CN101459317A - 一种波导结构的倍频器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光领域，尤其涉及一种波导结构的倍频器及其制作方法。本发明采用多次光学加工、切割、抛光制作倍频晶体薄片(或与衬底粘结在一起的晶体薄片)，通过胶合、深化光胶方法将倍频晶体薄片(或与衬底粘结在一起的晶体薄片)粘结在衬底上，将衬底上倍频薄片(或与衬底材料粘结在一起的晶体薄片)加工抛光到波导结构所需尺寸。由低折射率深化光胶层或胶层包裹倍频晶体侧面，从而构成波导结构倍频器。所采用晶体可以是临界相位匹配产生倍频或多次谐波，亦可以是非临界相位匹配产生倍频或高次谐波。本发明克服了原来倍频器的不足，使光功率密度可以远大于光束的功率密度，这样就容易实现波导材料的非线性效应，大大提高其非线性效应的效率。

Description

一种波导结构的倍频器及其制作方法

技术领域

本发明涉及激光领域，尤其涉及一种波导结构的倍频器及其制作方法。

背景技术

在激光倍频领域，已采用准相位匹配方法获得低功率密度基波光聚焦状态下的倍频光。一般多采用LiNb03晶体制作，其损伤阈值低，制作工艺复杂；亦采用掺镁LiNb03提高损伤阈值，但亦不易获得大尺寸的晶体，所以较难获得批量生产水平；另一方面由于过去多采用掺杂蚀刻方式在倍频晶体中获得波导结构，这亦限于实验室水平，未获得较大应用。

另外，很多低功率连续光希望获得腔外倍频，如瓦级半导体激光器，若能通过腔外倍频获得较高增益将会有较大应用。由于常规倍频晶体希望有MW/cm²的功率密度才有较高转化效率，这需采用聚焦方式才能获得。由于瑞利长度有限，所以有效倍频长度有限，总的倍频效率仍然很低。

发明内容

为克服上述问题，本发明提供一种波导结构倍频器，沿单模波导传输的光被限制在狭小的空间内，所以其光功率密度可以远大于光束的功率密度。这样就容易实现波导材料的非线性效应，大大提高其非线性效应的效率。

本发明是通过如下技术方案实现的：

本发明的波导结构的倍频器，包括一倍频晶体，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，所述的四个侧面的一个侧面可以是省略衬底材料或胶层的空气层。

进一步的，所述的四个侧面的其中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，所述的倍频晶体可以是二倍频晶体，亦可以是三倍频晶体及其他高次谐波晶体，亦可以是用于二个波长的和频晶体；所述的倍频晶体可以是临界相位匹配产生倍频或多次谐波，亦可以是非临界相位匹配产生倍频或高次谐波。

更进一步的，所述的倍频晶体是KTP晶体、LBO晶体、LiNbO₃晶体、BBO晶体、BIB0晶体等非线性晶体。

进一步的，所述的倍频器是单个倍频晶体形成波导结构倍频器。

进一步的，所述的倍频器是由通光方向光轴相互正交、walk-off角相互补偿、沿通光方向粘结成一体的倍频晶体组合形成。

进一步的，所述的倍频器可以是单个波导结构倍频器，亦可以是波导结构倍频器阵列。

进一步的，所述的衬底材料，可以由与倍频晶体材料光轴方向相同倍频晶体材料构成以减少热膨胀对波导晶体影响，亦可以由膨胀系数在通光方向与倍频晶体膨胀系数相同或接近的材料构成。

所述的倍频器可以用于半导体激光器直接倍频，亦可以用于其他激光器的腔外基波倍频。

制作上述的波导结构的倍频器的方法，其包括如下步骤：

a、将衬底的S1面和倍频晶体的S2面抛光；

b、通过S1面和S2面光胶、胶合或深化光胶，将衬底和倍频晶体粘结成一体，此时倍频晶体厚度为D；

c、抛光S3面，将倍频晶体厚度抛薄至厚度为D’；

d、将衬底的S4面抛光，形成两端都抛光的衬底和薄片倍频晶体的组合结构；

e、将步骤d得到的多个抛光好的组合结构再顺序排列，通过胶合、光胶或深化光胶成一体；

f、沿垂直于S4面的方向切割，得到多个条状的衬底、深化光胶膜和倍频晶体相间的阵列；

g、将条状阵列侧面S6面和衬底的S7面抛光，并通过胶合、光胶或深化光胶成一体；

h、将S5面抛光，将倍频晶体抛光至合适的厚度；

i、将步骤h得到的多组一起再抛光，通过胶合、光胶或深化光胶成一体，再将通光面两端抛光，然后再切成单个波导倍频器或阵列倍频器。

本发明采用如上技术方案，克服了原来倍频器的不足，使其光功率密度可以远大于光束的功率密度，这样就容易实现波导材料的非线性效应，大大提高其非线性效应的效率。

附图说明

图1(a)是本发明的倍频器的横剖面示意图；

图1(b)是本发明的倍频器的的纵剖面示意图；

图1(c)是本发明的阵列倍频器的横剖面示意图；

图1(d)是本发明的阵列倍频器的纵剖面示意图；

图1(e)是本发明的倍频器的另一实施例的横剖面示意图；

图1(f)是本发明的倍频器的另一实施例的纵剖面示意图；

图2是本发明的倍频器倍频方式示意图；

图3是本发明的倍频器另一实施例结构示意图；

图4是本发明的多个倍频晶体组合的阵列倍频器的结构示意图；

图5(a)是本发明的制作方法的步骤a的示意图；

图5(b)是本发明的制作方法的步骤b的示意图；

图5(c)是本发明的制作方法的步骤c的示意图；

图5(d)是本发明的制作方法的步骤d的示意图；

图5(e)是本发明的制作方法的步骤e的示意图；

图5(f)是本发明的制作方法的步骤f的示意图；

图5(g)是本发明的制作方法的步骤g的示意图；

图5(h)是本发明的制作方法的步骤h的示意图；

图5(i)是本发明的制作方法的步骤i的示意图；

图6是本发明的倍频晶体的角度确定的原理示意图；

图7是本发明的倍频器的第三种实施例的示意图；

图8是本发明的倍频器的第四种实施例的示意图。

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。

参阅图1(a)、图1(b)，是本发明的倍频器的横剖面示意图和纵剖图。其中101为倍频晶体(灰色所示)，102A、102B、102C、102D为折射率低于倍频晶体101折射率的胶层或深化光胶层(斜纹线区域所示)，103A、103B、103C、103D是作为衬底的光学材料。

参阅图1(c)、图1(d)，是本发明的阵列倍频器的横剖面示意图和纵剖图。它同图1(a)、图1(b)结构类似，是一个倍频晶体波导阵列。其中101为倍频晶体，1011、1012、...101n为一系列倍频晶体，102B、102C、102D1、102D2...102Dn+1为围绕倍频晶体的胶层或深化光胶层，103A、103D、103B1、103B2、...103Bn+1为一系列作为衬底材料的光学材料。

可以看出，本发明的波导结构的倍频器，包括一倍频晶体，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。

或者，本发明的另一种实施结构，所述的四个侧面的一个侧面可以是省略衬底材料或胶层的空气层。

参阅图1(e)、图1(f)，本发明的倍频器的另一实施例的横剖面示意图和纵剖面图示意图。其同图(a)、图(b)结构类似，是三个侧面为胶层、一个侧面为空气的波导倍频器结构。102A、102C、102D为折射率低于倍频晶体101折射率的胶层或深化光胶层(斜纹线区域所示)，103B、103C、103D是作为衬底的光学材料。

图2为本发明的倍频器的工作方式。201为本发明所述波导结构的倍频器，202为会聚透镜，203为激光。激光203通过会聚透镜202耦合进波导倍频器201。

图3为本发明其他实施结构，301为一组在通光方向walk-off角相互补偿的倍频晶体，用于补偿临界相位匹配中walk-off，301倍频晶体系列其晶体之间光学面通过光胶、胶合和深化光胶粘结为一整体。

参阅图4是本发明的多个倍频晶体组合的阵列倍频器的结构示意图。其中401A、401B、401C为不同功能倍频晶体通过光胶、胶合或深化光胶粘为一体，比如401A为二倍频晶体，402为三倍频或四倍频晶体，401C为五倍频晶体。

本发明波导结构的倍频器的一种制作方法参阅图5(图5a至图5i系列示意图)所示：

a、参阅图5(a)所示，将衬底的S1面和倍频晶体(灰色所示)的S2面抛光；

b、参阅图5(b)所示，通过S1面和S2面光胶、胶合或深化光胶，将衬底和倍频晶体粘结成一体，此时倍频晶体厚度为D；

c、参阅图5(c)所示，抛光S3面，将倍频晶体厚度抛薄至厚度为D’；

d、参阅图5(d)所示，将衬底的S4面抛光，形成两端都抛光的衬底和薄片倍频晶体的组合结构；

e、参阅图5(e)所示，将步骤d得到的多个抛光好的组合结构再顺序排列，通过胶合、光胶或深化光胶成一体；

f、参阅图5(f)所示，沿垂直于S4面的方向切割，得到多个条状的衬底、深化光胶膜和倍频晶体相间的阵列；

g、参阅图5(g)所示，将条状阵列侧面S6面和衬底的S7面抛光，并通过胶合、光胶或深化光胶成一体；

h、参阅图5(h)所示，将S5面抛光，将倍频晶体抛光至合适的厚度；

i、参阅图5(i)所示，将步骤h得到的多组一起再抛光，通过胶合、光胶或深化光胶成一体，再将通光面两端抛光，然后再切成单个波导倍频器或阵列倍频器。

下面估算各晶体的允许入射角范围：如图6所示，假设衬底采用SiO₂材料，折射率为1.5，而KTP、LiNbO₃和LBO晶体三个轴中最小的折射率分别为：1.73，2.1和1.56。通过计算晶体相对于SiO₂衬底的全反射角可反推出晶体能够允许的入射角，KTP、LiNbO₃和LBO晶体允许空气中入射角θ1分别为：59.532°，接近90°和25.371°，即激光从空气中以<θ1的角度入射，都可以被波导结构接收。而这样大的角度，激光很容易调节。例如LBO晶体在148℃，1.064μm为非临界相位匹配，其接受角在1062nm-1066nm范围内均大于50mrad，根据束腰直径与激光发散角的关系： ${2\mathrm{\&omega;}}_0=\frac{1.27\mathrm{\&lambda;}}{\mathrm{\&theta;}}=\frac{1.27\&times;1.064\mathrm{\&mu;m}}{0.050}\&ap;25\mathrm{\&mu;m},$ 所以波导截面可设计成小于：25μm×25μm；同时若LD为功率1W、束腰直径为15um的1064nmLD，为保证光束耦合率，应将波导截面设计成大于：15μm×15μm。

本发明亦可采用图7和图8所示结构，图7所示采用两片折射率低于倍频晶体701、703的薄片将倍频晶体701薄片光胶在中间形成波导结构倍频器，图8所示采用折射率低于倍频晶体薄片的胶或深化光胶层802、804将倍频晶体803置于其中，再外包衬底材料层801、805。这种结构制作更简单，尤其适合于晶体一个方向接受角小、一个方向接受角大(大一二个数量级)的倍频晶体。这种情况下，可对倍频光采用单方向即柱透镜线聚焦方式接受激光功率密度。

本发明的倍频晶体可以是临界相位匹配晶体，亦可以是非临界相位匹配晶体，亦可是二倍频晶体，亦可是三倍频晶体及其他高次谐波晶体，亦可以是用于二个波长的和频晶体。

本发明的衬底材料可以是与倍频晶体材料光轴方向相同倍频晶体材料构成以减少热膨胀对波导晶体影响，亦可以是膨胀系数在通光方向与倍频晶体膨胀系数相同或接近或差值较小的材料。

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 (11)

1、一种波导结构的倍频器，其特征是：由倍频晶体和包围在倍频晶体上、下、左、右四个侧面的折射率低于增益介质的衬底材料或胶层组成。

2、根据权利要求1所述的倍频器，其特征是：所述的四个侧面的一个侧面可以是省略衬底材料或胶层的空气层。

3、根据权利要求1所述的倍频器，其特征是：所述的四个侧面的其中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。

4、根据权利要求1、2或3任一所述的倍频器，其特征是：所述的倍频晶体可以是二倍频晶体，亦可以是三倍频晶体及其他高次谐波倍频晶体，亦可以是用于二个波长的和频晶体；所述的倍频晶体可以是临界相位匹配产生倍频或多次谐波，亦可以是非临界相位匹配产生倍频或高次谐波。

5、根据权利要求4所述的倍频器，其特征是：所述的倍频晶体是KTP晶体、LBO晶体、LiNbO3晶体、BBO晶体、BIBO晶体等非线性晶体。

6、根据权利要求1、2或3任一所述的倍频器，其特征是：所述的倍频器是单个倍频晶体形成波导结构倍频器。

7、根据权利要求1、2或3任一所述的倍频器，其特征是：所述的倍频器是由通光方向光轴相互正交、walk-off角相互补偿、沿通光方向粘结成一体的倍频晶体组合形成。

8、根据权利要求1、2或3任一所述的倍频器，其特征是：所述的倍频器可以是单个波导结构倍频器，亦可以是波导结构倍频器阵列。

9、根据权利要求1、2或3任一所述的倍频器，其特征是：所述的衬底材料，可以由与倍频晶体材料光轴方向相同的倍频晶体材料构成，亦可以由膨胀系数在通光方向与倍频晶体膨胀系数相同或接近的材料构成。

10、如上任一权利要求所述的倍频器，其特征是：所述的倍频器可以用于半导体激光器直接倍频，亦可以用于其他激光器的腔外基波倍频。

11、一种制作如权利要求1、2或3任一所述的波导结构的倍频器的方法，其特征在于包括如下步骤：

a、将衬底的S1面和倍频晶体的S2面抛光；

b、通过S1面和S2面光胶、胶合或深化光胶，将衬底和倍频晶体粘结成一体；此时倍频晶体厚度为D；

c、抛光S3面，将倍频晶体厚度抛薄至厚度为D’；

d、将衬底的S4面抛光，形成两端都抛光的衬底和薄片倍频晶体的组合结构；

e、将步骤d得到的多个抛光好的组合结构再顺序排列，通过胶合、光胶或深化光胶成一体；

f、沿垂直于S4面的方向切割，得到多个条状的衬底、深化光胶膜和倍频晶体相间的阵列；

g、将条状阵列侧面S6面和衬底的S7面抛光，并通过胶合、光胶或深化光胶成一体；

h、将S5面抛光，将倍频晶体抛光至合适的厚度；

i、将步骤h得到的多组一起再抛光，通过胶合、光胶或深化光胶成一体，再将通光面两端抛光，然后再切成单个波导倍频器或阵列倍频器。

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