CN101969170B - 铒掺杂钇铝石榴石陶瓷脊形波导激光器件的制备方法 - Google Patents
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Abstract
铒掺杂钇铝石榴石陶瓷脊形波导激光器件的制备方法，属于光电子器件制备技术领域。主要包括在Er:YAG陶瓷中形成脊形波导和实现波导激光输出。采用能量为3.0兆电子伏，剂量为1×1014～6×1014离子/平方厘米范围的氟离子注入，在铒掺杂钇铝石榴石陶瓷表面形成平面波导。用光刻技术，在平面波导表面制备刻蚀掩膜。利用氩离子束刻蚀波导，形成脊形波导。对脊形波导端面进行激光谐振腔镀膜后，使用一定波长和功率的泵浦激光对铒掺杂钇铝石榴石陶瓷波导进行泵浦，输出波长在1645±1或2940±1纳米的红外激光。
Description
技术领域
本发明涉及一种铒掺杂钇铝石榴石陶瓷脊形波导激光器件的制备方法，属于光电子器件制备技术领域。
背景技术
铒离子掺杂钇铝石榴石陶瓷(Er-doped yttrium aluminum garnet，或简写为Er:YAG陶瓷)作为激光工作物质具有优良的光学性质，而且损伤阈值高、耐热冲击性能好等特点。相对于铒离子掺杂钇铝石榴石晶体，Er:YAG陶瓷制备简单，可以生长的尺寸更大，获得很高的掺杂浓度，在大批量生产时极大地降低生产成本。Er:YAG陶瓷可以输出波长为2940纳米左右的激光。因为波长为2940纳米左右的激光能被水吸收，所以Er:YAG陶瓷激光器可以应用于医疗。此外，Er:YAG陶瓷还可以输出波长为1645纳米左右的激光。波长为1645纳米左右的激光是大气窗口和人眼的安全波段，对光通信领域、相干雷达是非常重要，在集成光学、光通讯等方面有很大的应用潜力。
波导被定义为低折射率的介质包围起来的高折射率介质区域，它是集成光学的基本元件。由于光束在高折射率和低折射率介质边界处，低折射率介质一侧的全内反射，因而被限制在高折射率介质中传播。波导的横截面只有几个或几十个平方微米，可以将光的能量约束在非常小的区域内。如果在与光束传播方向垂直的截面上，光束只在一个方向上受到约束而被导引，波导就是平面波导，如果在全部横截上受到限制则是条形波导。脊形波导是条形波导的一种。在脊形波导的三个面被空气包围，一个面和基质材料相接触。基质材料和空气的折射率差大(折射率差大约是0.83)，根据全反射原理，脊形波导可以更好的对光进行限制，能达到更高的集成光学元件集成度。用一定条件的激光对激光材料制备出的波导进行泵浦，就会输出波导激光。与体器件相比，波导的横截面只有几个平方微米或者几十个平方微米，能把光束的能量约束在非常小的体积内，能够有效的提高光功率密度，从而降低激光器的阈值功率，提高斜率效率；另外，波导激光还具有结构紧凑、稳定性高，利于集成等优点。到目前为止，还没有在Er:YAG陶瓷材料上制备波导的报道。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种铒掺杂钇铝石榴石陶瓷脊形波导激光器件的制备方法。
本发明采用氟离子注入、光刻和氩离子刻蚀技术制备Er:YAG陶瓷脊形波导激光器件，制备方法包括：
1)对铒离子掺杂钇铝石榴石陶瓷样品的待加工面进行抛光，并对抛光后的样品清洗；
2)对样品抛光面进行氟离子注入，形成平面波导；氟离子注入能量为3-4MeV，剂量为4×1014～1×1015离子/平方厘米；
3)利用光刻技术在平面波导上制作光刻胶掩膜，光刻胶掩膜宽10微米厚2微米；
4)用氩离子束对平面波导表面进行刻蚀，形成脊形波导；
5)对脊形波导进行热退火处理，降低光在波导中传播时的损耗；
6)对垂直于脊形波导的两个端面抛光，在脊形波导两个端面上镀反射膜，作为激光谐振腔膜，形成铒掺杂钇铝石榴石陶瓷脊形波导激光器件；
7)利用激光器对Er:YAG陶瓷波导进行泵浦，可输出波长在2940±1纳米和1645±1纳米的红外激光。
用氟离子进行注入时，氟离子为二价氟离子或四价氟离子；氩离子刻蚀时，氩离子能量为500电子伏，刻蚀过程中，离子束与样品表面成60度夹角。
使用氟离子进行注入，所需剂量低，因而成本较低；氩离子束刻蚀可以对样品的表面形貌进行加工，加工后的样品平整性好。波导区内的折射率改变及波导模式可以通过注入离子的剂量和能量或对波导进行不同条件的退火进行调节和控制。波导激光的输出可以通过精确调控耦合模式的匹配来增强。
附图说明
图1为本发明制备Er:YAG陶瓷波导激光的流程图；
图2为制作Er:YAG陶瓷的脊形波导的工艺步骤示意图；
图3为Er:YAG陶瓷条形波导激光产生的产生示意图；
图中：1、MeV氟离子注入，2、平面波导，3、Er:YAG陶瓷，4、氩离子束，5、光刻胶掩膜，6、脊形波导，7、泵浦光，8、偏振片，9、凸透镜，10、波导激光，11、激光谐振腔输出端镀反射膜，12、激光谐振腔输入端镀反射膜。
具体实施方式
实施例1：
一种铒掺杂钇铝石榴石陶瓷脊形波导激光器件的制备方法，制备方法如下：
1)对铒离子掺杂钇铝石榴石陶瓷样品(3)的待加工面进行抛光，并对抛光后的样品清洗；
2)对样品抛光面进行氟离子注入(1)，形成平面波导(2)；氟离子注入能量为3.5MeV，剂量为6×1014离子/平方厘米；
3)利用光刻技术在平面波导上制作光刻胶掩膜(5)，光刻胶掩膜宽8微米厚2微米；
4)用能量为500电子伏的氩离子束(4)对平面波导表面进行刻蚀，形成脊形波导(6)；
5)对脊形波导进行热退火处理，降低光在波导中传播时的损耗，退火温度为260摄氏度，时间为20分钟；
6)对垂直于脊形波导的两个端面抛光，在脊形波导两个端面上镀反射膜(11，12)，作为激光谐振腔膜，通光进入方向镀波长在950-970纳米范围内高透过率、波长在2930-2950纳米范围内全反射率(12)，输出面镀波长在950-970纳米范围内高反射率、波长在2930-2950纳米范围内部分反射的氧化物薄膜(11)，以实现激光谐振腔；
7)利用波长为963纳米的激光器对Er:YAG陶瓷波导进行泵浦(7)，可输出波长在2940±1纳米的红外激光(10)。
实施例2：
一种铒掺杂钇铝石榴石陶瓷脊形波导激光器件的制备方法，制备方法如下：
1)对铒离子掺杂钇铝石榴石陶瓷样品(3)的待加工面进行抛光，并对抛光后的样品清洗；
2)对样品抛光面进行氟离子注入(1)，形成平面波导(2)，氟离子注入能量为4MeV，剂量为5×1014离子/平方厘米；
3)利用光刻技术在平面波导上制作光刻胶掩膜(5)，光刻胶掩膜宽8微米厚2微米；
4)用能量为500电子伏的氩离子束(4)对平面波导表面进行刻蚀，形成脊形波导(6)；
5)对脊形波导进行热退火处理，降低光在波导中传播时的损耗，退火温度为260摄氏度，时间为20分钟；
6)对垂直于脊形波导的两个端面抛光，在脊形波导两个端面上镀反射膜(11，12)，作为激光谐振腔膜，通光进入方向镀波长在950-970纳米范围内高透过率、波长在1640-1650纳米范围内全反射率(12)，输出面镀波长在950-970纳米范围内高反射率、波长在1640-1650纳米范围内部分反射的氧化物薄膜(11)，以实现激光谐振腔；
7)利用波长为963纳米的激光器对Er:YAG陶瓷波导进行泵浦(7)，可输出波长在1645±1纳米的红外激光(10)。
Claims (2)
1.一种铒掺杂钇铝石榴石陶瓷脊形波导激光器件的制备方法，其特征在于，制备方法如下：
1)对铒离子掺杂钇铝石榴石陶瓷样品的待加工面进行抛光，并对抛光后的样品清洗；
2)对样品抛光面进行氟离子注入，形成平面波导；氟离子注入能量为3～4MeV，剂量为4×1014～1×1015离子/平方厘米；
3)利用光刻技术在平面波导上制作光刻胶掩膜，光刻胶掩膜宽8微米厚2微米；
4)用能量500电子伏的氩离子束对平面波导表面进行刻蚀，形成脊形波导；
5)对脊形波导进行热退火处理，退火温度为260摄氏度，时间为20分钟，降低光在波导中传播时的损耗；
6)对垂直于脊形波导的两个端面抛光，在脊形波导两个端面上镀反射膜，作为激光谐振腔膜，形成铒掺杂钇铝石榴石陶瓷脊形波导激光器件；
7)利用波长为963纳米的激光器对Er:YAG陶瓷波导进行泵浦，可输出波长在2940±1纳米和1645±1纳米的红外激光。
2.如权利要求1所述的铒掺杂钇铝石榴石陶瓷脊形波导激光器件的制备方法，其特征在于，用氟离子进行注入时，氟离子为二价氟离子或四价氟离子；氩离子刻蚀时，氩离子能量为500电子伏，刻蚀过程中，离子束与样品表面成60度夹角。
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