CN109378692A - 一种小型化高效率绿光晶体转换模块 - Google Patents

一种小型化高效率绿光晶体转换模块 Download PDF

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李广伟
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Abstract

本发明公开了一种小型化高效率绿光晶体转换模块，包括基底、激光晶体波导器件、非线性频率转换晶体波导器件和金属盖体；所述激光晶体波导器件和非线性频率转换晶体波导器件分别采用低温焊接的方式固定在基底上端两侧；所述金属盖体包覆在激光晶体波导器件和非线性频率转换晶体波导器件外并与基底固定连接，激光晶体波导器件进光侧的金属盖体上开设有进光口，非线性频率转换晶体波导器件出光侧的金属盖体上开设有出光口；所述激光晶体波导器件和非线性频率转换晶体波导器件光路连接，半导体激光器输出的泵浦光经激光晶体波导器件的增益作用和非线性频率转换晶体波导器件的倍频作用后输出绿光。

Description

一种小型化高效率绿光晶体转换模块
技术领域
本发明属于激光元器件领域，具体涉及一种小型化高效率绿光晶体转换模块。
背景技术
绿光激光器是指所发射激光波长为577~492纳米的激光器，常常用于指示灯、草坪灯、水下通信灯、荧光检测灯、舞台灯光、激光显示、消防等领域。常用的绿光激光器采用激光晶体与LBO或KTP等组合而成，整体结构体积较大，价格较高，调节难度较大。以上问题制约了现有绿光激光器的应用范围。
准相位匹配（QPM）技术是非线性光学中的一种重要相位匹配技术，它通过对线性光学常数（模式指数）或非线性光学常数的周期性调制来实现非线性光学效应的增强，其非线性系数往往较大，所以采用基于准位相匹配的周期极化晶体材料是实现绿光激光器小型化的重要途径。
申请号为 CN200810072383.8的专利公开了一种可宽温使用的蓝、绿光激光晶体模块，该晶体模块所用的非线性晶体不是单一按一个相位匹配角度切割，而是根据晶体模块日后的工作环境温度范围按非线行晶体不同温度对应的不同相位匹配角切割，并按需要把切割好的晶体串联连接在一起使用，以达到比使用单块非线性晶体更宽的使用温度。这种激光晶体模块的体积较大，激光转换效率较低，不适合应用于小型的激光元器件中。现有周期极化晶体使用中，厚度较大，在大厚度条件下，采用周期极化晶体直接组装激光器，会增加在半导体激光器、激光晶体、极化晶体三者之间共轴调谐的难度，降低使用过程中的调谐效率，影响正常使用。
发明内容
本发明的目的是提供了一种小型化高效率绿光晶体转换模块，它将激光晶体和非线性频率转换晶体制作成波导结构，通过各镀膜层形成激光谐振器，可有效缩小绿光晶体转换模块的体积，将半导体激光器输出的泵浦光高效转换成绿光进行输出。
本发明的技术方案如下：
一种小型化高效率绿光晶体转换模块，包括横向设置的基底、激光晶体波导器件、非线性频率转换晶体波导器件和金属盖体；所述激光晶体波导器件和非线性频率转换晶体波导器件分别采用低温焊接的方式固定在基底上端两侧；所述金属盖体包覆在激光晶体波导器件和非线性频率转换晶体波导器件外并与基底固定连接，激光晶体波导器件进光侧的金属盖体上开设有进光口，非线性频率转换晶体波导器件出光侧的金属盖体上开设有出光口；所述激光晶体波导器件和非线性频率转换晶体波导器件光路连接，半导体激光器输出的泵浦光经激光晶体波导器件的增益作用和非线性频率转换晶体波导器件的倍频作用后输出绿光。
优选的，所述激光晶体波导器件中的激光晶体材料为掺钕钒酸钇、掺钕钇铝石榴石晶体或掺钕氟化钇锂中的任意一种。
优选的，所述非线性频率转换晶体波导器件中的转换晶体材料为周期极化晶体、三硼酸锂晶体、偏硼酸钡晶体或磷酸氧钛钾中的任意一种。
优选的，所述周期极化晶体为周期性极化掺镁铌酸锂、周期性极化磷酸氧钛钾、周期性极化钽酸锂晶体、周期性极化锗酸硼锂或周期性极化砷酸钛氧铷中的任意一种；所述周期极化晶体结构为单周期、多周期、啁啾或级联中的任意一种。
优选的，所述激光晶体波导器件和非线性频率转换晶体波导器件的波导结构均为脊形波导、掩埋波导或平板波导中的任意一种。
优选的，所述激光晶体波导器件的进光侧和出光侧经光学级抛光后分别镀有第一镀膜层和第二镀膜层；所述第一镀膜层对808nm的光增透、对1064nm和532nm的光高反；所述第二镀膜层对1064nm和532nm的光增透；所述非线性频率转换晶体波导器件的进光侧和出光侧经光学级抛光后分别镀有第三镀膜层和第四镀膜层；所述第三镀膜层对1064nm的光增透、对532nm的光高反；所述第四镀膜层对1064nm的光高反、对532nm的光增透。
优选的，所述激光晶体波导器件上表面固定有第一SiO2层；所述非线性频率转换晶体波导器件上表面固定有第二SiO2层。
优选的，所述激光晶体波导器件和非线性频率转换晶体波导器件下端均通过由Cr和Au交替焊接形成的金属焊接层焊接固定在基底上。
优选的，所述激光晶体波导器件和非线性频率转换晶体波导器件的厚度为0.1mm～1mm。
优选的，所述激光晶体波导器件的出光侧与非线性频率转换晶体波导器件的进光侧的间隔为1mm～8mm。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明提供了一种小型化高效率绿光晶体转换模块，将激光晶体波导器件和非线性频率转换晶体波导器件结合在一起，在各镀层的激光谐振腔中，利用808nm波长的LD泵浦光经过激光晶体的增益作用生成1064nm的激光，再经过非线性频率转换晶体的倍频作用就可以产生532nm的绿色激光。
2、本发明提供了一种小型化高效率绿光晶体转换模块，将激光晶体和非线性频率转换晶体制作成波导结构，可有效提高激光在激光晶体和非线性频率转换晶体上的传播效率，减少激光的损耗，从而提高激光的转换效率。
3、本发明提供了一种小型化高效率绿光晶体转换模块，在激光晶体波导器件和非线性频率转换晶体波导器件上分别固定的第一SiO2层和第二SiO2层可起到有效的保护作用，可降低激光在传播过程中的损耗，可有效提高激光转换效率。
4、本发明提供了一种小型化高效率绿光晶体转换模块，采用低温焊接的方式将激光晶体波导器件和非线性频率转换晶体波导器件固定在硅片热沉或铜块制成的基底上，可有效使绿光晶体转换模块形成模块化，有效缩小了绿光晶体转换模块的体积。
5、本发明提供了一种小型化高效率绿光晶体转换模块，在激光晶体波导器件和非线性频率转换晶体波导器件进光侧和出光侧镀上的各镀层，可有效提高所需波段光线的透过作用或不需波段光线的反射作用，可起到激光谐振器的作用，可有效提高激光晶体波导器件和非线性频率转换晶体波导器件对激光的转换效率。
6、本发明提供了一种小型化高效率绿光晶体转换模块，通过由Cr和Au交替焊接形成的金属焊接层将激光晶体波导器件和非线性频率转换晶体波导器件焊接固定在基底上，不仅固定牢固，还可减少激光的损失率，提高激光的转换效率。
附图说明
图1为本发明的纵剖结构示意图；
图2为本发明将半导体激光器的输出光转化为绿光的结构示意图；
图3为本发明未安装半导体激光器时的爆炸图。
图中附图标记表示为：
1、基底；2、激光晶体波导器件；20、第一镀膜层；21、第二镀膜层；22、第一SiO2层；3、非线性频率转换晶体波导器件；30、第三镀膜层；31、第四镀膜层；32、第二SiO2层；4、金属盖体；5、半导体激光器；6、金属焊接层。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面通过实施例对本发明进行进一步说明，实施例只用于解释本发明，并不会对本发明构成任何限定。
实施例1：
根据前述的一种小型化高效率绿光晶体转换模块，按以下步骤制成：
参见图1至图3，首先将掺钕钒酸钇和周期性极化掺镁铌酸锂的厚度均减薄至0.3mm，并对掺钕钒酸钇和周期性极化掺镁铌酸锂两种晶体分别进行切割和抛光，得到长度为3.0mm、宽度为3mm的掺钕钒酸钇晶体和长度为1.5mm、宽度为2.0mm、极化周期为6.96 μm的周期性极化掺镁铌酸锂；接着，对两种晶体分别进行镀膜：在掺钕钒酸钇晶体进光侧和出光侧两端面上分别进行光学抛光，并在掺钕钒酸钇晶体进光侧镀上对808nm增透、对1064nm和532nm高反的第一镀膜层20，在掺钕钒酸钇晶体出光侧镀上对1064nm和532nm增透的第二膜层21；在周期性极化掺镁铌酸锂晶体进光侧和出光侧两端面上分别进行光学抛光，并在周期性极化掺镁铌酸锂晶体进光侧镀上对1064nm增透、对532nm高反的第三镀膜层30，在周期性极化掺镁铌酸锂晶体出光侧镀上对1064nm高反、对532nm增透的第四膜层21；其次，在掺钕钒酸钇和周期性极化掺镁铌酸锂两种晶体上分别采用等离子气相沉积的方法生长第一SiO2层22和第二SiO2层32，第一SiO2层22的厚度为0.1um、折射率为1.59，第二SiO2层32的厚度为0.1μm、折射率为1.57；然后，在掺钕钒酸钇和周期性极化掺镁铌酸锂两种晶体的底面上再分别镀上厚度为200μm的金属焊接层6，金属焊接层6由Cr和Au交替焊接形成，再对由热沉硅片制成的基底1依序进行光刻、金属镀膜、剥离，并在热沉硅片表面留下两个与激光晶体波导器件2和非线性频率转换晶体波导器件3等尺寸的长方形金属框，金属框厚度为1μm，金属框之间的距离为2.7mm；最后，用低温焊料对激光晶体波导器件2和非线性频率转换晶体波导器件3两种晶体进行焊接，再用铝制的金属盖体4从上到下盖住两种晶体，金属盖体4四周的下端与热沉硅片支撑的基底1的裸露顶面相粘，金属盖体4高度为0.6mm，宽度为4.5mm，长度为6.8mm，从而获得一种小型化高效率绿光晶体转换模块。
以808nm半导体激光器5与上述制得的小型化高效率绿光晶体转换模块光路连接，即808nm波长的LD泵浦光经过激光晶体的增益作用生成1064nm的激光，再经过非线性频率转换晶体的倍频作用就可以产生532nm的绿色激光；将半导体激光器5与小型化高效率绿光晶体转换模块的激光晶体波导器件2的进光侧光路连接，输入功率为3W，从非线性频率转换晶体波导器件3的出光侧输出1.02W的532nm绿色激光。
实施例2：
参见图1至图3，首先将掺钕钇铝石榴石晶体和周期性极化掺镁铌酸锂的厚度均减薄至0.3mm，并对掺钕钇铝石榴石晶体和周期性极化掺镁铌酸锂两种晶体分别进行切割和抛光，得到长度为2.5 mm、宽度为3mm的掺钕钇铝石榴石晶体和长度为1.5mm、宽度为2.0mm、极化周期为6.96 μm的周期性极化掺镁铌酸锂；接着，对两种晶体分别进行镀膜：在掺钕钇铝石榴石晶体进光侧和出光侧两端面上分别进行光学抛光，并在掺钕钇铝石榴石晶体进光侧镀上对808nm增透、对1064nm和532nm高反的第一镀膜层20，在掺钕钇铝石榴石晶体出光侧镀上对1064nm和532nm增透的第二膜层21；在周期性极化掺镁铌酸锂晶体进光侧和出光侧两端面上分别进行光学抛光，并在周期性极化掺镁铌酸锂晶体进光侧镀上对1064nm增透、对532nm高反的第三镀膜层30，在周期性极化掺镁铌酸锂晶体出光侧镀上对1064nm高反、对532nm增透的第四膜层21；其次，在掺钕钇铝石榴石晶体和周期性极化掺镁铌酸锂两种晶体上分别采用等离子气相沉积的方法生长第一SiO2层22和第二SiO2层32，第一SiO2层22的厚度为0.1um、折射率为1.59，第二SiO2层32的厚度为0.1μm、折射率为1.57；然后，在掺钕钇铝石榴石晶体和周期性极化掺镁铌酸锂两种晶体的底面上再分别镀上厚度为200μm的金属焊接层6，金属焊接层6由Cr和Au交替焊接形成，再对由热沉硅片制成的基底1依序进行光刻、金属镀膜、剥离，并在热沉硅片表面留下两个与激光晶体波导器件2和非线性频率转换晶体波导器件3等尺寸的长方形金属框，金属框厚度为1μm，金属框之间的距离为3.2mm；最后，用低温焊料对激光晶体波导器件2和非线性频率转换晶体波导器件3两种晶体进行焊接，再用铝制的金属盖体4从上到下盖住两种晶体，金属盖体4四周的下端与热沉硅片支撑的基底1的裸露顶面相粘，金属盖体4高度为0.6mm，宽度为4.5mm，长度为6.8mm，从而获得一种小型化高效率绿光晶体转换模块。
以808nm半导体激光器5与上述制得的小型化高效率绿光晶体转换模块光路连接，即808nm波长的LD泵浦光经过激光晶体的增益作用生成1064nm的激光，再经过非线性频率转换晶体的倍频作用就可以产生532nm的绿色激光；将半导体激光器5与小型化高效率绿光晶体转换模块的激光晶体波导器件2的进光侧光路连接，输入功率为3W，从非线性频率转换晶体波导器件3的出光侧输出1.05W的532nm绿色激光。
实施例3：
参见图1至图3，首先将掺钕钒酸钇和周期性极化钽酸锂的厚度均减薄至0.3mm，并对掺钕钒酸钇和周期性极化钽酸锂两种晶体分别进行切割和抛光，得到长度为3.0 mm、宽度为3mm的掺钕钒酸钇晶体和长度为2.0mm、宽度为2.0mm、极化周期为8.0μm的周期性极化钽酸锂；接着，对两种晶体分别进行镀膜：在掺钕钒酸钇晶体进光侧和出光侧两端面上分别进行光学抛光，并在掺钕钒酸钇晶体进光侧镀上对808nm增透、对1064nm和532nm高反的第一镀膜层20，在掺钕钒酸钇晶体出光侧镀上对1064nm和532nm增透的第二膜层21；在周期性极化钽酸锂晶体进光侧和出光侧两端面上分别进行光学抛光，并在周期性极化钽酸锂晶体进光侧镀上对1064nm增透、对532nm高反的第三镀膜层30，在周期性极化钽酸锂晶体出光侧镀上对1064nm高反、对532nm增透的第四膜层21；其次，在掺钕钒酸钇和周期性极化钽酸锂两种晶体上分别采用等离子气相沉积的方法生长第一SiO2层22和第二SiO2层32，第一SiO2层22的厚度为0.1um、折射率为1.59，第二SiO2层32的厚度为0.1μm、折射率为1.57；然后，在掺钕钒酸钇和周期性极化钽酸锂两种晶体的底面上再分别镀上厚度为200μm的金属焊接层6，金属焊接层6由Cr和Au交替焊接形成，再对由热沉硅片制成的基底1依序进行光刻、金属镀膜、剥离，并在热沉硅片表面留下两个与激光晶体波导器件2和非线性频率转换晶体波导器件3等尺寸的长方形金属框，金属框厚度为1μm，金属框之间的距离为2.2mm；最后，用低温焊料对激光晶体波导器件2和非线性频率转换晶体波导器件3两种晶体进行焊接，再用铝制的金属盖体4从上到下盖住两种晶体，金属盖体4四周的下端与热沉硅片支撑的基底1的裸露顶面相粘，金属盖体4高度为0.6mm，宽度为4.5mm，长度为6.8mm，从而获得一种小型化高效率绿光晶体转换模块。
以808nm半导体激光器5与上述制得的小型化高效率绿光晶体转换模块光路连接，即808nm波长的LD泵浦光经过激光晶体的增益作用生成1064nm的激光，再经过非线性频率转换晶体的倍频作用就可以产生532nm的绿色激光；将半导体激光器5与小型化高效率绿光晶体转换模块的激光晶体波导器件2的进光侧光路连接，输入功率为3W，从非线性频率转换晶体波导器件3的出光侧输出1.04W的532nm绿色激光。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种小型化高效率绿光晶体转换模块，其特征在于：包括横向设置的基底（1）、激光晶体波导器件（2）、非线性频率转换晶体波导器件（3）和金属盖体（4）；所述激光晶体波导器件（2）和非线性频率转换晶体波导器件（3）分别采用低温焊接的方式固定在基底（1）上端两侧；所述金属盖体（4）包覆在激光晶体波导器件（2）和非线性频率转换晶体波导器件（3）外并与基底（1）固定连接，激光晶体波导器件（2）进光侧的金属盖体（4）上开设有进光口（40），非线性频率转换晶体波导器件（3）出光侧的金属盖体（4）上开设有出光口（41）；所述激光晶体波导器件（2）和非线性频率转换晶体波导器件（3）光路连接，半导体激光器（5）输出的泵浦光经激光晶体波导器件（2）的增益作用和非线性频率转换晶体波导器件（3）的倍频作用后输出绿光。
2.如权利要求1所述的一种小型化高效率绿光晶体转换模块，其特征在于：所述激光晶体波导器件（2）中的激光晶体材料为掺钕钒酸钇、掺钕钇铝石榴石晶体或掺钕氟化钇锂中的任意一种。
3.如权利要求1所述的一种小型化高效率绿光晶体转换模块，其特征在于：所述非线性频率转换晶体波导器件（3）中的转换晶体材料为周期极化晶体、三硼酸锂晶体、偏硼酸钡晶体或磷酸氧钛钾中的任意一种。
4.如权利要求3所述的一种小型化高效率绿光晶体转换模块，其特征在于：所述周期极化晶体为周期性极化掺镁铌酸锂、周期性极化磷酸氧钛钾、周期性极化钽酸锂晶体、周期性极化锗酸硼锂或周期性极化砷酸钛氧铷中的任意一种；所述周期极化晶体结构为单周期、多周期、啁啾或级联中的任意一种。
5.如权利要求1所述的一种小型化高效率绿光晶体转换模块，其特征在于：所述激光晶体波导器件（2）和非线性频率转换晶体波导器件（3）的波导结构均为脊形波导、掩埋波导或平板波导中的任意一种。
6.如权利要求1所述的一种小型化高效率绿光晶体转换模块，其特征在于：所述激光晶体波导器件（2）的进光侧和出光侧经光学级抛光后分别镀有第一镀膜层（20）和第二镀膜层（21）；所述第一镀膜层（20）对808nm的光增透、对1064nm和532nm的光高反；所述第二镀膜层（21）对1064nm和532nm的光增透；所述非线性频率转换晶体波导器件（3）的进光侧和出光侧经光学级抛光后分别镀有第三镀膜层（30）和第四镀膜层（31）；所述第三镀膜层（30）对1064nm的光增透、对532nm的光高反；所述第四镀膜层（31）对1064nm的光高反、对532nm的光增透。
7.如权利要求1所述的一种小型化高效率绿光晶体转换模块，其特征在于：所述激光晶体波导器件（2）上表面固定有第一SiO2层（22）；所述非线性频率转换晶体波导器件（3）上表面固定有第二SiO2层（32）。
8.如权利要求1所述的一种小型化高效率绿光晶体转换模块，其特征在于：所述激光晶体波导器件（2）和非线性频率转换晶体波导器件（3）下端均通过由Cr和Au交替焊接形成的金属焊接层（6）焊接固定在基底（1）上。
9.如权利要求1所述的一种小型化高效率绿光晶体转换模块，其特征在于：所述激光晶体波导器件（2）和非线性频率转换晶体波导器件（3）的厚度为0.1mm~1mm。
10.如权利要求1所述的一种小型化高效率绿光晶体转换模块，其特征在于：所述激光晶体波导器件（2）的出光侧与非线性频率转换晶体波导器件（3）的进光侧的间隔为1mm~8mm。
CN201811636777.1A 2018-12-29 2018-12-29 一种小型化高效率绿光晶体转换模块 Withdrawn CN109378692A (zh)

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