CN102044825A - 激光晶体波导谐振腔、波导腔激光器及二者的制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种激光晶体波导谐振腔，其包括：折射率渐变的激光晶体第一基片和第二基片，泵浦光进入的表面和激光出射的表面；第一基片和第二基片的键合处的折射率最大，泵浦光进入的表面和激光出射的表面抛光后镀上对激光工作波长的高反射介质膜。本发明还提供一种激光晶体波导谐振腔的制作工艺、波导腔激光器及其制作工艺。本发明采用折射率渐变的基质晶体作为波导材料，使得激光晶体波导谐振腔具有的温度带宽较大，能够更有效地工作在大的温度范围条件下，通用性较强。

Description

激光晶体波导谐振腔、波导腔激光器及二者的制作工艺

技术领域

本发明涉及激光技术领域，尤其涉及一种激光晶体波导谐振腔、波导腔激光器及二者的制作工艺。 

背景技术

随着激光技术的快速发展，激光设备也有了越来越大量的需求。

目前，在高功率激光二极管(Laser Diode，LD)抽运的固态激光器应用中，重点研究的课题为，如何将高发散角、非对称和非衍射极限光耦合到激光介质中，从而获得紧凑、高效和高光束质量的激光源。紧凑、高效和高光束质量的激光源具有非常广泛的应用前景。

在对上述课题的研究过程中，得出两个技术方向，其中一个为双包层光纤激光器，另外一个为而平板波导型激光器。

双包层光纤的出现无疑是光纤领域的一大突破，它使得高功率的光纤激光器和高功率的光放大器的制作成为现实。自1988年E Snitzer首次描述包层泵浦光纤激光器以来，包层泵浦技术已被广泛地应用到光纤激光器和光纤放大器等领域，成为制作高功率光纤激光器优选途径。

与双包层光纤相对比，平板波导结构的优势在于：(1)与同样具有光波导结构的条形二极管激光器可以很好地匹配而不需要额外的光束整形；(2)波导结构所具有的大数值孔径(NA)，可以很好地约束非衍射极限的光束，因此，只需要简单的聚焦光学系统甚至采用接近式耦合系统而无需任可光学元件，采用后者的方案可以获得简洁而紧凑的激光器件；(3)平板波导结构的另一个优势是适合采用单面的大面积冷却，有利于散热，而且，一维的热梯度还有利于确定双折射的方向从而避免偏振损失。

当前，制作平板波导的方法主要有两种：(1)第一种方法是外延生长技术，其包括液相外延技术、分子束外延技术和脉冲激光沉淀术。这种技术的不足之处在于，制作的波导层之间实现晶格密接的要求限制了这些技术的有效应用。在第一种方法未能有效地运用情况下，研究人员开始尝试第二方法。(2)第二种方法是直接键合。这是一种基于高质量的光学抛光而不用胶接的粘合技术，结合力完全是靠分子间的范德瓦尔斯力的作用。这种技术的不足之处在于，对键合材料的热膨胀系数有着严格的一致性匹配要求，由不同材料键合形成的平板波导激光器很难工作在大的温度范围或高功率激光输出的条件下。

发明内容

本发明解决的技术问题是，提供一种激光晶体波导谐振腔，该激光晶体波导谐振腔具有的温度带宽较大，能够更有效地工作在大的温度范围条件下，通用性较强。

本发明解决的另一技术问题是，还提供一种波导腔激光器。

本发明解决的又一技术问题是，还提供一种激光晶体波导谐振腔的制作工艺。

本发明解决的另一技术问题是，还提供一种波导腔激光器的制作工艺。

本发明为解决技术问题而采用的技术方案是：

1)一种激光晶体波导谐振腔，其包括：折射率渐变的激光晶体第一基片和第二基片，泵浦光进入的表面和激光出射的表面；

2)折射率渐变的激光晶体第一基片和第二基片的键合处的折射率最大，泵浦光进入的表面和激光出射的表面抛光后镀上对激光工作波长的高反射介质膜。

根据本发明一优选实施例，所述泵浦光进入的表面还镀上对泵浦波长的增透介质膜。

根据本发明一优选实施例，所述泵浦光进入的表面为激光晶体波导谐振腔的端面，表面或者侧面中之一。

本发明为解决技术问题而采用的技术方案是：

1)一种波导腔激光器，其包括：高功率激光二极管，激光输出整形透镜和上述任一项所述的激光晶体波导谐振腔；

2)所述高功率激光二极管与光学输入耦合透镜相对设置，所述高功率激光二极管输出的泵浦光通过光学输入耦合透镜从所述泵浦光进入的表面耦合进入激光晶体波导谐振腔中，再所述激光出射的表面输出激光，并经过激光输出整形透镜整形输出。

本发明为解决技术问题而采用的技术方案是：

一种激光晶体波导谐振腔的制作工艺，其包括：

1)将折射率渐变的激光晶体基片的一个表面抛光，从抛光面沿其法线方向，激光晶体基片的折射率渐变；

2)将激光晶体基片沿抛光面的法线方向切割成两片基片，并把两片基片的抛光面深化光胶键合，得到键合好的元件；

3)把键合好的元件的泵浦光进入的表面抛光，并在泵浦光进入的表面镀上对激光工作波长的高反射介质膜以形成激光晶体波导谐振腔。

根据本发明一优选实施例，从抛光面沿其法线方向，所述激光晶体基片的折射率逐渐减少。

根据本发明一优选实施例，所述泵浦光进入的表面还镀上对泵浦波长的增透介质膜。

根据本发明一优选实施例，所述泵浦光进入的表面为激光晶体波导谐振腔的端面，表面或者侧面中之一。

本发明为解决技术问题而采用的技术方案是：

一种波导腔激光器的制作工艺，其包括：

1)上述激光晶体波导谐振腔的制作工艺任一项所述的步骤；

2)在激光晶体波导谐振腔的泵浦光进入的表面前设置光学输入耦合透镜；

3)在光学输入耦合透镜非激光晶体波导谐振腔的一端，设置LD；

4)在激光晶体波导谐振腔的激光出射的表面前设置激光输出整形透镜。

本发明采用折射率渐变的基质晶体作为波导材料，其热膨胀系数满足严格的一致性匹配要求，具有的温度带宽较大，能够更有效地工作在大的温度范围条件下，通用性较强，使得大规模推广运用。

附图说明

图1是本发明激光晶体波导谐振腔一较佳实施例的剖面示意图。

图2是本发明激光晶体波导谐振腔制作工艺一较佳实施例的流程示意图。

图3是图2所述激光晶体波导谐振腔制作过程的结构示意图。

图4是本发明波导腔激光器第一较佳实施例的结构示意图。

图5是本发明波导腔激光器第二较佳实施例的结构示意图。

图6是本发明波导腔激光器第三较佳实施例的结构示意图。

图7是本发明波导腔激光器制作工艺一较佳实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

请参阅图1，其是本发明激光晶体波导谐振腔一较佳实施例的剖面示意图。

一种激光晶体波导谐振腔，其包括折射率渐变的激光晶体第一基片101A和第二基片101B、端面S2和S3。其中，第一基片101A和第二基片101B的键合处的折射率最大。第一基片101A和第二基片101B的键合处，分别对应第一基片101A的第一抛光面A，对应第二基片101B的第二抛光面B。在端面S2、S3抛光后镀上对激光工作波长的高反射介质膜。较优地，在端面S2上还可以进一步镀上对泵浦波长的增透介质膜。

在上述实施例中，端面S2和S3对应端面泵浦耦合的形式。当对应表面泵浦或侧面泵浦的形式，激光晶体波导谐振腔对应泵浦进入的面，需要抛光并镀泵浦光波长的增透膜。

请参阅图2，其是本发明激光晶体波导谐振腔的制作工艺一较佳实施例的流程示意图。

一种激光晶体波导谐振腔的制作工艺，其包括以下步骤：

1)步骤S11、将折射率渐变的激光晶体基片的一个表面抛光，从抛光面沿其法线方向，激光晶体基片的折射率渐变；在本步骤中，对激光晶体基片的一个表面进行抛光，如图3(a)所示，得到抛光面S1。抛光面S1上的虚线表示法线，该法线方向为垂直于所述抛光面S1。依照法线的划分，抛光面S1分为第一抛光面A和第二抛光面B。沿着法线方向，激光晶体基片的折射率逐渐减少。图3(a)中直角坐标系x-n表明激光晶体基片的折射率沿着法线方向逐渐减少；

2)步骤S12、将激光晶体基片沿抛光面的法线方向切割成两片基片，并把两片基片的抛光面深化光胶键合，得到键合好的元件；在本步骤中，利用切割设备，比如激光切割机对激光晶体基片进行切割。如图3(a)和图3(b)所示，沿抛光面S1的法线方向，将激光晶体基片切割成第一基片101A和第二基片101B，第一基片101A对应的抛光面为第一抛光面A，第二基片101B对应的抛光面为第二抛光面B。再把第一、第二基片101A、101B分别对应的第一、第二抛光面A、B深化光胶键合。图3(b)中直角坐标系x-n表明由第一、第二基片101A、101B键合好的元件的折射率由外向内逐渐增加；

3)步骤S13、把键合好的元件的端面抛光，并在端面镀上对激光工作波长的高反射介质膜以形成激光晶体波导谐振腔；如图3(c)所示，把键合好的元件的端面S2、S3抛光，并在端面S2、S3镀上对激光工作波长的高反射介质膜，以形成激光晶体波导谐振腔。较优地，在端面S2上还可以进一步镀上对泵浦波长的增透介质膜。

除了上述一种激光晶体波导谐振腔制作工艺的实施例外，本发明还提供另一种激光晶体波导谐振腔制作工艺的实施例，其与第一种实施例的区别之处在于步骤S2：将两片基片中一片更换为比抛光面折射低的同基质晶体，把未更换的一基片沿着抛光面与该同基质晶体深化光胶键合，得到键合好的元件。

与现有技术相对比，本发明提供的一种激光晶体波导谐振腔及其制作工艺，采用折射率渐变的基质晶体为波导材料，其热膨胀系数满足严格的一致性匹配要求，具有的温度带宽较大，能够更有效地工作在大的温度范围条件下，通用性较强。

请参阅图4，其是本发明波导腔激光器第一较佳实施例的结构示意图。

一种波导腔激光器，其包括：高功率激光二极管(LD) 1，光学输入耦合透镜2，激光晶体波导谐振腔3和激光输出整形透镜4。其中，激光晶体波导谐振腔3包括两个端面S2、S3。在端面S2、S3镀上对激光工作波长的高反射介质膜。较优地，在端面S2上还可以进一步镀上对泵浦波长的增透介质膜。此外，激光晶体波导谐振腔3由折射率渐变的两个激光晶体基片键合而成，且键合处的折射率最大。

LD1与光学输入耦合透镜2相对设置，LD1输出的泵浦光通过光学输入耦合透镜2从激光晶体波导谐振腔3的端面S2耦合进入激光晶体波导谐振腔3中，再从激光晶体波导谐振腔3的端面S3输出激光，并经过激光输出整形透镜4整形输出。

本实例采用的是端面泵浦耦合的形式。

请参阅图5，其是本发明波导腔激光器第二较佳实施例的结构示意图。

与本发明波导腔激光器第一较佳实施例相比较，其区别点在于：第二较佳实施例中，采用表面泵浦的形式，可以大面积的泵浦，减少耦合要求，这种泵浦结构中，激光晶体波导谐振腔3的表面S4需要抛光并镀上泵浦光波长的增透膜。

请参阅图6，其是本发明波导腔激光器第三较佳实施例的结构示意图。

与本发明波导腔激光器第一较佳实施例相比较，其区别点在于：第三较佳实施例中，采用侧面泵浦的形式，在侧面泵浦的结构中，激光晶体波导谐振腔3的侧面S4需要抛光并镀上泵浦光波长的增透膜。

请参阅图7，其是本发明波导腔激光器制作工艺一较佳实施例的流程示意图。

一种波导腔激光器制作工艺，其包括以下步骤：

1)步骤S101、制作激光晶体波导谐振腔；本步骤为前述的本发明提供的一种激光晶体波导谐振腔制作工艺；

2)步骤S102、在激光晶体波导谐振腔的泵浦光进入的表面前设置光学输入耦合透镜；

3)步骤S103、在光学输入耦合透镜非激光晶体波导谐振腔的一端，设置LD；

4)步骤S104、在激光晶体波导谐振腔的激光出射的表面前设置激光输出整形透镜。

与现有技术相对比，本发明提供的一种波导腔激光器及其制作工艺，采用折射率渐变的基质晶体作为波导材料，其热膨胀系数满足严格的一致性匹配要求，具有的温度带宽较大，能够更有效地工作在大的温度范围条件下，通用性较强，使得大规模推广运用。

在上述实施例中，仅对本发明进行了示范性描述，但是本领域技术人员在阅读本专利申请后可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下对本发明进行各种修改。

Claims (9)

1.一种激光晶体波导谐振腔，其特征在于，所述激光晶体波导谐振腔包括：折射率渐变的激光晶体第一基片和第二基片，泵浦光进入的表面和激光出射的表面；

折射率渐变的激光晶体第一基片和第二基片的键合处的折射率最大，泵浦光进入的表面和激光出射的表面抛光后镀上对激光工作波长的高反射介质膜。

2.根据权利要求1所述的激光晶体波导谐振腔，其特征在于，所述泵浦光进入的表面还镀上对泵浦波长的增透介质膜。

3.根据权利要求1所述的激光晶体波导谐振腔，其特征在于，所述泵浦光进入的表面为激光晶体波导谐振腔的端面，表面或者侧面中之一。

4.一种波导腔激光器，其特征在于，所述波导腔激光器包括：高功率激光二极管，激光输出整形透镜和权利要求1至3任一项所述的激光晶体波导谐振腔；

所述高功率激光二极管与光学输入耦合透镜相对设置，所述高功率激光二极管输出的泵浦光通过光学输入耦合透镜从所述泵浦光进入的表面耦合进入激光晶体波导谐振腔中，再所述激光出射的表面输出激光，并经过激光输出整形透镜整形输出。

5.一种激光晶体波导谐振腔的制作工艺，其特征在于，包括：

1)将折射率渐变的激光晶体基片的一个表面抛光，从抛光面沿其法线方向，激光晶体基片的折射率渐变；

2)将激光晶体基片沿抛光面的法线方向切割成两片基片，并把两片基片的抛光面深化光胶键合，得到键合好的元件；

3)把键合好的元件的泵浦光进入的表面抛光，并在泵浦光进入的表面镀上对激光工作波长的高反射介质膜以形成激光晶体波导谐振腔。

6.根据权利要求5所述的激光晶体波导谐振腔的制作工艺，其特征在于，从抛光面沿其法线方向，所述激光晶体基片的折射率逐渐减少。

7.根据权利要求5所述的激光晶体波导谐振腔的制作工艺，其特征在于，所述泵浦光进入的表面还镀上对泵浦波长的增透介质膜。

8.根据权利要求5所述的激光晶体波导谐振腔，其特征在于，所述泵浦光进入的表面为激光晶体波导谐振腔的端面，表面或者侧面中之一。

9.一种波导腔激光器的制作工艺，其特征在于，包括：

1)权利要求5至8的任一项所述的步骤；

2)在激光晶体波导谐振腔的泵浦光进入的表面前设置光学输入耦合透镜；

3)在光学输入耦合透镜非激光晶体波导谐振腔的一端，设置LD；

4)在激光晶体波导谐振腔的激光出射的表面前设置激光输出整形透镜。

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