CN103064228A - 紫外激光器光源和形成用于生成紫外光的倍频波导的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明为紫外激光器光源和形成用于生成紫外光的倍频波导的方法，公开了一种激光装置，其提供至少紫外激光束，并优选提供紫外激光束和可见激光束两者。激光装置包括半导体激光装置(例如，激光二极管)以产生可见激光，所述可见激光被耦合到采用单晶薄膜倍频波导结构的倍频晶体中。单晶薄膜倍频波导将激光二极管发出的可见光的一部分转变成紫外光。可见光和紫外激光均从波导发出。作为例子，单晶薄膜倍频波导包括由β-BaB2O4(β-BBO)构成的倍频晶体区域、由对紫外激光光束的波长透明和接近透明的材料构成的覆层区域，以及由任意材料构成的支撑基底。

Description

紫外激光器光源和形成用于生成紫外光的倍频波导的方法
技术领域
本发明涉及用于发出紫外激光光线的装置，尤其涉及用于将可见激光光线转变成紫外激光光线的倍频波导型光学部件，以及用于制造该倍频波导的方法。在为水的杀菌处理而设计的产品中，所述装置可用作光源。
背景技术
对于呼吸干净且安全的空气以及饮用干净且安全的水的需要日益增大，在全世界来说在人口密集的国家或地区尤其如此。紧凑的固态深UV光源的主要的大量应用是用于空气或水的非化学手段的杀菌。深UV光-其为在波长短于280nm的UVC范围内的光线-会有效地对DNA造成永久的物理损害，而防止细菌、病毒和真菌复制。这意味着在使用角度来说深UV处理可用于对空气或水消毒以便安全呼吸或饮用。深UV光在破坏e大肠菌方面特别有效。深UV光也可以用来对表面进行消毒。
深UV光也可以用于减小化学污染物诸如出现在水中的分解的有机化学物质的毒性，由此使水对引用来说是安全的。在这种情况中，深UV光促成光催化氧化反应，该反应将分解的有机化学物质分裂成不那么危险或者无害的副产品。波长短于230nm的深UV光在促成光催化氧化反应方面是最有效的。
紧凑的固态深UV光源也应用在生物及化学感测上，因为生物和化学化合物强烈吸收深UV光。可以根据它们的荧光光谱来识别蛋白质和其它有机化学物质。荧光测量要求照明用的光线在化合物强烈吸收的短波长下，并检测所得到的在较长的波长的荧光。280nm附近的波长是合适的，但更短的220nm的波长更好，因为在该波长下吸收更强。
用于对空气和水进行UV处理的使用位(point-of-use)产品已经存在，这些产品使用汞灯作为UV光源。然而，汞灯包含有毒材料，倾向于具有较短工作寿命以及较长预热时间并需要高驱动电压。此外，从汞灯发出的UV光在较宽范围的方向上并从相对较大的区域上发出，这意味着它不能被有效聚焦到小区域中或被聚焦成准直光束。
同时在发展的替代UV光源是UV LED。使用UV LED的当前缺陷包括它们的工作寿命较短并且它们不能被有效聚焦而提供准直光束或者紧致聚焦光斑。另外，发光波长短于260nm的UV LED的性能非常差。因此，这些装置很不适合上面描述的受益于波长短于260nm的光源的那些应用。
深UV激光器潜在地提供单色的相干光束，所述光束可以被有效聚集成准直光束或者被聚焦到小的区域中，并且可以被快速调制(例如，如荧光测量所需要的那样)。然而，现有的发射波长短于280nm的激光器是非常昂贵的部件，诸如为了工业使用而设计的气体激光器。而激光二极管并没有制造成具有短于280nm的发射波长。
通过将合适的非线性光学材料内的可见激光束倍频可以实现深UV激光器。(例如，通常称为BBO的偏硼酸钡)首先在IEEE Journal ofQuantum Electronics QE-22，No 7(1986)上报告。可见光被聚焦到非线性光学材料中，光线通过二次谐波发生(SHG)过程被倍频(FD)。SHG过程将可见输入光转变成波长为输入光的波长的一半的光线。倍频后的光线具有与激光器发出的光线的特性相似的特性，在现有技术中一般将该光线描述为“激光光线”。在现有技术中，同样普遍的是将发出倍频光线的装置描述为“激光器”。如这里所使用的，术语“激光光线”包括由激光装置发出的光线以及源自激光装置发出的光线的倍频光线。此外，如这里使用的那样，“激光光源”包括通过辐射的受激发射表现出光放大的光源，以及对通过辐射的受激发射表现出光放大的光源发出的光线进行倍频的装置。以此方式使用BBO制成的倍频UV激光器可以发出短至205nm的波长。
Nishimura等人在JJAP 42，5079(2003)中首先报告使用BBO制造UV激光器和使用蓝紫色半导体激光二极管以产生“泵浦”可见激光束。这种办法的潜在优点是蓝紫色半导体激光二极管是紧凑和低成本部件。然而，对于从蓝紫色半导体激光二极管发出的相对较低功率的光线，在BBO中的SHG过程以低效率进行。因此，尽管使用复杂的光学系统来重复循环蓝光通过BBO部件以提高效率，在该现有技术中实现的UV输出功率仍然较低。因此，这种方法不适合制造用于上面描述的应用的低成本高功率UV光源。两件最近提到的现有技术文献均没有讨论使用倍频波导。
已经用于提高倍频效率的一种方法是使用倍频波导。倍频波导设计成将泵浦光和倍频光限制在小横截面区域内(在它们通过非线性光学材料时)。通过在非线性光学材料和具有不同折射率的环绕材料(或气体)之间的界面处的内反射，光线被限制在非线性光学材料并被沿着非线性光学材料引导。光线可以在垂直于光传播方向的一个维度上受到限制-这一般称为“平面”波导。替代地，在“通道”或“脊”波导中，光线可以在垂直于光传播方向的两个维度上受到限制。通过将光线限制在小的区域，可以显著提高SHG过程的效率。最早的利用倍频波导的报告在US3584230(Tien，六月8日，1971)中公开，其形式为沉积在基底上的薄的非线性光学薄膜。该现有技术没有使用可见光激光二极管也没有使用BBO作为FD波导材料，因而不提供制造UV激光器的方法。尤其是，在现有技术中不知道将高品质单晶BBO薄膜沉积到基底上的方法，除了均相外延沉积到BBO基底上(其不会提供波导需要的与沉积的BBO层完全不同的折射率)。因此，这种方法不适于制造用于深UV激光器的高品质波导。
利用常规方法扩散、质子交换或注入，通过产生与晶体形成对比的折射率，波导可以形成在大块非线性光学晶体内。US4427260(Puech等人，1月24日，1984)描述了关于非线性光学装置的发明，其中激光二极管泵浦利用Ni扩散形成的FD波导。该现有技术没有讨论BBO的使用，也没有讨论任何其它的适于倍频到深UV波长的非线性材料，并且未弄清扩散能够用于形成适于用在深UV激光器中的高品质波导。此外，该现有技术没有提供成分明显不同于非线性晶体的成分的覆层，而这样的覆层是制造强烈限制光线的波导所需要的。APL 41，7，p607(1982)，US4951293(Yamamoto等人，8月21日，1990)，以及APL 85，91457(2004)报告了利用Ti扩散、质子交换或注入形成FD波导。后者报告了利用BBO，但是上述文献均没有提供成分明显不同于非线性晶体的成分的覆层。此外，这些用于制造波导的方法倾向于对具有非常短的波长(例如，波长小于280nm)的紫外线光产生很高的吸收损耗。
US5175784(Enomoto等人，12月29，1992)描述了通过沉积非线性光学薄膜到基底上然后蚀刻出脊形结构而制造的FD波导结构。给出BBO作为几个例子。然而，在现有技术中没有已知的方法来沉积高品质单晶BBO薄膜到基底上，除了均相外延沉积在BBO基底上(其不提供波导需要的与沉积的BBO层形成对比的折射率)。因此，这种方法不适于制造用于深UV激光器的高品质波导。
APL 89041103(2006)报告了利用氦离子注入和干蚀刻在BBO晶体中形成倍频脊形波导。还报告了利用该波导通过FD可见激光束得到UV激光器。注入的氦离子形成在晶体的顶表面下面几微米的薄层，该薄层具有比所述层和表面之间的晶体的折射率略低的折射率。光线限制在顶表面和注入层之间的晶体中。使用注入来形成波导是显著不利的。尤其是，在注入层和BBO晶体之间的折射率对比相对较弱，这意味着光线可能“漏”出波导，在注入过程期间在注入层和所述表面之间的BBO晶体受到损害，这降低了UV输出动率，并且对于波长非常短(例如波长小于280nm)的紫外线的吸收损耗倾向于较高。和该现有技术中的波导一起使用的可见光激光器是笨重且昂贵的工业激光器，这是该方法的另一个缺点。
从大块晶体的非线性光学材料使用掩模和抛光工艺来制造薄膜FD波导在两件现有技术中得到描述。在PhD dissertation ETH No 17145(2007)中Deglinnocenti提到可以通过抛光粘附或光学安装在熔融硅基底上的BBO晶体来制造薄膜波导。该提议忽略了在波导设计中一个重要的考虑因素-使倍频光的光学吸收损耗最小化。有效的波导要求包围波导的非线性光学材料芯的材料对波导中的光线具有低的吸收。大多数材料强烈吸收深UV光(即，波长短于280nm)。尤其是，用于把BBO晶体附接到熔融硅基底上的绝大多数胶水和安装材料都是如此。因此，根据该现有技术中的提议而制造的BBO薄膜对UV激光器波长具有高的吸收损耗，因此提供的效率较低。此外，对深UV光的吸收容易造成材料的劣化并导致波导部件的寿命变短。US6631231(Mizuuchi等人，10月7日，2003)公开了一种通过将FD晶体胶合到基底上而制造的光学波导元件，其中胶水用作覆层区域。在该现有技术中没有提到BBO，也没有提到深UV激光光线的产生。
US专利US5123731(Yoshinaga等人，六月23，1992)公开了一种激光源，其既发出倍频UV激光束也发出由激光二极管产生的另一激光束。还公开了倍频波导的使用。该现有技术没有提到使用可见光激光二极管，也没有给出关于波导的构造方法的任何细节。
发明内容
本发明的目的
本发明的一个目的是从发射在400nm-560nm范围内的光线的激光二极管提供紫外激光光线。
本发明的另一个目的是使用倍频波导从激光二极管生成紫外光线。
本发明的再一个目的是从激光二极管生成紫外光线以及可见光线。
本发明的这些和其他目的从下面的描述会变得更加清楚。
技术方案
在现有技术中没有例子使用通过倍频产生深UV光所需要的波长在400nm到560nm之间的激光二极管，及与倍频波导结合。
使用通过倍频制成的UV激光器的优点是该装置既可以发出UV激光也可以发出一部分可见激光。从安全的角度上说，可见激光束是尤其有用的，因为可见激光(不像深UV光)对裸眼是可见的。
根据本发明的装置和方法使得激光光源同时提供可见光和紫外光这两者。
在图1中示出根据本发明的概念，其包括产生波长(λ1)在400nm-560nm范围中的可见激光光线的半导体激光二极管14，所述光线被耦合到单晶薄膜倍频波导15中。单晶薄膜倍频波导优选提供对激光二极管发出的光线的相位匹配的倍频。在一个例子中，单晶薄膜是β-BaB2O4。倍频波导将可见激光束的一部分转变成波长(λ2)在200nm到280nm范围中的紫外光。可见光和紫外光两者同时从倍频波导发出。
利用下面包括的步骤制造单晶薄膜倍频波导结构：
i)施加覆层3到倍频单晶晶片的一个表面。覆层材料对半导体激光二极管发出的光线以及倍频的紫外光来说是透明和接近透明的。
ii)附接具有覆层的所述表面到支撑基底4。
iii)研磨(lapping)和抛光倍频单晶的相对表面以形成薄膜(厚度小于40μm)。
iv)可选地，构图和蚀刻倍频单晶薄膜的被抛光的表面以形成脊形波导结构。
v)抛光一些面(facets)，从而来自半导体激光二极管的光线能够耦合到波导中，并且来自半导体激光二极管的光线和倍频后的紫外光能够被从波导耦合出去。
根据本发明的装置和方法的优点包括：
a)通过限制来自激光二极管的可见光和UV光沿着单晶薄膜倍频波导，极大地提高了从可见光到深紫外光的转变效率。由于是高品质单晶并且在垂直于光束传播方向的至少一个维度上具有小尺寸并且对可见光和UV光均具有小的吸收损耗，波导提供较高的效率。
b)简化了波导制造过程并代替了对使用复杂离子注入和其它昂贵技术的需要。该制造方法也可以在尺寸上比例放大到更大的波导尺寸。
c)激光系统比现有的深UV激光器的成本更低、尺寸更小。
d)同一光源提供可见激光束和UV激光束两者，因此，装置尺寸和功耗较低。
e)从安全角度上说，可见激光光束是特别有用的，因为它(不像深UV光)对裸眼是可见的。
f)深UV激光波长在快速破坏细菌上高效、能强烈激发细菌荧光并且在污染的空气和水中被强烈吸收。
g)使用高度准直并紧致聚焦的激光束可用于快速和有效处理，并从空气中含有和水中含有的微生物获得大的传感信号。
根据本发明的一个方面，一种用于提供紫外光的激光光源，包括：半导体激光装置，其构造成发出可见光；及包括单晶薄膜的倍频波导，所述波导光学地耦合到半导体激光装置以接收其发出的可见光，倍频波导构造成将所接收的光的至少一部分转变成紫外光，其中所述波导包括：包括单晶非线性光学材料的倍频区域；第一覆层区域，其包括对具有可见波长的光线和紫外激光束基本透明的材料；及支撑基底；其中第一覆层区域设置在支撑基底和倍频区域之间。
根据本发明的一个方面，提出形成用于生成紫外光线的倍频波导的方法，所述波导包括倍频区域，所述方法包括步骤：在倍频区域的表面上施加覆层区域，所述覆层区域包括对于具有可见波长的光线以及紫外激光束大体上透明的材料；将覆层区域附连到基板；对倍频区域研磨和抛光以形成单晶非线性光学材料薄膜；以及蚀刻该薄膜以形成脊型波导结构。
根据本发明的一个方面，提出形成用于生成紫外光线的倍频波导的方法，所述波导包括倍频区域，所述方法包括步骤：在倍频区域的表面上施加覆层区域，所述覆层区域包括对于具有可见波长的光线以及紫外激光束大体上透明的材料；将覆层区域附连到基板；对倍频区域研磨和抛光以形成单晶非线性光学材料薄膜；以及切割所述基底、覆层区域和倍频区域以形成平面波导结构。
为了实现上述及相关目的，于是本发明包括下面将完整描述并且在权利要求书中特别指出的特征。下面的详细描述和附图详细的阐明了本发明的某些说明性实施例。然而，这些实施例仅仅指出可以利用本发明的原理的各种方式中的几种。在结合附图考虑时，从下面对本发明的详细描述中，本发明的其它目的、优点和新颖特征将变得显而易见。
本发明的技术效果
根据本发明的装置和方法能够使用具有更长的波长，例如在400nm-560nm范围内的半导体激光二极管生成高频深紫外线激光。这使得激光生成装置能够发射深紫外线光束以及可见光束。从安全的观点来看，可见光束尤其有用，因为(不同于深紫外光)可见光束对裸眼是可见的。
附图说明
图1示出根据本发明的示例性紫外激光器的基本概念。
图2示出倍频波导的示例性制造过程。
图3示出根据本发明的示例性单晶薄膜倍频平面波导。
图4示出根据本发明的示例性单晶薄膜倍频脊形波导。
图5示出本发明同时提供的实际的激光器光输出的例子。
图6为根据本发明的示例性紫外激光器的部件结构的顶视图。
图7示出用于本发明的一个实施例的BBO单晶的取向。
图8为根据本发明实施例的紫外激光器的部件结构的侧视图。
图9为用于本发明另一实施例的BBO单晶的取向。
图10为用于本发明还一实施例的BBO单晶的取向。
图11为用于本发明再一实施例的BBO单晶的取向。
图12为根据本发明实施例的紫外激光器的部件结构的顶视图。
图13为根据本发明实施例的紫外激光器的部件结构的顶视图。
图14为根据本发明实施例的紫外激光器的部件结构的顶视图。
图15为根据本发明实施例的紫外激光器的部件结构的顶视图。
图16为根据本发明实施例的紫外激光器的部件结构的顶视图。
图17为根据本发明实施例的紫外激光器的部件结构的顶视图。
图18为根据本发明实施例的紫外激光器的部件结构的顶视图。
图19为可见光激光二极管发出的光线的不同波长(λ1)的近似优选值θ列表。
图20是六面晶胞(hexagonal unit cell)的示意图示。
图21为显示六面晶胞中的方向的示意图示。
图22是BBO的六面晶胞中的原子的位置的示意图示。
对附图标记的描述
1.单晶BBO晶片
2.BBO晶片的第一抛光表面
3.第一覆层材料
4.支撑基底
5.粘附层
6.第二抛光表面
7.第二覆层材料
8.进入面
9.出射面
10.单晶薄膜倍频平面波导
11.脊
12.第三覆层材料
13.单晶薄膜倍频脊形波导
14.发出可见光的半导体激光二极管
15.单晶薄膜倍频脊形波导
16.透镜
17.非线性光学薄膜的厚度
18.单晶薄膜倍频波导的长度
19.单独倍频波导部件的宽度
20.脊的高度
21.脊的宽度
22.单晶薄膜倍频平面波导
23.透镜
24.紫外波长激光器
25.垂直于第一抛光表面的平面的方向
26.在例子5中用于相位匹配的优选方向
27.透镜
28.透镜
29.分束部件
30.二向色部件
31.DBR/DFB激光器
32.温度控制元件
33.在波导周围的密封壳
34.到密封壳的进入窗
35.从密封壳来的出射窗
36.容纳激光二极管和波导的密封壳
具体实施方式
依照本发明的装置是激光光源，其提供至少紫外光并优选同时提供可见光和紫外光两者。通过将从半导体激光装置，诸如半导体激光二极管发出的可见激光光线倍频来提供紫外波长光线。利用采用单晶薄膜倍频波导形式的非线性光学晶体实现倍频。激光二极管发出可见光，其波长λ1在400-560nm范围内。典型地，激光二极管发出的光线在很小的波长范围内-例如离中心波长±0.5nm的范围内-但是为了方便起见，我们把发光看作是在单一波长λ1处出现。激光二极管发出的光线被光学耦合到单晶薄膜倍频波导中。波长λ1的光线的一部分被转变成倍频光线，其波长λ2＝λ1/2。例如，如果激光二极管发出的光线的波长λ1＝500nm，倍频后的管线的波长λ2＝225nm，这对应深紫外光。该装置既发出一些由激光二极管发出的光线也发出一些倍频光线。紫外光的输出功率可以在从0.01mW到500mW的范围内。
图2示出根据当前发明的用于从合适的非线性光学单晶制造倍频单晶薄膜波导结构的一般步骤。在该示例情况中，BBO(β-BaB2O4)单晶被用作非线性光学单晶。然而，可以使用任何其它非线性光学单晶，只要它不会强烈吸收半导体激光二极管发出的在400nm和560nm之间的波长λ1的光线，并且不会强烈吸收在200nm到280nm范围中的波长为λ2＝λ1/2的倍频光线。其它非线性光学晶体的例子包括氟代硼铍酸钾(KBe2BO3F2；KBBF)，焦硼酸锂(Li2B4O7；LB4)，四硼酸铷锂(LiRbB4O7；LRB4)以及氟化钡镁(MgBaF4)。不在该表中的其它非线性光学晶体也可以使用。替代地，从单晶或沉积在单晶上的准相位匹配(QPM)倍频材料也可以使用，只要它们不会强烈吸收波长为λ1和λ2的光线，例如可以使用QPM石英。
优选地，从非线性光学单晶制造的波导可以以长相关长度(至少1mm，最好至少20mm)提供倍频。相关长度LC，对倍频来说根据下式LC＝λ1/4(Nλ2-Nλ1)定义，其中λ1是激光二极管发出的光线的波长，Nλ1是入射光(波长λ1)在其中传播的波导模式的有效折射率，而Nλ2是倍频光(波长λ2＝λ1/2)在其中传播的波导模式的有效折射率。优选地，用于倍频的相关长度大于倍频波导的长度。在本公开中，我们使用术语“相位匹配”来表示用于倍频的相干长度长于波导的长度的情况。
步骤如下：
I.典型尺寸为9mm×9mm×0.5mm(或者根据特定应用的需要为其它尺寸)的商业可获得的单晶BBO晶片1在其主表面之一(就是说，两个9mm×9mm表面之一)上被机械研磨(lapped)和抛光到镜状平坦度。这被称为第一抛光表面2。第一抛光表面的取向选择为使得在波导制造完成时，波导将提供对半导体激光二极管发出的光线的相位匹配的倍频。优选地，第一抛光表面的取向选择为使得，在波导制造完成时，在相位匹配的波导中的用于倍频的非线性系数是从用于倍频半导体激光二极管发出的光线的非线性晶体能够得到的最大值。可以获得具有带适当取向、平整度和光滑度的抛光表面的市售晶片。BBO应该在干燥条件下存储、加工和使用，因为它有些吸湿。BBO是相对柔软的材料，因此必需小心以保护抛光的表面不被划伤或沾上灰尘。
II.接下来利用合适的无水有机溶剂清洁抛光的BBO晶片以去除由于抛光工艺残留的任何碎屑。在这里，BBO晶片的第一抛光表面可以用第一覆层材料(或多种材料)3涂覆，所述覆层材料对在随后的操作期间将沿着波导传播的光线(即，激光二极管发出的光线(波长λ1))和通过倍频产生的光线(波长λ2)来说是透明或基本透明的。在获得合适的材料以及核实在深UV激光波长λ2下的低吸收时要给予细致的考量，因为绝大多数潜在覆层材料在深UV波长下具有高的吸收。当第一覆层材料的消光系数(k)对于波长为λ1和λ2的光线来说小于或等于0.05时，第一覆层材料对波长λ1和λ2的光线是透明或基本透明的。有选的，消光系数(k)对于波长为λ1和λ2的光线小于0.02。消光系数是量化材料对光线的透明度的参数。通过该材料的波长为λ的光线的强度(I)根据公式I＝I0exp(-4πxk/λ)变化，其中x是光线已经传播通过材料的距离而I0是光线在x＝0处的强度。优选地，在每种波长λ1和λ2下，第一覆层材料的折射率(n)都小于非线性光学材料在相同波长下的折射率。在双折射非线性光学晶体的情况中，诸如BBO，非线性光学材料在每种波长下的相关折射率是考虑光线的偏振状态，在最终波导中沿着相位匹配方向传播的光线的折射率。对第一覆层材料的优选选择是在对波长为λ2的光线得到k＜0.02情况下，通过真空蒸发而沉积的氟化镁(MgF2)，但是其它合适的材料包括CaF2、LaF3、AlF3、GaF3、NOA88(由NorlandProducts Inc制造)、CYTOP(由Asahi Glass Co.Ltd制造)以及含氟聚合物。第一覆层材料3的厚度至少是100nm；优选为500nm。
III.接下来，利用粘附层5，BBO晶片被附接到例如纯净熔融硅(PFS)的支撑基底4。如果之前BBO晶片的第一抛光表面上被涂覆有第一覆层材料，则该表面为粘合表面。如果之前未施加第一覆层材料，则对在后面的操作期间将沿着波导传播的光线(波长λ1和λ2)来说是透明或基本透明的粘性覆层材料5被用于将第一抛光表面粘合到支撑基底上并称为第一覆层材料。要特别小心以保证在深UV激光波长λ2下吸收较低，因为绝大多数粘合剂在深UV波长下具有高的吸收。对于波长为λ1和λ2的光线，粘性覆层材料具有小于0.05的消光系数(k)，优选该系数小于0.02。优选地，在每个波长λ1和λ2下，第一覆层材料的折射率(n)均小于非线性光学材料在相同波长下的折射率。在双折射非线性光学晶体的情况中，诸如BBO，非线性光学材料在每个波长下的相关折射率是考虑到光线的偏振状态时，针对在最终波导中沿着相位匹配方向传播的光线的折射率。合适的粘合剂的例子是NOA88(由NorlandProducts Inc制造)、CYTOP(由Asahi Glass Co.Ltd制造)以及含氟聚合物。在粘合剂固化过程中可以使用合适的机械夹具将BBO晶片和PFS基底保持在一起，以保证粘合剂厚度在整个BBO表面上保持一致。可以选择支撑基底以在基底的平面中具有适当的热膨胀系数，该适当的热膨胀系数紧密地匹配非线性光学晶体的热膨胀系数。
IV.接下来，粘合的BBO晶片的保持暴露的主表面被机械研磨和抛光以便将其整体厚度17(看图3和4)从0.5mm减小到小于40μm的薄膜的厚度。这被称为第二抛光表面6。BBO薄膜的厚度是第一抛光表面和第二抛光表面之间的距离，并且要沿着垂直于第一抛光表面的平面的距离测量。适于用于研磨和抛光的设备的例子有PP5抛光机和PM5精确研磨和抛光机器，两者都由Logitech Ltd(UK)制造。可以使用玻璃研磨板和分散在无水乙二醇中的9μm氧化铝(Al2O3)研磨颗粒实现机械研磨过程。可以使用展开的聚氨酯板和分散在无水乙二醇中的0.3μm氧化铝(Al2O3)来实现机械抛光过程。最优选地，最终BBO薄膜的厚度在1μm和10μm之间，但是任何小于40μm的厚度均可提供本发明的优点。应在在环境湿度低的情况下进行机械研磨和抛光，以便使BBO暴露至空气中的水汽的可能性最小。优选地，环境的相对湿度小于30％。更优选地，在完全无水的情况下进行研磨和抛光；例如，在干燥氮气的气体环境中。沿着光线在后面的操作期间将传播通过薄膜的方向，得到的BBO单晶薄膜的厚度一定不能有明显变化。如果该厚度明显改变的话，则用于倍频的相干长度将会减小，而在薄膜波导中的倍频效率会降低。沿着光线在后面的操作期间传播通过波导的方向，BBO单晶薄膜的厚度优选的变化小于2μm，更优选地，沿着该方向所述厚度的变化小于0.1μm。
V.接下来使用合适的纯净的无水有机溶剂来清洁第二抛光表面以去除在抛光过程中残留的任何碎屑。在这一阶段第二覆层材料7可以沉积在第二抛光表面上。该第二覆层材料应该满足同样的要求：如上所述那样在选择第一覆层材料时的要求，对波长为λ1和λ2的光线是透明或接近透明的。优选地，所述第二覆层材料对波长λ1和λ2下的折射率(n)还应该满足和如上所述对第一覆层材料所提出的相同的要求。对第二覆层材料来说MgF2是优选选择，但是其它适当材料包括那些列在上面的作为用于第一覆层材料的可用选择的那些材料。第二覆层材料可提供对BBO单晶薄膜的保护，以避免在后面的操作以及对薄膜的处理期间空气中的水汽造成损害。
现在可以加工BBO单晶薄膜以形成倍频平面波导(在图3中概略地示出；下面的步骤VI至VII)或者形成倍频脊形波导(在图4中概略地示出；下面的步骤VIII至XI)。
VI.为了制造倍频平面波导，现在在单晶薄膜的边缘上抛光几个面，从而光线可以耦合进入和离开波导。进入面8被抛光，从而来自半导体激光二极管的光线(波长λ1)可以耦合到波导中。出射面9被抛光从而波长λ1的光线以及波长λ2的倍频光线可以耦合离开波导。抛光这些面使其取向让来自半导体激光二极管的光线能够被耦合到倍频平面波导中，从而光线沿着提供相位匹配的倍频的薄膜的平面中的方向传播。例如，进入面和出射面可以被抛光成使得所述垂直于所述面的平面的方向大体平行于所述相位匹配方向。在进入面和出射面之间的距离，沿相位匹配的方向测量，将限定薄膜平面波导的长度(图3)。可以用展开的聚氨酯抛光板和分散在无水乙二醇中的0.3μm氧化铝(Al2O3)研磨剂来抛光进入面和出射面。可选地，被抛光的边缘面的一个或两者均可用抗反射涂层涂覆或者不涂覆。在进入面上的抗反射涂层设计成提高来自半导体激光二极管(波长λ1)的光线到波导中的透射。在出射面上的涂层设计成提高倍频光(波长λ2)离开波导的透射。作为合适的抗反射涂层的一个例子，可将单层MgF2沉积到能最大化相关波长的透射的受控厚度(例如，“四分之一波长”涂层)。
VII.最终，晶片被切成多个薄膜倍频平面波导部件10，每个部件都适于用在UV激光装置中。
优选地，要形成倍频脊形波导而非倍频平面波导。对于倍频脊形波导的制造，并不执行步骤(VI)和(VII)而是执行步骤VIII到XI。在图4中示出脊11的几何形状。来自半导体激光二极管的光线将被限制在脊中并在最终装置的操作中沿着脊的方向传播。因此，脊的方向被选择成使得，来自半导体激光二极管(波长λ1)的光线将沿着提供相位匹配的倍频的薄膜中的方向传播，以产生波长为λ2＝λ1/2的倍频光线。另外参考图4，沿着垂直于第二抛光表面的平面的方向测量脊20的高度。沿着垂直于所述高度的方向并且垂直于脊行进所沿的方向的方向来测量脊21的宽度。脊的高度选择为至少0.1μm并小于20μm。优选地，所述高度在0.5μm-3μm的范围中。脊的宽度选择为至少1μm并小于40μm。优选地，所述宽度在4μm-10μm的范围中。
可以使用几种不同的方法在BBO的顶表面中提供脊11。在步骤VIII中描述方法的一个示例。
VIII.PMMA薄膜(例如厚度为60nm)被沉积在BBO表面上。光阻剂(例如AZ5214E)被沉积在PMMA层上。利用标准光刻技术和蚀刻在光阻剂上形成图案，从而光阻剂/PMMA双层在需要BBO脊处被完全移除。接下来，蚀刻掩模材料被沉积到顶表面上，沉积厚度大于100nm。优选地，这种蚀刻掩模材料应该满足如上所述和选择第一覆层材料一样的要求，即，对波长λ1和λ2的光线透明或接近透明。优选地，在波长λ1和λ2处的折射率(n)方面，该蚀刻掩模材料也应该满足和如上所述对第一覆层材料相同的要求。通过真空蒸发沉积的MgF2是用于蚀刻掩模材料的优选选择。利用丙酮的卸除溶剂过程，然后被用于去除PMMA/光阻剂双层，由此在BBO表面上留下蚀刻掩模材料条。干蚀刻过程，例如氩离子等离子体蚀刻，然后被用于去除在蚀刻掩模材料条之间的区域中的BBO，直到BBO脊呈现目标脊高度。可选地，现在可以使用蚀刻工序将蚀刻掩模材料从脊的表面去除。在去除蚀刻掩模材料以后，得到的脊形结构在图4中示出。
IX.在该阶段，第三覆层材料12可以沉积在晶片的顶部上以涂覆干蚀刻步骤中暴露的脊侧壁和被蚀刻的表面这两者。第三覆层材料应该满足如上所述和选择第一覆层材料一样的要求：即，对波长λ1和λ2的光线透明或基本透明。优选地，在波长λ1和λ2处的折射率(n)方面，该第三覆层材料也应该满足和如上所述对第一覆层材料相同的要求。MgF2是用于第三覆层材料的优选选择。第三覆层材料可以提供对BBO单晶薄膜的保护，防止在后面的波导的搬运、加工和操作期间空气中的水汽造成损害。第三覆层材料也可以减小光线沿脊形波导传播的散射损失。
X.接下来，面被抛光在蚀刻的单晶薄膜的边缘上，从而光线可以被耦合进入和离开脊形波导。进入面8被抛光从而来自半导体激光二极管的光线(波长λ1)可以被耦合到脊形波导。出射面9被抛光从而波长λ1的光线和波长λ2的倍频光线可以被耦合离开脊形波导。抛光所述面使其取向让来自半导体激光二极管的光线被耦合到倍频脊形波导中，从而光线沿脊形波导传播。例如，可以抛光进入面和出射面从而垂直于面的平面的方向大致平行于脊的方向。在进入面和出射面之间的距离，其沿着脊的方向测量，将限定薄膜脊形波导18的长度。可以使用展开的聚氨酯抛光板和分散在无水乙二醇中的氧化铝(Al2O3)研磨剂来抛光进入面和出射面。可选地，抛光的边缘面的一个和两者可以用抗反射涂层涂覆或者不涂覆。在进入面上的抗反射涂层设计成提高来自半导体激光二极管的光线(波长λ1)到波导中的透射。在出射面上的涂层设计成提高倍频光(波长λ2)离开波导的透射。作为合适的抗反射涂层的例子，单层MgF2被沉积到能够使相关波长的透射最大化的受控厚度(例如“四分之一波长”涂层)。
XI.最终，晶片被切成多个薄膜倍频脊形波导部件13，每个部件适于用在UV激光装置中。
激光二极管发出的光线(波长λ1)被耦合到平面波导10和脊形波导13的进入面8中，从而入射光在波导模式下传播通过提供相位匹配的光线倍频的非线性材料。在平面波导的情况中，在第一抛光表面和第二抛光表面之间以及在进入面和出射面之间的非线性光学材料，构成波导的倍频区域。在脊形波导的情况中，在第一抛光表面和蚀刻的脊之间以及在进入面和出射面之间的非线性光学材料，构成波导的倍频区域。沿着脊形波导的波导模式传播的光线限制在紧挨脊的下面及其附近(当其在进入面和出射面之间通过时)，该区域构成波导的倍频区域。
单晶薄膜倍频波导将一部分入射光转变成波长为λ2＝波长λ1/2的倍频光。波长λ1和λ2的光线通过出射面9行进离开波导。
在图5中的图表示出从根据当前发明的一个实施例制造的深UV激光装置发出的光线的光谱。在图5(a)中的图表示出激光二极管发出的可见光光谱(λ1≈416nm)，在图5(b)中的图表示出倍频的紫外光的光谱(λ2≈208nm)。
本发明相对于现有技术提供几个优点。使用发出可见光的激光二极管和单晶薄膜倍频波导可以以低成本和小尺寸提供深UV激光光源。单晶薄膜倍频波导的制造，其被具有低吸收损耗的一种和更多种材料包覆，从大块单晶开始并利用了掩模和抛光工艺，提供了一种获得高品质的对于深UV光线产生具有高效率的单晶波导的路径。尤其是，与利用离子注入制造倍频波导并且不使用低吸收覆层有关的缺点，得以克服。深UV光可以聚焦到小光斑或者聚焦成准直光束，而不像现有的低成本深UV光源诸如汞灯和LED那样。
示例1
现在描述本发明的第一实施例。在图6中示出的激光装置24，包括产生波长λ1(在400-560nm范围内)的可见激光的半导体激光二极管14，所述光线被耦合到采用单晶薄膜脊形波导结构15形式的BBO倍频晶体中。λ1优选在410nm到460nm的范围内。利用一个和更多透镜16将光线从激光二极管14耦合到波导15，所述透镜收集激光二极管14发出的光线并将光线聚焦到波导15中。优选地，进入波导的光线的主导偏振具有垂直于BBO晶体(例如，单晶非线性光学材料)和第一覆层之间的界面的电场。来自半导体激光二极管的可见光的一部分在波导中被倍频以产生波长λ2＝λ1/2的光线。可见激光束和紫外激光束两者同时从倍频波导结构发出。
根据在上面的步骤I到IV和VIII到XI中描述的方法来制造BBO单晶薄膜倍频脊形波导。其中在上面的描述中还没有描述清楚的具体细节如下：
在步骤I中，典型尺寸为9mm×9mm×0.5mm(或者特定应用所需要的其它尺寸)的单晶BBO x切口晶片1被用作非线性光学单晶。X切口BBO晶片具有离垂直于它们的主表面(即所述9mm×9mm表面)的方向小于5°的BBO＜2-1-10＞晶体方向，并且具有位于它们的主表面内的BBO[0001]晶体方向。第一抛光表面2的平面离BBO晶体的{-12-10}晶格平面的平行方向小于5°(优选为0°)。在晶体方向和BBO晶片1的第一抛光表面2之间的大致关系在图7中示出。可以获得市售BBO晶片，其中{-12-10}平面已经被抛光到足够的平整度和光滑度。
在本公开中，BBO中的晶体方向根据在此解释的现有技术中使用的传统来描述。BBO晶体结构可以使用现有技术中已知的六面晶胞(hexagonal unit cell)(例如，参见International Centre for Diffraction DataPowder Diffraction File 01-080-1489)。六面晶胞的边缘由彼此形成120度的两个共面轴线a1和a2以及沿垂直于包含a1和a2的平面的方向的第三轴线c1来限定。六面晶胞边缘的长度(也已知为晶格参数)为沿轴线a1和a2的a以及沿轴线c1的c。六面晶胞的图示描述在附图20中示出。
六面晶胞中的晶体方向可以使用四个指数向量符号(UVJW)进行描述，如在第三版“Elements of X-ray Diffraction”(B.D.Cullity and S.R.Stock)中所解释的。在此符号中，U是基本向量a1的倍数，V是基本向量a2的倍数；J是基本向量a3的倍数，W是基本向量c1的倍数。由此，符号[UVJM]表示向量方向Ua1+Va2+Ja3+Wc1。基本向量a3被限定为a3＝-(a1+a2)。符号[UVJM]表示晶体中的方向。符号＜UVJM＞表示方向[UVJM]或由于六面晶体结构的对称性的对称等效于方向[UVJM]的另一方向。
例如，晶体中平行于轴线a1的方向可以由U＝2，V＝-1，J＝-1以及W＝0来描述，或者由符号[2-1-10]等效表示。在晶体中存在其他方向，其对称等效于[2-1-10]方向。这些其他方向包括[11-20]、[-12-10]、[-2110]、[-1-120]以及[1-210]。符号＜2-1-10＞表示方向[2-1-10]、[11-20]、[-12-10]、[-2110]、[-1-120]以及[1-210]中的任一方向。
作为第二示例，平行于轴线c1的方向可以由U＝0，V＝0，J＝0以及W＝1来描述，或由符号[0001]等效表示。符号＜0001＞表示方向[0001]以及[000-1]中的任一个。
作为第三示例，与＜0001＞方向以及＜2-1-10＞方向均成90度的方向可以由U＝0，V＝1，J＝-1以及W＝0来描述，或由符号[01-10]等效表示。在晶胞中存在其他方向，其对称等效于[01-10]方向。这些其他方向包括[-1100]、[-1010]、[0-110]、[1-100]以及[10-10]。符号＜01-10＞表示方向[01-10]、[-1100]、[-1010]、[0-110]、[1-100]以及[10-10]中的任一方向。
在图21中示出了显示在沿＜0001＞方向看的六面晶胞中的方向的示意图示。
六面晶胞中的晶格平面可以使用四个布拉菲米耳指数(hkil)来描述，其对于本领域技术人员是已知的(参加，例如第三版“Elements of X-rayDiffraction”(B.D.Cullity and S.R.Stock))。符号(hkil)表示晶体中具有布拉菲米耳指数h、k、i、l的平面的取向。符号{hkil}表示晶体中的在与平面(hkil)对称等效的平面的取向。例如，符号{-12-10}表示对称等效于具有布拉菲米耳指数h＝-1、k＝2、i＝-1、1＝0的平面的平面的取向。这些对称等效的平面包括(2-1-10)、(11-20)、(-12-10)、(-2110)、(-1-120)以及(1-210)。作为第二示例，符号{1-100}表示对称等效于具有布拉菲米耳指数h＝1、k＝-1、i＝0、1＝0的平面的平面的取向。这些对称等效平面包括(10-10)、(-1100)、(-1010)、(0-110)、(1-100)以及(10-10)。BBO晶体结构的六面晶胞在室温下具有为
Figure BDA00002279340900181
以及
Figure BDA00002279340900182
的晶格参数。图22显示了BBO的六面晶胞中的原子的位置的示意性图示。该图显示了沿＜0001＞方向看的晶胞。单个晶胞中的钡、鹏以及氧原子的投影位置分别显示为圆形、方形和三角形。图22中示出的原子的位置是示意性的(大致的)。BBO晶体中的方向，例如＜2-1-10＞方向，可以使用X射线衍射测量来确定。
在步骤II中，通过真空蒸发沉积的300nm厚的MgF2层被用作第一覆层。选择MgF2的沉积条件以保证MgF2的消光系数(k)和折射率(n)满足在上面步骤II中描述的条件。
在步骤III中，第一覆层表面被附接到尺寸为10mm×10mm×1mm的UV熔融硅支撑基底4。NOA88(由Norland Products Inc制造)被用作粘合层5。粘合层的厚度优选为大约2μm。
在步骤IV中，利用研磨和抛光，将BBO单晶17的厚度减小到40μm。优选地，该厚度小于10μm并且最好该厚度为大约4μm。沿着在后面的操作期间光线传播通过波导的方向，BBO单晶薄膜的厚度优选的变化小于0.1μm。
在步骤VIII中，厚度300nm的MgF2层被用作蚀刻掩模材料。选择MgF2沉积条件以保证MgF2的消光系数(k)和折射率(n)满足在上面步骤II中描述的条件。利用氩离子在感耦等离子体蚀刻工具蚀刻BBO。脊的宽度小于40μm。优选地，脊的宽度小于10μm，最好脊的宽度为大约4μm。脊的高度为至少0.5μm并优选在0.5μm到3μm的范围内，最好是大约2μm。脊的方向选择为使得对于半导体激光二极管发出的传播通过得到的脊形波导的光线来说，满足相位匹配。在脊和BBO晶体中的[0001]方向之间的角度(θ)取决于半导体激光二极管的波长。图19提供对于半导体激光二极管发出的光线的一些可能的波长(λ1)的θ的近似值的说明性优选例子的列表。对于半导体激光二极管的任何波长λ1(测量单位nm)，可用于计算优选θ值(测量单位度)的近似现象学等式为：
θ＝α5λ1 5+α4λ1 4+α3λ1 3+α21 2+α1λ1+α0
其中，如果410nm≤λ1＜411nm，a5＝0；a4＝0.188102808664553；a3＝-309.194840804581；a2＝190590.522011723；a1＝-52214207.6963821；a0＝5364240308.25265；
如果411nm≤λ1≤440nm，a5＝-0.000001760705106；a4＝0.00377476277753；a3＝-3.23698468941742；a2＝1387.88016707932；a1＝-297527.230809678；a0＝25512902.6041867；以及
如果440nm＜λ1≤560nm，a5＝-0.000000000333886；a4＝0.000000873625719；a3＝-0.000916331528884；a2＝0.482130839856291；a1＝-127.52288219078；a0＝13654.8448727922。
优选地，在脊和BBO晶体中的[0001]方向之间的角度在图19中列出的θ值或者利用现象等式计算出的θ值的3°以内，以获得对波长λ1的光线的相位匹配。虽然这些值提供对脊的方向的指示，具体要求是脊的方向应该提供对从半导体激光二极管发出的光线的相位匹配，而脊的角度可不同于在这些例子中的数值。可以用X射线衍射来确定BBO晶体中的[0001]方向的方向。
在步骤IX中，厚度200nm的MgF2层被用作第三覆层12。选择MgF2沉积条件以保证MgF2的消光系数(k)和折射率(n)满足上面在步骤II中描述的条件。
在步骤X中，进入面8和出射面9可以在相对于脊的方向的任何取向上抛光。优选地，所述面近似垂直于脊的方向。
在步骤XI中，单个波导部件19的宽度在0.2mm和5mm之间，优选为近似1mm。
示例2
现在描述本发明的第二实施例。在图8中示出激光装置包括产生波长λ1(在400-560nm范围内)的可见激光的半导体激光二极管14，所述光线被耦合到采用单晶薄膜平面波导结构22形式的BBO倍频晶体中。λ1优选在410nm到460nm的范围内。利用一个和更多透镜23将光线从激光二极管14耦合到波导22，所述透镜收集激光二极管14发出的光线并将光线聚焦到波导22中。优选地，进入波导的光线的主导偏振具有垂直于BBO晶体(例如，单晶非线性光学材料)和第一覆层之间的界面的电场。来自半导体激光二极管的可见光的一部分在波导中被倍频以产生波长λ2＝λ1/2的光线。可见激光束和紫外激光束两者同时从倍频波导结构发出。
根据在上面的步骤I到VII中描述的方法来制造BBO单晶薄膜倍频平面波导。其中在上面的描述中还没有描述清楚的具体细节如下：
在步骤I中，典型尺寸为9mm×9mm×0.5mm(或者特定应用所需要的其它尺寸)的单晶BBO x切口晶片1被用作非线性光学单晶。X切口BBO晶片具有离垂直于它们的主表面(即所述9mm×9mm表面)的方向小于5°的BBO＜2-1-10＞晶体方向，并且具有位于它们的主表面的平面中的BBO[0001]晶体方向。第一抛光表面2的平面离BBO晶体的{-12-10}晶格平面的平行方向小于5°(优选为0°)。在晶体方向和BBO晶片1的第一抛光表面2之间的大致关系在图7中示出。可以获得市售BBO晶片，其中{-12-10}平面已经被抛光到足够的平整度和光滑度。
在步骤II中，通过真空蒸发沉积的300nm厚的MgF2层被用作第一覆层3。选择MgF2的沉积条件以保证MgF2的消光系数(k)和折射率(n)满足在上面步骤II中描述的条件。
在步骤III中，第一覆层表面被附接到尺寸为10mm×10mm×1mm的UV熔融硅支撑基底4。NOA88(由Norland Products Inc制造)被用作粘合层5。粘合层的厚度优选为大约2μm。
在步骤IV中，利用研磨和抛光，将BBO单晶17的厚度减小到40μm。优选地，该厚度小于10μm并且最好该厚度为大约4μm。沿着在后面的操作期间光线传播通过波导的方向，BBO单晶薄膜的厚度优选的变化小于0.1μm。作为上述步骤的结果，单晶非线性光学材料厚度小于40μm所沿的方向离＜2-1-10＞BBO晶体方向小于5°。
在步骤V中，通过真空蒸发沉积的200nm厚的MgF2层被用作第二覆层7。选择MgF2的沉积条件以保证MgF2的消光系数(k)和折射率(n)满足在上面步骤II中描述的条件。
在步骤VI中，进入面8和出射面9可以在任何取向上被抛光。优选地，所述面大致垂直于通过为半导体激光二极管发出的光线提供相位匹配的倍频的平面波导的传播方向被抛光。在相位匹配的方向和BBO晶体中的[0001]方向之间的角度(θ)取决于半导体激光二极管的波长。图19提供对于半导体激光二极管发出的光线的一些可能的波长(λ1)的θ的近似值的说明性优选例子的列表。在示例1中给出的近似现象学等式也可用于计算θ的优选值。优选地，在相位匹配方向和BBO晶体中的[0001]方向之间的角度将在图19中列出的θ值或者利用现象学等式计算的θ值的3°以内。这些数值提供对相位匹配方向的指示但是实际角度可能不同。
在步骤VII中，单独波导部件19的宽度在0.2mm和5mm之间并优选为1mm。
示例3
现在描述本发明的第三实施例。除了在波导制造的步骤I中所使用的BBO晶片的取向以外，该激光装置与示例1中描述的相同。在该实施例中，典型尺寸为9mm×9mm×0.5mm(或者特定应用所需要的其它尺寸)的单晶BBO晶片1被用作非线性光学单晶。BBO晶片具有离垂直于它的主表面(即所述9mm×9mm表面)的方向小于5°的BBO＜01-10＞晶体方向，并且具有在它的主表面的平面中的BBO[0001]晶体方向。第一抛光表面2的平面离BBO晶体的{1-100}晶格平面的平行方向小于5°(优选为0°)。在晶体方向和BBO晶片1的第一抛光表面2之间的大致关系在图9中示出。可以获得市售BBO晶片，其中{1-100}平面已经被抛光到足够的平整度和光滑度。脊形波导制造过程的剩余部分与第一实施例中描述的相同。
示例4
现在描述本发明的第四实施例。在图6中示出的激光装置24包括产生波长λ1(在400-560nm范围内)的可见激光的半导体激光二极管14，所述光线被耦合到采用单晶薄膜脊形波导结构15形式的BBO倍频晶体中。λ1优选在410nm到460nm的范围内。利用一个和更多透镜16将光线从激光二极管14耦合到波导15，所述透镜收集激光二极管14发出的光线并将光线聚焦到波导15中。优选地，进入波导的光线的主导偏振具有平行于BBO晶体(例如，单晶非线性光学材料)和第一覆层之间的界面的电场。来自半导体激光二极管的可见光的一部分在波导中被倍频以产生波长λ2＝λ1/2的光线。可见激光束和紫外激光束两者同时从倍频波导结构发出。
除了在步骤I中使用的BBO晶体的取向和步骤VIII中的脊形的方向以外，BBO单晶薄膜倍频脊形波导的制造类似于在示例1中描述的单晶薄膜倍频脊形波导。
在步骤I中，典型尺寸为9mm×9mm×0.5mm(或者特定应用所需要的其它尺寸)的单晶BBO晶片1被用作非线性光学单晶。垂直于BBO晶片的第一抛光表面2的平面的方向25在离BBO晶体的[0001]方向的α＝(90-θ)°角度的3°以内。优选地，垂直于BBO晶片的第一抛光表面2的平面的方向25在垂直于BBO晶体的＜2-1-10＞方向的5°以内(对于这种优选情况，晶体方向和BBO晶片的第一抛光表面2之间的关系在图10中示出)。替代地，垂直于BBO晶片的第一抛光表面2的平面的方向25可以在垂直于BBO晶体的＜01-10＞方向的5°以内(对于这种优选情况，晶体方向和BBO晶片的第一抛光表面2之间的关系在图11中示出)。虽然已经给出上述特定示例(即，图10和图11)，在本实施例中可以使用任何取向，只要垂直于BBO晶片的第一抛光表面的平面的方向在离BBO晶体的[0001]方向的α＝(90-θ)°角度的3°以内。
选择θ的值从而得到的脊形波导将提供对半导体激光二极管发出的光线的相位匹配的倍频。θ的数值取决于激光二极管发出的光线的波长。图19提供对于半导体激光二极管发出的光线的一些可能的波长(λ1)的θ的近似值的说明性优选例子的列表。在示例1中给出的近似现象学等式也可用于计算θ的优选值。虽然这些值提供对抛光表面的取向的指示，具体的要求仅仅是得到的脊形波导要提供相位匹配的倍频，而θ值可以不同于这些示例中的数值。
在步骤VIII中，选择脊的方向，从而为激光二极管发出的传播通过得到的脊形波导的光线提供相位匹配的倍频。优选地，脊的方向在由下述两个平面相交所限定的方向的2°以内，其中一个平面是包含垂直于第一抛光表面的平面的方向和BBO晶体的[0001]方向的平面，另一个平面是第一抛光表面的平面。对于图10和图11中的BBO取向的例子中的情况，标出了该方向26。
不例5
现在描述本发明的第五实施例。在图8中示出的激光装置24包括产生波长λ1(在400-560nm范围内)的可见激光的半导体激光二极管14，所述光线被耦合到采用单晶薄膜平面波导结构22形式的BBO倍频晶体中。λ1优选在410nm到460nm的范围内。利用一个和更多透镜23将光线从激光二极管14耦合到波导22，所述透镜收集激光二极管14发出的光线并将光线聚焦到波导22中。优选地，进入波导的光线的主导偏振具有平行于BBO晶体(例如，单晶非线性光学材料)和第一覆层之间的界面的电场。来自半导体激光二极管的可见光的一部分在波导中被倍频以产生波长λ2＝λ1/2的光线。可见激光束和紫外激光束两者同时从倍频波导结构发出。
除了步骤I中所使用的BBO晶体的取向以及步骤VI中抛光的面的取向以外，BBO单晶薄膜倍频平面波导的制造类似于示例2中描述的单晶薄膜倍频平面波导。
在步骤I中，典型尺寸为9mm ×9mm×0.5mm(或者特定应用所需要的其它尺寸)的单晶BBO晶片1被用作非线性光学单晶。垂直于BBO晶片的第一抛光表面2的平面的方向25在离BBO晶体的[0001]方向的α＝(90-θ)°角度的3°以内。优选地，垂直于BBO晶片的第一抛光表面2的平面的方向25在垂直于BBO晶体中的＜2-1-10＞方向的5°以内(对于这种优选情况，晶体方向和BBO晶片的第一抛光表面2之间的关系在图10中示出)。替代地，垂直于BBO晶片的第一抛光表面2的平面的方向25可以在垂直于BBO晶体的＜01-10＞方向的5°以内(对于这种优选情况，晶体方向和BBO晶片的第一抛光表面2之间的关系在图11中示出)。虽然已经给出这两个特定示例，在本实施例中可以使用任何取向，只要垂直于BBO晶片的第一抛光表面的平面的方向在离BBO晶体的[0001]方向的α＝(90-θ)°角度的3°以内。
选择θ的值从而得到的平面波导将提供对半导体激光二极管发出的光线的相位匹配的倍频。θ的数值取决于激光二极管发出的光线的波长。图19提供对于半导体激光二极管发出的光线的一些可能的波长(λ1)的θ的近似值的说明性优选例子的列表。在示例1中给出的近似现象学等式也可用于计算θ的优选值。
虽然这些值提供对抛光表面的取向的指示，具体的要求仅仅是得到的平面波导要提供相位匹配的倍频，而θ值可以不同于这些示例中的数值。
在步骤VI中，进入面8和出射面9可以在任何取向被抛光。优选地，所述面大致垂直于通过为半导体激光二极管发出的光线提供相位匹配的倍频的平面波导的传播方向被抛光。优选地，传播通过平面波导的方向在由下述两个平面相交所限定的方向的2°以内，其中一个平面是包含垂直于第一抛光表面的平面的方向和BBO晶体的[0001]方向两者的平面，另一个平面是第一抛光表面的平面。对于图10和图11中的BBO取向的例子中的情况，标出了该方向26。
示例6
现在描述本发明的第六实施例。图12中示出的激光装置24包括产生波长λ1(在400-560nm范围内)的可见激光的半导体激光二极管14，所述光线被耦合到采用单晶薄膜脊形波导结构15形式的BBO倍频晶体中。λ1优选在410nm到460nm的范围内。
通过放置激光二极管的发光面非常接近或者接触波导的进入面，光线被从激光二极管14直接耦合到波导15。我们将这种结构称为“毗邻耦合”装置。毗邻耦合结构的优点是它不需要用透镜将来自激光二极管的光线耦合到波导。
脊形波导结构和制造与示例1中描述的相同。优选地，进入波导的光线的主导偏振具有垂直于BBO晶体(例如，单晶非线性光学材料)和第一覆层之间的界面的电场。来自半导体激光二极管的可见光的一部分在波导中被倍频以产生波长λ2＝λ1/2的光线。可见激光束和紫外激光束两者同时从倍频波导结构发出。
示例7
现在描述本发明的第七实施例。图12中示出的激光装置24包括产生波长λ1(在400-560nm范围内)的可见激光的半导体激光二极管14，所述光线被耦合到采用单晶薄膜脊形波导结构15形式的BBO倍频晶体中。λ1优选在410nm到460nm的范围内。
通过放置激光二极管的发光面非常接近或者接触波导的进入面，光线被从激光二极管14直接耦合到波导15。我们将这种结构称为“毗邻耦合”装置。
脊形波导结构和制造与示例4中描述的相同。优选地，进入波导的光线的主导偏振具有平行于BBO晶体(例如，单晶非线性光学材料)和第一覆层之间的界面的电场。这种结构使得针对发出主导偏振平行于它们的基底平面的光线的激光二极管(即，发出横向电或TE模式的二极管)，可以允许简单和低成本的毗邻耦合。来自半导体激光二极管的可见光的一部分在波导中被倍频以产生波长λ2＝λ1/2的光线。可见激光束和紫外激光束两者同时从倍频波导结构发出。
示例8
现在描述本发明的第八实施例。图13中示出的激光装置24包括产生波长λ1(在400-560nm范围内)的可见激光的半导体激光二极管14，所述光线被耦合到采用单晶薄膜脊形波导结构15形式的BBO倍频晶体中。λ1优选在410nm到460nm的范围内。利用一个和更多透镜27将光线从激光二极管14耦合到波导15，所述透镜收集激光二极管14发出的光线并将光线聚焦到波导15中。优选地，进入波导的光线的主导偏振具有垂直于BBO晶体(例如，单晶非线性光学材料)和第一覆层之间的界面的电场。脊形波导的结构和制造与示例1中描述的相同。来自半导体激光二极管的可见光的一部分在波导中被倍频以产生波长λ2＝λ1/2的光线。可见激光束和紫外激光束两者同时从倍频波导结构发出。
使用二向色部件30来经由光学反馈减小半导体激光二极管发出的光线中的波长范围。更窄的波长范围使得波导15中的倍频更加有效，因为更多的入射光处于产生最有效倍频的波长下。另外，可以使用二向色部件30让激光二极管发出具有指定波长的光线。这种功能可用于保证激光二极管发出的光线处于在波导15中产生最有效的倍频的波长下。
使用分束部件29将倍频紫外光与激光二极管发出的光线分开。分束部件29可以是镜子(所述镜子对倍频光比对激光二极管14发出的光有更高的反射率)，并经由一个和更多透镜28接收脊形波导结构15发出的光线，所述透镜28收集从波导15发出的光线并聚焦和准直所述光线到分束部件29中。
在一个例子中，二向色部件30是衍射光栅，其取向成使得来自光栅的衍射光束(例如一级衍射光束)沿着光线从激光二极管发出的同一路径返回。由于衍射光栅的分散，反馈回到激光二极管的光线的强度对不同波长是不同的。反馈导致激光二极管发出的波长范围减小。通过转动衍射光栅，可以改变从激光二极管发出的光线的波长。
在另一个例子中，二向色部件30是镜子，其对不同波长有不同反射率。例如所述镜可以是分布布拉格反射器(DBR)镜。
在图13中的示例中，在通过波导15以后，光线入射在二向色部件30上。这是优选的情况。然而，二向色部件30也可以放置在激光二极管14和波导15之间的光路中。
在另外的替代方案中，二向色部件30可以放置成反馈光线到“背”面如果激光二极管如图14中所示。
示例9
现在描述本发明的第九实施例。图15中示出的激光装置24包括产生波长λ1(在400-560nm范围内)的可见激光的半导体激光二极管31，所述光线被耦合到采用单晶薄膜脊形波导结构15形式的BBO倍频晶体中。λ1优选在410nm到460nm的范围内。激光二极管31是这样的激光二极管，其包含一体集成到激光器芯片的周期性结构，所述芯片设计成让从激光二极管发出的光线具有比常规法布里-珀罗(Fabry-Perot)激光二极管发出的光线更小的波长范围。另外，在一些这种类型的激光二极管的示例中，在工作期间通过应用电压到激光器芯片的一部分，可以调整发光波长。
这种类型的激光器31的例子是分布反馈激光二极管(DFB激光二极管)，分布布拉格反射器激光二极管(DBR激光二级管)和分立模式激光二极管(DM激光二极管)。利用一个和更多透镜16将光线从激光二极管31耦合到波导15，所述透镜收集激光二极管31发出的光线并将光线聚焦到波导15中。脊形波导的结构和制造与示例1中描述的相同。优选地，进入波导的光线的主导偏振具有垂直于BBO晶体(例如，单晶非线性光学材料)和第一覆层之间的界面的电场。来自半导体激光二极管的可见光的一部分在波导中被倍频以产生波长λ2＝λ1/2的光线。可见激光束和紫外激光束两者同时从倍频波导结构发出。
激光二极管31发出的窄范围波长使得波导15中的倍频更加有效，因为更多入射光处于产生最有效倍频的波长下。另外，如果在工作期间调整来自激光二极管31的发光波长，可以改变波长以保证激光二极管31发出的光线处于在波导15中产生最有效倍频的波长下。
示例10
现在描述本发明的第十实施例。图16中示出的激光装置24包括产生波长λ1(在400-560nm范围内)的可见激光的半导体激光二极管14，所述光线被耦合到采用单晶薄膜脊形波导结构15形式的BBO倍频晶体中。λ1优选在410nm到460nm的范围内。利用一个和更多透镜16将光线从激光二极管14耦合到波导15，所述透镜收集激光二极管14发出的光线并将光线聚焦到波导15中。脊形波导的结构和制造与示例1中描述的相同。优选地，进入波导的光线的主导偏振具有垂直于BBO晶体(例如，单晶非线性光学材料)和第一覆层之间的界面的电场。来自半导体激光二极管的可见光的一部分在波导中被倍频以产生波长λ2＝λ1/2的光线。可见激光束和紫外激光束两者同时从倍频波导结构发出。
激光二极管安装在温度控制元件32上，其可用于在激光装置24工作期间改变激光二极管芯片的温度。通过改变激光二极管芯片的温度，可以调整激光二极管的发光波长，从而波长与在波导15中获得最有效倍频的波长相匹配。
示例11
现在描述本发明的第十一实施例。图17中示出的激光装置24包括产生波长λ1(在400-560nm范围内)的可见激光的半导体激光二极管14，所述光线被耦合到采用单晶薄膜脊形波导结构15形式的BBO倍频晶体中。λ1优选在410nm到460nm的范围内。利用一个和更多透镜16将光线从激光二极管14耦合到波导15，所述透镜收集激光二极管14发出的光线并将光线聚焦到波导15中。脊形波导的结构和制造与示例1中描述的相同。优选地，进入波导的光线的主导偏振具有垂直于BBO晶体(例如，单晶非线性光学材料)和第一覆层之间的界面的电场。来自半导体激光二极管的可见光的一部分在波导中被倍频以产生波长λ2＝λ1/2的光线。可见激光束和紫外激光束两者同时从倍频波导结构发出。
激光二极管14和波导15被装入密封的封装36中，所述封装防止湿气从空气中侵入。优选地，在制造期间所述密封封装被干燥氮气(即，仅包含很少水汽或者不包含水汽)填充，但是作为替代方案其它干燥气体也可以使用。在另一替代方案中，所述封装可以被抽真空至低压，然后在真空下密封。
在密封封装中设置了窗35，通过所述窗来自半导体激光二极管的光线和倍频UV光通行离开所述封装。在第二例子中，在图18中示出，波导15在密封封装中被独立密封并设置第二进入窗34，来自激光二极管的光线通过所述进入窗34朝着波导行进。
密封封装防止湿气到达BBO波导并且减小由于UV光在空气中的分子上的反应而对表面造成的污染，由此提高了UV激光装置的寿命。
根据本发明的一个方面，半导体激光装置构造成发出波长在400nm和560nm之间的可见光，转变的紫外光的波长在200nm和280nm之间。
根据本发明的一个方面，单晶非线性光学材料的厚度小于40μm，第一覆层的厚度大于100nm。
根据本发明的一个方面，单晶非线性光学材料包括BBO，厚度小于40μm的单晶非线性光学材料的厚度所沿着的方向离＜2-1-10＞BBO晶体方向小于5°。
根据本发明的一个方面，单晶薄膜包括形成单晶薄膜的主表面的至少一个抛光表面，且所述BBO晶体方向不平行于所述至少一个抛光表面的平面。
根据本发明的一个方面，所述单晶非线性材料包括BBO，且垂直于BBO晶片的第一抛光表面的平面的方向在离BBO晶体的[0001]方向的α＝(90-θ)°角度的3°以内，其中θ＞35°。
根据本发明的一个方面，所述单晶非线性材料包括BBO，且垂直于BBO晶片的第一抛光表面的平面的方向在离BBO晶体的[0001]方向的α＝(90-θ)°角度的3°以内，其中测量单位为度的θ通过下式根据半导体激光源的测量单位为nm的波长λ1限定：
θ＝α5λ1 5+α4λ1 4+α3λ1 3+α2λ1 2+α1λ1+α0；
其中当410nm≤λ1＜411nm时，a5＝0；a4＝0.188102808664553；a3＝-309.194840804581；a2＝190590.522011723；a1＝-52214207.6963821；a0＝5364240308.25265；
当411nm≤λ1≤440nm时，a5＝-0.000001760705106；a4＝0.00377476277753；a3＝-3.23698468941742；a2＝1387.88016707932；a1＝-297527.230809678；a0＝25512902.6041867；以及
当440nm＜λ1≤560nm时，a5＝-0.000000000333886；a4＝0.000000873625719；a3＝-0.000916331528884；a2＝0.482130839856291；a1＝-127.52288219078；a0＝13654.8448727922。
根据本发明的一个方面，单晶非线性光学材料包括偏硼酸钡(BBO)、氟代硼铍酸钾、焦硼酸锂、四硼酸铷锂以及氟化钡镁中的至少一种。
根据本发明的一个方面，单晶非线性光学材料是准相位匹配倍频材料。
根据本发明的一个方面，波导构造成以1mm和20mm之间的相干长度提供倍频。
根据本发明的一个方面，波导构造成所提供的用于倍频的相干长度大于波导的长度。
根据本发明的一个方面，进入波导的光线的主导偏振具有垂直于单晶非线性光学材料和第一覆层之间的界面的电场。
根据本发明的一个方面，进入波导的光线的主导偏振具有平行于单晶非线性光学材料和第一覆层之间的界面的电场。
根据本发明的一个方面，所述装置还包括光学布置在半导体激光装置和波导之间的至少一个透镜，所述至少一个透镜构造成收集从半导体激光装置发出的光线并将所收集的光线聚焦到波导中。
根据本发明的一个方面，来自激光装置的光线被直接耦合到波导。
根据本发明的一个方面，波导包括倍频脊形波导。
根据本发明的一个方面，波导包括倍频平面波导。
根据本发明的一个方面，波导包括倍频平面波导和倍频脊形波导中的至少一种，且其中单晶薄膜包括具有主表面的BBO，BBO＜01-10＞晶体方向离垂直于主表面的方向小于5度，BBO[0001]晶体方向处于主表面的平面中。
根据本发明的一个方面，所述装置还包括二向色部件，其构造成减小半导体激光装置发出的光线的波长范围。
根据本发明的一个方面，所述装置还包括分束部件，其构造成将倍频的紫外光与半导体激光装置发出的光线分开。
根据本发明的一个方面，二向色部件包括下述部件的至少一个：衍射光栅，其取向为使得来自光栅的衍射光束沿着和从半导体激光装置发出的光线相同的路径返回，以及对不同波长的光线具有不同反射率的镜。
根据本发明的一个方面，二向色部件是下述情况的至少一种：光学耦合到波导的输出端，光学布置在半导体激光装置和波导之间，以及布置成将光线反馈到半导体激光装置的面内。
根据本发明的一个方面，半导体激光装置包括一体集成到半导体激光装置中的周期性结构，所述周期性结构构造成让从半导体激光装置发出的光线包括比从法布里-珀罗激光二级管发出的光线更小的波长范围。
根据本发明的一个方面，所述还包括耦合到半导体激光装置的温度控制元件，所述温度控制元件构造成改变半导体激光装置的温度。
根据本发明的一个方面，半导体激光装置和波导的至少一个被装在密封封装中，可见光和紫外光通过封装的透明窗区域发出。
根据本发明的一个方面，第一覆层区域包括从由MgF2、CaF2、LaF3、AlF3、GaF3、NOA88、CYTOP和含氟聚合物组成的材料组中选出的材料。
根据本发明的一个方面，覆层区域在可见光和紫外光两者波长下都具有小于0.05的消光系数(k)。
根据本发明的一个方面，所述光源的紫外功率输出在0.01mW和500mW之间。
根据本发明的一个方面，激光光源构造成既发出紫外光也发出可见光。
根据本发明的一个方面，半导体激光装置是半导体激光二极管。
根据本发明的一个方面，蚀刻所述薄膜包括利用与第一覆层相同材料制成的蚀刻掩模层。
根据本发明的一个方面，利用与第一覆层相同材料制成的蚀刻掩模层包括保留蚀刻掩模层在脊形波导结构的顶部上作为顶部涂覆层。
根据本发明的一个方面，形成单晶非线性光学材料包括由偏硼酸钡(BBO)形成所述单晶非线性光学材料。
尽管已经关于某个和某些实施例示出和描述了本发明，对阅读和理解本说明书及附图的本领域技术人员来说，等同替换方案和变型是显而易见的。尤其是关于由上面描述的元件(部件、组件、装置、成分灯)实现的各种功能，用于描述这些元件的术语(包括称谓“手段”)意思是对应(除非另外说明)能够完成所描述的元件的指定功能的任何元件(即，功能上等同)，即使那些元件在结构上不等同于在此处的本发明的示例性实施例中的实现功能的元件的公开结构。另外，尽管可能关于仅一个和几个实施例描述了本发明的特定特征，但是这样的特征可以和其它实施例的一个和更多其它特征结合，如任何给定和特定应用所期望的那样(或者有利于上述应用)。
工业应用
根据本发明的紫外激光器可在设计用于水的消毒处理的产品中用作光源。根据本发明的紫外激光器还可在荧光传感器中用作光源。

Claims (35)

1.一种用于提供紫外光的激光光源，包括：
半导体激光装置，其构造成发出可见光；及
包括单晶薄膜的倍频波导，所述波导光学耦合到半导体激光装置以接收半导体激光装置发出的可见光，倍频波导构造成将所接收的光的至少一部分转变成紫外光，其中所述波导包括：
包括单晶非线性光学材料的倍频区域；
第一覆层区域，包括对具有可见波长的光线和紫外激光束基本透明的材料；及
支撑基底；
其中第一覆层区域设置在支撑基底和倍频区域之间。
2.根据权利要求1所述的激光光源，其中半导体激光装置构造成发出波长在400nm和560nm之间的可见光，转变的紫外光的波长在200nm和280nm之间。
3.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中单晶非线性光学材料的厚度小于40μm，第一覆层的厚度大于100nm。
4.根据权利要求3所述的激光光源，其中单晶非线性光学材料包括BBO，厚度小于40μm的单晶非线性光学材料的厚度所沿着的方向离＜2-1-10＞BBO晶体方向小于5°。
5.根据权利要求4所述的激光光源，其中单晶薄膜包括形成单晶薄膜的主表面的至少一个抛光表面，且所述BBO晶体方向不平行于所述至少一个抛光表面的平面。
6.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中所述单晶非线性材料包括BBO，且垂直于BBO晶片的第一抛光表面的平面的方向在离BBO晶体的[0001]方向的α＝(90-θ)°角度的3°以内，其中θ＞35°。
7.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中所述单晶非线性材料包括BBO，且垂直于BBO晶片的第一抛光表面的平面的方向在离BBO晶体的[0001]方向的α＝(90-θ)°角度的3°以内，其中测量单位为度的θ通过下式根据半导体激光源的测量单位为nm的波长λ1限定：
θ＝α5λ1 5+α4λ1 4+α3λ1 3+α2λ1 2+α1λ1+α0；
其中当410nm≤λ1＜411nm时，a5＝0；a4＝0.188102808664553；a3＝-309.194840804581；a2＝190590.522011723；a1＝-52214207.6963821；a0＝5364240308.25265；
当411nm≤λ1≤440nm时，a5＝-0.000001760705106；a4＝0.00377476277753；a3＝-3.23698468941742；a2＝1387.88016707932；a1＝-297527.230809678；a0＝25512902.6041867；以及
当440nm＜λ1≤560nm时，a5＝-0.000000000333886；a4＝0.000000873625719；a2＝-0.000916331528884；a2＝0.482130839856291；a1＝-127.52288219078；a0＝13654.8448727922。
8.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中单晶非线性光学材料包括偏硼酸钡(BBO)、氟代硼铍酸钾、焦硼酸锂、四硼酸铷锂以及氟化钡镁中的至少一种。
9.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中单晶非线性光学材料是准相位匹配倍频材料。
10.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中波导构造成以1mm和20mm之间的相干长度提供倍频。
11.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中波导构造成所提供的用于倍频的相干长度大于波导的长度。
12.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中进入波导的光线的主导偏振具有垂直于单晶非线性光学材料和第一覆层之间的界面的电场。
13.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中进入波导的光线的主导偏振具有平行于单晶非线性光学材料和第一覆层之间的界面的电场。
14.根据权利要求1或2所述的激光光源，还包括光学布置在半导体激光装置和波导之间的至少一个透镜，所述至少一个透镜构造成收集从半导体激光装置发出的光线并将所收集的光线聚焦到波导中。
15.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中来自激光装置的光线被直接耦合到波导。
16.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中波导包括倍频脊形波导。
17.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中波导包括倍频平面波导。
18.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中波导包括倍频平面波导和倍频脊形波导中的至少一种，且其中单晶薄膜包括具有主表面的BBO，BBO＜01-10＞晶体方向离垂直于所述主表面的方向小于5度，BBO[0001]晶体方向处于所述主表面的平面中。
19.根据权利要求1或2所述的激光光源，还包括二向色部件，其构造成减小半导体激光装置发出的光线的波长范围。
20.根据权利要求19所述的激光光源，还包括分束部件，其构造成将倍频的紫外光与半导体激光装置发出的光线分开。
21.根据权利要求19所述的激光光源，其中二向色部件包括下述部件的至少一个：
衍射光栅，其取向为使得来自光栅的衍射光束沿着与从半导体激光装置发出的光线相同的路径返回，以及
对不同波长的光线具有不同反射率的镜。
22.根据权利要求19所述的激光光源，其中二向色部件是下述情况的至少一种：
光学耦合到波导的输出端，
光学布置在半导体激光装置和波导之间，以及
布置成将光线反馈到半导体激光装置的面内。
23.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中半导体激光装置包括一体集成到半导体激光装置中的周期性结构，所述周期性结构构造成让从半导体激光装置发出的光线包括比从法布里-珀罗激光二级管发出的光线更小的波长范围。
24.根据权利要求1或2所述的激光光源，还包括耦合到半导体激光装置的温度控制元件，所述温度控制元件构造成改变半导体激光装置的温度。
25.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中半导体激光装置和波导的至少一个被装在密封封装中，可见光和紫外光通过封装的透明窗区域发出。
26.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中第一覆层区域包括从由MgF2、CaF2、LaF3、AlF3、GaF3、NOA88、CYTOP和含氟聚合物组成的材料组中选出的材料。
27.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中覆层区域在可见光和紫外光两者波长下都具有小于0.05的消光系数(k)。
28.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中所述光源的紫外功率输出在0.01mW和500mW之间。
29.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中激光光源构造成既发出紫外光也发出可见光。
30.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中半导体激光装置是半导体激光二极管。
31.一种形成用于产生紫外光的倍频波导的方法，所述波导包括倍频区域，所述方法包括：
施加覆层区域到倍频区域的表面，所述覆层区域包括对具有可见光波长的光线和紫外激光束基本透明的材料；
附接覆层区域到基底上；
研磨和抛光倍频区域以形成单晶非线性光学材料薄膜；及
蚀刻所述薄膜以形成脊形波导结构。
32.一种形成用于产生紫外光的倍频波导的方法，所述波导包括倍频区域，所述方法包括：
施加覆层区域到倍频区域的表面，所述覆层区域包括对具有可见光波长的光线和紫外激光束基本透明的材料；
附接覆层区域到基底上；
研磨和抛光倍频区域以形成单晶非线性光学材料薄膜；以及
切割所述基底、覆层区域以及倍频区域以形成平面波导结构。
33.根据权利要求31或32所述的方法，其中蚀刻所述薄膜包括利用由与第一覆层相同的材料制成的蚀刻掩模层。
34.根据权利要求33所述的方法，其中利用由与第一覆层相同的材料制成的蚀刻掩模层包括保留蚀刻掩模层在脊形波导结构的顶部上作为顶部涂覆层。
35.根据权利要求31或32所述的方法，其中形成单晶非线性光学材料包括由偏硼酸钡(BBO)形成所述单晶非线性光学材料。
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