具有頻率調製功能的一體化微片雷射器的製作方法

2023-05-17 06:54:31

專利名稱：具有頻率調製功能的一體化微片雷射器的製作方法
技術領域：
本發明涉及晶體材料及光電子技術。
微片雷射器是一種雷射晶體厚度在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元件和非線性光學晶體，對該固體基波雷射進行調Q、倍頻或混頻，得到可見和紫外波段的雷射輸出。該類器件具有低泵浦閾值、高轉換效率、穩定可靠、器件緊湊、使用方便等優點，在信息、環保、交通、電子、測量、醫療、科研等領域有著廣闊的應用前景。
為了得到單色性較好的雷射輸出，同時也有利於提高倍頻或混頻效率，要求雷射晶體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(這一點所謂的自激活雷射晶體，如NdAl3(BO3)4晶體可以在一定程度上滿足)，雷射泵浦效率將提高。所有這些都要求在能充分吸收泵浦雷射的條件下將微片做得儘量薄。這就給晶體微片的加工帶來一定的難度。
要得到更有實用價值的可見和紫外波段的雷射輸出，需要對微片雷射器的紅外基波雷射進行倍頻或混頻調製，還必須在雷射腔內或腔外添加非線性光學晶體，有時還要添加調Q的元件或晶片，這也給器件的製造及其穩定可靠的運轉帶來困難。
參考文獻見J.Zayhowski，Q-switched microchip lasers find real-worldapplication，Laser focus world，Aug 1999，129-136。
本發明設計一個具有頻率調製功能的半導體雷射或其它合適光源泵浦的一體化的固體微片雷射器，將半導體雷射或其它光源發光有效地轉變成為可見和紫外等更短波長的雷射輸出。目的在於克服微片雷射器加工難度大的不足，力求省去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。
本發明採用如下技術方案以已經確定倍頻或混頻相位匹配方向的非線性光學晶體為襯底，在與相位匹配方向垂直的一個端面上外延生長雷射晶體微片。這樣就將腔內倍頻或混頻雷射器中的非線性光學晶體與雷射晶體二者合一，在這塊雷射和非線性功能一體化晶體的垂直於相位匹配方向的兩個端面鍍上適於相應波長雷射運轉的介質膜，便成為一個一體化的具有腔內倍頻或混頻功能的微片雷射器。
或者按上述方法先在非線性光學晶體材料上外延生長被動調Q的晶體微片，再進一步外延生長雷射晶體微片，這就將雷射晶體、調Q晶體和非線性光學晶體三者合一，在這塊雷射、調Q和非線性功能一體化晶體的垂直於相位匹配方向的兩個端面鍍上適於相應波長雷射運轉的介質膜，便成為一個一體化的具有調Q與倍頻或混頻功能的微片雷射器。
上述功能一體化晶體也可以不在端面上鍍膜而直接置於一對滿足雷射運轉條件的介質膜片中構成具有同樣功能的微片雷射器。
本技術方案在以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+離子的同構晶體作為雷射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晶體LiNbO3作為襯底，外延生長RE3+∶MgO∶LiNbO3或RE3+∶ZnO∶LiNbO3(RE=Nd，Er，Pr，Yb等稀土離子)雷射晶體微片得到同樣的效果。對於用稀土離子Nd3+取代的情況，可以在外延雷射晶體微片之前先外延生長摻Cr4+的被動調Q同構晶體薄片達到對1.06微米雷射調Q的效果。
實施本發明技術方案具有的有益的效果1、可以將非線性光學晶體、調Q晶體與雷射晶體一體化，能實現對基波雷射的調Q和倍頻或混頻。與已有的技術相比，本發明不需要獨立地放置一塊雷射晶體微片、一塊調Q晶片和一塊非線性光學晶體，使得器件極其緊湊，省去器件製造的複雜性，降低成本，同時提高運轉的穩定性。本發明只要在這塊一體化的晶體端面鍍上相應的介質膜，便是一個可被半導體雷射或其它合適光源泵浦的具有調Q、倍頻或混頻固體雷射器。其簡單性和緊湊程度大大高於現有技術。
2、本發明採用外延法生長的雷射晶體微片，與已有技術採用塊狀單晶切片、磨薄、拋光的方法相比，更為簡單可靠，節省成本。可以滿足幾十微米或更薄的雷射晶體微片的要求，這是用已有技術很難做到的。
附

圖1是一種一體化的具有倍頻或混頻功能微片雷射器的示意圖，其中(1)是通過外延生長的雷射晶體微片；(2)是端面沿垂直於倍頻或混頻的相位匹配方向切割，在外延生長中作為襯底的非線性光學晶體；(3)是泵浦光入射端面的介質膜；(4)是固體雷射輸出端面的介質膜；(5)是泵浦光輸入方向；(6)是雷射輸出方向。
附圖2是一種一體化的具有調Q、倍頻或混頻功能的微片雷射器的示意圖，其中(1)是通過外延生長的雷射晶體微片；(2)是端面沿垂直於倍頻或混頻的相位匹配方向切割，在外延生長中作為襯底的非線性光學晶體；(3)是泵浦光入射端面的介質膜；(4)是固體雷射輸出端面的介質膜；(5)是泵浦光輸入方向；(6)是雷射輸出方向；(7)是通過外延生長的調Q晶片。
現結合附圖來說明本發明方案的實現方式。
首先根據倍頻或混頻需要對非線性光學晶體(2)進行定向切割，使其中一對端面與所需的相位匹配方向垂直，晶體的厚度可根據具體的材料和頻率調製的要求確定，端面積一般在毫米見方。之後在與相位匹配方向垂直的一個端面，利用外延法生長出厚度滿足最佳泵浦效果的雷射晶體微片(1)，其厚度一般在10～500微米之間。
得到上述雷射晶體微片和非線性光學晶體合為一體的功能晶體後，如附圖1所示，只要在與相位匹配方向垂直的兩個端面上鍍上適合雷射和倍頻或混頻運轉的介質膜(3)和(4)，便是一個適於半導體雷射或其它光源沿方向(5)泵浦的一體化的具有倍頻或混頻功能的微片雷射器，沿方向(6)輸出雷射。也可以不鍍膜而直接將該一體化晶體置於一對合適的鍍膜雷射腔鏡中構成一個具有相同功能的雷射器。
或者先在非線性光學晶體與相位匹配方向垂直的一個端面，利用外延法生長出滿足調Q效果需要的被動調Q晶片(例如可以採用外延生長Cr4+∶YAl3(BO3)4作為調Q晶片)，厚度一般在幾十到幾百微米。再外延生長雷射晶體微片(如Nd3+∶YAl3(BO3)4微片)，如附圖2所示。與附圖1的雷射器相比，該器件多了調Q晶片(7)，具備調Q功能，而鍍膜、泵浦、雷射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於一對合適的鍍膜雷射腔鏡中構成一個具有相同功能的雷射器。
實例1對Nd3+離子的1062納米(4F3/2→4I11/2)基波雷射倍頻產生531納米綠色雷射輸出。非線性光學晶體YAl3(BO3)4沿I類相位匹配角θI=30.7定向切割，同時確定晶體的大小(一般為端面積在毫米見方，厚度為幾個毫米的方塊或圓柱)，端面拋光後置於含有助熔劑的NdxY1-xAl3(BO3)4(x在0.01到1之間)的高溫熔劑中，利用YAl3(BO3)4作為襯底進行液相外延法生長，通過控制生長時間和條件在與相位匹配方向垂直的一個端面得到所需厚度的NdxY1-xAl3(BO3)4晶體微片。得到上述雷射晶體微片和非線性光學晶體合為一體的功能晶體後，在如附圖1所示端面(3)鍍上在807納米處(作為泵浦光的半導體雷射波長)高透、在1062納米和531納米處高反(R＞99％)的介質膜，端面(4)鍍上在807納米和1062納米處高反(R＞99％)、在531納米處高透的介質膜。這便是一個適於807納米半導體雷射沿方向(5)泵浦的一體化的具有倍頻功能的微片雷射器，沿方向(6)輸出531納米波長的綠色雷射。
實例2對Nd3+離子的1338納米(4F3/2→4I13/2)基波雷射倍頻產生669納米紅色雷射輸出。非線性光學晶體YAl3(BO3)4沿I類相位匹配角θI=27.0°定向切割，同時確定晶體的大小(一般為端面積在毫米見方，厚度為幾個毫米的方塊或圓柱)，端面拋光後置於含有助熔劑的NdxY1-xAl3(BO3)4(x在0.01到1之間)的高溫熔劑中，利用YAl3(BO3)4作為襯底進行液相外延法生長，通過控制生長時間和條件在與相位匹配方向垂直的一個端面得到所需厚度的NdxY1-xAl3(BO3)4晶體微片。得到上述雷射晶體微片和非線性光學晶體合為一體的功能晶體後，在如附圖1所示端面(3)鍍上在807納米處(作為泵浦光的半導體雷射波長)高透、在1338納米和669納米處高反(R＞99％)的介質膜，端面(4)鍍上在807納米和1338納米處高反(R＞99％)、在669納米處高透的介質膜。這便是一個適於807納米半導體雷射沿方向(5)泵浦的一體化的具有倍頻功能的微片雷射器，沿方向(6)輸出669納米波長的紅色雷射。
實例3將Nd3+離子的1062納米(4F3/2→4I11/2)基波雷射與作為泵浦光的807納米半導體雷射混頻產生458納米藍色雷射輸出。非線性光學晶體YAl3(BO3)4沿I類相位匹配角θI=35.0°定向切割，同時確定晶體的大小(一般為端面積在毫米見方，厚度為幾個毫米的方塊或圓柱)，端面拋光後置於含有助熔劑的NdxY1-xAl3(BO3)4(x在0到1之間)的高溫熔劑中，利用YAl3(BO3)4作為襯底進行液相外延法生長，通過控制生長時間和條件在與相位匹配方向垂直的一個端面得到所需厚度的NdxY1-xAl3(BO3)4晶體微片。得到上述雷射晶體微片和非線性光學晶體合為一體的功能晶體後，在如附圖1所示端面(3)鍍上在807納米處(作為泵浦光的半導體雷射波長)高透、在1062納米和458納米處高反(R＞99％)的介質膜，端面(4)鍍上在807納米和1062納米處高反(R＞99％)、在458納米處高透的介質膜。這便是一個適於807納米半導體雷射沿方向(5)泵浦的一體化的具有混頻功能的微片雷射器，沿方向(6)輸出458納米波長的藍色雷射。
實例4對Nd3+離子的1062納米(4F3/2→4I11/2)基波雷射調Q後倍頻產生531納米綠色脈衝雷射輸出。非線性光學晶體YAl3(BO3)4沿I類相位匹配角θI=30.7°定向切割，同時確定晶體的大小(一般為端面積在毫米見方，厚度為幾個毫米的方塊或圓柱)，端面拋光後先置於含有助熔劑的Cr2O3，Y2O3，Al2O3，B2O3和MgO按一定比例混合的高溫熔劑中，利用YAl3(BO3)4作為襯底進行液相外延法生長，通過控制生長時間和條件在與相位匹配方向垂直的一個端面得到所需厚度(一般在幾十到幾百微米)的Cr4+∶YAl3(BO3)4調Q晶片。再置於含有助熔劑的NdxY1-xAl3(BO3)4(x在0.01到1之間)的高溫熔劑中進行液相外延法生長，通過控制生長時間和條件在與相位匹配方向垂直的一個端面得到所需厚度的NdxY1-xAl3(BO3)4晶體微片。得到上述雷射晶體微片、調Q晶片和非線性光學晶體合為一體的功能晶體後，在如附圖2所示端面(3)鍍上在807納米處(作為泵浦光的半導體雷射波長)高透、在1062納米和531納米處高反(R＞99％)的介質膜，端面(4)鍍上在807納米和1062納米處高反(R＞99％)、在531納米處高透的介質膜。這便是一個適於807納米半導體雷射沿方向(5)泵浦的一體化的具有調Q和倍頻功能的微片雷射器，沿方向(6)輸出531納米波長的綠色脈衝雷射。
實例5可以利用其它非線性光學晶體如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，採用上述實例中的辦法外延以Nd3+離子全部或部分取代Gd3+，Y3+或La3+離子的同構晶體作為雷射晶體微片，或者以非線性光學晶體LiNbO3作為襯底，外延生長Nd3+∶MgO∶LiNbO3或Nd3+∶ZnO∶LiNbO3雷射晶體微片。
實例6可以利用其它稀土離子如Er3+，Pr3+，Yb3+等替代上述實例中的Nd3+離子進行相同或相似的製造過程得到適於其它波長的光源泵浦的同樣具有頻率調製功能的一體化微片雷射器。這些雷射器可以輸出其它波長的雷射。
實例7上述所有實例均可以選擇不鍍介質膜(3)和(4)而直接將該一體化晶體置於一對合適的鍍膜雷射腔鏡中構成一個具有相同功能的雷射器。
權利要求
1．具有頻率調製功能的一體化微片雷射器，以非線性光學晶體為襯底，其特徵在於確定該非線性光學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端面上外延生長雷射晶體微片，這樣就將腔內倍頻或混頻雷射器中的非線性光學晶體與雷射晶體二者合一，在這塊雷射和非線性功能一體化晶體的垂直於相位匹配方向的兩個端面鍍上適於相應波長雷射運轉的介質膜，便成為一個一體化的具有腔內倍頻或混頻功能的微片雷射器。
2．具有頻率調製功能的一體化微片雷射器，以非線性光學晶體為襯底，其特徵在於確定該非線性光學晶體的倍頻或混頻的相位匹配方向，先在非線性光學晶體材料上外延生長被動調Q的晶體微片，再進一步外延生長雷射晶體微片，這就將雷射晶體、調Q晶體和非線性光學晶體三者合一，在這塊雷射、調Q和非線性功能一體化晶體的垂直於相位匹配方向的兩個端面鍍上適於相應波長雷射運轉的介質膜，便成為一個一體化的具有調Q與倍頻或混頻功能的微片雷射器。
3．如權利要求1所述的具有頻率調製功能的一體化微片雷射器，其特徵在於可以以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+離子的同構晶體作為雷射晶體微片的一體化器件。
4．如權利要求1所述的具有頻率調製功能的一體化微片雷射器，其特徵在於也可以用非線性光學晶體LiNbO3作為襯底，外延生長RE3+∶MgO∶LiNbO3或RE3+∶ZnO∶LiNbO3(RE=Nd，Er，Pr，Yb等稀土離子)雷射晶體微片得到一體化的效果。
5．如權利要求2所述的具有頻率調製功能的一體化微片雷射器，其特徵在於對於用稀土離子Nd3+取代的情況，可以在外延雷射晶體微片之前先外延生長摻Cr4+的被動調Q同構晶體薄片達到對1.06微米雷射調Q的效果。
6．如權利要求1至5所述的具有頻率調製功能的一體化微片雷射器，其特徵在於也可以不在兩端面上鍍膜而將該一體化微片雷射器直接置於一對滿足雷射運轉條件的介質膜片中構成具有同樣功能的微片雷射器。
全文摘要
通過在非線性光學晶體垂直於倍頻或混頻相位匹配方向的一個端面上外延生長雷射晶體微片或外延生長調Q晶片後再外延生長雷射晶體微片來實現一個具有頻率調製功能的半導體雷射或其它合適光源泵浦的一體化的固體微片雷射器。能將半導體雷射或其它光源發光有效地轉變成為可見和紫外波段的雷射輸出。
文檔編號H01S3/10GK1298217SQ9912531
公開日2001年6月6日 申請日期1999年11月30日 優先權日1999年11月30日
發明者黃藝東, 陳學元, 塗朝陽, 羅遵度 申請人:中國科學院福建物質結構研究所