CN109755849B - 一种“面发射”波导激光器谐振腔的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种新型“面发射”型波导激光谐振腔的设计和制备方案，属于集成光子学器件制备技术领域。在晶体片的侧面制备三条波导，其中两条较短的波导垂直于晶体大面，另一条较长的波导作为主谐振腔，并与前两条波导垂直。三条波导相连构成类“之”字形。利用精密金刚石刀切割的方法，在波导连接处分别切割形成两个沟槽作为全反射镜。其特点及优势主要包括：1.实现了类似半导体VCSEL激光器的面发射特性，有利于波导激光的后续封装；2.使波导激光器结构更为紧凑，降低了光路校对的难度，提高了系统稳定性；3.适用于各类全晶体波导激光器，易于推广。
Description
技术领域
本发明属于集成光子学器件制备技术领域，特别涉及一种新型波导激光器谐振腔的制备方法。
背景技术
波导激光是利用光波导作为激光增益介质，并形成激光谐振腔的一类微型激光器。与传统的固体激光器相比，波导激光具有如下优点：1. 由于波导内具有较高的电磁场密度，因此具有更低的泵浦阈值，和较高的激光斜率效率；2. 热透镜效应的影响可以忽略，因此谐振腔的设计和构建更为容易，系统稳定性较好；3. 整体结构更为紧凑。
尤其是随着近年来，全晶体波导（离子注入波导、飞秒激光写入波导、质子交换波导、金属离子热扩散波导等）制备技术的不断提升，全晶体波导的荧光性能可以达到接近体材料晶体的水平。因此，大部分性能优异的激光晶体都可以在波导激光中得以应用，使得波导激光的研究和应用呈现出蓬勃发展的态势。
激光器由三个基本部分构成：泵浦源，激光工作物质，谐振腔。其中谐振腔提供光学正反馈，形成激光模式。在增益介质中，激光光强是随着介质长度而增加的，长度越长，光强越大(小信号时)，由此使得w(光功率)越大，致使受激辐射远远大于自发辐射。但工作物质长度有限，我们可以用两个反射镜放置在工作物质两端，构成光学谐振腔，使光在反射镜之间来回反射，这样相当于增加了介质长度。
然而，目前全晶体波导激光器主要是在薄的晶体片上进行制备，通常波导谐振腔平行于晶片的大面，而泵浦光和出射激光信号则采集于两个相对的侧面。
该结构存在一些缺点：
1. 谐振腔的组装较为困难。这是由于通常波导谐振腔需要由波导和外加腔镜组合构成，以实现对泵浦光和激光反射率的控制。一般商用的激光腔镜为圆形（直径通常大于1cm），而构成波导的晶片厚度通常仅为0.5-2mm，腔镜难于绑定于晶片的侧面，且对准较为困难，器件整体尺寸也较大，难以像半导体VCSEL激光器（垂直腔面发射激光器）那样进行后续封装。
2. 一些先进的激光腔面微加工技术难以应用。比如，通过多层镀膜或刻写亚微米光栅的方式，可以代替外腔镜调控激光谐振腔的谐振特性，提升波导激光器的性能。但相应的制备工艺，如悬涂、光刻、刻蚀等，难以在薄晶片的侧面施行。
发明内容
为克服上述困难，本发明提供一种“面发射”波导激光器谐振腔的制备方法。该方法可以实现类似于半导体VCSEL激光器的“面发射”特性，在保证光在晶体片中工作长度的前提下，使得波导激光器的结构更为紧凑、稳定，且易于封装。
本申请采用的技术方案是：
一种“面发射”波导激光器谐振腔的制备方法，步骤如下：
①在晶体的侧面制备三条波导，分别为波导1、波导2和波导3，波导2与波导1和波导3垂直，三条波导相连构成类“之”字形；
②利用精密金刚石刀切割的方法，垂直于该侧面，在两波导交叠形成的正方形区域分别切割形成两个沟槽作为全反射镜，全反射镜与晶体大面的夹角均为45°。
③入射端与出射端的激光腔镜直接固定在晶片的两个大面。
进一步地，所述对步骤①的晶体各面进行光学抛光，并清洁表面。
进一步地，所述步骤①的波导2与晶体大面平行 。
进一步地，所述步骤
切割形成的全反射镜为两波导交叠形成的正方形对角线。
进一步地，所述步骤①中的晶体可为Nd:LiNbO3晶体、Yb:YAG晶体、Tm:KLu(WO4)2等晶体。
进一步地，所述步骤
的波导可为离子注入波导或飞秒激光写入波导。
与现有技术相比，本发明的有益效果是
1. 将传统波导激光器谐振腔的“侧面发射”改变为“大面发射”，有利于外加腔镜和晶片的绑定或粘合，使得系统的光路校准大为简化，且结构更为紧凑、稳定，易于封装。
2. 制备工艺简单。仅需要在传统波导激光器谐振腔的基础上进行两次附加的精密切割。
3. 损耗低。由于精密金刚石刀切割制备的全反镜结构表面粗糙度极低（其粗糙度可达 0.5 nm RMS水平，RMS：表面起伏均方根），因此相对于传统波导激光器谐振腔，基本不会引入额外损耗，可以保证激光效率达到相似水平。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明晶体切割前波导路径图；
图3为本发明剖面图；
图中标号：
1-晶体；2晶体大面；3-晶体侧面；4-泵浦光；5-激光腔镜；6-波导1；7-波导2；8-波导3；9-全反镜。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
实施例1
飞秒激光写入Yb:YAG晶体“面发射”型波导激光谐振腔的制备方法：
（1）将 Yb:YAG 晶体（Yb 掺杂浓度化学计量比 7%）切割成约 10×10×2 mm的晶体片，并对各面进行光学抛光，并使用乙醇、丙酮等清洁表面；
（2）使用飞秒激光系统垂直一10×2 mm面写入三条相连的双线型波导，呈类“之”字形排列。其中一条波导平行于10mm方向，另两条波导与之垂直。写入过程中，飞秒激光光源采用 775 nm 波长钛宝石激光器，脉冲宽度 150 fs，脉冲能量 1.3 μJ，重复频率 1kHz，通过显微物镜聚焦到晶体样品表面下约 100 μm 深度进行写入。写入双线间距 20 μm。写入过程中，光源位置固定，样品固定于电控载物台上，以 10 μm/s 的速度平移，以形成双线波导。如有必要，可对晶片两个10×10mm面进行二次抛光，以改善近端面区域波导质量，提高耦合效率。
（4）使用精密金刚石刀切割的方法，对两处波导交叠区域进行切割，以形成全反镜结构，全反镜与各波导之间的夹角为45°。切割深度约 150 μm 左右。切割可使用 DISCO 公司生产的 P1A系列刀片（采用的金刚石颗粒尺寸为 5 μm）。下刀速度保持在 10 μm/s，转速为20-30 kr/min。
（5）将激光腔镜固定于晶片的两个10×10mm面，用夹持器夹持，或使用适当胶类粘贴。具体激光腔镜型号的选择可根据实际需求而定。
实施例2
离子注入Nd:YAG晶体“面发射”型波导激光谐振腔的制备方法：
（1）将 Nd:YAG 晶体（Nd 掺杂浓度化学计量比 1%）切割成约 10×10×2 mm的晶体片，并对各面进行光学抛光，并使用乙醇、丙酮等清洁表面；
（2）在一片约100μm厚的镍金属片上，使用飞秒激光烧蚀的方法预先制作沟槽，沟槽形貌类似于实施例1的波导结构。以此镍片作为光刻掩膜版，留作后用。
（3）将刻蚀好的镍金属掩膜版覆于Nd:YAG晶体侧面（10×2 mm面）并对其相对位置进行校准。
（4）对样品该侧面进行离子注入，注入采用：15MeV能量的C5+离子束，剂量为5×1015/cm2。注入过程中，束流控制在10nA/cm2水平以下，以防止电荷积累。
（5）取下镍掩膜版，在显微镜系统帮助下，定位并采用精密金刚石刀进行切割，在两处波导连接处切割沟槽以形成全反镜结构，沟槽与各波导夹角为45°。
（6）将激光腔镜固定于晶片的两个10×10mm面，用夹持器夹持，或使用适当胶类粘贴。具体激光腔镜型号的选择可根据实际需求而定。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
Claims (5)
1.一种“面发射”波导激光器谐振腔的制备方法，其特征在于，步骤如下：
①在晶体的侧面制备三条波导，分别为波导1、波导2和波导3，波导2与波导1和波导3垂直，三条波导相连构成类“之”字形；
②利用精密金刚石刀切割的方法，垂直于该侧面，在两波导交叠形成的正方形区域分别切割形成两个沟槽作为全反射镜，全反射镜与晶体大面的夹角均为45°；
③入射端与出射端的激光腔镜直接固定在晶片的两个大面。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，对步骤①的晶体各面进行光学抛光，并清洁表面。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤①的波导2与晶体大面平行 。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤②切割形成的全反射镜为两波导交叠形成的正方形对角线。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤①中的晶体为Nd:LiNbO3、Yb:YAG、Tm:KLu(WO4)2晶体。
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