专利名称：利用镀膜技术制备的一体化微片激光介质及器件的制作方法
技术领域：
本发明涉及固体激光材料和器件领域。
背景技术：
微片激光器是一种激光增益介质厚度在1毫米以下，两面直接镀上满足激光运转条件的介质膜的小型激光器。可以利用半导体激光器作为泵浦源进行端面泵浦，将光束质量和单色性都较差的半导体激光转变成为高光束质量和单色性好的固体激光输出。在此基础上，可以添加调Q元件、非线性光学晶体或受激拉曼频移晶体，对该固体基波激光进行调Q、变频(倍频、混频)或频移，得到更具应用价值的各种波段的激光输出。目前常用胶合的方法将激光微片和调Q片、非线性光学晶体或受激拉曼频移材料组合成单一器件输出脉冲和变频激光。该类器件简单紧凑、坚固耐用、使用方便，并具有可移动、抗振动、低泵浦阈值、高转换效率等优点，在国防、信息、环保、交通、电子、测量、医疗、科研等领域有着广阔的应用前景。但是，胶合方法有两个主要的缺陷一是工艺较为复杂；二是胶合部存在老化、失透甚至断裂等隐患。
另外，微片激光器为得到单色性好的激光输出，同时也有利于提高变频效率，要求激光微片的厚度在几百微米以下，甚至只有几十微米。同时研究结果表明微片中的激活离子浓度增加，微片厚度减小，激光泵浦效率将提高。所有这些都要求在能吸收泵浦光的条件下将微片做得尽量薄。这就给微片加工带来一定的难度。这也使微片激光的应用受到限制。目前已有采用液相外延的方法，在纯的基质晶体衬底上生长微片激光介质的报道，如在KY(WO4)2衬底上外延生长Yb:KY(WO4)2激光晶体微片，在一定程度上解决了微片加工难的问题。但是，该方法制备周期较长，而且衬底和微片介质基质只能是同一晶体或者晶体结构参数非常接近的同类晶体。这就约束了该方法的广泛应用。而且，目前已有的高性能的调Q片、非线性光学晶体或受激拉曼频移材料与高性能的微片激光介质的晶体结构往往差别很大，不能用此方法在调Q片、非线性光学晶体或受激拉曼频移材料上外延生长微片结构介质，解决前面提到的胶合方法的缺陷。
发明内容
本发明的主要目的是利用镀膜技术，克服微片激光器加工难度大的不足，并克服产生基频激光的微片与调Q或变频元件之间的胶合而带来的缺陷，力求省去微片激光器件制造的复杂性，使得器件尽量紧凑和小型化，同时提高运行稳定性，降低器件成本。在透明的基体材料、调Q片、非线性光学晶体或受激拉曼频移材料上，采用镀膜技术制备可产生出基波固体激光的微片激光介质，得到一个半导体激光或其它合适光源泵浦，并具有调Q、变频或频移功能的一体化微片激光器件，将半导体激光或其它光源发光有效地转变成为具有实际应用价值的连续、脉冲或不同波长的固体激光输出。
本发明的技术方案为将透明基体材料的两端面按固体激光的要求抛光，在其中的一个端面上利用镀膜技术外延制备微片激光介质，用于实现微片激光运转。该基体材料还可采用(1)被动调Q片，从而得到一个一体化的被动调Q微片激光复合材料，用于实现脉冲微片激光运转；(2)非线性光学晶体，该晶体根据变频的需要，按一定的相位匹配方向切割，从而得到一个一体化的变频微片激光复合材料，用于实现变频微片激光运转；(3)受激拉曼频移材料，从而得到一个一体化的受激拉曼频移微片激光复合材料，用于实现受激拉曼频移微片激光运转。
或者按上述方法先在非线性光学晶体或受激拉曼频移材料上外延生长被动调Q材料，再进一步外延生长激光介质微片，得到激光介质、调Q和非线性光学晶体或受激拉曼频移材料三者合一的一体化复合材料，用于实现变频或频移的脉冲微片激光运转。
在上述复合材料的两端面直接镀上适合相应波长激光运转的介质膜，便得到一个具有相应运转方式的微片激光器件。也可以将其中一面或两面介质膜镀在腔镜上，再将一面镀膜或没有镀膜的功能材料与腔镜构成激光器件。
本技术方案可实施于能够利用镀膜技术在晶体、玻璃或透明陶瓷表面上外延制备微片激光介质的固体激光材料。如Nd:YAG、Nd:YVO4、Yb:YAG、YbAG晶体等。
实施本发明技术方案具有的有益效果是克服了以往液相外延生长方法制备周期较长，而且衬底和微片介质基质只能是同一晶体或者晶体结构参数非常接近的同类晶体的缺点。可以将性能最好的调Q片、非线性光学晶体或受激拉曼频移材料与微片激光介质直接结合成一个整体，构成一个激光和调Q、变频或频移功能复合的一体化激光器件。具有生长过程可观察，微片介质的厚度可控制，外延生长后免加工，以及外延生长与激光镀膜可连续完成等优点。而且，具备可批量生长，一致性好等适合工业化生产的条件。
具体实施例方式
实例1将Cr:YAG调Q片的两端面抛光并经过清洁后作为衬底材料，固定在真空蒸发镀膜机的支架上。将Nd3+离子浓度为1.5at％的Nd:YAG晶体置于坩埚中作为外延生长材料，将镀膜机中的镀膜室用真空泵抽到5×10-3Pa的真空度，打开电子束流，先预熔Nd:YAG，待Nd:YAG晶体充分熔化后，打开坩埚档板，使Nd:YAG缓慢蒸发，借助测厚仪，直到在Cr:YAG调Q片的一个端面上外延生长500微米的Nd:YAG介质后，缓慢关闭电子束流。得到上述激光介质微片和调Q片合为一体的复合材料后，在复合材料的Nd:YAG介质端面上再镀上泵浦光波长807纳米处高透、1064纳米处高反(R＞99％)的介质膜，调Q片的另一端面镀上807纳米处高反(R＞99％)、1064纳米处透过率为8％的介质膜。这便是一个适于807纳米半导体激光泵浦、输出1064纳米波长脉冲激光、一体化的具有调Q功能的微片激光器。
实例2将垂直于倍频Nd:YVO4基波激光相位匹配方向的非线性光学晶体KTP(采用II类相位匹配θ＝90°，φ＝23.6°)的两端面抛光并经过清洁后作为衬底材料，固定在真空蒸发镀膜机的支架上。将Nd3+离子浓度为4at％的Nd:YVO4晶体置于坩埚中作为外延生长材料，将镀膜机中的镀膜室用真空泵抽到5×10-3Pa的真空度，打开电子束流，先预熔Nd:YVO4，待Nd:YVO4晶体充分熔化后，打开坩埚档板，使Nd:YVO4缓慢蒸发，借助于测厚仪，直至KTP晶体的一个端面上外延生长400微米的Nd:YVO4介质，缓慢关闭电子束流，即可得到激光介质微片和非线性光学晶体合为一体的复合材料。在复合材料的Nd:YVO4介质端面上再镀上泵浦光波长808纳米处高透、1064纳米和532纳米处高反(R＞99％)的介质膜，KTP晶体的另一端面镀上808纳米和1064纳米处高反(R＞99％)、532纳米处高透的介质膜。这便是一个适于808纳米半导体激光泵浦、输出532纳米波长倍频激光、一体化的具有腔内倍频功能的微片激光器。
实例3将垂直于倍频Nd:YAG基波激光相位匹配方向的非线性光学晶体BBO(采用I类相位匹配θ＝22.8°，φ＝0°)的两端面抛光并经过清洁后作为衬底材料，固定在真空蒸发镀膜机的支架上。将Nd3+离子浓度为1.5at％的Nd:YAG晶体置于坩埚中作为外延生长材料，将镀膜机中的镀膜室用真空泵抽到5×10-3Pa的真空度，打开电子束流，先预熔Nd:YAG，待Nd:YAG晶体充分熔化后，打开坩埚档板，使Nd:YAG缓慢蒸发，借助测厚仪，直到在BBO晶体的一个端面上外延生长500微米的Nd:YAG介质，缓慢关闭电子束流，即可获得激光介质微片和非线性光学晶体合为一体的复合材料。在复合材料的Nd:YAG介质端面上再镀上泵浦光波长807纳米处高透、1064纳米和532纳米处高反(R＞99％)的介质膜，BBO晶体另一端面镀上807纳米和1064纳米处高反(R＞99％)、532纳米处高透的介质膜。这便是一个适于807纳米半导体激光泵浦、输出532纳米波长倍频激光、一体化的具有腔内倍频功能的微片激光器。
实例4将垂直于倍频Nd:YVO4基波激光I类相位匹配方向(θ＝90°，φ＝11.91°)的非线性光学晶体LBO的两端面抛光并经过清洁后作为衬底材料，固定在直流溅射镀膜机的支架上。以Nd3+离子浓度为4at％的Nd:YVO4晶体作为镀膜的靶材料。用机械泵和扩散泵将镀膜机中镀膜室的真空度抽到10-5Pa，再充90％的氩气和10％的氧气使镀膜室的真空度达到10-3Pa，靶与镀膜面的距离为70mm，溅射电压为1.0KV，电流40mA。借助测厚仪，在LBO晶体的一个端面上外延生长400微米的Nd:YVO4介质。得到上述激光介质微片和非线性光学晶体合为一体的复合材料后，在复合材料的Nd:YVO4介质端面上再镀上泵浦光波长808纳米处高透、1064纳米和532纳米处高反(R＞99％)的介质膜，LBO晶体另一端面镀上808纳米和1064纳米处高反(R＞99％)、532纳米处高透的介质膜。这便是一个适于808纳米半导体激光泵浦、输出532纳米波长倍频激光、一体化的具有腔内倍频功能的微片激光器。
实例5将受激拉曼频移晶体PbWO4的两端面抛光并经过清洁后作为衬底材料，固定在磁控溅射镀膜机的支架上。用Nd3+离子浓度为4at％的Nd:YVO4晶体作为靶材。用机械泵和扩散泵将镀膜机中镀膜室的真空度抽到10-5Pa，再充90％的氩气和10％的氧气使镀膜室的真空度达到10-3Pa，靶与镀膜面的距离为70mm，溅射电压为400V，电流3.2A。借助测厚仪，在PbWO4晶体的一个端面上外延生长400微米的Nd:YVO4介质。得到上述激光介质微片和受激拉曼频移材料合为一体的复合材料后，在复合材料的Nd:YVO4介质端面上再镀上泵浦光波长808纳米处高透、1064纳米和频移波长处(λ-1＝1/1064±901×10-7×k，k一般为(-3)至10的整数，波长单位纳米)高反(R＞99％)的介质膜，PbWO4晶体另一端面镀上808纳米和1064纳米处高反(R＞99％)、所需的频移波长处高透的介质膜。这便是一个适于808纳米半导体激光泵浦、输出特定频移波长激光、一体化的具有受激拉曼频移功能的微片激光器。
实例6将垂直于倍频Nd:YAG基波激光I类相位匹配方向(θ＝168.9°，φ＝90°)的非线性光学晶体BiBO的两端面抛光并经过清洁后作为衬底材料，固定在磁控溅射镀膜机的支架上。分别以Cr:YAG和Nd:YAG作为靶材。用机械泵和扩散泵将镀膜机中镀膜室的真空度抽到10-5Pa，再充90％的氩气和10％的氧气使镀膜室的真空度达到10-3Pa，靶与镀膜面的距离为70mm，溅射电压为400V，电流3.2A。借助测厚仪，精确地获得所需的Cr:YAG和Nd:YAG介质厚度。得到上述激光介质微片、调Q介质和非线性光学晶体合为一体的复合材料后，在复合材料的Nd:YAG介质端面镀上泵浦光波长807纳米处高透、1064纳米和532纳米处高反(R＞99％)的介质膜，BiBO晶体的另一端面镀上807纳米和1064纳米处高反(R＞99％)、532纳米处高透的介质膜。这便是一个适于807纳米半导体激光泵浦、输出532纳米波长脉冲倍频激光、一体化的具有调Q和倍频功能的微片激光器。
实例7将受激拉曼频移晶体PbWO4的两端面抛光并经过清洁后作为衬底材料，固定在磁控溅射镀膜机的支架上。分别以Cr:YAG和Nd:YAG作为靶材。用机械泵和扩散泵将镀膜机中镀膜室的真空度抽到10-5Pa，再充90％的氩气和10％的氧气使镀膜室的真空度达到10-3Pa，靶与镀膜面的距离为70mm，溅射电压为400V，电流3.2A。借助测厚仪，精确地获得所需的Cr:YAG和Nd:YAG介质厚度。得到上述激光介质微片、调Q介质和受激拉曼频移材料合为一体的复合材料后，在复合材料的Nd:YAG介质端面镀上泵浦光波长807纳米处高透、1064纳米和频移波长处(λ-1＝1/1064±901×10-7×k，k一般为(-3)至10的整数，波长单位纳米)高反(R＞99％)的介质膜，PbWO4晶体另一端面镀上808纳米和1064纳米处高反(R＞99％)、所需的频移波长处高透的介质膜。这便是一个适于807纳米半导体激光泵浦、输出特定频移波长脉冲激光、一体化的具有调Q和受激拉曼频移功能的微片激光器。
权利要求
1.一种利用镀膜技术制备的一体化微片激光介质，其特征在于在透明衬底材料上外延制备一定厚度的微片激光介质。
2.如权利要求1所述的微片激光介质，其特征在于所述的衬底为被动调Q材料。
3.如权利要求2所述的微片激光介质，其特征在于所述的衬底材料为Cr:YAG调Q片，以Nd:YAG为微片激光介质。
4.如权利要求1所述的微片激光介质，其特征在于所述的衬底为端面垂直于倍频微片激光相位匹配方向或混频微片和泵浦激光的相位匹配方向的非线性光学晶体。
5.如权利要求4所述的微片激光介质，其特征在于所述的非线性光学晶体为KTP，Nd:YVO4为微片激光介质。
6.如权利要求1所述的微片激光介质，其特征在于所述的衬底为受激拉曼频移材料。
7.一种微片激光介质，其特征在于以垂直于倍频微片激光的相位匹配方向或混频微片和泵浦激光的相位匹配方向的非线性光学晶体的一个端面作为衬底，先外延制备被动调Q材料，再进一步外延制备微片激光介质。
8.如权利要求7所述的微片激光介质，其特征在于采用受激拉曼频移材料为衬底。
9.一种微片激光器件，其特征在于将权利要求1-8任一所述的微片激光介质的两端面直接镀上适合相应波长激光运转的介质膜。
10.如权利要求9所述的激光器件，其特征在于将其中一面或两面介质膜镀在腔镜上，再将一面镀膜或没有镀膜的功能材料与腔镜构成激光器件。
全文摘要
利用镀膜技术制备的一体化微片激光介质及器件，涉及固体激光材料和器件领域。在透明的基体材料、调Q片、非线性光学晶体或受激拉曼频移材料上，采用镀膜技术制备可产生出基波固体激光的微片激光介质，得到一个半导体激光或其它合适光源泵浦，并具有调Q、变频或频移功能的一体化微片激光器件，将半导体激光或其它光源发光有效地转变成为具有实际应用价值的连续、脉冲或不同波长的固体激光输出。本发明克服了以往液相外延生长方法制备周期较长，而且衬底和微片介质基质只能是同一晶体或者晶体结构参数非常接近的同类晶体的缺点。
文档编号H01S3/00GK101026284SQ20061005902
公开日2007年8月29日 申请日期2006年2月24日 优先权日2006年2月24日
发明者林炎富, 黄艺东, 陈雨金, 龚兴红, 罗遵度, 谭奇光 申请人:中国科学院福建物质结构研究所