CN108963732B - 波导被动调q激光器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种波导被动调Q激光器及其制作方法，解决现有波导激光器分立元件较多、空间结构复杂、集成度较低的问题。本发明所提供的波导被动调Q激光器包括泵浦源、增益波导和调制波导；增益波导和调制波导设置在泵浦源的输出光路上，增益波导通过激光在增益介质内部刻写实现；调制波导通过激光在调制介质内部刻写实现；增益波导和调制波导通过激光焊接。波导被动调Q激光器制作方法包括以下步骤：1)将增益介质和调制介质通过激光焊接；2)在增益介质和调制介质内部分别通过激光刻写波导结构，形成增益波导和调制波导；3)将增益波导和调制波导设置在泵浦源的输出光路上，获得波导被动调Q激光器。

Description

波导被动调Q激光器及其制作方法

技术领域

本发明涉及激光器领域，具体涉及一种波导被动调Q激光器及其制作方法，该激光器是一种基于超快激光在透明介质内部形成增益波导以及调制波导的复合功能波导激光结构。

背景技术

随着信息时代的到来，激光技术、信息处理技术和通信技术都得到了迅速发展，由于信息量需求的不断提高，传统的光学系统已难以满足大容量、高速率等要求，基于以上要求，集成光学得以逐步发展。光波导是集成光学的基本组成单元，光波导不仅可以作为被动光子器件，也可以实现主动增益功能，在光通讯等方面展现了其巨大的应用价值，

随着激光技术与光波导技术的有机结合，出现了飞秒激光光刻波导技术。该技术对材料的选择性小，具有更广泛的应用前景，且波导截面容易控制，极有利于减小器件的插入损耗，由于其体积小、结构简单，整个光波导芯片对环境不敏感，能够用于高加速度环境和大温差环境，有效的推动了集成光学的发展。同时，在2000年左右出现了利用飞秒激光熔接透明电介质材料的新型激光焊接技术，可以将不同的光学材料通过飞秒激光界面处理实现光学材料的熔接工艺，焊接强度和剪切力测试都可以达到集成光学系统应用的标准，为光集成芯片的产生奠定了一定的基础。

目前高度集成的主动增益光源主要有光纤尾纤集成的半导体光源，半导体光源由于其稳定性比较差，因此与光纤耦合困难，同时光纤源在光集成器件中体积比较大，很难适应光集成器件的发展，更不能适应光集成芯片的产生。基于此，针对波导为增益介质的各类激光器引起了研究人员的强烈兴趣。

2004年，Roberto Osellame等人利用脉宽300fs，波长1040nm，重复频率166kHz的二极管泵浦镱玻璃飞秒激光振荡器在铒镱共掺磷酸盐玻璃上写入了在1.55μm处与标准单模光纤模式匹配的波导，把12mm长的这种波导作为放大器，首次实现了1.2dB的净增益，这意味着可以使用飞秒激光光刻的办法来实现集成激光源和放大器这种通信主动器件。

波导激光器的优点在于高度集成化，有效的推动了光集成技术的发展，但是现有的波导激光器，存在着分立元件较多，空间结构复杂等问题，如在波导激光器中只是采用波导器件为增益介质，而脉冲调制器件则是采用其他外部可饱和吸收调制介质或者电光调制介质，在很大程度上降低了波导锁模激光器的高集成度。

发明内容

本发明的目的是解决现有波导激光器分立元件较多、空间结构复杂、集成度较低的问题，提供了一种波导被动调Q激光器及其制作方法。

本发明的波导被动调Q激光器是一种将调制介质和增益介质高效焊接，光学耦合结构简单、波导一次成型，调Q脉冲能量范围以及输出激光模式灵活可调的波导被动调Q激光器，具体为利用飞秒激光将激光增益介质和激光调制介质熔接，利用飞秒激光在增益介质内部形成双线型或螺线型管状波增益波导，同时在调制介质内部利用飞秒激光形成双线型或螺线型管状调制波导，最终实现波导结构的被动调Q激光器。

本发明的技术方案是：

本发明所提供的一种波导被动调Q激光器，包括泵浦源、增益波导和调制波导；所述增益波导和调制波导设置在泵浦源的输出光路上，所述增益波导通过激光在增益介质内部刻写实现；所述调制波导通过激光在调制介质内部刻写实现；所述增益波导和调制波导通过激光焊接；所述增益介质是掺稀土元素的增益晶体材料，所述调制介质是掺稀土元素的调制晶体材料。

进一步地，所述增益波导和调制波导利用飞秒激光焊接，所述增益波导通过飞秒激光在增益介质内部刻写实现；所述调制波导通过飞秒激光在增益介质内部刻写实现。

进一步地，所述增益波导和调制波导为双线型波导结构或螺线型管状波导结构。

进一步地，所述增益介质长度为5mm-10mm，所述调制介质长度为500μm-2mm。

同时，本发明还提供了一种波导被动调Q激光器制作方法，包括以下步骤：

1)将增益介质和调制介质通过激光焊接；

2)在增益介质和调制介质内部分别通过激光刻写波导结构，形成增益波导和调制波导；

3)将增益波导和调制波导设置在泵浦源的输出光路上，获得波导被动调Q激光器。

进一步地，步骤1)中，将增益介质和调制介质通过飞秒激光焊接；

步骤2)中，在增益介质和调制介质内部分别通过飞秒激光刻写波导结构。

进一步地，步骤2)中，在增益介质和调制介质内部采用双线型或螺线型管状刻写波导结构；具体为在飞秒加工系统中，激光经过狭缝系统进行光束整形和显微物镜聚焦在介质内部，利用飞秒激光非线性诱导介质折射率变化，产生双线型或螺线型管状激光增益波导以及双线型或螺线型管状调制波导。

进一步地，步骤2)中，采用横向激光写入方式刻写双线型波导结构。

进一步地，步骤2)中，采用纵向激光写入方式刻写螺线型管状波导结构。

本发明与现有技术相比，具有以下技术效果：

1.本发明利用飞秒激光将激光增益介质和激光调制介质熔接，无需其他可饱和吸收材料或者电光材料，进而利用飞秒激光在光学增益介质内部形成双线型或螺线型管状增益波导，同时在激光调制介质内部利用飞秒激光形成双线型或螺线型管状调制波导，两种介质内部波导可以一次成型制备，不需要波导间的光路耦合结构，易于调节，插入损耗低，加工效率高，调Q脉冲能量范围以及输出激光模式灵活可调，最终实现波导为增益介质和调制介质的波导被动调Q激光器。

2.本发明提供了同时具有增益功能和调制功能的波导调Q激光器，该激光器采用飞秒激光焊接技术将增益介质和调制介质在界面处实现高强度熔接，由于熔接过程快，损伤区域小，可以实现快速高强度的熔接，同时保持非激光作用区域的光学特性。在熔接工艺过后，采用飞秒激光在增益介质内部刻写双线型波导，激光作用区域折射率降低形成波导层，未修改区域折射率相对升高，构成波导结构同时保持激光增益特性，同样利用飞秒激光制备工艺在调制介质内部刻写双线型波导，刻写区域为波导包层，刻线之间为波导导光区域，同时具备调制功能，由于两种介质在熔接之后制备波导，增益功能波导和调制功能波导免去波导耦合技术限制，可以实现低插损的波导对接，降低激光损耗，有利于实现波导激光。

3.本发明波导的刻写还同时采用了螺线型管状波导结构，在增益介质和调制介质内部利用螺线型刻写方式制备管状波导，此种刻写方式波导的直径灵活可调，刻写过程单步完成，相比传统的波导刻写方式效率大大提高，波导导光模式也可大范围调节。

4.本发明提出了一种新型结构的波导被动调Q激光器，利用飞秒脉冲激光实现不同材料的焊接，同时利用飞秒激光诱导增益波导和调制波导包层折射率变化，在增益介质和调制介质内部产生了具有增益功能和调制功能的波导结构，进而通过泵浦和材料本身的菲涅尔反射构成了波导激光结构，可实现调Q脉冲能量范围以及输出激光模式灵活可调波导被动调Q激光器。此结构的波导被动调Q激光器体积小，结构简单，成本低廉，制造过程简单和快速，易于实现。

附图说明

图1为本发明波导被动调Q激光器结构示意图；

图2为本发明双线型增益波导和双线型调制波导结构示意图；

图3为本发明螺线型管状增益波导和螺线型管状调制波导结构示意图。

附图标记：1-泵浦源，2-增益波导，3-调制波导，4、5-激光反射镜，21-双线型增益波导，31-双线型调制波导，22-螺线型管状增益波导，32-螺线型管状调制波导。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：

本发明提供了一种波导被动调Q激光器以及其制作方法，该激光器将两种不同光学性质的材料高强度熔接，同时利用飞秒激光制备具有增益功能的波导和具有调制功能的波导，通过飞秒激光实现了光学焊接，焊接过程不损伤周围区域，保持材料光学特性；波导刻写采用了双线型和螺线型管状波导结构，无需耦合系统，大大降低插入损耗，同时螺线型管状波导可以实现模式灵活可调，可以是单模，也可以是多模；波导刻写采用单步刻写，提高加工效率。

本发明的波导被动调Q激光器是由飞秒激光将具有增益功能的材料和具有调制功能的材料通过焊接工艺高强度熔接，之后通过飞秒激光在两种介质内部刻写波导结构，其包括两根不同功能的波导，无需耦合器件，其中波导可以为双线型的波导也可以为螺线型的管状波导，这两种结构波导都可以保持材料本身光学特性，同时共同实现波导调Q激光功能，波导采用螺线型管状结构时还可以灵活调节波导的输出模式，单步制备，高效加工。

如图1、图2、图3所示，本发明所提供的波导被动调Q激光器包括泵浦源1、增益波导2、调制波导3和激光反射镜4、5；增益波导2和调制波导3设置在泵浦源1的输出光路上，增益波导2通过激光在增益介质内部刻写实现；调制波导3通过激光在调制介质内部刻写实现；增益波导2和调制波导3通过激光焊接，增益介质以及调制介质(介质焊接)是通过在飞秒加工系统中利用飞秒激光诱导光学材料界面产生熔接效果，实现高强度光学焊接。增益介质是掺稀土元素的增益晶体材料，具体可采用掺镱的增益晶体材料，调制介质是掺稀土元素的调制晶体材料。泵浦源1是由单根激光二极管组成的半导体激光二极管以及输出尾纤，半导体激光二极管输出尾纤为单模输出。

本发明波导调Q激光器的激光反射镜4、5由增益材料和空气界面的菲涅尔反射提供，反射原理为的菲涅尔反射。波导制备完成之后波导两侧由于增益材料和空气产生的菲涅尔反射提供了激光反馈机制，实现了激光端镜功能，在泵浦注入之后即可以实现激光振荡，由于采用了具有调制功能的材料制备波导，当激光经过调制波导3介质时会产生激光光强的调制效应，由于制备调制波导3长度不同，其调制深度也相应不同，所以会产生不同的脉冲能量。

增益波导2和调制波导3可具体利用飞秒激光焊接，增益波导2通过飞秒激光在增益介质内部刻写实现；调制波导3通过飞秒激光在增益介质内部刻写实现。

增益波导2和调制波导3可为双线型波导结构或螺线型管状波导结构。由于采用螺线型管状波导，波导横截面可调，激光输出的模式也灵活可调，可以实现单模或者多模输出。

本发明所提供的波导被动调Q激光器制作方法，具体包括以下步骤：

1)将增益介质和调制介质通过激光焊接，具体可通过飞秒激光焊接；

2)在增益介质和调制介质内部分别通过激光刻写波导结构，形成增益波导2和调制波导3，具体可通过飞秒激光刻写；

3)将增益波导2和调制波导3设置在泵浦源1的输出光路上，获得波导被动调Q激光器。

步骤2)中，在增益介质和调制介质内部通过双线型或螺线型管状刻写波导结构；具体可为在飞秒加工系统中，激光经过狭缝系统进行光束整形和显微物镜聚焦在介质内部，利用飞秒激光诱导介质折射率变化，产生双线型或螺线型管状激光增益波导2以及双线型或螺线型管状调制波导32。

上述的双线型增益波导21以及双线型调制波导31，是在飞秒加工系统中在具有增益介质或者调制介质上制作对称双线型波导，双线型波导刻线之间实现激光增益或者调制功能；上述的螺线型管状增益波导22以及螺线型管状调制波导32，是在飞秒加工系统中使用光束整形和螺线型刻写方法实现，螺线型波导刻写方法可实现波导包层直径大小可控，管状波导螺线型包层内部区域为激光增益区域或者调制功能区域。

刻写双线型波导时采用横向激光写入方式，即激光传输方向和光学材料移动方向垂直，激光束利用显微物镜聚焦到材料内部，利用位移平台移动光纤，飞秒激光焦点在两种材料内部刻出包层轨迹，在该包层之间即形成波导结构。

刻写螺线型管状波导时采用纵向激光写入方式，即激光传输方向和光学材料移动方向平行，激光束利用显微物镜聚焦到材料内部，利用位移平台移动光纤，飞秒激光焦点在两种材料内部刻出螺线型的包层轨迹，在该包层之间即形成波导结构。

由于刻写的过程同时在两种材料内部完成，上述焊接工艺已经将材料紧固，所以波导制备后无需附加耦合结构实现波导连接，大大降低了插入损耗。飞秒脉冲激光光刻技术具体可采用重复频率100kHz，光谱中心波长1030nm，光谱宽度12nm，脉冲宽度120fs的固体激光放大系统作为加工光源，将增益介质和调制介质放置于精密电动三维运动平台，通过显微镜聚焦在两种材料界面，实现激光焊接工艺，焊接完成之后通过飞秒激光聚焦在两种材料内部制备双线型波导或者螺线型管状波导。

本发明的工作原理是：飞秒激光聚焦到两种光学材料界面处会在两种材料表面都产生高温作用区域，界面处的材料在高温状态下会发生熔融效应，两种材料内部分子会运动到对方材料内部，由于飞秒激光的瞬时效应，激光作用后会迅速降低温度，恢复固态，此时界面处由于激光能量的沉积就会发生熔接效果，由于激光能量和作用时间的不同，界面的熔接强度也会相应不同，采用合适的参数的飞秒激光可以实现高强度的焊接工艺，同时保持激光未作用区域的材料特性。在焊接工艺之后，利用飞秒激光聚焦到光学材料内部时，会在激光焦点作用区域发生多光子吸收，产生等离子体，当等离子体达到一定密度，材料会发生损伤，由此改变光学材料的光学特性，而在激光焦点以外，激光强度达不到多光子吸收阈值，材料不会损伤，因此可在材料内实现精密定位加工。如果作用区域产生了降低的折射率，则可以通过双线型或者管状波导结构实现光波导，即作用区域为光波导包层，作用区域之间的为波导芯层。

激光器具体工作时，首先，由泵浦源1提供泵浦光，再将其注入增益波导2内部，此时增益波导2产生激光，传入调制波导3内实现激光调制，增益波导2可以是5mm-10mm范围不同长度，采用长度较长时，输出功率较大。调制波导3可以是500μm-2mm范围长度，长度越长，输出脉冲能量越大。

Claims (5)

1.一种波导被动调Q激光器，其特征在于：包括泵浦源(1)、增益波导(2)和调制波导(3)；

所述增益波导(2)和调制波导(3)设置在泵浦源(1)的输出光路上，

所述增益波导(2)通过激光在增益介质内部刻写实现；

所述调制波导(3)通过激光在调制介质内部刻写实现；

所述增益波导(2)和调制波导(3)通过激光焊接；

所述增益介质是掺稀土元素的增益晶体材料，所述调制介质是掺稀土元素的调制晶体材料；

所述增益波导(2)和调制波导(3)利用飞秒激光焊接，所述增益波导(2)通过飞秒激光在增益介质内部刻写实现；所述调制波导(3)通过飞秒激光在增益介质内部刻写实现；

所述增益波导(2)和调制波导(3)为双线型波导结构；

或者，

所述增益波导(2)和调制波导(3)为螺线型管状波导结构。

2.根据权利要求1所述的波导被动调Q激光器，其特征在于：所述增益介质长度为5mm-10mm，所述调制介质长度为500μm-2mm。

3.一种波导被动调Q激光器制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将增益介质和调制介质通过激光焊接；

2)在增益介质和调制介质内部分别通过激光刻写波导结构，形成增益波导和调制波导；

3)将增益波导和调制波导设置在泵浦源的输出光路上，获得波导被动调Q激光器；

步骤1)中，将增益介质和调制介质通过飞秒激光焊接；

步骤2)中，在增益介质和调制介质内部分别通过飞秒激光刻写波导结构；

步骤2)中，在增益介质和调制介质内部采用双线型或螺线型管状刻写波导结构；具体为在飞秒加工系统中，激光经过狭缝系统进行光束整形和显微物镜聚焦在介质内部，利用飞秒激光非线性诱导介质折射率变化，产生双线型或螺线型管状增益波导以及双线型或螺线型管状调制波导。

4.根据权利要求3所述的波导被动调Q激光器制作方法，其特征在于：步骤2)中，采用横向激光写入方式刻写双线型波导结构。

5.根据权利要求3所述的波导被动调Q激光器制作方法，其特征在于：步骤2)中，采用纵向激光写入方式刻写螺线型管状波导结构。

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