CN102484349A - 非线性晶体封装的方法及其在二极管泵浦固态激光器中的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及封装与激光晶体(例如，掺Nd的YVO4)粘接的具有周期性畴反转结构的光学非线性晶体(例如，周期性极化的掺MgO的铌酸锂)的方法，以在内腔结构中实现有效的二次谐波发生。

Description

非线性晶体封装的方法及其在二极管泵浦固态激光器中的应用
技术领域
本发明涉及基于准相位匹配(QPM)技术封装光学非线性晶体的方法，其可以用来产生波长范围从UV至中IR的光。
背景技术
在开发基于QPM光学非线性晶体的二次谐波(second harmonic：SHG)激光器的过程中，QPM晶体的优化封装是必要的。通常，二极管泵浦固态(DPSS)SHG激光器由泵浦激光二极管(例如，激射波长为808nm的半导体激光二极管)、激光晶体(例如，掺Nd的YVO4)、QPM晶体(例如，掺氧化镁的周期性极化铌酸锂或MgO:PPLN)以及光纤输出耦合镜形成。激光晶体和QPM晶体的晶面上都适当地涂覆有高反射(HR)或防反射(AR，增透)膜，这样可以将基频光限制在激光谐振腔内，而SHG光被有效地耦合在激光谐振腔外。QPM晶体作为二次谐波发生器，在该发生器中，周期性畴反转光栅沿着光栅方向上形成，以满足QPM条件。通过利用激射波长为808nm的泵浦激光二极管来泵浦激光晶体(即，掺Nd的YVO4)，在激光谐振腔内生成波长为λ(即，1064nm)的基频光。如果适当地选择QPM晶体的周期从而使得非线性晶体的QPM波长与基频光波长匹配，则可以有效地产生波长为λ/2(即，532nm)的二次谐波光。畴反转光栅Λ的周期由QPM的条件(即，2(n2ω-nω)＝λ/Λ，其中，n2ω和nω分别为SH光和基频光处的折射率)决定。
为了获得有效的波长转换，减小激光器的尺寸并降低激光器的封装成本，通常采用粘接结构(bonded structure)，其中，激光晶体2(例如，掺Nd的YVO4)和非线性晶体3(例如，MgO:PPLN)粘接在一起，如图1所示。为了将基频光限制在激光谐振腔内，降低泵功率的耦合损耗并从谐振腔有效地耦合SH光，激光晶体2涂覆有膜1，该膜1在基频光和SH光的波长(例如，1064nm和532nm处具有HR，而在泵浦光的波长(例如，808nm)处具有AR，同时非线性晶体3涂覆有膜4，该膜4在基频光(例如，1064nm)处具有HR，而在SH光(例如，532nm)处具有AR。
事实上，使用粘接非线性晶体的上述技术是众所周知的，并且已经在许多文献中进行了披露，诸如，Mooradian等人，美国专利第4,953,166号，Microchip laser，1989年2月9日；J.J.Zayhowski等人，“Diode-pumpedpassively Q-switched picosecond microchip”，光学快报，第19卷，第1427页(1994)；R.Fluck等人，“Passively Q-switch 1.34-micron Nd:YVO4microchip laser with semiconductor saturable-absorber mirrors”，光学快报，第22卷，第991页(1997)；美国专利第5,295,146号，1994年3月15日，Gavrilovic等人，Solid state gain mediums for optically pumed monolithiclaser；美国专利第5,574,740号，1994年8月23日，Hargis等人，Deep bluemicrolaser；美国专利第5,802,086号，1998年9月1日，Hargis等人，High-efficiency cavity doubling 1aser；美国专利第7,149,231号，2006年12月12日，Afzal等人，Monolithic，side-pumped，passively Q-switchedsolid-state laser；美国专利第7,260,133号，2007年8月21日，Lei等人，Diode-pumped laser；美国专利第7,535,937号，2009年5月19日，Luo等人，Monolithic microchip laser with intra-cavity bean combining and sumfrequency or difference frequency mixing；美国专利第7,535,938号，2009年5月19日，Luo等人，Low-noise monolithic microchip lasers capable ofproducing wavelengths ranging from IR to UV based on efficient andcost-effective frequency conversion；美国专利第7,570,676号，2009年8月4日，Essaian等人，Compact efficient and robust ultraviolet solid-state lasersources based on nonlinear frequency conversion in periodically poledmaterials；USPC类：372 10，IPC8类：AH01S311FI，Essaian等人；R.F.Wu等人，“High-power diffusion-bonded walk-off-compensated KTP OPO”，Proc.SPIE，第4595卷，115(2001)；Y.J.Ma等人，“Single-longitudinal modeNd:YVO4 microchip laser with orthogonal-polarization bidirectionaltraveling-waves mode”，2008年11月10日，第16卷，23号，光学快报18702；C.S.Jung等人，“A Compact Diode-Pumped Microchip Green LightSource with a Built-in Thermoelectric Element”，应用物理快报1(2008)062005。
可以通过使用粘性环氧树脂或直接粘接技术来实现粘接。由于环氧树脂在高的光功率下会被损坏，所以，尽管粘性环氧树脂粘接的处理比直接粘接容易，但对于高功率SHG激光器，必须使用直接粘接或光学粘接技术。
粘接的非线性晶体可以是传统的非线性晶体(诸如KTP)或周期性极化晶体(诸如PPLN)。采用粘接的非线性晶体的激光器可以基于二次谐波发生(SHG)或和频发生(SFG)或差频发生(DFG)。由于KTP的非线性系数比PPLN低得多，所以从激光效率上考虑，在SHG激光器中优选使用PPLN作为非线性晶体。
然而，采用非线性晶体的粘接结构存在几个问题，这些问题对于PPLN晶体尤其严重。首先，由于非线性晶体和激光晶体的导热率低，因此激光性能因热效应而降低。这对于高功率SHG激光器(例如，＞100mW)尤其严重。其次，与KTP不同，具有周期性畴反转结构的非线性晶体(例如，MgO:PPLN)通常具有薄的厚度(通常为0.5mm)。结果，由于粘接表面的有限横截面，所以很难直接与激光晶体粘接。
发明内容
本发明的目的在于提供一些方法来克服在包括具有粘接结构的非线性晶体的DPSS激光器中所涉及的问题。在这些方法中，引入了具有高导热率的基板以去除激光晶体和非线性晶体内产生的热量，并增大激光晶体和非线性晶体的粘接表面的横截面。
按照本发明的一个方面，如图2所示，将激光晶体2和非线性晶体3首先分别与基板5、6粘接，然后再粘接在一起。基板5、6具有高的导热率并具有相同的厚度。激光晶体2与基板1之间以及非线性晶体3与基板2之间的粘接7、8可以为直接粘接或环氧树脂粘接，而激光晶体2与非线性晶体3之间的粘接为直接粘接，这是因为环氧树脂不因该存在于光路中，这对于高功率DPSS激光器尤其重要。适当地选择基板的厚度，从而使得横截面足够大以便于进行粘接。激光晶体和非线性晶体的晶面上适当地涂覆有高反射(HR)或增透(AR)膜1、4，从而将基频光限制在激光谐振腔内，而SHG光被有效地耦合在激光谐振腔外。在绿色DPSS激光器的情况下，膜1在基频光和SH光的波长(例如，1064nm和532nm)处具有HR但在泵浦光的波长(例如，808nm)处具有AR，而膜4在基频光(例如，1064nm)处具有HR，在SH光(例如，532nm)处具有AR。二次谐波发生仅发生在满足相位匹配条件的非线性晶体3中。通过利用激射波长为808nm的泵浦激光二极管泵浦激光晶体(即，掺Nd的YVO4)，在激光谐振腔内生成波长为λ(即，1064nm)的基频光。如果适当地选择非线性晶体使得满足相位匹配条件，则可以有效地生成波长为λ/2(即，532nm)的二次谐波光。
附图说明
结合附图，根据以下的详细描述，将能够更充分地理解本发明。
在附图中：
图1为用于DPSS SHG激光器的粘接非线性晶体与激光晶体的现有技术的示意图。
图2为用于说明根据本发明的实现粘接结构的方法的概念的示意图。
图3为用于说明根据本发明的实现粘接结构的第一优选实施方式中描述的方法的概念的示意图。
图4为用于说明根据本发明的实现粘接结构的第二优选实施方式中描述的方法的概念的示意图。
图5为用于说明根据本发明的实现粘接结构的第三优选实施方式中描述的方法的概念的示意图。
图6为用于说明根据本发明的实现粘接结构的第四优选实施方式中描述的方法的概念的示意图。
图7为用于说明根据本发明的实现粘接结构的第五优选实施方式中描述的方法的概念的示意图。
具体实施方式
本发明通过以下所描述的方法解决了上述问题。
在第一优选实施方式中，用于DPSS激光器的粘接结构如图3所示。激光晶体2(例如，Nd:YVO4)与非线性晶体3(例如，MgO:PPLN)首先分别与基板(硅基板)5、6粘接。在此，激光晶体和非线性晶体可采用典型的厚度(例如，0.5mm)，而适当地选择Si基板的厚度(例如，0.5mm～2.5mm)，使得横截面的面积足够大以便进行随后的晶面粘接。可以使用大的晶片尺寸来进行激光晶体2和Si基板5之间的粘接以及非线性晶体3与Si基板6之间的粘接，从而降低整个制造成本。Si基板5、6具有高的导热率和相同的厚度。尽管高成本的直接粘接也是可以接受的，但激光晶体2与Si基板5之间以及非线性晶体3与Si基板6之间的粘接7、8可以是环氧树脂粘接。在切割和抛光晶面之后，激光晶体2和非线性晶体3然后直接粘接在一起而无需环氧树脂。同时，激光晶体与非线性晶体下方的Si基板也直接粘接而无需环氧树脂。环氧树脂不应该存在于光路中，这对于高功率DPSS激光器尤其重要。激光晶体与非线性晶体的外晶面平行并适当涂覆有高反射(HR)或增透(AR)膜1、4，从而将基频光限制在激光谐振腔内，而SHG光被有效地耦合在激光谐振腔外。在绿色DPSS激光器的情况下，膜1在基频光和SH光的波长(例如，1064nm和532nm)处具有HR，但在泵浦光的波长(例如，808nm)处具有AR，而膜4在基频光(例如，1064nm)处具有HR，在SH光(例如，532nm)处具有AR。翻转粘接的晶体使得激光晶体和非线性晶体直接与热沉或金属底座接触，以去除晶体中产生的热量。二次谐波发生仅发生在满足QPM条件的非线性晶体3中。通过利用激射波长为808nm的泵浦激光二极管泵浦激光晶体(例如，掺有Nd的YVO4)，在激光谐振腔内生成了波长为λ(即，1064nm)的基频光。如果适当选择非线性晶体使得满足相位匹配条件，则可有效地生成波长为λ/2(即，532nm)的二次谐波光。
基于以上描述，容易理解的是，由于Si基板和金属底座的高的导热率，可以容易地去除激光晶体和非线性晶体内产生的热量。另外，由于直接粘接晶面的总横截面明显增大(从0.5mm增大至1mm以上)，所以可以解决先前粘接处理中晶面的直接粘接中所涉及的问题。此外，考虑到DPSS激光器中的光束直径通常仅为50μm的事实，可将激光晶体和非线性晶体的厚度减小至100～200μm，以进一步提高去除晶体内产生的热量的效率。
本发明的第二优选实施方式中，用于DPSS激光器的粘接结构如图4所示。激光晶体(例如，Nd:YVO4)2和非线性晶体(例如，MgO:PPLN)3首先分别与基板(Si基板)5、6粘接。这里，激光晶体和非线性晶体可以使用典型的厚度(例如，0.5mm)。激光晶体与非线性晶体的厚度可减小至100～200μm。然后，将激光晶体与非线性晶体分别与另外的Si基板11、12粘接。适当地选择Si基板的厚度(例如，0.5mm～2.5mm)，使横截面足够大以便于随后进行晶面粘接。可使用大的晶片尺寸来进行激光晶体2与Si基板5、11之间的粘接以及非线性晶体3与Si基板6、12之间的粘接，从而降低整个制造成本。Si基板5、6、11、12具有高的导热率，基板5、6具有相同的厚度，基板11、12也具有相同的厚度。尽管较高成本的直接粘接也是可接受的，但激光晶体2与Si基板5、11之间以及非线性晶体3与Si基板6、12之间的粘接7、8、9、10可以是环氧树脂粘接。在切割和抛光晶面之后，激光晶体2与非线性晶体3然后直接粘接在一起而无需环氧树脂。同时，将激光晶体与非线性晶体夹置的Si基板也采用直接粘接而无需环氧树脂。环氧树脂不应该存在于光路中，这对于高功率的DPSS激光器尤其重要。激光晶体与非线性晶体的外晶面平行并适当地涂覆有高反射(HR)或增透(AR)膜1、4，以将基频光限制在激光谐振腔内，而SHG光被有效地耦合在激光谐振腔外。在绿色DPSS激光器的情况下，膜1在基频光和SH光的波长(例如，1064nm和532nm)处具有HR，但在泵浦光的波长(例如，808nm)处具有AR，而膜4在基频光(例如，1064nm)处具有HR，在SH光(例如，532nm)处具有AR。二次谐波发生仅发生在满足QPM条件的非线性晶体3中。通过利用激射波长为808nm的泵浦激光二极管泵浦激光晶体(即，掺杂Nd的YVO4)，在激光谐振腔内生成了波长为λ(即，1064nm)的基频光。如果适当地选择非线性晶体从而满足相匹配条件，则可有效地生成波长为λ/2(即532nm)的二次谐波光。
基于以上描述，容易理解的是，由于Si基板的高的导热率，所以可以容易地去除激光晶体和非线性晶体内产生的热量。另外，由于直接粘接晶面的总横截面明显增大(从0.5mm增大至1mm以上)，可以解决先前粘接处理中晶面的直接粘接中所涉及的问题。
在本发明第三优选实施方式中，用于DPSS激光器的优选粘接结构如图5所示。激光晶体(例如，Nd:YVO4)2和非线性晶体(例如，MgO:PPLN)3首先分别与基板(Si基板)5、6粘接。这里，激光晶体和非线性晶体可以使用典型的厚度(例如，0.5mm)。而适当地选择Si基板的厚度(例如，0.5mm～2.5mm)，使得横截面足够大以便进行随后的晶面粘接处理。可使用大的晶片尺寸来进行激光晶体2与Si基板5之间的粘接以及非线性晶体3与Si基板6之间的粘接，从而降低整个制造成本。Si基板5、6具有高的导热率和相同的厚度。尽管较高成本的直接粘接也是可接受的，但激光晶体2与Si基板5之间的粘接7以及非线性晶体3与Si基板6之间的粘接8可以是环氧树脂粘接。在切割和抛光晶面之后，激光晶体2与非线性晶体3然后经由隔离件11通过环氧树脂而粘接。为了避免激光晶体与非线性晶体之间的热传递，优选具有低的导热率的材料(例如，低导热性的玻璃)用作隔离件。隔离件11的高度应等于或略低于Si基板的高度，而可以在几μm和几mm(例如，1μm～1μm)的范围内选择隔离件11的厚度，使得激光晶体与非线性晶体之间的光耦合损耗可忽略不计，在光路中不存在环氧树脂，可以容易地进行粘接。激光晶体与非线性晶体的晶面平行并适当地涂覆有高反射(HR)或增透(AR)膜1、4、9、10，从而将基频光限制在激光谐振腔内，而SHG光被有效地耦合在激光谐振腔外。在绿色DPSS激光器的情况下，膜1在基频光的波长(例如，1064nm)处具有HR，但在泵浦光的波长(例如，808nm)处具有AR；膜4在基频光(例如，1064nm)处具有HR，在SH光(例如，532nm)处具有AR；膜9在基波长(例如，1064nm)处具有AR；膜10在基波长(例如，1064nm)处具有AR，但在SH波长(例如，532nm)处具有HR。在激光封装中翻转粘接晶体以使得激光晶体和非线性晶体与散热片或金属底座直接接触，以去除晶体内产生的热量。二次谐波发生仅发生在满足QPM条件的非线性晶体3中。通过利用激射波长为808nm的泵浦激光二极管泵浦激光晶体(即，掺Nd的YVO4)，在激光谐振腔内生成了波长为λ(即，1064nm)的基频光。如果适当地选择非线性晶体使得满足相位匹配条件，则可有效地生成波长为λ/2(即，532nm)的二次谐波光。
基于以上描述，容易理解的是，在该结构中，直接粘接(其比环氧树脂粘接更昂贵且更困难)并非绝对必要的。由于Si基板的导热率相对较高，所以可以相对容易地去除激光晶体和非线性晶体内产生的热量。另外，由于直接粘接晶面的总横截面明显增大(从0.5mm增大至1mm以上)，所以可以解决薄晶体的粘接中所涉及的问题。此外，考虑到DPSS激光器中的光束直径通常仅为50μm的事实，可将激光晶体和非线性晶体的厚度减小至100～200μm，以进一步提高去除晶体内产生的热量的效率。
在本发明的第四优选实施方式中，用于DPSS激光器的优选的粘接结构如图6所示。激光晶体(例如，Nd:YVO4)2和非线性晶体(例如，MgO:PPLN)3首先分别与基板(Si基板)5、6粘接。这里，激光晶体和非线性晶体可以使用典型的厚度(例如，0.5mm)。激光晶体和非线性晶体的厚度可以减小至100～200μm。然后，将激光晶体与非线性晶体分别与其他的Si基板11、12粘接。适当地选择Si基板的厚度(例如，0.5mm～2.5mm)，使横截面足够大以便于随后进行晶面粘接处理。可使用大的晶片尺寸来进行激光晶体2与Si基板5、11之间的粘接以及非线性晶体3与Si基板6、12之间的粘接，从而降低整个制造成本。Si基板5、6、11、12具有高的导热率，基板5、6具有相同的厚度，基板11、12也具有相同的厚度。尽管较高成本的直接粘接也是可接受的，但激光晶体2与Si基板5、11之间以及非线性晶体3与Si基板6、12之间的粘接7、8、9、10可以是环氧树脂粘接。在切割和抛光晶面之后，激光晶体2与非线性晶体3经由隔离件15通过环氧树脂而粘接。为了避免激光晶体与非线性晶体之间的热传递，优选具有低的导热率的材料(例如，低导热性的玻璃)用作隔离件。隔离件15可以是形成有孔的矩形(如图6(a)所示)或者为矩形(如图6(b)所示)。在图6(a)的情况下，隔离件15的外围尺寸与包括Si基板与激光晶体或非线性晶体的晶面的横截面的尺寸相同，而隔离件15中的矩形孔的高度等于或略大于夹在Si基板之间的激光晶体或非线性晶体的厚度，而深度足够深以容易进行光耦合(例如，100μm～2mm)。在图6(b)的情况下，隔离件15的高度应等于或略低于Si基板的高度，而隔离件15的厚度可在几μm和几μm的范围内(例如，1μm～1mm)选择，使得激光晶体与非线性晶体之间的光耦合损耗可忽略不计，在光路中不存在环氧树脂，从而可以容易地进行粘接。激光晶体与非线性晶体的晶面平行并适当地涂覆有高反射(HR)或增透(AR)膜1、4、13、14，以将基频光限制在激光谐振腔内，而SHG光被有效地耦合在激光谐振腔外。在绿色DPSS激光器的情况下，膜1在基频光的波长(例如，1064nm)处具有HR，但泵浦光的波长(例如，808nm)处具有AR；膜4在基频光(例如，1064nm)处具有HR，在SH光(例如，532nm)处具有AR；膜13在基波长(例如，1064nm)处具有AR；而膜14在基波长(例如，1064nm)处具有AR，但在SH波长(例如，532nm)处具有HR。二次谐波发生仅发生在满足QPM条件的非线性晶体3中。通过利用激射波长为808nm的泵浦激光二极管泵浦激光晶体(即，掺Nd的YVO4)，在激光谐振腔内生成波长为λ(即，1064nm)的基频光。如果适当地选择非线性晶体以使得满足相位匹配条件，则可有效地生成波长为λ/2(即，532nm)的二次谐波光。
基于以上描述，容易理解的是，在该结构中，直接粘接(其比环氧树脂粘接更昂贵且更困难)并不是绝对必要的，由于Si基板的高的导热率，可以相对容易地去除激光晶体和非线性晶体内产生的热量。另外，由于直接粘接晶面的总横截面明显增大(从0.5mm增大至1mm以上)，所以可以解决薄晶体的粘接中所涉及的问题。此外，考虑到DPSS激光器中的光束直径通常仅为50μm的事实，可将激光晶体和非线性晶体的厚度减小至100～200μm，以进一步提高去除晶体内产生的热量的效率。
在本发明的第五优选实施方式中，用于DPSS SHG激光器的优选结构如图7所示。在该结构中，将本发明的第三优选实施方式中所描述的粘接的激光晶体和非线性晶体作为实现绿色DPSS SHG激光器的实例。粘接的晶体被设置在具有两个金属表面13、14的固定器中，以夹置粘接的晶体，从而能有效地去除热量。通过激射波长为808nm的泵浦激光二极管12泵浦激光晶体(即，掺Nd的YVO4)，在激光谐振腔内生成波长为λ(即，1064nm)的基频光。如果适当地选择QPM的周期以使得非线性晶体的QPM波长与基频光波长相匹配，则可有效地生成波长为λ/2(即，532nm)的二次谐波光。畴反转光栅Λ的周期由QPM条件(即，2(n2ω-nω)＝λ/Λ，其中，n2ω和nω分别为在二次谐波光和基频光处的折射率)决定。
为实现有效的波长转换，减小激光器的尺寸并降低激光器的封装成本，采用了粘接结构，其中，激光晶体2和非线性晶体3经由隔离件11粘接在一起，如图7所示。为了将基频光限制在激光谐振腔中，降低泵浦功率的耦合损耗并从谐振腔有效地耦合SH光，激光晶体2涂覆有膜1和9，而非线性晶体涂覆有膜4和10。膜1在基频光的波长(例如，1064nm)处具有HR，但泵浦光的波长(例如，808nm)处具有AR；膜4在基频光(例如，1064nm)处具有HR，而在SH光(例如，532nm)处具有AR；膜9在基波长(例如，1064nm)处具有AR；膜10在基波长(例如，1064nm处具有AR，而在SH波长(例如，532nm)处具有HR。
上述实施方式已经描述了用于具有内腔结构(intra-cavityconfiguration)的绿色激光器的粘接的MgO:PPLN非线性晶体。当然，本发明中所述的方法可以应用至诸如MgO:PPLT、PPKTP等的其他粘接的非线性晶体。
上述实施方式已经描述了具有粘接的非线性晶体和内腔结构的SHG绿色激光器。当然，本发明中所述的方法可以应用至诸如SHG蓝色激光器等的其他SHG激光器。
上述实施方式已经描述了使用粘接的非线性晶体的SHG激光器。当然，本发明中所述的方法可以应用至诸如光学参数振荡、差频生成等的其他光学非线性处理。

Claims (25)

1.一种封装光学非线性晶体的方法，所述非线性晶体与激光晶体粘接，以实现内腔结构中的有效波长转换。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述非线性晶体与所述激光晶体首先分别与相对厚的基板粘接。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，对于非线性晶体粘接和激光晶体粘接，所述基板具有高的导热率和同样的厚度。
4.根据权利要求2所述的方法，其中，通过直接粘接或环氧树脂粘接来实现所述非线性晶体和所述基板之间的粘接。
5.根据权利要求2所述的方法，其中，通过直接粘接或环氧树脂粘接来实现所述激光晶体与所述基板之间的粘接。
6.根据权利要求2所述的方法，其中，分别在大面积上执行所述非线性晶体和所述激光晶体的粘接。
7.根据权利要求2所述的方法，其中，在切割和晶面抛光之后，所述粘接的非线性晶体和激光晶体被直接粘接而无需使用环氧树脂。
8.根据权利要求2所述的方法，其中，通过表面抛光来减小所述粘接的非线性晶体和激光晶体的厚度。
9.根据权利要求8所述的方法，其中，在切割和晶面抛光之后，所述粘接的非线性晶体和激光晶体被直接粘接而无需使用环氧树脂。
10.根据权利要求7所述的方法，其中，所述粘接的非线性晶体和激光晶体的两个外晶面彼此精确地平行。
11.根据权利要求7或9所述的方法，其中，适当地涂覆所述粘接的非线性晶体和激光晶体的两个外晶面，使得基频光被限制在激光谐振腔内，而二次谐波光能够从所述非线性晶体的外晶面被有效地提取。
12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述粘接的非线性晶体和激光晶体然后与第二基板粘接，其中所述非线性晶体和所述激光晶体夹置在两个基板之间。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二基板具有高的导热率。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，对于所述非线性晶体和所述激光晶体，所述第二基板具有相同的厚度。
15.根据权利要求12所述的方法，其中，通过直接粘接或环氧树脂粘接来实现所述粘接的非线性晶体和所述第二基板之间的粘接。
16.根据权利要求12所述的方法，其中，通过直接粘接或环氧树脂粘接来实现所述粘接的激光晶体和所述第二基板之间的粘接。
17.根据权利要求12所述的方法，其中，分别在大面积上执行所述非线性晶体和所述激光晶体的粘接。
18.根据权利要求12所述的方法，其中，在切割和晶面抛光之后，夹置的粘接的所述非线性晶体和所述激光晶体被直接粘接而无需使用环氧树脂。
19.根据权利要求12所述的方法，其中，在切割、晶面抛光和晶面涂覆之后，夹置的粘接的所述非线性晶体和所述激光晶体通过使用环氧树脂经由隔离件被粘接。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述隔离件具有低的导热率以防止所述非线性晶体和所述激光晶体之间的热交换。
21.根据权利要求19所述的方法，其中，适当地选择所述隔离件使得对于所述非线性晶体和所述激光晶体实现最大光学孔径。
22.根据权利要求18或19所述的方法，其中，所述夹置的粘接的非线性晶体和激光晶体的两个外晶面彼此精确地平行。
23.根据权利要求18或19所述的方法，其中，适当地涂覆所述夹置的粘接的非线性晶体和激光晶体的晶面，使得基频光被限制在激光谐振腔内，而二次谐波光能够从所述非线性晶体的外晶面被有效地提取而在所述晶面处没有反射损耗。
24.根据权利要求9所述的方法，其中，将所述粘接的非线性晶体和激光晶体设置在金属固定器中，在所述固定器中，所述非线性晶体和所述激光晶体的表面以及所述基板的表面均与金属接触，以有效地去除在所述非线性晶体和所述激光晶体中产生的热量。
25.根据权利要求18或19所述的方法，其中，将所述夹置的粘接的非线性晶体和激光晶体设置在金属固定器中，在所述固定器中，所述非线性晶体和所述激光晶体的表面以及所述基板的表面均与金属接触，以有效地去除在所述非线性晶体和所述激光晶体中产生的热量。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104253370A (zh) * 2013-06-25 2014-12-31 通快激光两合公司 固体激光组件
CN104600551A (zh) * 2013-10-30 2015-05-06 上海熙隆光电科技有限公司 半导体激光泵浦的绿光高功率输出的固体激光谐振腔模块

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102545020A (zh) * 2011-12-28 2012-07-04 南京长青激光科技有限责任公司 一种频率变换非线性光学芯片封装方法
CN102623875B (zh) * 2012-04-11 2014-04-09 青岛镭视光电科技有限公司 晶体器件热键合装配新方法
US9197027B2 (en) * 2012-07-05 2015-11-24 C2C Link Corporation Method for making laser module

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5574740A (en) * 1993-08-26 1996-11-12 Laser Power Corporation Deep blue microlaser
CN101436748A (zh) * 2008-12-16 2009-05-20 福州高意通讯有限公司 一种光波导激光器、光波导放大器及其制作方法
WO2009069282A1 (ja) * 2007-11-27 2009-06-04 Panasonic Corporation 波長変換レーザ

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4393393A (en) * 1979-08-13 1983-07-12 Mcdonnell Douglas Corporation Laser diode with double sided heat sink
US5377212A (en) * 1991-10-17 1994-12-27 Hitachi, Ltd. Solid-state laser device including uniaxial laser crystal emitting linearly polarized fundamental wave and nonlinear optical crystal emitting linearly polarized harmonic wave
US5796766A (en) * 1994-08-23 1998-08-18 Laser Power Corporation Optically transparent heat sink for longitudinally cooling an element in a laser
JPH10256638A (ja) * 1997-03-13 1998-09-25 Ricoh Co Ltd 固体レーザ装置
WO2005030980A2 (en) * 2003-09-22 2005-04-07 Snake Creek Lasers Llc High densiity methods for producing diode-pumped micro lasers
US7003006B2 (en) * 2004-01-26 2006-02-21 Li-Ning You Green diode laser
US7742510B2 (en) * 2006-04-27 2010-06-22 Spectralus Corporation Compact solid-state laser with nonlinear frequency conversion using periodically poled materials
JP4277908B2 (ja) * 2007-02-06 2009-06-10 セイコーエプソン株式会社 光源装置、照明装置、モニタ装置及びプロジェクタ
TWI426671B (zh) * 2007-08-29 2014-02-11 Nat Univ Tsing Hua 電光晶體布拉格折射器及以其作為雷射ｑ調制器的方法
US7724791B2 (en) * 2008-01-18 2010-05-25 Northrop Grumman Systems Corporation Method of manufacturing laser diode packages and arrays

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5574740A (en) * 1993-08-26 1996-11-12 Laser Power Corporation Deep blue microlaser
WO2009069282A1 (ja) * 2007-11-27 2009-06-04 Panasonic Corporation 波長変換レーザ
CN101436748A (zh) * 2008-12-16 2009-05-20 福州高意通讯有限公司 一种光波导激光器、光波导放大器及其制作方法

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104253370A (zh) * 2013-06-25 2014-12-31 通快激光两合公司 固体激光组件
CN104600551A (zh) * 2013-10-30 2015-05-06 上海熙隆光电科技有限公司 半导体激光泵浦的绿光高功率输出的固体激光谐振腔模块

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