穩定化全固態雷射裝置的製作方法
2023-09-19 02:45:10 1
專利名稱：穩定化全固態雷射裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及光學器件領域，尤其涉及一種穩定化全固態雷射裝置，該裝置能 實現寬溫功率穩定輸出。技術背景用半導體雷射二極體抽運的全固態雷射裝置具有轉換效率高、結構緊湊、工 作壽命長、使用方便等特點。在雷射通信、材料加工、雷射列印、雷射投影顯示、 雷射娛樂、雷射醫療，科學儀器等諸多領域都已得到廣泛應用。在眾多的實際應用 中，功率穩定是全固態雷射裝置的一個關鍵技術指標。在常規的全固態雷射裝置結構中，皆採用F-P腔半導體雷射二極體(LD)為軸運光源。由於這種LDF-P腔結構 的制約，以及半導體特性對溫度敏感的本質，致使LD的多縱摸雷射譜線寬較寬， 典型的半功率光譜全寬(A入)約為(3-6)nm;而且雷射閾值Ith，輸出功率P，峰值 波長入等性能隨環境溫度而變化，典型的波長/溫度變化為(2.8-3.5) nm/° C。 同時LD工作電流的改變同樣要造成LD峰值波長的移動。如此雷射特性將嚴重影響 固態雷射器雷射轉換效率和輸出功率穩定性。為此，人們在提高全固態雷射裝置的雷射轉換效率和改善輸出功率穩定性已 開展了幾方面的工作(1)在全固態雷射裝置的驅動電路中採用溫控技術，閉環 功率反饋技術等；(2 )例如，US2007/0165683A1專利採用至少二段偏振轉換區的 諧波器件來改善溫度波動造成二次諧波效率的退化；而另有專利(申請號 200510122588.9 )通過加溫倍頻晶體(48° C)的措施補償熱畸變引起的高功率內 腔倍頻雷射器的相位失配。與以上方案相比，最有效的解決方案是選用穩頻半導體LD作為全固態雷射裝 置的pump源。這要歸於穩頻LD具有以下特點(1 )單縱摸，窄線寬(DFB-LD的 光譜線寬為(40-20 ) MHz) ; (2)波長隨溫度變化小，波長溫度係數(A入/AT)比 FP腔LD d、一個量級。由此可以成倍地提高pump光的利用率，大大改善全固態激 光裝置的功率穩定性，提高工作可靠性。此外，採用穩頻LD作為pump源，可以簡化全固態雷射裝置的溫控結構和散 熱設計，從而使全固態雷射裝置更為緊湊靈巧，使用更為便捷。就現今半導體LD穩頻技術而言，可分為二大類。(1 )選頻色散元件(Bragg 衍射光柵等)集成在雷射二極體(LD)諧振腔內，即稱為分布反饋(DFB) LD或分 布Bragg反射LD，典型的結構如圖1示意，其中從上到下依次包括P+歐姆接觸層 101、 P限制層102、光柵波導層103、量子阱有源層104、 n限制層105、 n緩沖層 106、 n型襯底107; ( 2 )選頻色散元件置於半導體諧振腔外，構成複合外腔。的 Bragg光柵可以是平面衍射光柵，體光柵或光纖光柵等，典型的結構分別如圖2， 圖3,圖4所示。圖2所示的表面衍射光柵外腔雷射器至少包括F-PLD201、平面 全反鏡202和刻劃光柵203。圖3所示的體光柵外腔雷射器至少包括F-P LD 301 和光致折變體光柵302。圖4所示的光纖光柵外腔雷射器至少包括F-P LD 401和 光柵光纖402。其中DFB-LD，體光柵外腔LD已有作為pump源的報導(光學學報)， 但真正的實用化，在器件價格和外腔結構穩定性等諸多方面面臨嚴重的挑戰。發明內容針對上述技術背景，本發明提出一種技術新穎、結構簡單、性價比高的外腔 半導體雷射器作為固態雷射器的抽運光源，以實現全固態雷射裝置功率穩定化。為此，本發明提供了一種穩定化全固態雷射裝置，它包括一個用作抽運光源， 具有波長穩定功能的摺疊型外腔雷射器，該外腔雷射器包括FP雷射二極體以及 位於FP雷射二極體輸出端處的含傾斜光柵的光纖。其中，傾斜光柵的光柵平面與 光纖的軸線形成一傾角，且各光柵平面之間間隔一光柵周期。FP雷射二極體射出 的雷射垂直入射光纖，該雷射的一部分經光柵衍射再經光纖內部的全反射重新反饋 回FP雷射二極體內參與振蕩。此外，上述穩定化全固態雷射裝置還可以包括設置於外腔雷射器輸出端處 的工作介質；以及設置於工作介質輸出端處的光電轉換反饋控制系統。此外，在上述穩定化全固態雷射裝置中，光纖的兩個端面上鍍敷有抽運光的 高反膜。此外，在上述穩定化全固態雷射裝置中，光纖的材料為具有光致折變性能的 玻璃纖維或具有光敏性的摻Ge或B的石英光纖。光纖的芯徑大小也可根據抽運方 式和介質尺寸確定。本發明的特點在於(1) Bragg波長決定於光^f冊周期，由於石英光纖熱膨脹係數4艮小(10—7),因 此因溫度引起光柵周期而導致波長的變化為pm/K量級。故傾斜光纖光柵摺疊外腔 雷射器的輸出波長穩定性4艮好，確保全固態雷射裝置總體效率高，寬溫工作穩定。(2) 光纖光柵體積極小，堅固牢靠，與二極體構成外腔，結構緊湊耐用，有 利於實用化。(3) 傾斜光纖光柵既是外腔色散元件，同時又是住面透鏡，用作雷射二極體 快軸方向的壓縮，兼具穩頻和聚焦的雙重功用，推進全固態雷射裝置結構的小型化， 微型化。(4 )傾斜光纖光柵外腔同時也適用於bar條組件pump源的寬溫波長穩定。 應當理解，本發明以上的一般性描述和以下的詳細描述都是示例性和說明性 的，並且旨在為如權利要求所述的本發明提供進一步的解釋。
包括附圖是為提供對本發明進一步的理解，它們被收錄並構成本申請的一部 分，附圖示出了本發明的實施例，並與本說明書一起起到解釋本發明原理的作用。 附圖中圖1示出了 DFB半導體雷射二極體的結構；圖2是表面衍射光柵外腔雷射器的結構示意圖；圖3是體光柵外腔雷射器的結構示意圖；圖4是光纖光柵外腔雷射器的結構示意圖；圖5是根據本發明的穩定全固態雷射裝置的結構框圖；圖6是本發明的含傾斜光柵的光纖的結構示意圖；圖7a和7b示出了 D形含傾斜光柵的光纖的結構示意圖；圖8是含傾斜光柵光纖摺疊式外腔雷射器的裝配圖。
具體實施方式
現在將詳細參考附圖描述本發明的實施例。本發明是利用傾斜光柵光纖與常規的F-P LD組成一個摺疊外腔，通過光纖光 柵的Bragg反射，實現在一個很寬的溫度範圍內，外腔雷射二極體的激射波長穩定 在固態雷射器的工作介質的吸收光譜線寬範圍內，從而達到全固態雷射裝置輸出功率穩定運轉。我們把內置有這種pump源的固態雷射器命名為穩定化全固態雷射裝置。穩定化全固態雷射裝置的基本結構框圖如圖5所示。它包括一用作抽運光源 的外腔雷射器501、經光學聚焦後從端面或側面去抽運帶有諧振腔的固態雷射器的 工作介質502以及為監控雷射器的功率輸出而在光路上設置的PD光電轉換反饋控 制裝置503,這些部件整體密封於外殼504之內。其中，以上的部件502、 503和 504的詳細內部結構和技術描述與本7>司已有美國專利7003006基本相同，在此不 再重述。以下著重描述本發明的關鍵部件外腔雷射器501。圖6詳細示出了該具有傾斜光柵光纖的摺疊外腔雷射器501的結構。該外腔 雷射器501由FP雷射二極體601和含傾斜光^f冊的光纖602組成。含傾斜光4冊的光 纖602位於FP雷射二極體601輸出腔面的前端，其中光纖602的軸線平行於FP 雷射二極體601的腔面，並對準FP雷射二極體601的有源區。此外，含傾斜光柵的光纖602的結構和基本參數由圖7詳細示出。通常，含 傾斜光柵的光纖602 —般包含芯層701 (折射率n芯)和包層702 (折射率n包)， 或者只有芯層701也可以。如圖6所示，光柵平面與光纖軸線的夾角餘弦為光柵傾 角仏光柵周期為A,光柵軸向周期為Ag =A/Con^。光纖的二個端面鍍敷有抽運光 的高反膜。如圖6所示，FP雷射二極體601射出的雷射垂直入射所述光纖602,該雷射 的一部分經光柵衍射再經光纖內部的全反射重新反饋回所述FP雷射二極體內參與 振蕩。該工作原理可以用幾何光學和纖維光學的方法予以描述。首先，可以把傾斜 光柵等效成一個反射型平面光柵。當從LD發出的光垂直入射光纖時， 一部份被光 柵衍射進入光纖內，其衍射光路如圖6所示。來自LD雷射的入射角為cc,衍射角 為卩。為了使被傾斜光纖光柵衍射的光能在光纖內傳輸，根據費涅耳折射定律可知， 此衍射光需滿足全內反射條件即全內反射角ca,等於或大於arcsin(n空/n包)。這 部分局限在光纖內傳輸衍射光，通過光纖兩個端面的反射。根據光路徑的可逆性， 被二個4面反射的衍射光又有一部分經光柵重新返饋回LD腔內參與振蕩；如此內/ 外腔多次反覆，只有那些滿足相位匹配條件波長的光得到振蕩，實現單縱摸雷射輸 出。由此可見傾斜光纖光柵充當摺疊外腔，行使選模，壓縮線寬的功能。光譜線寬 AX與光柵條文數目成反比，即傾斜光柵的反射率。此外，也可把傾斜光柵光纖理解為一個帶通濾波器。它的濾波特性決定了波長穩定性能，而傾斜光柵的濾波特性，包括通帶線寬、反射率等，密切依賴於光柵參數和製備工藝，因此，傾斜光柵光纖602要根據應用需求進行專門的設計和製備。 所用光纖應具有光敏性的摻Ge或B等石英光纖，也可是具有光致折變性能的玻璃 纖維，芯徑大小可根據抽運方式和介質尺寸來選^^。還需指出的是，上述結構中的傾斜光柵光纖不僅是個選頻色散元件，而且是 一個住面透鏡，發揮對LD快軸壓縮的功能，替代常用的光學聚焦系統，可使得本 發明的全固態雷射裝置的結構更為緊揍牢靠穩定。以下，給出本發明的一個實施例和裝配程序，但以下的描述並不構成對本發 明的任何限制，本發明也可以在不背離本發明的精神的前提下釆用其它具體參數或 材料。1 .傾斜光纖光柵的製備採用芯層701直徑100ixm/包層702外徑140^1摻 鍺(Ge)單模光纖l-22,經過高壓載氫後，剝去尼龍包層，切割小段並研磨拋光成 如圖7b所示的D形截面。而後採用相位掩模板和紫外光致折變技術來製備傾斜光 纖光柵，如圖7a所示。傾斜光柵光纖的基本參數根據光柵衍射的光在光纖內傳播滿足全反條件，以 及光4冊衍射方程(1 )和Bragg相位匹配公式(2 ):formula see original document page 7 (1 )formula see original document page 7 (2)式中入b為Bragg書f射波長，A為光^^周期。根據圖6的衍射光路的幾何關係，則分別可計算出全反射臨界角為43.2 3°傾斜光柵703的傾斜角"=31°，其中光纖折射率neff=l. 46。 考慮到L D實際工作時的驅動電流引起的溫升，設計光柵周期A時比計算值偏 小，針對808nm工作波長，取光柵周期704 ( A ) =535nm。 最後，在光纖光柵的二個端面上蒸鍍808nm的高反膜。 2.外腔雷射器的組裝外腔雷射器的內在結構如圖8所示，它是由多摸高功率F-P腔LD晶片801、 熱沉802、金絲電極引線803、過度電極804、兩端鍍有高反射膜的傾斜光柵光纖 805以及光纖支梁806等元器件組成。其裝配過程如下(1 )先用高溫焊料Su把 過渡電極804和光纖支梁806分別鍵合在熱沉802各自規定的表面(如圖所示)的 區域；2)把F-P LD晶片801， P面朝下，採用4建合(die-bonding )在熱沉802上表面中間部位；3)用金絲球焊機引上金絲電極引線803,並連接過度電極804 之間電路聯通；4)在光學平臺上通過精密光學調整和LD的實時遠場監視，把D 形傾斜光柵光纖固定在光纖支梁805上，構建完成摺疊式外腔雷射器。3.選擇100 mW級Nd: YV04: KTP微片按照圖5的布局置於傾斜光纖光柵摺疊外 腔雷射器的前端，以端注入方式實現0. 5mm3小型高效穩定化綠光雷射器。本領域技術人員可顯見，可對本發明的上述示例性實施例進行各種修改和 變型而不偏離本發明的精神和範圍。因此，旨在使本發明覆蓋落在所附權利要 求書及其等效技術方案範圍內的對本發明的修改和變型。
權利要求
1.一種穩定化全固態雷射裝置，其特徵在於，包括一用作抽運光源、用於穩定波長的外腔雷射器，該外腔雷射器包括FP雷射二極體；以及含傾斜光柵的光纖，位於所述FP雷射二極體輸出端處，其中所述傾斜光柵的光柵平面與所述光纖的軸線形成一傾角，且各光柵平面之間間隔一光柵周期，所述FP雷射二極體射出的雷射垂直入射所述光纖，該雷射的一部分經光柵衍射再經光纖內部的全反射重新反饋回所述FP雷射二極體內參與振蕩。
2. 如權利要求1所述的穩定化全固態雷射裝置，其特徵在於，還包括 設置於所述外腔雷射器輸出端處的工作介質；以及 設置於所述工作介質輸出端處的光電轉換反饋控制系統。
3. 如權利要求1所述的穩定化全固態雷射裝置，其特徵在於，所述光纖的兩 個端面上鍍敷有抽運光的高反膜。
4. 如權利要求1所述的穩定化全固態雷射裝置，其特徵在於，所述光纖的材 料為具有光致折變性能的玻璃纖維或具有光敏性的摻Ge或B的石英光纖。
5. 如權利要求1所述的穩定化全固態雷射裝置，其特徵在於， 所述光纖的芯徑大小根據抽運方式和介質尺寸確定。
全文摘要
本發明提供了一種穩定化全固態雷射裝置，它包括一用作抽運光源、波長穩定功能的摺疊型外腔雷射器，該外腔雷射器包括FP雷射二極體以及位於FP雷射二極體輸出端處的含傾斜光柵的光纖。其中，傾斜光柵的光柵平面與光纖的軸線形成一傾角，且各光柵平面之間間隔一光柵周期。FP雷射二極體射出的雷射垂直入射光纖，該雷射的一部分經光柵衍射再經光纖內部的全反射重新反饋回FP雷射二極體內參與振蕩。該雷射裝置採用結構簡單、性價比高的外腔半導體雷射器作為抽運光源，以實現全固態雷射裝置功率穩定化。
文檔編號H01S3/00GK101242074SQ200810033160
公開日2008年8月13日 申請日期2008年1月28日 優先權日2008年1月28日
發明者強 付, 張哨峰, 李大汕, 楊金濤, 胡企銓, 陳高庭, 黃春樂 申請人:上海高意雷射技術有限公司