CN101436748B - 一种光波导激光器、光波导放大器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光领域，尤其涉及到一种光波导激光器、光波导放大器及制作方法。采用多次光学加工，切割，抛光，制作激光增益介质薄片或与衬底粘结在一起的激光增益介质薄片，并通过胶合、光胶或深化光胶方法将增益介质薄片与衬底材料粘结在一起。通过多次光学加工及胶合将激光增益介质加工成四个侧面包有一层胶层或深化光胶层波导激光增益介质腔，其端面为光学表面并镀有激光腔膜层，从而形成波导结构激光器或放大器。这种波导腔结构为各种高阈值的激光增益材料提供了一种降低阈值，并可在低功率下泵浦获得激光的方法。这种波导腔制造方法工艺简单，适合于大规模推广。

Description

一种光波导激光器、光波导放大器及其制作方法

技术领域

本发明涉及激光领域，尤其涉及到一种光波导激光器、光波导放大器及其制作方法。

背景技术

为了拓展固体激光器的激光输出波长范围，人们研究了多种掺杂离子及基质材料。其中一些掺杂离子如Yb³⁺，Er³⁺，Tm³⁺，Cr³⁺等由于可输出具有实用价值的激光波长而受到人们的广泛关注。遗憾的是，这些离子有的发射波长的受激发射截面小，有的激光振荡系统属于三能级或准三能级系统，因而振荡阈值高，泵浦效率低，需要大功率泵浦，这大大限制了它们的应用。

人们采用光波导结构激光器来克服这些缺陷。光波导就是折射率高的区域由折射率低的区域包裹的结构，利用光波在折射率不同的两种物质界面上会发生全反射的原理，将光限制在微米数量级的范围内传输以提高光功率密度。光波导一般分为两类：光纤波导和平板或矩形波导。

光纤激光器由于纤芯很细，在泵浦光作用下光纤内极容易形成高功率密度，因而降低了振荡阈值，现已在玻璃等基质中实现较大功率激光输出。光纤激光器的缺点在于光纤一般为玻璃态基质，无法制作晶体型基质，纤芯中激活离子的掺杂浓度不能太高，否则将会产生很大的损耗，因此光纤需要较长的长度，为此受到环境噪声的影响较大。

平板或矩形光波导可实现较高浓度掺杂且具有较低的腔内损耗，有可能在更小的体积内实现更大的增益。其中平板波导是最容易制作的光波导结构，但它在横向上没有光限，因而光损耗较高。矩形介质波导具有较好的限制光能力，可降低光信号的损耗。目前用于制作这类光波导的方法很多，如离子注入法，扩散法，溅射法等，但这些方法都存在工艺复杂，设备昂贵，对材料要求高等缺点，降低它们的利用价值。

发明内容

针对上述不足，本专利发明了一种新型的光波导腔激光器及光波导放大器，利用常见的光学加工及胶合或深化光胶技术来制作光波导腔，同时采用LD或其它激光器输出的激光进行泵浦。本发明的光波导结构可降低激光的泵浦阈值，提高泵浦效率。

本发明采取的技术方案如下：

本发明的单片独立或阵列波导腔结构包括激光增益介质，其上、下、左、右四个侧面均被折射率低于增益介质的衬底材料或胶层包围。

进一步的，所述的四个侧面中的一个侧面或两个平行相对的侧面可以是省略衬底材料或胶层的空气层。

进一步的，所述的波导腔可为单片独立式结构或阵列式结构。

进一步的，所述的激光增益介质可为Nd³⁺，Yb³⁺，Er³⁺，Tm³⁺，Cr³⁺或其他离子掺杂的晶体、玻璃及陶瓷等固体材料，并可与各种非线性材料结合，增益介质的厚度及宽度均达到波导腔所需尺寸，符合波导结构的光学要求。

制作本发明所述波导腔的方法，包括如下步骤：

步骤1，将激光增益介质如Nd³⁺，Yb³⁺，Er³⁺，Tm³⁺或Cr³⁺等离子掺杂的晶体、玻璃或陶瓷材料加工成一定形状的薄片(601)，在薄片(601)的一面(S6)镀光胶膜层(602)，在衬底材料(603)的一面(S7)镀光胶层，并将S6与S7面深化光胶；

步骤2，将薄片(601)的另一面(S5)抛薄至微米量级的薄片，再在抛薄面(S8)镀光胶膜，并与另一片衬底材料(603)的一面(S7)光胶或深化光胶；

步骤3，根据实际需要重复上述步骤1和步骤2的操作，得到微片阵列(604)；

步骤4，将微片阵列(604)纵向切割，得到微片结构(605)；

步骤5，重复上述步骤1和步骤2的操作将微片结构(605)与两块衬底材料(603)再进行光胶可得到波导阵列结构(607)；

步骤6，再将所述波导阵列结构(607)的两个端面进行抛光，镀膜。

本发明的波导激光器包括谐振腔、泵浦光源及其他光学元件；所述的谐振腔由波导腔的两个通光面镀激光腔膜形成，或者波导腔与各光学元件通过胶合、光胶或深化光胶粘合，再在各元件通光面镀相应膜层构成，或波导腔与光学元件及各种腔镜采用分离腔构成。

本发明的波导放大器，包括波导腔，泵浦光源及其它光学元件。所述的波导腔可由单个波导腔作为独立微片放大器，也可将波导腔作为腔内元件之一与其它光学元件构成分离腔放大器。

进一步的，波导激光器或波导放大器中所述的泵浦光源采用侧面泵浦、侧倾斜角泵浦或端面泵浦所述的波导激光器或波导放大器。泵浦源可直接泵浦，也可采用耦合器、光纤头、透镜等光学器件对信号光或泵浦光耦合再去泵浦。

更进一步的，所述的泵浦光源可为单横模、多横模LD激光器、单纵模或宽线宽LD激光器或其他种类泵浦激光器。所述的泵浦光源是单一泵浦光源或阵列泵浦光源；所述的泵浦方式是一次泵浦或二次泵浦。

进一步的，波导激光器或波导放大器中所述的其他光学元件包括波片、标准具，光栅，调Q元件、倍频晶体等。

本发明采用如上技术方案，优点在于为各种高阈值的激光增益材料提供了一种降低阈值，并可在低功率下泵浦获得激光的方法，同时也可进一步降低一些具有较高增益的介质如Nd³⁺系统的泵浦阈值。本发明的另一个优点在于可采用成熟的光学加工方法如切割，抛光，光胶或深化光胶，镀膜等技术来制作波导腔，工艺简单，适合于大规模推广。

附图说明

图1(a)是本发明第一种波导腔结构的横剖面示意图；

图1(b)是本发明的第二种波导腔结构的横剖面示意图；

图1(c)是本发明的第三种波导腔结构的横剖面示意图；

图1(d)是本发明的第四种波导腔结构的横剖面示意图；

图1(e)是本发明的波导腔结构的纵剖面示意图；

图2(a)是本发明的波导激光器采用第一种泵浦方式示意图；

图2(b)是本发明的波导激光器采用第二种泵浦方式示意图；

图2(c)是本发明的波导激光器采用第三种泵浦方式示意图；

图2(d)是本发明的第一种波导放大器结构示意图；

图2(e)是本发明的第二种波导放大器结构示意图；

图2(f)是本发明的第三种波导放大器结构示意图；

图3是本发明的分离腔波导结构激光器的示意图；

图4是本发明采用LD阵列泵浦阵列波导激光器的示意图；

图5(a)是本发明的波导激光器采用二次泵浦技术示意图；

图5(b)是本发明的波导激光器采用侧面泵浦技术的纵截面示意图；

图5(c)是本发明的波导激光器采用侧面泵浦技术的横截面示意图；

图5(d)是本发明的波导激光器采用侧面倾角泵浦技术示意图；

图5(e)是本发明的波导激光器采用另一种侧面倾角泵浦技术示意图；

图6(a)是本发明的制作方法的步骤1的示意图一；

图6(b)是本发明的制作方法的步骤1的示意图二；

图6(c)是本发明的制作方法的步骤2的示意图一；

图6(d)是本发明的制作方法的步骤2的示意图二；

图6(e)是本发明的制作方法的步骤3的示意图；

图6(f)是本发明的制作方法的步骤4的示意图；

图6(g)是本发明的制作方法的步骤5的示意图一；

图6(h)是本发明的制作方法的步骤5的示意图二；

图6(i)是本发明的制作方法的步骤5的示意图三；

图6(j)是本发明的制作方法的步骤6的示意图一；

图6(k)是本发明的制作方法的步骤6的示意图二。

具体实施方式

现结合附图说明和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1(a)所示，为本发明第一种波导腔结构的横截面示意图，其中101为激光增益介质，折射率为n1；102A，102B，102C，102D为胶层或深化光胶膜层；折射率为n2，其中折射率n1＞n2；103A，103B，103C，103D为光学衬底材料，这样就在101形成波导结构。图1(b)的结构与图1(a)类似，是三个侧面为胶层、一个侧面为空气的波导结构。图1(c)波导腔增益介质的上下侧面为衬底材料或胶层包围，左右侧面为空气。

对LD泵浦而言，其快轴方向发散角一般为10°，慢轴方向发散角为40°。采用图1(a)结构的优点在于LD端面泵浦时可将其快轴和慢轴方向同时进行波导，但结构略显复杂；采用图1(c)结构，可将其快轴的发散角进行波导，而慢轴方向发散角由于在晶体内部变化不大，可让其自由发散，其特点在于更容易制作成微片激光器。

图1(d)中101A为激光增益介质，101B为倍频晶体；103A1，103C1为长度方向膨胀系数与101A相近或相同材料，103A2，103C2为长度方向膨胀系数与101B相近或相同材料。图1(e)所示为本发明波导结构的纵截面，其中S1，S2为激光腔膜，构成波导激光器的谐振腔。故，本专利光波导结构是：一块激光增益介质，其上、下、左、右四个侧面均被折射率低于增益介质的衬底材料或胶层包围。所述的四个侧面中可以一个侧面或两个侧面是省略衬底材料或胶层的空气层。

图2(a)中，201A为本发明的波导结构激光器，202A为泵浦光耦合光纤头，图2(b)中采用单模光纤头耦合器202B，端面泵浦光波导，所用泵浦源可为单横模LD或其它基模激光器。图2(c)中，202C为微透镜，其尺寸仅为250μm，201A 为图1(a)结构或图1(c)所示的三明治结构。采用202C对203LD泵浦源的快轴方向发散角进行限制，将LD光斑更均匀、准直地泵浦201A。这种泵浦方式将更适合于长度较长的波导腔的泵浦。图2(d)中，201B为本发明的波导结构激光放大器，204为双光束耦合器，通过光纤头耦合器202D将信号光λ1与泵浦光λ0同时耦合到201B，201B中激光增益介质在泵浦光λ0作用下，粒子处于激发态，在信号光λ1作用下产生强烈的受激辐射，并叠加到信号光中使之放大。图2(e)亦为本专利的一种波导放大器结构，其中205可为LD泵浦的激光器，如单纵模激光器或普通激光器，也可为单纵模或宽线宽的半导体激光器，206为普通LD侧面泵浦波导放大器201B，207为柱透镜，利用201B可将205的输出激光放大。图2(f)为本专利的另一种波导结构放大器，其中208为偏振分光棱镜(PBS)，209为1/4波片，S1为信号光的反射膜。205输出的P偏振激光通过201B被放大，放大光被209反射，同时偏振态变为S偏振，再次经过201B第二次被放大，二次放大光经208折射输出。由于信号光两次经过放大器被放大，可获得更高的输出功率。

如图3中，301为本发明的激光增益介质波导，302为输出腔片，S1为激光腔膜层，303为准直透镜，304为其他光学器件如标准具，光栅，或其他波长选择元件，或倍频晶体等光学材料。

如图4中，401为多光纤阵列，402为本发明阵列波导激光器，401输入阵列泵浦光，而402发出阵列输出光。

如图5(a)所示为本发明采用的二次泵浦技术示意图，其中501为本发明激光增益波导，502为LD泵浦源，503A、503B为准直透镜，504为微片激光器如Nd:YAG，Nd:YVO4等。利用LD泵浦源502泵浦微片激光器504产生的单模激光来泵浦本发明的激光增益波导501，从而获得新的激光输出。这将避免直接采用单模LD泵浦造成的成本增加问题。图5(b)为本发明采用的侧面泵浦技术的纵截面示意图。泵浦光可以从激光增益介质左右侧面的衬底材料进入(图1a、1b结构)，也可由上下侧面的衬底材料进入(图1c结构)。图5(c)为侧面泵浦图1(a)结构的横截面示意图。由于波导结构的侧面为非激光增益介质区域，亦为平面波导，将LD光直接引入波导中到达激光增益介质区域，可充分吸收泵浦能量，从而降低对LD的要求。图5(d)原理同图5(b)，采用侧面泵浦，利用LD发光与激光增益介质有一定倾角泵浦，可增加泵浦区域长度。图5(e)中，S3、S4为泵浦光全反射膜，这样泵浦光会被S3、S4面多次反射并为增益介质501多次吸收，提高了泵浦效率和激光增益介质的泵浦长度。

针对光波导结构是折射率高的区域由折射低的区域包围的特点，本发明光波导结构的制作步骤如图6所示：(1)如图6(a)、图6(b)所示将激光增益介质如Nd³⁺，Yb³⁺，Er³⁺，Tm³⁺或Cr³⁺等离子掺杂的晶体、玻璃或陶瓷材料加工成一定形状的薄片601，其折射率为n1，在薄片601的S6面镀光胶膜层602，其折射率为n2，其中折射率n1＞n2；在衬底材料603的S7面镀光胶层，并将S6与S7面深化光胶；(2)将薄片601的S5面抛薄至微米量级，得到图6(c)所示结构，再在微米量级S8面镀光胶膜并与另一片衬底材料603的S7面光胶或深化光胶，得到图6(d)所示结构；(3)根据实际需要重复上述(1)、(2)操作，得到如图6(e)所示的微片阵列604；(4)微片阵列604纵向切割，得到如图6(f)所示微片结构605。(5)如图6(g)、图6(h)、图6(i)所示重复上述(1)、(2)操作将微片结构605与两块衬底材料603再进行光胶可得到本发明的波导阵列结构607，如图6(j)所示，亦可进一步加工得到二维波导阵列图6(k)。(6)再将图6(j)或6(k)波导两个端面进行抛光，镀膜可得到本发明结构的光波导放大器。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种制作波导腔结构的方法，所述的波导腔是激光增益介质的上、下、左、右四个侧面均被折射率低于增益介质的衬底材料或胶层包围，或者上述四个侧面中的一个侧面是省略衬底材料或胶层的空气层，或者上述四个侧面中的其中两个平行相对的侧面是省略衬底材料或胶层的空气层，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，将激光增益介质加工成一定形状的薄片(601)，在薄片(601)的一面(S6)镀光胶膜层(602)，在衬底材料(603)的一面(S7)镀光胶层，并将薄片(601)的一面(S6)与衬底材料(603)的一面(S7)深化光胶；

步骤2，将薄片(601)的另一面(S5)抛薄至微米量级的薄片，再在抛薄面(S8)镀光胶膜，并与另一片衬底材料(603)的一面(S7)光胶或深化光胶；

步骤3，根据实际需要重复上述步骤1和步骤2的操作，得到微片阵列(604)；

步骤4，将微片阵列(604)纵向切割，得到微片结构(605)；

步骤5，重复上述步骤1和步骤2的操作将微片结构(605)与两块衬底材料(603)再进行光胶可得到波导阵列结构(607)；

步骤6，再将所述的波导阵列结构(607)的两个端面进行抛光，镀膜。

2.根据权利要求1所述的制作波导腔结构的方法，其特征在于：所述的激

光增益介质是Nd³⁺，Yb³⁺，Er³⁺，Tm³⁺或Cr³⁺离子掺杂的晶体、玻璃或陶瓷材料。

3.根据权利要求1所述的制作波导腔结构的方法，其特征在于：所述的波导阵列结构(607)用于制作波导放大器。

4.根据权利要求1所述的制作波导腔结构的方法，其特征在于：所述的波导阵列结构(607)用于制作波导激光器。

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