CN107069396A - 基于稀土离子激活拉曼晶体解理片的平板波导激光器件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一类基于自拉曼激光晶体解理晶片的平板波导激光及自拉曼激光器件，该平板波导激光器件由芯层，内包层及外包层组成。其中芯层介质为三价稀土离子激活的具有解理特性的拉曼晶体的解理晶片；内包层介质为折射率小于芯层介质的晶片或玻璃片；外包层介质为导热性能好的晶片。本发明采用自拉曼激光晶体解理晶片作为平板波导激光器件的芯层，其制作成本低，光通过损耗低。本发明采用平板波导结构，适合采用大面积冷却，可及时传导基波激光及自拉曼激光运转中产生的废热，降低热光效应。此外，采用波导结构可有效地限制光束发散的，提高增益介质中的光功率密度，从而实现低阈值，高功率的基波激光及自拉曼激光的输出。

Description

基于稀土离子激活拉曼晶体解理片的平板波导激光器件

技术领域

本发明涉及一类固体平板波导激光器件，特别是自拉曼平板波导激光器件。

背景技术

利用晶体的受激拉曼散射效应，可将入射的基波激光转变成一系列间隔为声子频率的拉曼激光发射，使现有激光波段得到有效拓展，获得一些在军事、医疗、显示、遥感、海洋探测等许多有重要应用价值的相干光源，如新型的黄光、橙光以及人眼安全的1.5μm激光等。将三价稀土激活离子掺入到拉曼晶体中制成的自拉曼激光器，由于将基波激光产生和受激拉曼散射效应复合在同一晶体中，可以把器件做得更稳定、更紧凑、更便于调整而倍受关注。然而，自拉曼激光运转时热效应较严重，使得自拉曼激光的光－光转换效率及输出功率等指标都不高。

发明内容

本发明的目的是利用有解理特性的自拉曼激光晶体解理出的光滑晶体片制作自拉曼平板波导激光器件，解决自拉曼激光运转过程中热效应严重影响自拉曼激光的输出功率及效率的问题，实现低阈值、高功率和高效率的自拉曼激光输出。为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：

1、一种基于自拉曼激光晶体解理晶片的平板波导激光器，其特征在于，该平板波导激光器增益元件由芯层，内包层及外包层组成：

所述的芯层介质为三价稀土离子激活的具有解理特性的拉曼晶体的解理晶片；

所述内包层介质为折射率小于芯层介质的晶片或玻璃片；

所述外包层介质为导热性能好的晶片。

2、一类如项1所述的平板波导激光器增益元件的制备方法，即采用键合的方法制作所述波导，其特征为：

1)沿三价稀土离子激活的具有解理特性的拉曼晶体的解理面解理出厚度为d1，长度为c，宽度为w的晶片作为芯层，d1的取值范围为0μm＜d1≤1000μm，c的取值范围为0mm＜c≤300mm，w的取值范围为0mm＜w≤300mm；

2)将厚度为d2，长度为c，宽度为w的晶片或玻璃片两个表面进行抛光，使其光滑平整，作为内包层；这里，d2的取值范围为0μm＜d2≤1000μm，晶片或玻璃片的数量为2；

3)将厚度为d3，长度为c，宽度为w的晶片一个表面进行抛光，使其光滑平整，作为外包层；这里，d3的取值范围为0mm＜d3≤20mm，晶片的数量为2；

4)将1)，2)，3)所制作出的晶片或玻璃片进行光胶，然后在温度T下进行分子扩散以实现芯层，内包层，外包层的稳固键合，获得波导结构，这里温度T的取值范围为50℃＜T≤1300℃；

5)将4)键合制得的波导结构(d1+2×d2+2×d3)×w端面进行抛光，即得所述的自拉曼平板波导激光增益元件。

3、一类固体平板波导激光器，由半导体激光泵浦系统、激光谐振腔和增益元件组成，其特征在于：采用如项1所述的平板波导激光增益元件；半导体激光泵浦系统包括半导体激光器及放置在半导体激光器和谐振腔之间的光学耦合器；激光谐振腔由输入和输出镜组成；输入镜设计为在泵浦波长附近透过率T≥80％，在基波激光波段透过率T≤0.5％；输出镜设计为在基波激光波段透过率为0.5％≤T≤10％，在泵浦光波长附近透过率T≤0.5％，在其他可能存在受激辐射的波长附近的透过率T>30％。

4、一类自拉曼固体平板波导脉冲激光器，由半导体激光泵浦系统、激光谐振腔和增益元件及调Q晶体组成，其特征在于：采用如项1所述的平板波导激光增益元件；调Q晶体前后端面镀有基波激光及自拉曼激光波段的增透膜；半导体激光泵浦系统包括半导体激光器及放置在半导体激光器和谐振腔之间的光学耦合器；激光谐振腔由输入和输出镜组成；输入镜设计为在泵浦波长附近透过率为T≥80％，在基波激光及自拉曼激光波段透过率T≤0.5％；输出镜设计为在基波激光波段透过率T≤0.5％，在泵浦光波长附近透过率T≤0.5％，在自拉曼激光波段透过率为0.5％≤T≤30％，在其他可能存在受激辐射的波长附近的透过率T>30％。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1)本发明的平板波导器件，结构紧凑、适合采用大面积冷却，因此非常有利于散热。将波导层包裹在热导率高的材料中，可及时传导基波激光及自拉曼激光运转中产生的废热，降低热光效应，保证光束质量。薄的波导层自身也有利于降低热光效应。此外，波导结构可对有效抑制光束发散，可提高增益介质中的光功率密度，从而有利实现低阈值、高功率的基波激光及自拉曼激光的输出。

2)本发明采用自拉曼激光晶体解理晶片作为平板波导激光增益元件的芯层，由于解理面平整光洁无界面缺陷及污染，不仅较低器件的制作成本，而且其光通过损耗低，有利于实现低阈值基波激光及自拉曼激光的输出。

具体实施方式

实施例1基于Nd³⁺激活的KY(MoO₄)₂拉曼晶体解理晶片的平板波导激光器件

沿0.01Nd³⁺:KY_0.99(MoO₄)₂晶体的解理方向解理出厚度为100μm，长度为30mm，宽度为5mm的晶片作为芯层；沿KY(MoO₄)₂的解理方向解理出两片厚度为50μm，长度为30mm，宽度为5mm的晶片作为内包层；将两片厚度为3mm，长度为30mm，宽度为5mm的Al₂O₃蓝宝石晶片各一个表面进行抛光，使其光滑平整，制作出外包层。将各晶片按芯层，内包层，外包层顺序进行光胶，然后在900℃温度下进行分子热扩散实现键合；将键合后得到的波导结构的6.2mm×5mm两个端面进行抛光；利用所制作平板波导激光增益元件可实现基波激光和自拉曼激光输出：

1)基波激光输出：

a)907nm基波激光输出：将端面抛光好的平板波导激光增益元件放入激光腔中；激光腔输入镜在808nm波长处透过率T＝90％，在907nm波长处透过率T＝0.2％；激光腔输出镜在907nm波长处透过率T＝1.5％，在808nm波长附近透过率T＝0.2％，在波长1060nm及1347nm附近的透过率T>30％。用808nm波长半导体激光端面泵浦即可获得907nm的基波激光输出。

b)1067nm基波激光输出：将端面抛光好的平板波导激光增益元件放入激光腔中；激光腔输入镜在808nm波长处透过率T＝90％，在1067nm波长处透过率T＝0.2％；激光腔输出镜在1067nm波长处透过率T＝1.5％，在808nm波长附近透过率T＝0.2％。用808nm波长半导体激光端面泵浦即可获得1067nm的基波激光输出。

c)1347nm基波激光输出：将端面抛光好的平板波导激光增益元件放入激光腔中；激光腔输入镜在808nm波长处透过率T＝90％，在1347nm波长处透过率T＝0.2％；激光腔输出镜在1347nm波长处透过率T＝1.5％，在808nm波长附近透过率T＝0.2％，在1067nm波长附近透过率T>30％。用808nm波长半导体激光端面泵浦即可获得1347nm的基波激光输出。

2)自拉曼激光输出：

a)将端面抛光好的平板波导激光增益元件放入激光腔中；激光腔输入镜在808nm波长处透过率T＝90％，在907nm及992nm波长处透过率T＝0.2％；激光腔输出镜在808nm泵浦光及907nm基波激光波长处透过率T＝0.2％，在波长1060nm及1347nm附近的透过率T>30％，在自拉曼激光992nm波长处透过率T＝2％。以Cr⁴⁺:YAG为调Q晶体。用808nm波长半导体激光端面泵浦即可获得992nm的自拉曼脉冲激光输出。

b)将端面抛光好的平板波导激光增益元件放入激光腔中；激光腔输入镜在808nm波长处透过率T＝90％，在1067nm及1187nm波长处透过率T＝0.2％；激光腔输出镜在808nm泵浦光及1067nm基波激光波长处透过率T＝0.2％，在自拉曼激光1187nm波长处透过率T＝10％。以Cr⁴⁺:YAG为调Q晶体。用808nm波长半导体激光端面泵浦即可获得1187nm的自拉曼激光输出。

c)将端面抛光好的平板波导激光增益元件放入激光腔中；激光腔输入镜在808nm波长处透过率T＝90％，在1347nm及1545nm波长处透过率T＝0.2％；激光腔输出镜在808nm泵浦光及1347nm基波激光波长处透过率T＝0.2％，在波长1067nm附近透过率T>30％，在自拉曼激光1545nm波长处透过率T＝5％。以Co²⁺:MgAl₂O₄为调Q晶体。用808nm波长半导体激光端面泵浦即可获得1545nm的自拉曼激光输出。

实施例2基于Yb³⁺激活的BaGd₂(MoO₄)₄拉曼晶体解理晶片的平板波导激光器件及其制作方法

沿0.01Yb³⁺:BaGd_1.99(MoO₄)₄的解理方向解理出厚度为100μm，长度为30mm，宽度为5mm的晶片作为芯层；沿BaGd₂(MoO₄)₄的解理方向解理出两片厚度为50μm，长度为30mm，宽度为5mm的晶片作为内包层；将两片厚度为3mm，长度为30mm，宽度为5mm的Al₂O₃蓝宝石晶片各一个表面进行抛光，使其光滑平整，制作出外包层。将各晶片按芯层，内包层，外包层顺序进行光胶，然后在950℃温度下进行分子热扩散实现键合；将键合后得到的波导结构的6.2mm×5mm两个端面进行抛光；利用所制作平板波导激光增益元件可实现基波激光，自拉曼激光输出：

1)基波激光输出：

1050nm激光输出：将端面抛光好的平板波导激光增益元件放入激光腔中；激光腔输入镜在970nm波长处透过率T＝90％，在1050nm波长处透过率T＝0.2％；激光腔输出镜在1050nm波长处透过率T＝1.5％。用970nm波长半导体激光端面泵浦即可获得1050nm的激光输出。

2)自拉曼激光输出：

将端面抛光好的平板波导激光增益元件放入激光腔中；激光腔输入镜在970nm波长处透过率T＝90％，在1050nm及1166nm波长处透过率T＝0.2％；激光腔输出镜在970nm泵浦光及1050nm基波激光波长处透过率T＝0.2％，在自拉曼激光1166nm波长处透过率T＝5％。以Cr⁴⁺:YAG为调Q晶体。用970nm波长半导体激光端面泵浦即可获得1166nm的自拉曼激光输出。

实施例3基于Nd³⁺激活的BaGd₂(MoO₄)₄拉曼晶体解理晶片的平板波导激光器件及其制作方法

沿0.01Nd³⁺:BaGd_1.99(MoO₄)₄的解理方向解理出厚度为100μm，长度为30mm，宽度为5mm的晶片作为芯层；沿BaGd_1.95Y_0.05(MoO₄)₄的解理方向解理出两片厚度为50μm，长度为30mm，宽度为5mm的晶片作为内包层；将两片厚度为3mm，长度为30mm，宽度为5mm的Al₂O₃蓝宝石晶片各一个表面进行抛光，使其光滑平整，制作出外包层。将各晶片按芯层，内包层，外包层顺序进行光胶，然后在950℃温度下进行分子热扩散实现键合；将键合后得到的波导结构的6.2mm×5mm两个端面进行抛光；利用所制作平板波导激光增益元件可实现基波激光，自拉曼激光输出：

3)基波激光输出：

a)1061nm激光输出：将端面抛光好的平板波导激光增益元件放入激光腔中；激光腔输入镜在807nm波长处透过率T＝90％，在1061nm波长处透过率T＝0.2％；激光腔输出镜在1061nm波长处透过率T＝1.5％。用808nm波长半导体激光端面泵浦即可获得1067nm的激光输出。

b)1337nm激光输出：将端面抛光好的平板波导激光增益元件放入激光腔中；激光腔输入镜在807nm波长处透过率T＝90％，在1337nm波长处透过率T＝0.2％；激光腔输出镜在1337nm波长处透过率T＝1.5％，在1061nm波长附近透过率T>30％。用807nm波长半导体激光端面泵浦即可获得1337nm的激光输出。

4)自拉曼激光输出：

a)将端面抛光好的平板波导激光增益元件放入激光腔中；激光腔输入镜在807nm波长处透过率T＝90％，在1061nm及1180nm波长处透过率T＝0.2％；激光腔输出镜在807nm泵浦光及1061nm基波激光波长处透过率T＝0.2％，在自拉曼激光1180nm波长处透过率T＝5％。以Cr⁴⁺:YAG为调Q晶体。用807nm波长半导体激光端面泵浦即可获得1180nm的自拉曼激光输出。

b)将端面抛光好的平板波导激光增益元件放入激光腔中；激光腔输入镜在807nm波长处透过率T＝90％，在1337nm及1532nm波长处透过率T＝0.2％；激光腔输出镜在807nm泵浦光及1337nm基波激光波长处透过率T＝0.2％，在1061波长附近透过率T>30％，在自拉曼激光1532nm波长处透过率T＝5％。以Co²⁺:MgAl₂O₄为调Q晶体。用807nm波长半导体激光端面泵浦即可获得1532nm的自拉曼激光输出。

实施例4基于Tm³⁺激活的BaGd₂(MoO₄)₄拉曼晶体解理晶片的平板波导激光器件及其制作方法

沿0.01Tm³⁺:BaGd_1.99(MoO₄)₄的解理方向解理出厚度为100μm，长度为30mm，宽度为5mm的晶片作为芯层；沿BaGd₂(MoO₄)₄的解理方向解理出两片厚度为50μm，长度为30mm，宽度为5mm的晶片作为内包层；将两片厚度为3mm，长度为30mm，宽度为5mm的Al₂O₃蓝宝石晶片各一个表面进行抛光，使其光滑平整，制作出外包层。将各晶片按芯层，内包层，外包层顺序进行光胶，然后在950℃温度下进行分子热扩散实现键合；将键合后得到的波导结构的6.2mm×5mm两个端面进行抛光；利用所制作平板波导激光增益元件可实现基波激光，自拉曼激光输出：

1)基波激光输出：

1905nm激光输出：将端面抛光好的平板波导激光增益元件放入激光腔中；激光腔输入镜在798nm波长处透过率T＝90％，在1905nm波长处透过率T＝0.2％；激光腔输出镜在1905nm波长处透过率T＝1.5％。用798nm波长半导体激光端面泵浦即可获得1905nm的激光输出。

2)自拉曼激光输出：

将端面抛光好的平板波导激光增益元件放入激光腔中；激光腔输入镜在798nm波长处透过率T＝90％，在1905nm及2326nm波长处透过率T＝0.2％；激光腔输出镜在798nm泵浦光及1905nm基波激光波长处透过率T＝0.2％，在自拉曼激光2326nm波长处透过率T＝5％。以Cr²⁺:ZnSe为调Q晶体。用798nm波长半导体激光端面泵浦即可获得2326nm的自拉曼激光输出。

Claims (4)

1.一种基于自拉曼激光晶体解理晶片的平板波导激光器，其特征在于，该平板波导激光器增益元件由芯层，内包层及外包层组成：

所述的芯层介质为三价稀土离子激活的具有解理特性的拉曼晶体的解理晶片；

所述内包层介质为折射率小于芯层介质的晶片或玻璃片；

所述外包层介质为导热性能好的晶片。

2.一类如权利要求1所述的平板波导激光器增益元件的的制作方法，即采用键合的方法制作所述波导，其特征为：

1)沿三价稀土离子激活的具有解理特性的拉曼晶体的解理面解理出厚度为d1，长度为c，宽度为w的晶片作为芯层，d1的取值范围为0μm＜d1≤1000μm，c的取值范围为0mm＜c≤300mm，w的取值范围为0mm＜w≤300mm；

2)将厚度为d2，长度为c，宽度为w的晶片或玻璃片两个表面进行抛光，使其光滑平整，作为内包层；这里，d2的取值范围为0μm＜d2≤1000μm，晶片或玻璃片的数量为2；

3)将厚度为d3，长度为c，宽度为w的晶片一个表面进行抛光，使其光滑平整，作为外包层；这里，d3的取值范围为0mm＜d3≤20mm，晶片的数量为2；

4)将1)，2)，3)所制作出的晶片或玻璃片进行光胶，然后在温度T下进行分子扩散以实现芯层，内包层，外包层的稳固键合，获得波导结构，这里温度T的取值范围为50℃＜T≤1300℃；

5)将4)键合制得的波导结构(d1+2×d2+2×d3)×w端面进行抛光，即得所述的自拉曼平板波导激光增益元件。

3.一类固体平板波导激光器，由半导体激光泵浦系统、激光谐振腔和增益元件组成，其特征在于：采用如权利要求1所述的平板波导激光增益元件；半导体激光泵浦系统包括半导体激光器及放置在半导体激光器和谐振腔之间的光学耦合器；激光谐振腔由输入和输出镜组成；输入镜设计为在泵浦波长附近透过率T≥80％,在基波激光波段透过率T≤0.5％；输出镜设计为在基波激光波段透过率为0.5％≤T≤10％，在泵浦光波长附近透过率T≤0.5％，在其他可能存在受激辐射的波长附近的透过率T>30％。

4.一类自拉曼固体平板波导脉冲激光器，由半导体激光泵浦系统、激光谐振腔和增益元件及调Q晶体组成，其特征在于：采用如权利要求1所述的平板波导激光增益元件；调Q晶体前后端面镀有基波激光及自拉曼激光波段的增透膜；半导体激光泵浦系统包括半导体激光器及放置在半导体激光器和谐振腔之间的光学耦合器；激光谐振腔由输入和输出镜组成；输入镜设计为在泵浦波长附近透过率T≥80％，在基波激光及自拉曼激光波段透过率T≤0.5％；输出镜设计为在基波激光波段透过率T≤0.5％，在泵浦光波长附近透过率T≤0.5％，在自拉曼激光波段透过率为0.5％≤T≤30％，在其他可能存在受激辐射的波长附近的透过率T>30％。