CN101969171B - 镱掺杂钇铝石榴石陶瓷平面及条形波导激光器件的制备方法 - Google Patents

镱掺杂钇铝石榴石陶瓷平面及条形波导激光器件的制备方法 Download PDF

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镱掺杂钇铝石榴石陶瓷(Yb:YAG陶瓷)平面及条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。主要包括在镱掺杂钇铝石榴石陶瓷中形成平面和条形波导并实现波导激光输出。采用能量为7.0或10.0兆电子伏，剂量为1×1014～6×1014离子每平方厘米范围的氮离子注入，在镱掺杂钇铝石榴石陶瓷表面形成平面波导。或者先用光刻技术，在样品表面制作注入掩膜，然后用能量为7.0或10.0兆电子伏，剂量为1×1014～6×1014离子每平方厘米范围的氮离子注入，形成条形波导。将垂直于波导的两个面抛光，对抛光面进行激光谐振腔镀膜后，使用泵浦光对镱掺杂钇铝石榴石陶瓷波导进行泵浦，输出波长在1030±1纳米的红外激光。

Description

镱掺杂钇铝石榴石陶瓷平面及条形波导激光器件的制备方法
技术领域
本发明涉及一种镱掺杂钇铝石榴石陶瓷平面及条形波导激光器件的制备方法，属于集成光学器件制备技术领域。
背景技术
镱离子的能级结构简单，量子效率高，荧光寿命长，能有效的存储能量，同时它的吸收带在900～1100纳米(nm)波长范围内，能与半导体InGaAs泵浦源有效耦合，且吸收峰较宽，很适合做高功率固体激光增益介质的激活离子。镱掺杂石榴石陶瓷(英文为yttrium-doped yttrium aluminum garnet ceramic，或简写为Yb:YAG陶瓷)是多晶透明材料，作为激光工作物质具有大的晶场分裂能和优良的光学、热力学、机械加工性能、化学稳定性，以及可以进行较高浓度掺杂，较低的热负荷等特点。与Yb:YAG单晶晶体相比，Yb:YAG陶瓷具有相似的激光性能，并可以生长为更大的体积。波导被定义为低折射率的介质包围起来的微米量级的高折射率介质区域，它是集成光学的基本元件。由于全反射原理，光束而被限制在高折射率介质中传播。波导可以将光的能量约束在截面非常小的区域内。根据对光束传播限制的不同，波导分为平面波导和条形波导。对波导进行谐振腔镀膜处理后，用光源对以增益介质为基质的波导进行泵浦可以得到波导激光。与体激光器相比，波导激光器利用波导结构把光束的能量约束在截面非常小的平面波导内，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、稳定性高的优点，利于集成等优点。2010年美国Optics Express(《光学快递》)杂志报道了用飞秒激光直写制备的Yb:YAG晶体为增益基质的波导激光。与激光直写方法相比，离子注入波导的尺寸更小，因而在相同的泵浦功率下，可以到达更大的增益，更低的阈值。到目前为止，还没有在Yb:YAG陶瓷材料上用离子注入方法制备波导的报道。
发明内容
针对现有技术的不足，镱掺杂钇铝石榴石陶瓷(Yb-doped yttrium aluminum garnet，或简写为Yb:YAG陶瓷)平面及条形波导激光器件的制备方法，制备方法包括：
1)对镱掺杂钇铝石榴石陶瓷样品的待注入面进行抛光，并清洗抛光后的样品表面；
2)对样品的待注入面进行氮离子注入，形成平面波导；能量范围为7-10兆电子伏特，剂量范围为5×1014-2×1015离子每平方厘米；
3)对垂直于平面波导的两个端面抛光；
4)对平面波导进行退火处理；
5)在平面波导的两个抛光端面上镀激光谐振腔膜，形成平面波导激光器件；
利用光刻在步骤1)得到的样品的待注入面上制作光刻胶掩膜，然后重复步骤2)至5)，得到条形波导激光器件；
6)将泵浦光耦合到平面波导或条形波导激光器件中去，可输出波长在1030±1纳米的红外激光。
氮离子注入时，氮离子为一价氮离子；热退火处理的条件是，温度范围260-300℃，时间范围30-60分钟。
相比一般采用的轻离子(氢或氦)注入，氮离子注入形成Yb:YAG陶瓷波导结构所需要的注入剂量低1～2个数量级，因而成本较低；氮离子注入形成的波导损耗低，光学性质好；通过改变注入离子的能量和剂量，可以调控波导的厚度和折射率改变量，波导的可控性强。
附图说明
图1为本发明氮离子注入制备Yb:YAG陶瓷平面及条形波导激光的工艺流程图；
图2为氮离子注入Yb:YAG陶瓷的平面波导制作工艺步骤示意图；
图3为Yb:YAG陶瓷平面波导激光器件的示意图；
图4为氮离子注入Yb:YAG陶瓷的条形波导制作工艺步骤示意图；
图5为Yb:YAG陶瓷条形波导激光器件的示意图。
图中：1.MeV氮离子注入，2.平面波导，3.Yb:YAG陶瓷，4.偏振片，5.泵浦光，6.激光谐振腔输入端镀膜，7.激光谐振腔输出端镀膜，8.凸透镜，9.波导激光，10.光刻胶，11.条形波导。
具体实施方式
实施例1：
氮离子注入镱离子掺杂石榴石陶瓷的平面波导激光器件的制备
1)对镱掺杂钇铝石榴石陶瓷样品(3)的待注入面进行抛光，并清洗抛光后的样品表面；
2)对样品的待注入面进行氮离子注入(1)，能量为7兆电子伏特，剂量为8×1014离子每平方厘米，形成平面波导。
3)将垂直于平面波导(2)的两个面(端面)抛光。
4)将平面波导在260摄氏度，退火30分钟。
5)在平面波导的两个抛光的端面上镀激光谐振腔膜(6，7)形成平面波导激光器件。激光谐振腔镀膜至少能够覆盖端面波导的范围。通光进入方向镀950-970纳米全透、1020-1040纳米全反或高反(6)，输出端面镀950-970纳米全反或高反、1020-1040纳米部分反射的谐振腔膜(7)。
6)将波长为960纳米的泵浦光(5)，通过偏振片(4)使得泵浦光的偏振方向垂直于平面波导表面，用透镜(8)耦合到平面波导中去，可输出波长在1030±1纳米的红外激光(9)。
实施例2：
用氮离子注入制备镱离子掺杂石榴石陶瓷的条形波导激光器件
1)对镱掺杂钇铝石榴石陶瓷样品(1)的待注入面进行抛光，并清洗抛光后的样品表面；
2)利用光刻在样品的待注入面上，制作光刻胶掩膜(10)，光刻胶掩膜的厚度为3微米。如制备平面波导激光器件，需要跳过这一步骤。
3)对样品的待注入面进行氮离子注入(1)，形成条形波导，氮离子注入能量为9兆电子伏特，剂量为9×1014离子每平方厘米。
4)将垂直于条形波导(11)的两个面(端面)抛光。
5)对条形波导进行退火处理。退火温度为280摄氏度，时间为30分钟。
6)在条形波导的两个抛光的端面上镀激光谐振腔膜(6，7)，得到条形波导激光器件。激光谐振腔镀膜至少能够覆盖端面波导的范围。通光进入方向镀950-970纳米全透、1020-1040纳米全反或高反(6)，输出端面镀950-970纳米全反或高反、1020-1040纳米部分反射的谐振腔膜(7)。
7)将波长为960纳米的泵浦光(5)，通过偏振片(4)使得泵浦光的偏振方向垂直与样品表面，用透镜(8)耦合到波导中去，可输出波长在1030±1纳米的红外激光(9)。

Claims (2)

1.一种镱掺杂钇铝石榴石陶瓷平面或条形波导激光器件的制备方法，其特征在于，制备方法如下：
1)对镱掺杂钇铝石榴石陶瓷样品的待注入面进行抛光，并清洗抛光后的样品表面；
2)对样品的待注入面进行氮离子注入，形成平面波导；能量范围为7-10兆电子伏特，剂量范围为5×1014-2×1015离子每平方厘米；
3)对垂直于平面波导的两个端面抛光；
4)对平面波导进行退火处理；
5)在平面波导的两个抛光端面上镀激光谐振腔膜，形成平面波导激光器件；
利用光刻在步骤1)得到的样品的待注入面上制作光刻胶掩膜，然后重复步骤2)至5)，得到条形波导激光器件；
6)将泵浦光耦合到平面波导或条形波导激光器件中去，可输出波长在1030±1纳米的红外激光。
2.如权利要求1所述的镱掺杂钇铝石榴石陶瓷平面或条形波导激光器件的制备方法，其特征在于：氮离子注入时，氮离子为一价氮离子；热退火处理的条件是，温度范围260-300℃，时间范围30-60分钟。
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