专利名称：用离子注入制备钕掺杂钒酸钇晶体波导激光的方法
技术领域：
本发明涉及一种制备晶体波导激光的制备方法，尤其适应于钕离子掺杂钒酸钇晶体的平面和条形波导激光的制备。属于光电子器件领域中的波导制备方法。
光波导是集成光学的基本元件，被定义为低折射率的介质包围起来的微米量级的高折射率介质区域。由于光束在介质边界处低折射率介质一侧的全内反射，因而被限制在高折射率介质中传播。光波导可以将光的能量约束在截面非常小的区域内。在与光束传播方向垂直的截面上，如果光束只在一个方向上受到约束而被导引，波导就是平面光波导；如果在全部横截面方向上都受到约束，波导就是条形波导。用一定条件的激光对激光材料制备出的波导进行泵浦，就会输出波导激光。与体器件相比，波导激光器利用光波导结构把光束的能量约束在截面非常小的波导内，能够有效的提高光功率密度，从而降低激光器的阈值功率，提高斜率效率；另外，波导激光还具有结构紧凑、稳定性高的优点，利于集成。波导激光与波导结构相对应，也分为平面波导激光和条形波导激光。在激光晶体表面形成波导结构并进而实现激光输出的方法有离子交换、扩散等。1990年和1991年美国的科技期刊杂志《Electronics Letters》和《IEEE Journal of Quantum》分别报道了用质子交换技术制备NdMgOLiNbO3波导激光(Electronics Letters26，(1990)927，IEEE Journal of QuantumElectronics27(1991)618)等。它们的主要缺点是制备的波导对原来的晶体性质有相对较大的影响，并且适用的范围有限，目前只能在某些适合交换或扩散的晶体(如LiNbO3)上实现波导激光，而对于如NdYVO4之类的许多晶体来说，离子交换或扩散等就无法实现。
发明内容本发明提供了一种在钕离子掺杂钒酸钇波导中实现输出波导激光的方法。该方法不仅可以实现平面的波导激光输出，为更好的适应信号光纤耦合的需要，还可以实现条形的波导激光输出。
本发明用离子注入制备钕掺杂钒酸钇晶体波导激光，所采用的技术方案是采用离子注入实现Nd3+YVO4晶体的波导结构。采用能量(1.0～6.0兆电子伏特(MeV))的磷离子注入，注入剂量在1×1012～5×1015离子/平方厘米范围中，在Nd3+YVO4晶体表面形成平面光波导，磷离子可以为一价态或二价态或三价态；或利用先做条形掩膜，再用磷离子注入的方法，形成Nd3+YVO4晶体条形光波导。对波导端面进行适当条件的镀膜后，利用一定波长和功率的激光器对Nd3+YVO4晶体平面波导或条形波导进行泵浦，可输出波长在1064纳米(nm)左右的红外激光。对红外激光用倍频晶体如KTP进行二倍频，可以输出波长在532nm左右的绿光。磷离子注入形成的钕离子掺杂钒酸钇波导可以是平面型的，也可以是条形的结构。注入剂量比传统的离子注入低(传统的He离子注入形成光波导的剂量为1～6×1016离子/平方厘米)。采用磷离子注入，可以造成注入区的寻常光折射率升高，从而形成波导结构。
本发明用离子注入制备钕掺杂钒酸钇晶体波导激光的方法包含MeV磷离子注入、热退火处理和激光谐振腔镀膜等步骤。
用磷离子注入制备钕掺杂钒酸钇晶体波导激光的具体工艺制作流程为首先对Nd3+YVO4晶体进行至少在上表面和两个端面进行光学抛光和清洗处理；接着利用加速器进行磷离子注入；在离子注入区形成光波导，再进行热退火处理；然后根据泵浦光的波长在两个端面上分别进行激光谐振腔输入端镀膜和激光谐振腔输出端镀膜；最后通过物镜或者光纤耦合泵浦光就可以得到波导激光的输出。
使用磷离子进行注入，剂量低，因而成本较低；波导区内的折射率改变及波导模式可以通过注入离子的剂量和能量或对波导进行不同条件的退火进行调节和控制。波导激光的输出可以通过精确调控耦合模式的匹配来增强。
图1为本发明磷离子注入制备钕掺杂钒酸钇晶体波导激光的制作流程图；图2为磷离子注入钕掺杂钒酸钇晶体的平面波导工艺示意图；图3为平面光波导激光产生示意图；图4为磷离子注入钕掺杂钒酸钇晶体的条形光波导工艺示意图；图5为条形光波导激光产生示意图。
图中1.Nd3+YVO4晶体，2.MeV磷离子注入，3.折射率增加型的平面光波导，4.激光谐振腔输入端镀膜，5.激光谐振腔输出端镀膜，6.物镜，7.泵浦光，8.偏振片，9.波导激光，10.光刻胶掩膜，11.条形波导，12.光纤耦合的泵浦光，13.光纤耦合的波导激光。
波导端面的镀膜波导两个端面(5mm×2mm)需镀膜激光谐振腔输入端镀膜(4)和激光谐振腔输出端镀膜(5)，需要能够覆盖端面波导的范围。通光输入方向镀808nm全透、1064nm全反或高反的氧化物薄膜，输出方向镀808nm全反或高反、1064nm部分反射的氧化物薄膜，以实现激光谐振腔。
波导激光的输出用半导体激光器产生波长为808nm泵浦光(7)，激光器输出的激光经偏振片(8)调制，变为TM偏振光，经准直器变为平行光，再经显微镜物镜(6)耦合进入Nd3+YVO4晶体的波导层进行泵浦，Nd3+YVO4晶体的波导层就能够产生波长为1064nm的激光，经物镜(6)耦合出，就能够输出1064nm的波导激光(9)。实施例2 磷离子注入钕掺杂钒酸钇晶体的条形波导激光的制备条形光波导的制作过程将x切的一片Nd3+YVO4样品(1)，大小为5mm×5mm×2mm。表面(5mm×5mm)抛光，在与y方向的垂直的两个面(5mm×2mm)也抛光。用光刻技术在表面形成宽度为30微米，间隔为9微米的凸起的矩形光刻胶掩膜(10)，掩膜厚3微米。MeV磷离子注入(2)注入能量为2.8MeV、剂量为1×1014离子/平方厘米的P+离子，然后再去除掩膜，就在Nd3+YVO4晶体中形成了条形波导(11)。将样品至于空气中进行热退火，条件为260℃，60分钟。
波导端面的镀膜波导两个端面(5mm×2mm)需镀膜激光谐振腔输入端镀膜(4)和激光谐振腔输出端镀膜(5)，需要能够覆盖端面波导的范围。通光输入方向镀808nm全透、1064nm全反或高反的氧化物薄膜，输出方向镀808nm全反或高反、1064nm部分反射的氧化物薄膜，以实现激光谐振腔。
波导激光的输出通过用波长为808nm的激光作为光纤耦合的泵浦光(12)，在Nd3+YVO4晶体的波导层就能够产生波长为1064nm的激光，输出的波长为1064nm的光纤耦合的波导激光(13)。
权利要求
1.一种用离子注入制备钕掺杂钒酸钇晶体波导激光的方法，包括利用一定能量和剂量的磷离子注入，在钕离子掺杂钒酸钇晶体表面形成光波导，然后进行热退火处理，在晶体的端面上进行激光谐振腔镀膜，通过光源泵浦，产生波长为1064纳米的波导激光。
2.按照权利要求1所述，其特征在于用磷离子进行注入，磷离子为一价磷离子(P+)或二价磷离子(P2+)或三价磷离子(P3+)。
3.按照权利要求1所述，其中所述的注入离子的能量范围为1.0～6.0兆电子伏特。
4.按照权利要求1所述，其中所述的注入剂量范围为1×1012-5×1015离子/平方厘米。
全文摘要
本发明用离子注入制备钕掺杂钒酸钇晶体波导激光的方法，主要在(Nd
文档编号H01S3/16GK1434551SQ0311191
公开日2003年8月6日 申请日期2003年3月4日 优先权日2003年3月4日
发明者陈 峰, 王雪林, 王克明, 卢霏, 胡卉 申请人:山东大学