利用鍍膜技術製備的一體化微片雷射介質及器件的製作方法
2023-06-09 08:02:41
專利名稱：利用鍍膜技術製備的一體化微片雷射介質及器件的製作方法
技術領域：
本發明涉及固體雷射材料和器件領域。
背景技術：
微片雷射器是一種雷射增益介質厚度在1毫米以下，兩面直接鍍上滿足雷射運轉條件的介質膜的小型雷射器。可以利用半導體雷射器作為泵浦源進行端面泵浦，將光束質量和單色性都較差的半導體雷射轉變成為高光束質量和單色性好的固體雷射輸出。在此基礎上，可以添加調Q元件、非線性光學晶體或受激拉曼頻移晶體，對該固體基波雷射進行調Q、變頻(倍頻、混頻)或頻移，得到更具應用價值的各種波段的雷射輸出。目前常用膠合的方法將雷射微片和調Q片、非線性光學晶體或受激拉曼頻移材料組合成單一器件輸出脈衝和變頻雷射。該類器件簡單緊湊、堅固耐用、使用方便，並具有可移動、抗振動、低泵浦閾值、高轉換效率等優點，在國防、信息、環保、交通、電子、測量、醫療、科研等領域有著廣闊的應用前景。但是，膠合方法有兩個主要的缺陷一是工藝較為複雜；二是膠合部存在老化、失透甚至斷裂等隱患。
另外，微片雷射器為得到單色性好的雷射輸出，同時也有利於提高變頻效率，要求雷射微片的厚度在幾百微米以下，甚至只有幾十微米。同時研究結果表明微片中的激活離子濃度增加，微片厚度減小，雷射泵浦效率將提高。所有這些都要求在能吸收泵浦光的條件下將微片做得儘量薄。這就給微片加工帶來一定的難度。這也使微片雷射的應用受到限制。目前已有採用液相外延的方法，在純的基質晶體襯底上生長微片雷射介質的報導，如在KY(WO4)2襯底上外延生長Yb:KY(WO4)2雷射晶體微片，在一定程度上解決了微片加工難的問題。但是，該方法製備周期較長，而且襯底和微片介質基質只能是同一晶體或者晶體結構參數非常接近的同類晶體。這就約束了該方法的廣泛應用。而且，目前已有的高性能的調Q片、非線性光學晶體或受激拉曼頻移材料與高性能的微片雷射介質的晶體結構往往差別很大，不能用此方法在調Q片、非線性光學晶體或受激拉曼頻移材料上外延生長微片結構介質，解決前面提到的膠合方法的缺陷。
發明內容
本發明的主要目的是利用鍍膜技術，克服微片雷射器加工難度大的不足，並克服產生基頻雷射的微片與調Q或變頻元件之間的膠合而帶來的缺陷，力求省去微片雷射器件製造的複雜性，使得器件儘量緊湊和小型化，同時提高運行穩定性，降低器件成本。在透明的基體材料、調Q片、非線性光學晶體或受激拉曼頻移材料上，採用鍍膜技術製備可產生出基波固體雷射的微片雷射介質，得到一個半導體雷射或其它合適光源泵浦，並具有調Q、變頻或頻移功能的一體化微片雷射器件，將半導體雷射或其它光源發光有效地轉變成為具有實際應用價值的連續、脈衝或不同波長的固體雷射輸出。
本發明的技術方案為將透明基體材料的兩端面按固體雷射的要求拋光，在其中的一個端面上利用鍍膜技術外延製備微片雷射介質，用於實現微片雷射運轉。該基體材料還可採用(1)被動調Q片，從而得到一個一體化的被動調Q微片雷射複合材料，用於實現脈衝微片雷射運轉；(2)非線性光學晶體，該晶體根據變頻的需要，按一定的相位匹配方向切割，從而得到一個一體化的變頻微片雷射複合材料，用於實現變頻微片雷射運轉；(3)受激拉曼頻移材料，從而得到一個一體化的受激拉曼頻移微片雷射複合材料，用於實現受激拉曼頻移微片雷射運轉。
或者按上述方法先在非線性光學晶體或受激拉曼頻移材料上外延生長被動調Q材料，再進一步外延生長雷射介質微片，得到雷射介質、調Q和非線性光學晶體或受激拉曼頻移材料三者合一的一體化複合材料，用於實現變頻或頻移的脈衝微片雷射運轉。
在上述複合材料的兩端面直接鍍上適合相應波長雷射運轉的介質膜，便得到一個具有相應運轉方式的微片雷射器件。也可以將其中一面或兩面介質膜鍍在腔鏡上，再將一面鍍膜或沒有鍍膜的功能材料與腔鏡構成雷射器件。
本技術方案可實施於能夠利用鍍膜技術在晶體、玻璃或透明陶瓷表面上外延製備微片雷射介質的固體雷射材料。如Nd:YAG、Nd:YVO4、Yb:YAG、YbAG晶體等。
實施本發明技術方案具有的有益效果是克服了以往液相外延生長方法製備周期較長，而且襯底和微片介質基質只能是同一晶體或者晶體結構參數非常接近的同類晶體的缺點。可以將性能最好的調Q片、非線性光學晶體或受激拉曼頻移材料與微片雷射介質直接結合成一個整體，構成一個雷射和調Q、變頻或頻移功能複合的一體化雷射器件。具有生長過程可觀察，微片介質的厚度可控制，外延生長後免加工，以及外延生長與雷射鍍膜可連續完成等優點。而且，具備可批量生長，一致性好等適合工業化生產的條件。
具體實施例方式
實例1將Cr:YAG調Q片的兩端面拋光並經過清潔後作為襯底材料，固定在真空蒸發鍍膜機的支架上。將Nd3+離子濃度為1.5at％的Nd:YAG晶體置於坩堝中作為外延生長材料，將鍍膜機中的鍍膜室用真空泵抽到5×10-3Pa的真空度，打開電子束流，先預熔Nd:YAG，待Nd:YAG晶體充分熔化後，打開坩堝檔板，使Nd:YAG緩慢蒸發，藉助測厚儀，直到在Cr:YAG調Q片的一個端面上外延生長500微米的Nd:YAG介質後，緩慢關閉電子束流。得到上述雷射介質微片和調Q片合為一體的複合材料後，在複合材料的Nd:YAG介質端面上再鍍上泵浦光波長807納米處高透、1064納米處高反(R＞99％)的介質膜，調Q片的另一端面鍍上807納米處高反(R＞99％)、1064納米處透過率為8％的介質膜。這便是一個適於807納米半導體雷射泵浦、輸出1064納米波長脈衝雷射、一體化的具有調Q功能的微片雷射器。
實例2將垂直於倍頻Nd:YVO4基波雷射相位匹配方向的非線性光學晶體KTP(採用II類相位匹配θ＝90°，φ＝23.6°)的兩端面拋光並經過清潔後作為襯底材料，固定在真空蒸發鍍膜機的支架上。將Nd3+離子濃度為4at％的Nd:YVO4晶體置於坩堝中作為外延生長材料，將鍍膜機中的鍍膜室用真空泵抽到5×10-3Pa的真空度，打開電子束流，先預熔Nd:YVO4，待Nd:YVO4晶體充分熔化後，打開坩堝檔板，使Nd:YVO4緩慢蒸發，藉助於測厚儀，直至KTP晶體的一個端面上外延生長400微米的Nd:YVO4介質，緩慢關閉電子束流，即可得到雷射介質微片和非線性光學晶體合為一體的複合材料。在複合材料的Nd:YVO4介質端面上再鍍上泵浦光波長808納米處高透、1064納米和532納米處高反(R＞99％)的介質膜，KTP晶體的另一端面鍍上808納米和1064納米處高反(R＞99％)、532納米處高透的介質膜。這便是一個適於808納米半導體雷射泵浦、輸出532納米波長倍頻雷射、一體化的具有腔內倍頻功能的微片雷射器。
實例3將垂直於倍頻Nd:YAG基波雷射相位匹配方向的非線性光學晶體BBO(採用I類相位匹配θ＝22.8°，φ＝0°)的兩端面拋光並經過清潔後作為襯底材料，固定在真空蒸發鍍膜機的支架上。將Nd3+離子濃度為1.5at％的Nd:YAG晶體置於坩堝中作為外延生長材料，將鍍膜機中的鍍膜室用真空泵抽到5×10-3Pa的真空度，打開電子束流，先預熔Nd:YAG，待Nd:YAG晶體充分熔化後，打開坩堝檔板，使Nd:YAG緩慢蒸發，藉助測厚儀，直到在BBO晶體的一個端面上外延生長500微米的Nd:YAG介質，緩慢關閉電子束流，即可獲得雷射介質微片和非線性光學晶體合為一體的複合材料。在複合材料的Nd:YAG介質端面上再鍍上泵浦光波長807納米處高透、1064納米和532納米處高反(R＞99％)的介質膜，BBO晶體另一端面鍍上807納米和1064納米處高反(R＞99％)、532納米處高透的介質膜。這便是一個適於807納米半導體雷射泵浦、輸出532納米波長倍頻雷射、一體化的具有腔內倍頻功能的微片雷射器。
實例4將垂直於倍頻Nd:YVO4基波雷射I類相位匹配方向(θ＝90°，φ＝11.91°)的非線性光學晶體LBO的兩端面拋光並經過清潔後作為襯底材料，固定在直流濺射鍍膜機的支架上。以Nd3+離子濃度為4at％的Nd:YVO4晶體作為鍍膜的靶材料。用機械泵和擴散泵將鍍膜機中鍍膜室的真空度抽到10-5Pa，再充90％的氬氣和10％的氧氣使鍍膜室的真空度達到10-3Pa，靶與鍍膜面的距離為70mm，濺射電壓為1.0KV，電流40mA。藉助測厚儀，在LBO晶體的一個端面上外延生長400微米的Nd:YVO4介質。得到上述雷射介質微片和非線性光學晶體合為一體的複合材料後，在複合材料的Nd:YVO4介質端面上再鍍上泵浦光波長808納米處高透、1064納米和532納米處高反(R＞99％)的介質膜，LBO晶體另一端面鍍上808納米和1064納米處高反(R＞99％)、532納米處高透的介質膜。這便是一個適於808納米半導體雷射泵浦、輸出532納米波長倍頻雷射、一體化的具有腔內倍頻功能的微片雷射器。
實例5將受激拉曼頻移晶體PbWO4的兩端面拋光並經過清潔後作為襯底材料，固定在磁控濺射鍍膜機的支架上。用Nd3+離子濃度為4at％的Nd:YVO4晶體作為靶材。用機械泵和擴散泵將鍍膜機中鍍膜室的真空度抽到10-5Pa，再充90％的氬氣和10％的氧氣使鍍膜室的真空度達到10-3Pa，靶與鍍膜面的距離為70mm，濺射電壓為400V，電流3.2A。藉助測厚儀，在PbWO4晶體的一個端面上外延生長400微米的Nd:YVO4介質。得到上述雷射介質微片和受激拉曼頻移材料合為一體的複合材料後，在複合材料的Nd:YVO4介質端面上再鍍上泵浦光波長808納米處高透、1064納米和頻移波長處(λ-1＝1/1064±901×10-7×k，k一般為(-3)至10的整數，波長單位納米)高反(R＞99％)的介質膜，PbWO4晶體另一端面鍍上808納米和1064納米處高反(R＞99％)、所需的頻移波長處高透的介質膜。這便是一個適於808納米半導體雷射泵浦、輸出特定頻移波長雷射、一體化的具有受激拉曼頻移功能的微片雷射器。
實例6將垂直於倍頻Nd:YAG基波雷射I類相位匹配方向(θ＝168.9°，φ＝90°)的非線性光學晶體BiBO的兩端面拋光並經過清潔後作為襯底材料，固定在磁控濺射鍍膜機的支架上。分別以Cr:YAG和Nd:YAG作為靶材。用機械泵和擴散泵將鍍膜機中鍍膜室的真空度抽到10-5Pa，再充90％的氬氣和10％的氧氣使鍍膜室的真空度達到10-3Pa，靶與鍍膜面的距離為70mm，濺射電壓為400V，電流3.2A。藉助測厚儀，精確地獲得所需的Cr:YAG和Nd:YAG介質厚度。得到上述雷射介質微片、調Q介質和非線性光學晶體合為一體的複合材料後，在複合材料的Nd:YAG介質端面鍍上泵浦光波長807納米處高透、1064納米和532納米處高反(R＞99％)的介質膜，BiBO晶體的另一端面鍍上807納米和1064納米處高反(R＞99％)、532納米處高透的介質膜。這便是一個適於807納米半導體雷射泵浦、輸出532納米波長脈衝倍頻雷射、一體化的具有調Q和倍頻功能的微片雷射器。
實例7將受激拉曼頻移晶體PbWO4的兩端面拋光並經過清潔後作為襯底材料，固定在磁控濺射鍍膜機的支架上。分別以Cr:YAG和Nd:YAG作為靶材。用機械泵和擴散泵將鍍膜機中鍍膜室的真空度抽到10-5Pa，再充90％的氬氣和10％的氧氣使鍍膜室的真空度達到10-3Pa，靶與鍍膜面的距離為70mm，濺射電壓為400V，電流3.2A。藉助測厚儀，精確地獲得所需的Cr:YAG和Nd:YAG介質厚度。得到上述雷射介質微片、調Q介質和受激拉曼頻移材料合為一體的複合材料後，在複合材料的Nd:YAG介質端面鍍上泵浦光波長807納米處高透、1064納米和頻移波長處(λ-1＝1/1064±901×10-7×k，k一般為(-3)至10的整數，波長單位納米)高反(R＞99％)的介質膜，PbWO4晶體另一端面鍍上808納米和1064納米處高反(R＞99％)、所需的頻移波長處高透的介質膜。這便是一個適於807納米半導體雷射泵浦、輸出特定頻移波長脈衝雷射、一體化的具有調Q和受激拉曼頻移功能的微片雷射器。
權利要求
1.一種利用鍍膜技術製備的一體化微片雷射介質，其特徵在於在透明襯底材料上外延製備一定厚度的微片雷射介質。
2.如權利要求1所述的微片雷射介質，其特徵在於所述的襯底為被動調Q材料。
3.如權利要求2所述的微片雷射介質，其特徵在於所述的襯底材料為Cr:YAG調Q片，以Nd:YAG為微片雷射介質。
4.如權利要求1所述的微片雷射介質，其特徵在於所述的襯底為端面垂直於倍頻微片雷射相位匹配方向或混頻微片和泵浦雷射的相位匹配方向的非線性光學晶體。
5.如權利要求4所述的微片雷射介質，其特徵在於所述的非線性光學晶體為KTP，Nd:YVO4為微片雷射介質。
6.如權利要求1所述的微片雷射介質，其特徵在於所述的襯底為受激拉曼頻移材料。
7.一種微片雷射介質，其特徵在於以垂直於倍頻微片雷射的相位匹配方向或混頻微片和泵浦雷射的相位匹配方向的非線性光學晶體的一個端面作為襯底，先外延製備被動調Q材料，再進一步外延製備微片雷射介質。
8.如權利要求7所述的微片雷射介質，其特徵在於採用受激拉曼頻移材料為襯底。
9.一種微片雷射器件，其特徵在於將權利要求1-8任一所述的微片雷射介質的兩端面直接鍍上適合相應波長雷射運轉的介質膜。
10.如權利要求9所述的雷射器件，其特徵在於將其中一面或兩面介質膜鍍在腔鏡上，再將一面鍍膜或沒有鍍膜的功能材料與腔鏡構成雷射器件。
全文摘要
利用鍍膜技術製備的一體化微片雷射介質及器件，涉及固體雷射材料和器件領域。在透明的基體材料、調Q片、非線性光學晶體或受激拉曼頻移材料上，採用鍍膜技術製備可產生出基波固體雷射的微片雷射介質，得到一個半導體雷射或其它合適光源泵浦，並具有調Q、變頻或頻移功能的一體化微片雷射器件，將半導體雷射或其它光源發光有效地轉變成為具有實際應用價值的連續、脈衝或不同波長的固體雷射輸出。本發明克服了以往液相外延生長方法製備周期較長，而且襯底和微片介質基質只能是同一晶體或者晶體結構參數非常接近的同類晶體的缺點。
文檔編號H01S3/00GK101026284SQ20061005902
公開日2007年8月29日 申請日期2006年2月24日 優先權日2006年2月24日
發明者林炎富, 黃藝東, 陳雨金, 龔興紅, 羅遵度, 譚奇光 申請人:中國科學院福建物質結構研究所