CN102893465A

CN102893465A - 激光晶体和非线性晶体的封装方法及其在二极管泵浦固态激光器中的应用

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Publication number: CN102893465A
Application number: CN2011800234526A
Authority: CN
Inventors: 胡烨
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-05-11
Filing date: 2011-05-11
Publication date: 2013-01-23
Anticipated expiration: 2031-05-11
Also published as: WO2011140641A1; CN102893465B

Abstract

本发明涉及将具有周期性畴反转结构的光学非线性晶体（例如，周期极化掺氧化镁铌酸锂）与激光晶体（例如，掺钕钒酸钇）封装在一起的方法，该方法用以实现低成本的紧凑高效的腔内配置中的二次谐波发生。

Description

激光晶体和非线性晶体的封装方法及其在二极管泵浦固态激光器中的应用

技术领域

本发明涉及将激光晶体和基于准相位匹配（QPM）技术的光学非线性晶体封装在一起的方法，该方法能够用于产生从紫外（UV）到中红外（mid-IR）波长范围的光。

背景技术

很多激光器可利用二极管泵浦固态（DPSS）激光器和倍频技术来构建，其中包括激光晶体和非线性晶体。如图1所示，通常DPSS激光器系统需要有泵浦激光二极管1（例如，以808nm激射（lasing）的半导体激光二极管）、GRIN透镜2、激光晶体3（例如，掺钕钒酸钇）、非线性晶体4（即倍频部件）和耦合镜5。如图1(a)所示，激光晶体和非线性晶体的面适当地涂覆有高反射（HR）膜或抗反射（AR）膜，使得基频光被限制在激光腔内，而SHG光被有效地耦合出激光腔外。非线性晶体起到二次谐波发生器（SHG）或倍频器的作用。为了实现高效率的SHG，需要满足相位匹配条件。通常通过选择光束进入非线性晶体的适当的入射角和偏振角（即相位匹配角）来实现相位匹配（PM），使得n_2ω,o-n_ω,e=0或n_2ω,e-n_ω,o=0，其中n_2ω,o、n_2ω,e、n_ω,o和n_ω,e分别是寻常光束和非寻常光束在SH（secondharmonic）光和基频光的折射率。

相位匹配也可以通过采用准相位匹配（QPM）技术来实现，其中沿着光传播方向形成周期性畴反转光栅以满足QPM条件。通过采用激射波长为808nm的泵浦激光二极管来泵浦激光晶体（即掺钕钒酸钇），在激光腔内产生波长为λ（即1064nm）的基频光。如果满足PM或QPM条件，则能高效地产生波长为λ/2（即532nm）的二次谐波光。该畴反转光栅的周期Λ由QPM条件（即，2(n_2ω-n_ω)=λ／Λ，其中n_2ω和n_ω分别为SH光和基频光的折射率）决定。

为了实现高效率的激光器操作，适当地对激光晶体和非线性晶体的表面进行涂覆。为了有效地去掉激射过程中所产生的热，通常所有的部件都安装在铜支架10上。

事实上，以上描述的采用结合型非线性晶体的技术是众所周知的，并且已经在很多文献中公开，例如：

如图1(a)所示，以上提到的具有分立部件的激光器系统具有以下缺点。首先，在激光器中含有太多的部件，这会增加激光器的成本。其次，难以将这些部件对准（尤其是难以实现输入激光晶体和非线性晶体的输出面的高度平行性），因此增加了激光器的组装成本并降低了激光器的性能。

事实上，以上描述的采用结合型非线性晶体的技术是众所周知的，并且已经在很多文献中公开，例如：美国专利第5,365,359号,1994年11月15日,Mooradian等人,“Microchip laser”；PCT／US94/09393,1994年8月22日,Hargis等人,“Deep blue microlaser”；PCT/EP97/05241,1996年9月27日,Nagele等人,“Frequency-doubling diode-pumped solid-statelaser”；T．Y．Fan等人,“Efficient GaAlAs diode-laser-pumped operation ofNd:YLF at 1.047μm with intracavity doubling to 532.6nm”,OpticsLetters,第11卷,第204页(1986);T．Ypkoyama等人,“Compact andHighly Efficient Intracavity SHG Green Light Source with Wide OperationTemperature Range Using Periodically Poled Mg:LiNbO3”,The Review ofLaser Engineering,补充卷,第1046页(2008);A.Harada等人,“Intracavity frequency doubling of a diode-pumped 946-nm Nd:YAG laserwith bulk periodically poled MgO:LiNbO3”,Optics Letters,第22卷,第805页(1997);D.Y.Shen等人,“Efficient operation of anintracavity-doubled Nd:YVO4KTP laser end pumped by a high-brightnesslaser diode”,Applied Optics,第37卷,第7785页(1998);S.W.Chu等人,“High-Efficiency Intracavity Continuous-Wave Green-Light Generation byQuasiphaseMatching in a Bulk Periodically Poled MgO:LiNbO3Crystal”,Advances in OptoElectronics,第2008卷,论文编号151487。

为了减小DPSS激光器的尺寸、成本并提高DPSS激光器的性能，如图1(b)所示，DPSS中使用的激光晶体和非线性晶体可以通过胶粘剂或者光学接触而被结合在一起。在此结合的结构中，如图1(b)所示，激光晶体3（例如，掺钕钒酸钇）和非线性晶体4（例如，KTP或MgO:PPLN）被结合在一起。为了将基频光限制在激光腔内、降低泵浦功率的耦合损失并有效地从腔内耦合SH光，激光晶体3涂覆有膜6，膜6在基频光和SH光的波长（例如1064nm和532nm）处具有高反射，而在泵浦光的波长（例如808nm）处具有抗反射，同时非线性晶体4涂覆有膜9，膜9在基频光（例如1064nm）处具有高反射，而在SH光（例如532nm）处具有抗反射。

事实上，以上描述的使用结合型非线性晶体的技术是众所周知的，并且已经在很多文献中公开，例如：Moravian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-pumped passively Q-switched picosecond microchip lasers”,OpticsLetters,第19卷,第1427页(1994);R.Fluck等人,"Passively Q-switched1.34-micron Nd:YVO₄microchip laser with semiconductorsaturable-absorber mirrors,"Optics Letters,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 stategain mediums for optically pumped monolithic laser”;美国专利第5,574,740号，1994年8月23日,Hargis等人,“Deep blue microlaser”;美国专利第5,802,086号，1998年9月1日，Hargis等人,“High-efficiencycavity doubling laser”;美国专利第7,149,231号，2006年12月12日，Afzal等人,“Monolithic,side-pumped,passively Q-switched solid-state laser”;美国专利第7,260,133号，2007年8月21日，Lei等人,“Diode-pumpedlaser”;美国专利第7,535,937号，2009年5月19日,Luo等人,“Monolithicmicrochip laser with intra-cavity beam combining and sum frequency ordifference 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 of producingwavelengths ranging from IR to UV based on efficient and cost-effectivefrequency 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 laser sourcesbased on nonlinear frequency conversion in periodically poled materials”;USPC分类:37210，IPC8分类: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:YVO₄microchip laser with orthogonal-polarization bidirectionaltraveling-waves mode”,2008年11月10日,第16卷,编号23,OPTICSEXPRESS 18702;C.S.Jung等人,“A Compact Diode-Pumped MicrochipGreen Light Source with a Built-in Thermoelectric Element”,AppliedPhysics Express 1(2008)062005。

上述结合可以通过使用粘合剂环氧树脂或直接结合技术来实现。由于环氧树脂在高的光功率下会被损坏，虽然粘合剂环氧树脂结合的工艺比直接结合容易得多，但是高功率SHG激光器需要使用直接结合或光学结合技术。

结合型非线性晶体可以是传统的非线性晶体，例如KTP或诸如PPLN之类的周期性极化晶体。使用结合型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的非线性系数远小于PPLN的非线性系数，从激光效率的观点来看，在SHG激光器中优选采用PPLN作为非线性晶体。

采用结合型晶体的激光器的优点包括结构简单、成本低和尺寸紧凑。然而，结合型晶体也有一些缺点，例如：由于从激光晶体到非线性晶体的热传递而导致降低了稳定性；由于不良的结合条件和／或表面的弱的结合强度而导致限制了输出功率（对于胶合的结合型晶体为~1mW绿光，对于光学结合型晶体为~100mW）；以及由于结合表面处的反射而导致增加了腔损耗。

发明内容

本发明的目的是提供用以克服含有非线性晶体和激光晶体的DPSS激光器中涉及的上述问题的方法。在这些方法中，激光晶体和非线性晶体彼此分隔开，并通过高导热层结合在散热片上，从而散去晶体中所产生的热，阻止从激光晶体到非线性晶体的热传递，降低激光器的封装成本，减少激光器的腔损耗，并增加激光器的稳定性。

根据本发明的一个方面，如图2所示，首先通过高导热层9将激光晶体1和非线性晶体2与散热片8结合。根据激光器输出功率适当设置激光晶体1和非线性晶体2之间的间隙。激光晶体和非线性晶体的面被适当地涂覆有高反射（HR）或抗反射（AR）膜3至6，使得基频光被限制在激光腔内而SHG光被有效地耦合出激光腔外。在DPSS绿光激光器的情况下，膜3在基频光和SH光的波长（例如1064nm和532nm）处具有高反射，但在泵浦光的波长（例如808nm）处具有抗反射，膜4在基频光（例如1064nm）处具有抗反射并且在SH光（例如532nm）处具有抗反射，膜5在基频光（例如1064nm）处具有抗反射并且在SH光（例如532nm）处具有抗反射，并且膜6在基频光（例如1064nm）处具有高反射并且在SH光（例如532nm）处具有抗反射。仅在相位匹配条件得到满足的非线性晶体2中出现二次谐波发生。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（即掺钕钒酸钇），在激光腔内产生波长为λ（即1064nm）的基频光。如果非线性晶体被适当地选择成使得相位匹配条件被满足，则可以有效地产生波长为λ／2（即532nm）的二次谐波光。

附图说明

结合附图，根据以下文中给出的详细描述，将更全面地理解本发明。

在附图中：

图1是现有技术的DPSS SHG激光器的示意图，其具有(a)分隔开的晶体和(b)结合型晶体。

图2是根据本发明的、用于说明在第一优选实施例中描述的用以实现DPSS激光器的一种方法的构思的示意图。

图3是根据本发明的、用于说明在第二优选实施例中描述的用以实现激光晶体和非线性晶体与散热片的结合的一种方法的构思的示意图，其中输入激光晶体的输入面和非线性晶体输出面高度平行。

图4是根据本发明的、用于说明在第三优选实施例中描述的用以实现DPSS激光器的一种方法的构思的示意图。

图5是根据本发明的、用于说明在第四优选实施例中描述的用以实现DPSS激光器的一种方法的构思的示意图。

具体实施方式

本发明通过以下描述的手段来解决上述问题。

在第一优选实施例中，图2中示出了DPSS激光器的结合型结构。激光晶体（例如，Nd:YVO₄）1和非线性晶体（例如，MgO:PPLN）2首先与散热片（例如，AlN（氮化铝）基板）8结合。这里可以使用激光晶体和非线性晶体的典型厚度（例如0.5mm），同时适当地选择AlN基板的厚度（例如，0.5mm～10mm），使得能够容易地处理结合型晶体。晶体1、2与AlN基板8之间的结合可以使用长条（long bar）来完成，以降低总制造成本。AlN基板8具有高的热导率。激光晶体1和AlN基板8之间的结合以及非线性晶体2和AlN基板8之间的结合可以通过高导热层（例如，铟膜）来完成。为了提高结合强度，所有的结合表面都涂覆有金属层（例如，金）。激光晶体的输入面和非线性晶体的输出表面是平行的。激光晶体和非线性晶体被适当地涂覆有高反射（HR）或抗反射（AR）膜3至6，使得基频光被限制在激光腔内，而SHG光被有效地耦合出激光腔外。存在可以使用的两类涂层。如图2(a)所示，在第一种方法中，膜3在基频波长（例如1064nm）处具有高反射，而在泵浦光波长（例如808nm）处具有抗反射，膜4在基频光（例如1064nm）处具有抗反射，而在SH光（例如532nm）处具有高反射，膜5在基频光（例如1064nm）处具有抗反射，并且在SH光（例如532nm）处具有抗反射，并且膜6在基频光（例如1064nm）处具有高反射，而在SH光（例如532nm）处具有抗反射。另一方面，如图2(b)所示，在第二种方法中，膜3在基频光和SH光的波长（例如，1064nm和532nm）处具有高反射，而在泵浦光的波长（例如，808nm）处具有抗反射，膜4在基频光（例如1064nm）处具有抗反射，并且在SH光（例如532nm）处具有抗反射，膜5在基频光（例如1064nm）处具有抗反射，并且在SH光（例如532nm）处具有抗反射，并且膜6在基频光（例如1064nm）处具有高反射，而在SH光（例如532nm）处具有抗反射。在0.01mm和10mm之间适当地选择激光晶体和非线性晶体之间的间隙，使得从激光晶体到非线性晶体的热传递可忽略不计，同时该间隙尽可能得小。结果，该间隙取决于激光器的功率。仅在QPM条件得到满足的非线性晶体2内出现二次谐波发生。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（即掺钕钒酸钇），在激光腔内产生波长为λ（即1064nm）的基频光。如果非线性晶体被适当地选择成使得相位匹配条件被满足，则可以有效地产生波长为λ／2（即532nm）的二次谐波光。

基于上面的描述，容易理解本发明的结构具有以下优点。首先，由于AlN散热片和铜金属支架的高热导率，可以容易地散去激光晶体和非线性晶体中所产生的热。其次，由于在激光晶体和非线性晶体之间有空气间隙，所以抑制了从激光晶体到非线性晶体的热传递，从而提高了激光器的稳定性。再次，激光晶体的输出面4和非线性晶体的输入面5被涂覆成在基频光波长处抗反射。结果，降低了基频光的腔损耗，因此可预期在腔内得到高的基频光功率。这有助于激光器的高的SHG效率。又者，激光晶体、非线性晶体和散热片之间的结合是以长条进行的。结果，在切割之后，可以利用单次结合工艺获得许多结合型芯片（其包括激光晶体、非线性晶体和散热片）。这导致封装成本显著降低。

在本发明的第二优选实施例中，激光晶体条1和非线性晶体条2通过高导热的铟膜6而与散热片5结合。在激光晶体条和非线性晶体条的每个端部处插入垫片3、4。如图3所示，在结合之后，被结合的激光晶体条和非线性晶体条被切割成沿着虚线的小芯片。然后，切割的芯片可以安装到铜金属支架上。

基于上面的描述，容易理解本发明的结构具有以下优点。首先，可以确保激光晶体的输入面精准平行于非线性晶体的输出面，这对于实现高效率的激光器和稳定的激射是非常重要的。其次，通过适当地选择具有适当厚度的垫片，可以实现精确控制激光晶体和非线性晶体之间的间隙。再次，本发明使得可以在一个单次结合工艺中得到多个具有平行的输入和输出面的结合型激光晶体和非线性晶体，从而显著降低了制造成本。

在本发明的第三优选实施例中，图4中示出了DPSS激光器的结合结构。基本结构与图1中所示的类似，但加了高导热散热片11（例如氮化铝基板）结合于裹了铟膜12激光晶体和非线性晶体的外侧。AlN的厚度可以在0.1毫米和10毫米之间进行选择。

基于上面的描述，容易理解，与图2所示的结构相比，可以提高散热效率，但封装成本略有增加。

在本发明的第四优选实施例中，图5中示出了DPSS激光器的优选结合结构。其基本结构与图1中所示的类似，还另加了金属支架11（例如铜）结合于裹了铟膜12激光器和非线性晶体的外侧。铜支架的厚度可以在0.5毫米和50毫米之间进行选择。

基于上面的描述，容易理解可以提高散热效率。与图2所示的结构相比，封装成本略有增加，但与图4所示的结构相比要便宜。

上述实施例已经描述了用于具有腔内配置的绿光激光器的结合型MgO:PPLN非线性晶体。当然，本发明中所描述的方法也可以应用于其他的结合型非线性晶体，如MgO:PPLT、PPKTP等。

上述实施例已经描述了具有结合型非线性晶体和腔内配置的SHG绿光激光器。当然，本发明中所描述的方法也可以应用于其他的SHG激光器，如SHG蓝光激光器等。

上述实施例已经描述了使用结合型非线性晶体的SHG激光器。当然，本发明中所描述的方法也可以应用于其他的光学非线性过程，如光学参量振荡，差频发生等。

Claims

1.一种用于将激光晶体和光学非线性晶体进行封装以实现腔内配置中的高效波长转换的方法，所述激光晶体和所述光学非线性晶体结合在高导热的散热片上并安装在金属支架上。

2.权利要求1中的所述激光晶体和非线性晶体首先以特定的间隙被结合在所述散热片上，其中所述激光晶体的输入面和所述非线性晶体的输出面保持平行。

3.权利要求2中的被结合的激光晶体和非线性晶体然后与所述散热片一起结合到金属支架上。

4.权利要求1中的所述激光晶体、非线性晶体和散热片的结合表面在结合之前沉积有金属层。

5.权利要求1中的所述激光晶体和所述非线性晶体在结合之前被切割成长条形式。

6.结合时在所述条的每一端插入具有相同厚度的垫片，以确保权利要求2中的所述激光晶体的输入面和所述非线性晶体的输出面的平行。

7.权利要求1中所述激光晶体和所述非线性晶体的两个面被适当地涂覆，使得基频光被限制在激光腔内，而二次谐波光能够从所述非线性晶体的输出面被有效地提取。

8.权利要求7中的所述激光晶体的输入面被涂覆成在基频光波长处为高反射（HR）并且被涂覆成在泵浦光波长处为抗反射（AR），激光晶体的输出面被涂覆成在基频光处为抗反射并且被涂覆成在二次谐波SH光处为高反射；同时非线性晶体的输入面被涂覆成在基频光处为抗反射并且被涂覆成在SH光处为抗反射，非线性晶体的输出面被涂覆成在基频光处为高反射并且被涂覆成在SH光处为抗反射。

9.权利要求7中的所述激光晶体的输入面被涂覆成在基频光和SH光处为高反射并且被涂覆成在泵浦光的波长处为抗反射，所述激光晶体的输出面被涂覆成在基频光和SH光处为抗反射；同时所述非线性晶体的输入面被涂覆成在基频光和SH光处为抗反射，非线性晶体的输出面被涂覆成在基频光处为高反射并且被涂覆成在SH光处为抗反射。

10.权利要求1中的被结合的激光晶体和非线性晶体然后被结合到第二散热片。

11.权利要求1中的被结合的激光晶体和非线性晶体然后被结合到第二金属支架。

12.权利要求10中的所述激光晶体、所述非线性晶体和所述散热片的结合表面在结合之前沉积有金属层。

13.权利要求11中的所述激光晶体和非线性晶体的结合表面在结合之前沉积有金属层。

14.权利要求1和权利要求10中的所述激光晶体和非线性晶体与所述散热片的结合是通过两个金属膜的直接结合或借助于高导热的软金属膜或环氧树脂来实现。

15.权利要求1和权利要求11中所述的散热片与金属支架的结合是通过两个金属膜的直接结合或借助于高导热的软金属膜或环氧树脂来实现。