǎo)的所述笫一節(jié)段和所述第二端面(9)互連。
8. 如權(quán)利要求7所述的波導(dǎo)激光器，其特征在于所述傳播層(3、 4)在所述第一節(jié)段中包括與所述增益介質(zhì)的材料不同的材料，所述材 料并不吸收所述泵浦光或所述材料具有小于所述增益介質(zhì)的吸收系數(shù) 的用于所述泵浦光的吸收系數(shù)。
9. 如權(quán)利要求7或8所述的波導(dǎo)激光器，其特征在于所述傳播 層在整個所述第二節(jié)段中包括所述增益介質(zhì)。
10.如權(quán)利要求1或4所述的波導(dǎo)激光器，其特征在于所述增 益介質(zhì)是摻有Er的ZBLAN，且所述波導(dǎo)激光器(2 )耦合到所述二極 管激光器或二極管激光器條(1)，以由所述二極管激光器或二極管激 光器條(1)將所述波導(dǎo)激光器(2)端面泵浦，所述二極管激光器或 二極管激光器條(1)發(fā)射在IR光譜范圍內(nèi)的泵浦光。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種光泵浦波導(dǎo)激光器(2)，這種光泵浦波導(dǎo)激光器(2)包括波導(dǎo)，這種波導(dǎo)帶有光學(xué)傳播層(3、4)和兩個諧振器鏡(6、7)。這種傳播層(3、4)包括至少沿著波導(dǎo)的節(jié)段的增益介質(zhì)，這種增益介質(zhì)允許入射泵浦光的上變換或下變換。這種泵浦光至少部分地透過錐形諧振器鏡中的至少一個，以允許這種波導(dǎo)激光器穿過波導(dǎo)的第一端面(8)的端面泵浦。傳播層(3、4)的幾何厚度在波導(dǎo)的第一節(jié)段中減小，這種波導(dǎo)的第一節(jié)段從第一端面(8)開始到第二端面(9)，從而在朝向第二端面(9)在第一節(jié)段中傳播時增加入射泵浦光的能量密度。在所提出的波導(dǎo)激光器中，將泵浦光聚集在波導(dǎo)的第一節(jié)段中，從而導(dǎo)致更高的能量密度，這種更高的能量密度降低了激光閾值并提高了效率。這種傳播層(3、4)由折射指數(shù)低于傳播層(3、4)的材料的折射指數(shù)的覆層(5)包圍。
文檔編號H01S3/063GK101326690SQ200680045961
公開日2008年12月17日 申請日期2006年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月9日
發(fā)明者H·莫恩克 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司