專利名稱：具有頻率調(diào)制功能的一體化微片激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及晶體材料及光電子技術(shù)。
微片激光器是一種激光晶體厚度在1毫米以下，兩面直接鍍上滿足激光運(yùn)轉(zhuǎn)條件的介質(zhì)膜的小型激光器?？梢岳冒雽?dǎo)體激光器作為泵浦源進(jìn)行端面泵浦，將光束質(zhì)量和單色性都較差的半導(dǎo)體激光轉(zhuǎn)變成為高光束質(zhì)量和單色性好的固體激光輸出。在此基礎(chǔ)上，可以添加調(diào)Q元件和非線性光學(xué)晶體，對(duì)該固體基波激光進(jìn)行調(diào)Q、倍頻或混頻，得到可見和紫外波段的激光輸出。該類器件具有低泵浦閾值、高轉(zhuǎn)換效率、穩(wěn)定可靠、器件緊湊、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，在信息、環(huán)保、交通、電子、測(cè)量、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。
為了得到單色性較好的激光輸出，同時(shí)也有利于提高倍頻或混頻效率，要求激光晶體微片的厚度在幾百微米以下，甚至只有幾十微米。同時(shí)研究結(jié)果表明晶體中的激活離子濃度增大，微片厚度減少，在不考慮濃度猝滅的情況下0(這一點(diǎn)所謂的自激活激光晶體，如NdAl3(BO3)4晶體可以在一定程度上滿足)，激光泵浦效率將提高。所有這些都要求在能充分吸收泵浦激光的條件下將微片做得盡量薄。這就給晶體微片的加工帶來(lái)一定的難度。
要得到更有實(shí)用價(jià)值的可見和紫外波段的激光輸出，需要對(duì)微片激光器的紅外基波激光進(jìn)行倍頻或混頻調(diào)制，還必須在激光腔內(nèi)或腔外添加非線性光學(xué)晶體，有時(shí)還要添加調(diào)Q的元件或晶片，這也給器件的制造及其穩(wěn)定可靠的運(yùn)轉(zhuǎn)帶來(lái)困難。
參考文獻(xiàn)見J.Zayhowski，Q-switched microchip lasers find real-worldapplication，Laser focus world，Aug 1999，129-136。
本發(fā)明設(shè)計(jì)一個(gè)具有頻率調(diào)制功能的半導(dǎo)體激光或其它合適光源泵浦的一體化的固體微片激光器，將半導(dǎo)體激光或其它光源發(fā)光有效地轉(zhuǎn)變成為可見和紫外等更短波長(zhǎng)的激光輸出。目的在于克服微片激光器加工難度大的不足，力求省去激光器件制造的復(fù)雜性，使得器件盡量緊湊和小型化，同時(shí)提高運(yùn)行穩(wěn)定性，降低器件成本。
本發(fā)明采用如下技術(shù)方案以已經(jīng)確定倍頻或混頻相位匹配方向的非線性光學(xué)晶體為襯底，在與相位匹配方向垂直的一個(gè)端面上外延生長(zhǎng)激光晶體微片。這樣就將腔內(nèi)倍頻或混頻激光器中的非線性光學(xué)晶體與激光晶體二者合一，在這塊激光和非線性功能一體化晶體的垂直于相位匹配方向的兩個(gè)端面鍍上適于相應(yīng)波長(zhǎng)激光運(yùn)轉(zhuǎn)的介質(zhì)膜，便成為一個(gè)一體化的具有腔內(nèi)倍頻或混頻功能的微片激光器。
或者按上述方法先在非線性光學(xué)晶體材料上外延生長(zhǎng)被動(dòng)調(diào)Q的晶體微片，再進(jìn)一步外延生長(zhǎng)激光晶體微片，這就將激光晶體、調(diào)Q晶體和非線性光學(xué)晶體三者合一，在這塊激光、調(diào)Q和非線性功能一體化晶體的垂直于相位匹配方向的兩個(gè)端面鍍上適于相應(yīng)波長(zhǎng)激光運(yùn)轉(zhuǎn)的介質(zhì)膜，便成為一個(gè)一體化的具有調(diào)Q與倍頻或混頻功能的微片激光器。
上述功能一體化晶體也可以不在端面上鍍膜而直接置于一對(duì)滿足激光運(yùn)轉(zhuǎn)條件的介質(zhì)膜片中構(gòu)成具有同樣功能的微片激光器。
本技術(shù)方案在以GdxY1-xAl3(BO3)4，Ca4GdxY1-xO(BO3)3，Gd2xY2(1-x)(MoO4)3，(其中x可以從0變化到1)，LaSc3(BO3)4等非線性光學(xué)晶體作為襯底，外延以稀土離子，如Nd3+，Er3+，pr3+和Yb3+等，作為激活離子全部或部分取代Gd3+，Y3+或La3+離子的同構(gòu)晶體作為激光晶體微片的一體化器件中有較佳效果。也可以用非線性光學(xué)晶體LiNbO3作為襯底，外延生長(zhǎng)RE3+∶MgO∶LiNbO3或RE3+∶ZnO∶LiNbO3(RE=Nd，Er，Pr，Yb等稀土離子)激光晶體微片得到同樣的效果。對(duì)于用稀土離子Nd3+取代的情況，可以在外延激光晶體微片之前先外延生長(zhǎng)摻Cr4+的被動(dòng)調(diào)Q同構(gòu)晶體薄片達(dá)到對(duì)1.06微米激光調(diào)Q的效果。
實(shí)施本發(fā)明技術(shù)方案具有的有益的效果1、可以將非線性光學(xué)晶體、調(diào)Q晶體與激光晶體一體化，能實(shí)現(xiàn)對(duì)基波激光的調(diào)Q和倍頻或混頻。與已有的技術(shù)相比，本發(fā)明不需要獨(dú)立地放置一塊激光晶體微片、一塊調(diào)Q晶片和一塊非線性光學(xué)晶體，使得器件極其緊湊，省去器件制造的復(fù)雜性，降低成本，同時(shí)提高運(yùn)轉(zhuǎn)的穩(wěn)定性。本發(fā)明只要在這塊一體化的晶體端面鍍上相應(yīng)的介質(zhì)膜，便是一個(gè)可被半導(dǎo)體激光或其它合適光源泵浦的具有調(diào)Q、倍頻或混頻固體激光器。其簡(jiǎn)單性和緊湊程度大大高于現(xiàn)有技術(shù)。
2、本發(fā)明采用外延法生長(zhǎng)的激光晶體微片，與已有技術(shù)采用塊狀單晶切片、磨薄、拋光的方法相比，更為簡(jiǎn)單可靠，節(jié)省成本?？梢詽M足幾十微米或更薄的激光晶體微片的要求，這是用已有技術(shù)很難做到的。
附

圖1是一種一體化的具有倍頻或混頻功能微片激光器的示意圖，其中(1)是通過(guò)外延生長(zhǎng)的激光晶體微片；(2)是端面沿垂直于倍頻或混頻的相位匹配方向切割，在外延生長(zhǎng)中作為襯底的非線性光學(xué)晶體；(3)是泵浦光入射端面的介質(zhì)膜；(4)是固體激光輸出端面的介質(zhì)膜；(5)是泵浦光輸入方向；(6)是激光輸出方向。
附圖2是一種一體化的具有調(diào)Q、倍頻或混頻功能的微片激光器的示意圖，其中(1)是通過(guò)外延生長(zhǎng)的激光晶體微片；(2)是端面沿垂直于倍頻或混頻的相位匹配方向切割，在外延生長(zhǎng)中作為襯底的非線性光學(xué)晶體；(3)是泵浦光入射端面的介質(zhì)膜；(4)是固體激光輸出端面的介質(zhì)膜；(5)是泵浦光輸入方向；(6)是激光輸出方向；(7)是通過(guò)外延生長(zhǎng)的調(diào)Q晶片。
現(xiàn)結(jié)合附圖來(lái)說(shuō)明本發(fā)明方案的實(shí)現(xiàn)方式。
首先根據(jù)倍頻或混頻需要對(duì)非線性光學(xué)晶體(2)進(jìn)行定向切割，使其中一對(duì)端面與所需的相位匹配方向垂直，晶體的厚度可根據(jù)具體的材料和頻率調(diào)制的要求確定，端面積一般在毫米見方。之后在與相位匹配方向垂直的一個(gè)端面，利用外延法生長(zhǎng)出厚度滿足最佳泵浦效果的激光晶體微片(1)，其厚度一般在10～500微米之間。
得到上述激光晶體微片和非線性光學(xué)晶體合為一體的功能晶體后，如附圖1所示，只要在與相位匹配方向垂直的兩個(gè)端面上鍍上適合激光和倍頻或混頻運(yùn)轉(zhuǎn)的介質(zhì)膜(3)和(4)，便是一個(gè)適于半導(dǎo)體激光或其它光源沿方向(5)泵浦的一體化的具有倍頻或混頻功能的微片激光器，沿方向(6)輸出激光。也可以不鍍膜而直接將該一體化晶體置于一對(duì)合適的鍍膜激光腔鏡中構(gòu)成一個(gè)具有相同功能的激光器。
或者先在非線性光學(xué)晶體與相位匹配方向垂直的一個(gè)端面，利用外延法生長(zhǎng)出滿足調(diào)Q效果需要的被動(dòng)調(diào)Q晶片(例如可以采用外延生長(zhǎng)Cr4+∶YAl3(BO3)4作為調(diào)Q晶片)，厚度一般在幾十到幾百微米。再外延生長(zhǎng)激光晶體微片(如Nd3+∶YAl3(BO3)4微片)，如附圖2所示。與附圖1的激光器相比，該器件多了調(diào)Q晶片(7)，具備調(diào)Q功能，而鍍膜、泵浦、激光輸出方向等方式均相同。也可以選擇不鍍膜而直接將該一體化晶體置于一對(duì)合適的鍍膜激光腔鏡中構(gòu)成一個(gè)具有相同功能的激光器。
實(shí)例1對(duì)Nd3+離子的1062納米(4F3/2→4I11/2)基波激光倍頻產(chǎn)生531納米綠色激光輸出。非線性光學(xué)晶體YAl3(BO3)4沿I類相位匹配角θI=30.7定向切割，同時(shí)確定晶體的大小(一般為端面積在毫米見方，厚度為幾個(gè)毫米的方塊或圓柱)，端面拋光后置于含有助熔劑的NdxY1-xAl3(BO3)4(x在0.01到1之間)的高溫熔劑中，利用YAl3(BO3)4作為襯底進(jìn)行液相外延法生長(zhǎng)，通過(guò)控制生長(zhǎng)時(shí)間和條件在與相位匹配方向垂直的一個(gè)端面得到所需厚度的NdxY1-xAl3(BO3)4晶體微片。得到上述激光晶體微片和非線性光學(xué)晶體合為一體的功能晶體后，在如附圖1所示端面(3)鍍上在807納米處(作為泵浦光的半導(dǎo)體激光波長(zhǎng))高透、在1062納米和531納米處高反(R＞99％)的介質(zhì)膜，端面(4)鍍上在807納米和1062納米處高反(R＞99％)、在531納米處高透的介質(zhì)膜。這便是一個(gè)適于807納米半導(dǎo)體激光沿方向(5)泵浦的一體化的具有倍頻功能的微片激光器，沿方向(6)輸出531納米波長(zhǎng)的綠色激光。
實(shí)例2對(duì)Nd3+離子的1338納米(4F3/2→4I13/2)基波激光倍頻產(chǎn)生669納米紅色激光輸出。非線性光學(xué)晶體YAl3(BO3)4沿I類相位匹配角θI=27.0°定向切割，同時(shí)確定晶體的大小(一般為端面積在毫米見方，厚度為幾個(gè)毫米的方塊或圓柱)，端面拋光后置于含有助熔劑的NdxY1-xAl3(BO3)4(x在0.01到1之間)的高溫熔劑中，利用YAl3(BO3)4作為襯底進(jìn)行液相外延法生長(zhǎng)，通過(guò)控制生長(zhǎng)時(shí)間和條件在與相位匹配方向垂直的一個(gè)端面得到所需厚度的NdxY1-xAl3(BO3)4晶體微片。得到上述激光晶體微片和非線性光學(xué)晶體合為一體的功能晶體后，在如附圖1所示端面(3)鍍上在807納米處(作為泵浦光的半導(dǎo)體激光波長(zhǎng))高透、在1338納米和669納米處高反(R＞99％)的介質(zhì)膜，端面(4)鍍上在807納米和1338納米處高反(R＞99％)、在669納米處高透的介質(zhì)膜。這便是一個(gè)適于807納米半導(dǎo)體激光沿方向(5)泵浦的一體化的具有倍頻功能的微片激光器，沿方向(6)輸出669納米波長(zhǎng)的紅色激光。
實(shí)例3將Nd3+離子的1062納米(4F3/2→4I11/2)基波激光與作為泵浦光的807納米半導(dǎo)體激光混頻產(chǎn)生458納米藍(lán)色激光輸出。非線性光學(xué)晶體YAl3(BO3)4沿I類相位匹配角θI=35.0°定向切割，同時(shí)確定晶體的大小(一般為端面積在毫米見方，厚度為幾個(gè)毫米的方塊或圓柱)，端面拋光后置于含有助熔劑的NdxY1-xAl3(BO3)4(x在0到1之間)的高溫熔劑中，利用YAl3(BO3)4作為襯底進(jìn)行液相外延法生長(zhǎng)，通過(guò)控制生長(zhǎng)時(shí)間和條件在與相位匹配方向垂直的一個(gè)端面得到所需厚度的NdxY1-xAl3(BO3)4晶體微片。得到上述激光晶體微片和非線性光學(xué)晶體合為一體的功能晶體后，在如附圖1所示端面(3)鍍上在807納米處(作為泵浦光的半導(dǎo)體激光波長(zhǎng))高透、在1062納米和458納米處高反(R＞99％)的介質(zhì)膜，端面(4)鍍上在807納米和1062納米處高反(R＞99％)、在458納米處高透的介質(zhì)膜。這便是一個(gè)適于807納米半導(dǎo)體激光沿方向(5)泵浦的一體化的具有混頻功能的微片激光器，沿方向(6)輸出458納米波長(zhǎng)的藍(lán)色激光。
實(shí)例4對(duì)Nd3+離子的1062納米(4F3/2→4I11/2)基波激光調(diào)Q后倍頻產(chǎn)生531納米綠色脈沖激光輸出。非線性光學(xué)晶體YAl3(BO3)4沿I類相位匹配角θI=30.7°定向切割，同時(shí)確定晶體的大小(一般為端面積在毫米見方，厚度為幾個(gè)毫米的方塊或圓柱)，端面拋光后先置于含有助熔劑的Cr2O3，Y2O3，Al2O3，B2O3和MgO按一定比例混合的高溫熔劑中，利用YAl3(BO3)4作為襯底進(jìn)行液相外延法生長(zhǎng)，通過(guò)控制生長(zhǎng)時(shí)間和條件在與相位匹配方向垂直的一個(gè)端面得到所需厚度(一般在幾十到幾百微米)的Cr4+∶YAl3(BO3)4調(diào)Q晶片。再置于含有助熔劑的NdxY1-xAl3(BO3)4(x在0.01到1之間)的高溫熔劑中進(jìn)行液相外延法生長(zhǎng)，通過(guò)控制生長(zhǎng)時(shí)間和條件在與相位匹配方向垂直的一個(gè)端面得到所需厚度的NdxY1-xAl3(BO3)4晶體微片。得到上述激光晶體微片、調(diào)Q晶片和非線性光學(xué)晶體合為一體的功能晶體后，在如附圖2所示端面(3)鍍上在807納米處(作為泵浦光的半導(dǎo)體激光波長(zhǎng))高透、在1062納米和531納米處高反(R＞99％)的介質(zhì)膜，端面(4)鍍上在807納米和1062納米處高反(R＞99％)、在531納米處高透的介質(zhì)膜。這便是一個(gè)適于807納米半導(dǎo)體激光沿方向(5)泵浦的一體化的具有調(diào)Q和倍頻功能的微片激光器，沿方向(6)輸出531納米波長(zhǎng)的綠色脈沖激光。
實(shí)例5可以利用其它非線性光學(xué)晶體如GdxY1-xAl3(BO3)4，Ca4GdxY1-xO(BO3)3，Gd2xY2(1-x)(MoO4)3，(其中x可以從0變化到1)，LaSc3(BO3)4等作為襯底，采用上述實(shí)例中的辦法外延以Nd3+離子全部或部分取代Gd3+，Y3+或La3+離子的同構(gòu)晶體作為激光晶體微片，或者以非線性光學(xué)晶體LiNbO3作為襯底，外延生長(zhǎng)Nd3+∶MgO∶LiNbO3或Nd3+∶ZnO∶LiNbO3激光晶體微片。
實(shí)例6可以利用其它稀土離子如Er3+，Pr3+，Yb3+等替代上述實(shí)例中的Nd3+離子進(jìn)行相同或相似的制造過(guò)程得到適于其它波長(zhǎng)的光源泵浦的同樣具有頻率調(diào)制功能的一體化微片激光器。這些激光器可以輸出其它波長(zhǎng)的激光。
實(shí)例7上述所有實(shí)例均可以選擇不鍍介質(zhì)膜(3)和(4)而直接將該一體化晶體置于一對(duì)合適的鍍膜激光腔鏡中構(gòu)成一個(gè)具有相同功能的激光器。
權(quán)利要求
1．具有頻率調(diào)制功能的一體化微片激光器，以非線性光學(xué)晶體為襯底，其特征在于確定該非線性光學(xué)晶體的倍頻或混頻的相位匹配方向，在與相位匹配方向垂直的一個(gè)端面上外延生長(zhǎng)激光晶體微片，這樣就將腔內(nèi)倍頻或混頻激光器中的非線性光學(xué)晶體與激光晶體二者合一，在這塊激光和非線性功能一體化晶體的垂直于相位匹配方向的兩個(gè)端面鍍上適于相應(yīng)波長(zhǎng)激光運(yùn)轉(zhuǎn)的介質(zhì)膜，便成為一個(gè)一體化的具有腔內(nèi)倍頻或混頻功能的微片激光器。
2．具有頻率調(diào)制功能的一體化微片激光器，以非線性光學(xué)晶體為襯底，其特征在于確定該非線性光學(xué)晶體的倍頻或混頻的相位匹配方向，先在非線性光學(xué)晶體材料上外延生長(zhǎng)被動(dòng)調(diào)Q的晶體微片，再進(jìn)一步外延生長(zhǎng)激光晶體微片，這就將激光晶體、調(diào)Q晶體和非線性光學(xué)晶體三者合一，在這塊激光、調(diào)Q和非線性功能一體化晶體的垂直于相位匹配方向的兩個(gè)端面鍍上適于相應(yīng)波長(zhǎng)激光運(yùn)轉(zhuǎn)的介質(zhì)膜，便成為一個(gè)一體化的具有調(diào)Q與倍頻或混頻功能的微片激光器。
3．如權(quán)利要求1所述的具有頻率調(diào)制功能的一體化微片激光器，其特征在于可以以GdxY1-xAl3(BO3)4，Ca4GdxY1-xO(BO3)3，Gd2xY2(1-x)MoO4)3，(其中x可以從0變化到1)，LaSc3(BO3)4等非線性光學(xué)晶體作為襯底，外延以Nd3+，Er3+，pr3+和Yb3+等稀土離子，作為激活離子全部或部分取代Gd3+，Y3+或La3+離子的同構(gòu)晶體作為激光晶體微片的一體化器件。
4．如權(quán)利要求1所述的具有頻率調(diào)制功能的一體化微片激光器，其特征在于也可以用非線性光學(xué)晶體LiNbO3作為襯底，外延生長(zhǎng)RE3+∶MgO∶LiNbO3或RE3+∶ZnO∶LiNbO3(RE=Nd，Er，Pr，Yb等稀土離子)激光晶體微片得到一體化的效果。
5．如權(quán)利要求2所述的具有頻率調(diào)制功能的一體化微片激光器，其特征在于對(duì)于用稀土離子Nd3+取代的情況，可以在外延激光晶體微片之前先外延生長(zhǎng)摻Cr4+的被動(dòng)調(diào)Q同構(gòu)晶體薄片達(dá)到對(duì)1.06微米激光調(diào)Q的效果。
6．如權(quán)利要求1至5所述的具有頻率調(diào)制功能的一體化微片激光器，其特征在于也可以不在兩端面上鍍膜而將該一體化微片激光器直接置于一對(duì)滿足激光運(yùn)轉(zhuǎn)條件的介質(zhì)膜片中構(gòu)成具有同樣功能的微片激光器。
全文摘要
通過(guò)在非線性光學(xué)晶體垂直于倍頻或混頻相位匹配方向的一個(gè)端面上外延生長(zhǎng)激光晶體微片或外延生長(zhǎng)調(diào)Q晶片后再外延生長(zhǎng)激光晶體微片來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)具有頻率調(diào)制功能的半導(dǎo)體激光或其它合適光源泵浦的一體化的固體微片激光器。能將半導(dǎo)體激光或其它光源發(fā)光有效地轉(zhuǎn)變成為可見和紫外波段的激光輸出。
文檔編號(hào)H01S3/10GK1298217SQ9912531
公開日2001年6月6日 申請(qǐng)日期1999年11月30日 優(yōu)先權(quán)日1999年11月30日
發(fā)明者黃藝東, 陳學(xué)元, 涂朝陽(yáng), 羅遵度 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所