CN1841133A - 用于高输出激光器的法拉第旋转器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种法拉第旋转器，即便在该法拉第旋转器被用于不小于1W输出、波长不大于1.1μm的高输出激光器情况下，该法拉第旋转器基于温度上升的隔离性能也没有下降。蓝宝石晶体或金红石晶体作为散热基片粘接到构成法拉第旋转器的RIG薄膜的入射侧和输出侧，该RIG薄膜的厚度设置成不小于130μm且不大于200μm。

Description

用于高输出激光器的法拉第旋转器

技术领域

本发明涉及一种构成光隔离器的法拉第旋转器(Farady rotator)，该光隔离器用作消除来自用于光通信和光处理的高输出激光器的反射返回光束的对抗措施。

背景技术

当在激光谐振腔外部的光处理表面和光学表面上反射的光束回到用于光通信的半导体激光器、用于激光加工的固体激光器和类似物等的激光元件时，激光振荡变得不稳定。当激光振荡变得不稳定时，将在光通信中产生信噪，并且有时在激光加工时造成激光元件的损坏。因此，为了拦截该反射的返回光束使该光束不返回到激光元件，使用光隔离器。通常，光隔离器由法拉第旋转器、偏振器、检偏器和永久磁体组成。

在现有技术中，铽镓石榴石晶体(下文称作TGG)和铽铝石榴石晶体(下文称作TAG)已经被用作用于高输出激光器的光隔离器的法拉第旋转器。

但是，TGG和TAG具有小的单位长度法拉第旋转系数。因此，为了获得45度的偏振角度以将这些晶体用作光隔离器，必须增加光程长度。在实际中，必须使用长度大约6cm的晶体。为了获得高度光隔离，必须在晶体上施加均匀的大磁场，从而需要使用磁力强、体积大的磁体。这导致光隔离器的尺寸增加。由于光程长，晶体中激光束的形状有时会劣化，所以需要一些光学元件(optics)来校正光束。此外，由于TGG昂贵，所以需要一种小尺寸的便宜的法拉第旋转器。

一种专门用于光通信领域中的铋替代型稀土金属铁石榴石晶体薄膜(下文称作RIG薄膜)的单位长度法拉第旋转系数与那些TGG和TAG的单位长度法拉第旋转系数相比显著地大，使得光隔离器能够大大的小型化。但是，已经知道，当RIG使用的光波长短至用于加工激光的1.1μm附近的水平时，铁离子的光吸收变高，并且光隔离器的性能由于该光吸收导致的温度升高而下降。

JP-A-2000-66160公开的发明中提出了一种解决RIG薄膜温度升高的方法。该专利文献中公开的技术使(GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂基片(下文称作GGG基片)中产生的热量容易释放，该GGG基片被用作通常被移除而不是象现在这样抛光保留下来的晶体生长基片。此外，在JP-A-7-281129中公开了一种方法，该方法通过透明石榴石基片支承RIG薄膜的两个表面，并经由该高导热系数的石榴石基片散发RIG薄膜的热量。

在JP-A-2000-66160公开的方法中，由于在RIG薄膜中的光吸收而产生的热量没有损失，产生由相互直接结合成一体的具有不同热膨胀系数的RIG薄膜和GGG基片引起的变形。结果，在RIG薄膜和GGG基片中都产生双折射，从而，在将该RIG薄膜和GGG基片用于光隔离器时，隔离性能下降。

除非通过控制其厚度对RIG薄膜进行抛光以使RIG薄膜的法拉第旋转角成为精确的45度，在RIG薄膜和GGG基片之间的界面上的反射光不能通过入射侧偏振器被完全移除，并且该反射光还将返回至激光元件。

在JP-A-7-281129公开的发明中，介绍了一种方法，该方法将透明基片，例如，石榴石基片或玻璃基片，与RIG薄膜的一侧或两侧接触，或用光学粘接剂将该透明基片粘接到RIG薄膜的一侧或两侧。在仅仅将RIG薄膜和透明薄膜相互接触的方法中，很难使RIG薄膜和透明薄膜在入射激光束直径的整个区域中均匀的相互接触，并且在非接触部分中必然存在空气层。在这种情况下，以RIG薄膜和透明基片相互接触为前提形成的抗反射涂层由于穿过其间的空气层而不起作用。结果，产生大量的反射光导致反射光返回到激光元件。而且，热散发性能低下。

当输出水平超过1W的激光束进入即使是在用光学粘接剂粘接RIG薄膜和透明基片的方法中的RIG薄膜时，该RIG薄膜的温度升高，RIG薄膜的法拉第旋转角由于其温度系数而偏离45度，隔离性能下降。

发明内容

本发明旨在提供一种法拉第旋转器，其隔离性能没有下降，即使当该法拉第旋转器与波长不大于1.1μm、不小于1W的高输出的激光器一起使用时，也不会导致上述问题的产生。

该RIG薄膜的法拉第旋转角的温度系数为大约0.05度/℃至大约0.10度/℃左右。为了将光隔离器的隔离性能保持在不小于30dB，必须将RIG薄膜的温度上升控制在20℃到30℃左右。因此，必须减小RIG薄膜的发热量，并快速释放产生的热量。

石榴石晶体用分子式A₃B₅O₁₂表示。在RIG薄膜中，A为铋，B为铁。虽然通过取代铁离子可以减小吸收系数，在波长不大于1.1μm时铁离子构成了光吸收的原因，但是，利用非磁性离子，例如镓，不仅吸收系数而且法拉第旋转系数(度/cm)也减小了。甚至当利用镓等取代铁减小RIG薄膜的吸收系数时，法拉第旋转角也减小了，以致于获得45度法拉第旋转角所必需的RIG薄膜的厚度也必须增加。因此，在RIG薄膜的光吸收变化不大时，很难通过用镓等取代铁来大大地减小热量值。

当用镓等取代铁时，居里点(curie point)恰恰相反地逐渐降低。当居里点低于200℃时，法拉第旋转角的温度系数变低。假定通过用镓等取代铁而减小含铁量以解决上述问题，已经证实可以限制每个分子式中的含铁量从5降低至0.6左右。

当将铋添加到RIG薄膜中时，法拉第旋转系数增加。因此，经常尝试着增加铋的量。然而，当通过利用通常所用的晶格量从1.2490nm至1.2515nm的GGG基片生长成的RIG薄膜中取代A的铋的量超过每分子式1.2时，结晶度降低，并且为获得45度法拉第旋转角所必需的RIG薄膜的厚度变得非常小。这使得难以通过抛光获得具有高平面度的厚度均匀的RIG薄膜。所以，为了控制热量，并且在法拉第旋转角的面内不产生不均匀，证实RIG薄膜的厚度设置成130μm至200μm。

在现有技术的法拉第旋转器中，使用石榴石基片和玻璃基片作为散热基片，来快速释放产生的热量，但没有获得足够的导热系数(石榴石基片的导热系数最高为7W/m·k左右，普通玻璃基片的导热系数为1W/m·k)，因此，需要一种高导热系数的透明基片。考虑到基片的特性，例如导热系数和透明度，优选金刚石晶体和SiC。但是，考虑到加工性能、获得难易、价格等因素，具有40W/m·k或更高的热导系数的蓝宝石晶体和金红石晶体显然是最合适的。

考虑到上述情况，蓝宝石晶体或金红石晶体作为散热基片被粘接到RIG薄膜入射侧和出射侧，本发明中的RIG薄膜厚度设置成不小于130μm且不大于200μm。结果，本发明由于将这种粘接的晶体和厚度增加的RIG薄膜相结合，成功地提供了预期的具有卓越的隔离性能的用于高输出激光器的光隔离器的法拉第旋转器。

如上所述，本发明可以提供上文描述的小型化的便宜的法拉第旋转器，其具有在用作光隔离器、即便是在用于不低于1W的高输出激光器的隔离器时，仍保持高隔离效果的能力。

附图说明

图1是根据本发明的法拉第旋转器的截面图。

图2A是本发明所使用的隔离器的一实施例的截面图。

图2B是本发明所使用的隔离器的一实施例的前视图。

图3是光学系统的视图，其法拉第旋转角的变化基于温度升高。

具体实施方式

如上所述，根据本发明的法拉第旋转器具有作为散热基片粘接到RIG薄膜的入射侧和出射侧的蓝宝石晶体或金红石晶体，其中RIG薄膜厚度不小于130μm，且不大于200μm，上述特征构成本发明的特征。散热基片的厚度优选不小于0.2mm且小于1mm，因为，当该厚度小于0.2mm时，其难以显示出令人满意的散热效果；当该厚度不小于1mm时，加工性能降低。散热基片的厚度优选不小于0.2mm且小于0.5mm。

在本发明中，当RIG薄膜和散热基片相互粘接时，在将要被粘接的RIG薄膜和散热基片的表面上，预先施加用于粘接剂的粘接抗反射膜。该粘接剂优选由具有在所用波长处的吸收系数不大于0.1cm^-1的环氧树脂制成。所用的由吸收入射激光束的粘接剂构成的粘接剂会在其中生热，不是优选的。当吸收系数不高于0.1cm^-1时，粘接剂层的光吸收低得可以忽略，并且，这样的粘接剂并不成为问题。

当用环氧树脂粘接剂将RIG薄膜和两片散热基片粘接到一起时，优选从上方施加压力以使粘接剂层的厚度变成不大于10μm。原因在于，当粘接剂层的厚度小时，RIG薄膜产生的热量容易传导至散热基片。

当RIG薄膜和散热基片粘接到一起时，它们可以在被切成片状(chip type)后粘接到一起。当散热基片由平行平板制成时，RIG薄膜和散热基片可以在大面积状态时粘接到一起，然后用划片机(dicising saw)和类似机具等切成需要的尺寸的片。原因在于制备多个法拉第旋转器片的粘接操作可以一次完成。当散热基片由金红石晶体制成并具有楔形形状时，可以采用将RIG薄膜切成带状件，将这些切得的件粘贴在楔形和带状金红石晶体上，然后将得到的制品切成片的方法完成。

当这样制得的法拉第旋转器结合到光隔离器中时，法拉第旋转器优选覆盖有散热器，以便促进散热。在激光输出接近2W的情况下，当法拉第旋转器的仅仅外部覆盖有散热器时，散热能力变得不足，因此，更优选的是使法拉第旋转器的入射面的不接收激光束的部分也与散热器热接触。如果可能，使散热器与法拉第旋转器相互接触是有效的。当在散热器和法拉第旋转器之间的间隙中使用导热油脂时，热传导效果将变得更显著。散热器可以由使RIG薄膜磁化饱和的磁体制成。

实施例

(法拉第旋转器的制造)

下面将利用图1来描述实施例中的法拉第旋转器的组装。

制备RIG薄膜，11mm×11mm的RIG薄膜1被抛光至140μm的厚度，使得相对于1064nm的光法拉第旋转角为45°，所述1064nm为YAG激光器的振荡波长，此后，向制得的RIG薄膜两个表面涂覆面向粘接剂的抗反射涂层(未示出)。RIG薄膜1相对于1064nm光的插入损耗为0.6dB。

用与RIG薄膜尺寸相同的，11mm×11mm、厚0.5mm的C表面蓝宝石基片2作为散热基片。在蓝宝石基片上也涂覆对于1064nm光的抗反射涂层。对于粘接剂(未示出)的抗反射涂层设置在散热基片的RIG薄膜粘接表面上，并且在另一个表面上设置对于空气(未示出)的抗反射涂层。

用光学环氧树脂粘接剂粘接RIG薄膜1和两片蓝宝石基片2，使蓝宝石基片、RIG薄膜和蓝宝石基片以该顺序层压在一起。所使用的粘接剂的吸收系数对于1064nm光为0.08cm^-1左右，且该粘接剂层的厚度为5μm。

用划片机将这样获得的法拉第旋转器切成3mm见方的9片法拉第旋转器片。(光隔离器的制造和评价)

下面将利用实施例附图2A和2B来描述该光隔离器装配。

将采用上述方式获得的法拉第旋转器片3保持在铜制保持器6的凹槽部分中，在该保持器中形成有2mm直径的通孔4和3mm见方的凹槽5，且法拉第旋转器片3被保持在保持器6和保持器7之间以形成散热器8，保持器7的形状与保持器6一样，这些保持器6、7通过焊接相互固定。保持器6、7已被镀金以获得良好的可焊性。热传导膏被施加到法拉第旋转器片3和保持器6、7的接触部分上。

保持有法拉第旋转器片3的散热器8被插入到圆筒形钐-钴(Sm-Co)磁体9的通孔中，散热器8和磁体9之间的间隙填充有高温热传导银膏(silver paste)(未示出)。以这样的方式填充银膏使得钐-钴磁体也具有散热器的功能。

在其中法拉第旋转器片、散热器和钐-钴磁体被组合在一起成为一体的法拉第旋转器单元10的特性由图3中示出的光学系统评价。使Nd:YAG激光器输出为2W、具有1064nm波长、光束直径为1mm的激光束进入法拉第旋转器单元，并且法拉第旋转角的变化在旋转的台承载的光学分析仪旋转的情况下已被测得，发现法拉第旋转角变化仅仅0.9度左右。由于所使用的RIG薄膜在室温附近时的法拉第旋转角的温度系数为0.06度/℃，基于激光束吸收的温度升高为15度左右。

通过将法拉第旋转器单元插入到消光系数(消光比(extinction ratio))为40dB的偏振器和光学分析仪之间形成光隔离器，并且当在反方向上向光隔离器输入激光器输出2W的Nd:YAG激光束时，能够保持30dB的隔离。

即使在上述实施例中，用金红石基片替代蓝宝石基片作为散热基片，也能获得与上述效果基本上相同的效果。

由于根据本发明的法拉第旋转器能够有效地散发RIG薄膜中产生的热量，本发明可被广泛的用作光通信和激光加工中的高输出激光器的法拉第旋转器。

Claims (5)

1.一种用于高输出激光器的法拉第旋转器，包括铋取代稀土金属铁石榴石，以及作为散热基片粘接在该铋取代稀土金属铁石榴石的入射侧表面和出射侧表面的蓝宝石晶体或金红石晶体，其中，该铋取代型稀土金属铁石相石的厚度不小于130μm且不大于200μm。

2.根据权利要求1所述的用于高输出激光器的法拉第旋转器，其中该散热基片的厚度不小于0.2mm且不大于1mm。

3.根据权利要求1所述的用于高输出激光器的法拉第旋转器，其中用于将铋取代稀土金属铁石榴石和散热基片粘接到一起的粘接剂为环氧树脂，该环氧树脂的吸收系数在所使用的波长处不大于0.1cm^-1。

4.根据权利要求1所述的用于高输出激光器的法拉第旋转器，其中用于将该铋取代稀土金属石榴石和散热基片粘接到一起的环氧粘接剂层的厚度不大于10μm。

5.一种光隔离器，包括权利要求1至4所述的法拉第旋转器，其中除了该法拉第旋转器的侧面和入射面的激光束传输部分外，该法拉弟旋转器覆盖有散热器。

Images