CN104852271A - 一种波导激光器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导激光器的制备方法，包括如下步骤：对晶体进行抛光，并清洗抛光后晶体的表面；在晶体表面蒸发一层镱膜，并高温扩散处理；在晶体表面镀一层金属保护膜，光刻刻出波导；对晶体进行质子交换，退火处理，形成光波导；对光波导进行反质子交换，形成掩埋质子交换波导；对掩埋质子交换波导两端镀激光谐振腔膜，形成波导激光器。本发明波导激光器的制备方法，采用质子交换的方法制备波导激光器，降低了光折变损伤，从而使波导激光器产生稳定的连续波激光振荡，进一步利用反质子交换工艺，提高了波长转换效率。

Description

一种波导激光器的制备方法

技术领域

本发明涉及一种波导激光器的制备方法，尤其是涉及一种利用反质子交换制备波导激光器的方法。

背景技术

随着光纤通信、测距、医疗等方面的发展，对激光光源提出了越来越高的要求，光源质量在很大程度上决定了光学系统的性能，经过不断地研究和开发，波导激光器作为产生一种新型激光光源的激光器，在激光振荡、光束质量和转换效率等性能方面有着巨大优势。

波导是集成光学的基本组成单位，也是全光通信的基础，被定义为由低折射率区域包围起来的高折射率区域，由于全反射原理，光束可以被限制在高折射率介质层中传播，从而波导可以将光的能量约束在一个截面非常小的波导内。根据光在传播方向上受到的限制，波导可以分为平面光波导(在一个方向上限制光场)和条形光波导(在两个方向上限制光场)。对波导进行谐振腔镀膜，用合适的泵浦光对波导作为增益介质进行泵浦，就会输出相应的波导激光。与一般的体激光器相比，波导激光器利用光波导结构能够将能量约束在很小的截面内，能够有效的提高光的能量密度，降低泵浦阈值，从而有效的提高斜率效率。此外，用波导作为增益介质的激光器，比体激光器的尺寸要小得多，更容易集成，因此波导激光器非常适合于集成光学发展的需要。现阶段被用来制备波导激光器的晶体有很多，其中Yb:LiNbO₃具有很强的偏振吸收性，高吸收系数，对泵浦波长的依赖性较小，激光阈值较低，同时能够产生1061nm的激光，在集成光学和光通讯领域具有重要应用；但是，Yb:LiNbO₃成本较高，不适合平常使用。

对于波导激光器的制备，可采用离子注入法和Ti扩散法，但这些制备工艺也面临着一些问题，比如，离子注入法由于注入剂量较大，注入时间较长，波导制作成本较高，在离子注入过程中，注入离子在射程末端对晶格结构造成了一定程度上的损伤，而这些损伤的存在会增加波导的吸收和散射的损耗，提高了波长转换效率。为寻求更好的制备工艺，南安普顿大学J.K.Jones等人提出了在y方向传播的铌酸锂晶体上进行Ti扩散制备波导激光器的方法，尽管Ti扩散可以制作出低损耗的波导，但由于Ti扩散存在严重的光折变损伤，从而无法产生稳定的连续波激光振荡，这大大限制了它们的应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种波导激光器的制备方法，采用质子交换工艺，降低制备波导激光器过程中的光折变损伤，使波导激光器产生稳定的连续波激光振荡；进一步采用反质子交换工艺，提高了波长的转换效率。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种波导激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，选择形状为长方体的LiNbO₃晶体，对LiNbO₃晶体的上表面和其中两个相对的侧面进行抛光，并清洗抛光后的上表面和两个相对的侧面；

步骤2，在清洗后的LiNbO₃晶体上表面蒸发一层镱膜，并对镱膜进行扩散处理，得到Yb:LiNbO₃晶体；

步骤3，在镱膜的中间预留3-5mm的通道，该通道与步骤1所述两个相对的侧面垂直，且通道的两端分别延至上表面的两端，在通道两侧镀一层金属保护膜，对预留的通道刻出波导；

步骤4，在步骤3的基础上对Yb:LiNbO₃晶体进行质子交换和退火处理，得到光波导；

步骤5，对光波导进行反质子交换，得到掩埋质子交换波导；

步骤6，在掩埋质子交换波导的两个相对侧面镀激光谐振腔膜，得到波导激光器。

优选的，步骤2所述镱膜的厚度为30nm。

优选的，步骤2所述扩散处理过程中，将镱膜在1100-1300摄氏度的温度下进行15-25个小时的扩散处理。

优选的，步骤3所述金属保护膜为金属铝保护膜。

优选的，步骤4所述质子交换过程中，将质子源和Yb:LiNbO₃晶体加热到200摄氏度后，进行120分钟的质子交换。

优选的，步骤4所述退火处理过程中，将质子交换后的Yb:LiNbO₃晶体放在退火炉中，在370摄氏度下维持180分钟的退火。

优选的，步骤5所述反质子交换过程中，将光波导浸没于摩尔浓度比为37.5:44.5:18.0的KNO3:NaNO3:LiNbO3混合熔液中，在350摄氏度下持续12个小时的反质子交换。

优选的，步骤6所述在掩埋质子交换波导的两个相对侧面镀激光谐振腔膜具体为：其中一个侧面镀918nm的增透膜和1061nm的高反膜，另一个侧面镀镀1061nm的增透膜和918nm的高反膜。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1、本发明波导激光器的制备方法，采用质子交换的方法制备波导激光器，降低了光折变损伤，从而使波导激光器产生稳定的连续波激光振荡，进一步利用反质子交换工艺，提高了波长转换效率。

2、本发明波导激光器的制备方法，采用波导作为增益介质，减小了激光谐振腔的体积，增大了谐振腔内的光功率密度，从而实现了较低阈值的激光输出。

3、本发明波导激光器的制备方法，通过在波导两端镀增透膜和高反膜，避免了使用透镜和反射镜，减少了激光器所需元器件的数量，大大降低了激光器的尺寸和成本，提高了激光系统的集成度。

附图说明

图1是本发明波导激光器的制备方法的工艺流程图。

图2是利用本发明的制备方法制备得到的波导激光器的结构示意图。

其中：1为铌酸锂衬底层、2为镱扩散层、3为质子交换波导通道、4为激光谐振腔输入端镀膜、5为激光谐振腔输出端镀膜、6为泵浦光、7为波导激光。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，本发明波导激光器的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，对LiNbO₃晶体进行抛光，并清洗抛光后样品的表面；

步骤2，在晶体表面蒸发一层镱膜，并高温扩散处理；

步骤3，在晶体表面镀一层金属铝保护膜，光刻刻出波导部分；

步骤4，对晶体进行质子交换，退火处理，形成光波导；

步骤5，对光波导进行反质子交换处理，形成掩埋质子交换波导；

步骤6，在掩埋质子交换波导的两端面镀上激光谐振腔膜，形成波导激光器，如图2所示。

步骤1中，晶体抛光、清洗流程包括如下步骤：

步骤1-1，利用化学-机械研磨的方法对晶体端面抛光处理；

步骤1-2，利用丙酮、酒精、去离子水顺次清洗抛光后的晶体，晶体如图2中铌酸锂衬底层1所示。

步骤2中，利用电子束蒸发技术在晶体表面沉积一层30nm厚度的镱膜，如图2中镱扩散层2所示，接着将晶体放在石英管式炉中，在有氧环境下对镱膜进行高温扩散处理，扩散温度为1100摄氏度，扩散时间为25小时。

步骤3中，将扩散好的晶体放入离子溅射镀膜机中，在晶体表面镀上一层金属保护膜作为掩膜，接着用光刻技术刻出波导部分，如图2中质子交换波导通道3所示。

步骤4中，质子交换过程包括如下步骤：

步骤4-1，将苯甲酸粉末和Yb:LiNbO₃晶体放入试管中，并将试管放入玻璃容器中，把玻璃容器密封起来放进交换炉的恒温区；

步骤4-2，通过温控仪控制炉内温度，温度控制精度为±1℃，加热升温到200摄氏度，经过一定的恒温时间让晶片充分预热后，通过一定的转动装置转动玻璃管使苯甲酸浸没晶片，开始交换，依次持续120分钟质子交换后，再转动玻璃管使晶片从质子源中脱离出来，取出晶片；步骤4-3，待冷却到接近室温后，再用无水乙醇超声清洗表面，清除残留的苯甲酸。

步骤4中，退火过程包括如下步骤：

步骤4-4，将交换好的Yb:LiNbO₃波导片清洗干净，放入石英夹具上，送至退火炉的恒温区；步骤4-5，往退火炉中通入氧气，防止波导表面氧化物分解，同时尽可能较快的将温度升温到370摄氏度并恒定温度，设定退火时间为180分钟；

步骤4-6，退火结束后，缓慢的将石英夹具从退火炉的恒温区拉出，取下波导基片。

步骤5中，反质子交换包括如下步骤：

步骤5-1，将摩尔mol浓度比为37.5:44.5:18.0的KNO3:NaNO3:LiNbO3混合熔液和退火质子交换后波导分别放入U型试管两端，把U型试管密封起来放进交换炉的恒温区；

步骤5-2，通过温控仪控制炉内温度，温度控制精度为±1℃，加热升温到300摄氏度，经过一定的恒温时间让波导充分预热后，通过转动U型玻璃管使混合溶液浸没波导片，开始交换，依次持续12小时反质子交换后，再转动U型玻璃管使波导片从混合熔液中脱离出来，取出波导片；

步骤5-3，待冷却到接近室温后，再用无水乙醇超声清洗表面，清除残留的混合溶液。

步骤6中，在抛光端面镀激光谐振腔膜，如图2中激光谐振腔输入端镀膜4、激光谐振腔输出端镀膜5所示，在光进入方向的一端镀上918nm的增透膜和1061nm的高反膜，在光输出方向的一端镀上1061nm的增透膜和918nm的高反膜，形成波导激光器件。

实际使用中，为了得到波导激光输出：可用钛宝石激光器产生中心波长为918nm连续泵浦光，如图2中泵浦光6所述，泵浦Yb:LiNbO₃波导，从而产生稳定的1061nm波导激光输出，如图2中波导激光7所示。

本发明利用波导作为激光器的增益介质，减小激光谐振腔的体积，增大了谐振腔内的光功率密度，从而实现了较低阈值的激光输出。同时采用质子交换法制备波导激光器，减小了光折变损伤，产生了稳定的连续波激光输出，进一步采用反质子交换工艺，实现了波导中H⁺重新与混合溶液中Li⁺进行了交换，降低了波导表面折射率，这样波导被掩埋于表面之下，与一般的退火质子交换波导相比，反质子交换波导由于掩埋于表面之下，从而有效地减小了波导表面散射，进而降低了波导传输损耗。另一方面，由于掩埋型波导折射率分布的对称性，因此918nm和1061nm波长模场分布较非掩埋波导对称性更好，模场重叠因子更大，因而具有较高转换效率。此外，通过在波导两端镀激光谐振腔膜，减小了激光器元器件的数量，降低了激光器的尺寸和成本，提高激光器的集成度。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种波导激光器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1，选择形状为长方体的LiNbO₃晶体，对LiNbO₃晶体的上表面和其中两个相对的侧面进行抛光，并清洗抛光后的上表面和两个相对的侧面；

步骤2，在清洗后的LiNbO₃晶体上表面蒸发一层镱膜，并对镱膜进行扩散处理，得到Yb:LiNbO₃晶体；

步骤3，在镱膜的中间预留3-5mm的通道，该通道与步骤1所述两个相对的侧面垂直，且通道的两端分别延至上表面的两端，在通道两侧镀一层金属保护膜，对预留的通道刻出波导；

步骤4，在步骤3的基础上对Yb:LiNbO₃晶体进行质子交换和退火处理，得到光波导；

步骤5，对光波导进行反质子交换，得到掩埋质子交换波导；

步骤6，在掩埋质子交换波导的两个相对侧面镀激光谐振腔膜，得到波导激光器。

2.如权利要求1所述波导激光器的制备方法，其特征在于：步骤2所述镱膜的厚度为30nm。

3.如权利要求1所述波导激光器的制备方法，其特征在于：步骤2所述扩散处理过程中，将镱膜在1100-1300摄氏度的温度下进行15-25个小时的扩散处理。

4.如权利要求1所述波导激光器的制备方法，其特征在于：步骤3所述金属保护膜为金属铝保护膜。

5.如权利要求1所述波导激光器的制备方法，其特征在于：步骤4所述质子交换过程中，将质子源和Yb:LiNbO₃晶体加热到200摄氏度后，进行120分钟的质子交换。

6.如权利要求1所述波导激光器的制备方法，其特征在于：步骤4所述退火处理过程中，将质子交换后的Yb:LiNbO₃晶体放在退火炉中，在370摄氏度下维持180分钟的退火。

7.如权利要求1所述波导激光器的制备方法，其特征在于：步骤5所述反质子交换过程中，将光波导浸没于摩尔浓度比为37.5:44.5:18.0的KNO3:NaNO3:LiNbO3混合熔液中，在350摄氏度下持续12个小时的反质子交换。

8.如权利要求1所述波导激光器的制备方法，其特征在于：步骤6所述在掩埋质子交换波导的两个相对侧面镀激光谐振腔膜具体为：其中一个侧面镀918nm的增透膜和1061nm的高反膜，另一个侧面镀镀1061nm的增透膜和918nm的高反膜。