专利名称：具有频率调制功能的一体化微片激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及晶体材料及光电子技术。
微片激光器是一种激光晶体厚度在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元件和非线性光学晶体，对该固体基波激光进行调Q、倍频或混频，得到可见和紫外波段的激光输出。该类器件具有低泵浦阈值、高转换效率、稳定可靠、器件紧凑、使用方便等优点，在信息、环保、交通、电子、测量、医疗、科研等领域有着广阔的应用前景。
为了得到单色性较好的激光输出，同时也有利于提高倍频或混频效率，要求激光晶体微片的厚度在几百微米以下，甚至只有几十微米。同时研究结果表明晶体中的激活离子浓度增大，微片厚度减少，在不考虑浓度猝灭的情况下0(这一点所谓的自激活激光晶体，如NdAl3(BO3)4晶体可以在一定程度上满足)，激光泵浦效率将提高。所有这些都要求在能充分吸收泵浦激光的条件下将微片做得尽量薄。这就给晶体微片的加工带来一定的难度。
要得到更有实用价值的可见和紫外波段的激光输出，需要对微片激光器的红外基波激光进行倍频或混频调制，还必须在激光腔内或腔外添加非线性光学晶体，有时还要添加调Q的元件或晶片，这也给器件的制造及其稳定可靠的运转带来困难。
参考文献见J.Zayhowski，Q-switched microchip lasers find real-worldapplication，Laser focus world，Aug 1999，129-136。
本发明设计一个具有频率调制功能的半导体激光或其它合适光源泵浦的一体化的固体微片激光器，将半导体激光或其它光源发光有效地转变成为可见和紫外等更短波长的激光输出。目的在于克服微片激光器加工难度大的不足，力求省去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。
本发明采用如下技术方案以已经确定倍频或混频相位匹配方向的非线性光学晶体为衬底，在与相位匹配方向垂直的一个端面上外延生长激光晶体微片。这样就将腔内倍频或混频激光器中的非线性光学晶体与激光晶体二者合一，在这块激光和非线性功能一体化晶体的垂直于相位匹配方向的两个端面镀上适于相应波长激光运转的介质膜，便成为一个一体化的具有腔内倍频或混频功能的微片激光器。
或者按上述方法先在非线性光学晶体材料上外延生长被动调Q的晶体微片，再进一步外延生长激光晶体微片，这就将激光晶体、调Q晶体和非线性光学晶体三者合一，在这块激光、调Q和非线性功能一体化晶体的垂直于相位匹配方向的两个端面镀上适于相应波长激光运转的介质膜，便成为一个一体化的具有调Q与倍频或混频功能的微片激光器。
上述功能一体化晶体也可以不在端面上镀膜而直接置于一对满足激光运转条件的介质膜片中构成具有同样功能的微片激光器。
本技术方案在以GdxY1-xAl3(BO3)4，Ca4GdxY1-xO(BO3)3，Gd2xY2(1-x)(MoO4)3，(其中x可以从0变化到1)，LaSc3(BO3)4等非线性光学晶体作为衬底，外延以稀土离子，如Nd3+，Er3+，pr3+和Yb3+等，作为激活离子全部或部分取代Gd3+，Y3+或La3+离子的同构晶体作为激光晶体微片的一体化器件中有较佳效果。也可以用非线性光学晶体LiNbO3作为衬底，外延生长RE3+∶MgO∶LiNbO3或RE3+∶ZnO∶LiNbO3(RE=Nd，Er，Pr，Yb等稀土离子)激光晶体微片得到同样的效果。对于用稀土离子Nd3+取代的情况，可以在外延激光晶体微片之前先外延生长掺Cr4+的被动调Q同构晶体薄片达到对1.06微米激光调Q的效果。
实施本发明技术方案具有的有益的效果1、可以将非线性光学晶体、调Q晶体与激光晶体一体化，能实现对基波激光的调Q和倍频或混频。与已有的技术相比，本发明不需要独立地放置一块激光晶体微片、一块调Q晶片和一块非线性光学晶体，使得器件极其紧凑，省去器件制造的复杂性，降低成本，同时提高运转的稳定性。本发明只要在这块一体化的晶体端面镀上相应的介质膜，便是一个可被半导体激光或其它合适光源泵浦的具有调Q、倍频或混频固体激光器。其简单性和紧凑程度大大高于现有技术。
2、本发明采用外延法生长的激光晶体微片，与已有技术采用块状单晶切片、磨薄、抛光的方法相比，更为简单可靠，节省成本。可以满足几十微米或更薄的激光晶体微片的要求，这是用已有技术很难做到的。
附
图1是一种一体化的具有倍频或混频功能微片激光器的示意图，其中(1)是通过外延生长的激光晶体微片；(2)是端面沿垂直于倍频或混频的相位匹配方向切割，在外延生长中作为衬底的非线性光学晶体；(3)是泵浦光入射端面的介质膜；(4)是固体激光输出端面的介质膜；(5)是泵浦光输入方向；(6)是激光输出方向。
附图2是一种一体化的具有调Q、倍频或混频功能的微片激光器的示意图，其中(1)是通过外延生长的激光晶体微片；(2)是端面沿垂直于倍频或混频的相位匹配方向切割，在外延生长中作为衬底的非线性光学晶体；(3)是泵浦光入射端面的介质膜；(4)是固体激光输出端面的介质膜；(5)是泵浦光输入方向；(6)是激光输出方向；(7)是通过外延生长的调Q晶片。
现结合附图来说明本发明方案的实现方式。
首先根据倍频或混频需要对非线性光学晶体(2)进行定向切割，使其中一对端面与所需的相位匹配方向垂直，晶体的厚度可根据具体的材料和频率调制的要求确定，端面积一般在毫米见方。之后在与相位匹配方向垂直的一个端面，利用外延法生长出厚度满足最佳泵浦效果的激光晶体微片(1)，其厚度一般在10～500微米之间。
得到上述激光晶体微片和非线性光学晶体合为一体的功能晶体后，如附图1所示，只要在与相位匹配方向垂直的两个端面上镀上适合激光和倍频或混频运转的介质膜(3)和(4)，便是一个适于半导体激光或其它光源沿方向(5)泵浦的一体化的具有倍频或混频功能的微片激光器，沿方向(6)输出激光。也可以不镀膜而直接将该一体化晶体置于一对合适的镀膜激光腔镜中构成一个具有相同功能的激光器。
或者先在非线性光学晶体与相位匹配方向垂直的一个端面，利用外延法生长出满足调Q效果需要的被动调Q晶片(例如可以采用外延生长Cr4+∶YAl3(BO3)4作为调Q晶片)，厚度一般在几十到几百微米。再外延生长激光晶体微片(如Nd3+∶YAl3(BO3)4微片)，如附图2所示。与附图1的激光器相比，该器件多了调Q晶片(7)，具备调Q功能，而镀膜、泵浦、激光输出方向等方式均相同。也可以选择不镀膜而直接将该一体化晶体置于一对合适的镀膜激光腔镜中构成一个具有相同功能的激光器。
实例1对Nd3+离子的1062纳米(4F3/2→4I11/2)基波激光倍频产生531纳米绿色激光输出。非线性光学晶体YAl3(BO3)4沿I类相位匹配角θI=30.7定向切割，同时确定晶体的大小(一般为端面积在毫米见方，厚度为几个毫米的方块或圆柱)，端面抛光后置于含有助熔剂的NdxY1-xAl3(BO3)4(x在0.01到1之间)的高温熔剂中，利用YAl3(BO3)4作为衬底进行液相外延法生长，通过控制生长时间和条件在与相位匹配方向垂直的一个端面得到所需厚度的NdxY1-xAl3(BO3)4晶体微片。得到上述激光晶体微片和非线性光学晶体合为一体的功能晶体后，在如附图1所示端面(3)镀上在807纳米处(作为泵浦光的半导体激光波长)高透、在1062纳米和531纳米处高反(R＞99％)的介质膜，端面(4)镀上在807纳米和1062纳米处高反(R＞99％)、在531纳米处高透的介质膜。这便是一个适于807纳米半导体激光沿方向(5)泵浦的一体化的具有倍频功能的微片激光器，沿方向(6)输出531纳米波长的绿色激光。
实例2对Nd3+离子的1338纳米(4F3/2→4I13/2)基波激光倍频产生669纳米红色激光输出。非线性光学晶体YAl3(BO3)4沿I类相位匹配角θI=27.0°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为端面积在毫米见方，厚度为几个毫米的方块或圆柱)，端面抛光后置于含有助熔剂的NdxY1-xAl3(BO3)4(x在0.01到1之间)的高温熔剂中，利用YAl3(BO3)4作为衬底进行液相外延法生长，通过控制生长时间和条件在与相位匹配方向垂直的一个端面得到所需厚度的NdxY1-xAl3(BO3)4晶体微片。得到上述激光晶体微片和非线性光学晶体合为一体的功能晶体后，在如附图1所示端面(3)镀上在807纳米处(作为泵浦光的半导体激光波长)高透、在1338纳米和669纳米处高反(R＞99％)的介质膜，端面(4)镀上在807纳米和1338纳米处高反(R＞99％)、在669纳米处高透的介质膜。这便是一个适于807纳米半导体激光沿方向(5)泵浦的一体化的具有倍频功能的微片激光器，沿方向(6)输出669纳米波长的红色激光。
实例3将Nd3+离子的1062纳米(4F3/2→4I11/2)基波激光与作为泵浦光的807纳米半导体激光混频产生458纳米蓝色激光输出。非线性光学晶体YAl3(BO3)4沿I类相位匹配角θI=35.0°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为端面积在毫米见方，厚度为几个毫米的方块或圆柱)，端面抛光后置于含有助熔剂的NdxY1-xAl3(BO3)4(x在0到1之间)的高温熔剂中，利用YAl3(BO3)4作为衬底进行液相外延法生长，通过控制生长时间和条件在与相位匹配方向垂直的一个端面得到所需厚度的NdxY1-xAl3(BO3)4晶体微片。得到上述激光晶体微片和非线性光学晶体合为一体的功能晶体后，在如附图1所示端面(3)镀上在807纳米处(作为泵浦光的半导体激光波长)高透、在1062纳米和458纳米处高反(R＞99％)的介质膜，端面(4)镀上在807纳米和1062纳米处高反(R＞99％)、在458纳米处高透的介质膜。这便是一个适于807纳米半导体激光沿方向(5)泵浦的一体化的具有混频功能的微片激光器，沿方向(6)输出458纳米波长的蓝色激光。
实例4对Nd3+离子的1062纳米(4F3/2→4I11/2)基波激光调Q后倍频产生531纳米绿色脉冲激光输出。非线性光学晶体YAl3(BO3)4沿I类相位匹配角θI=30.7°定向切割，同时确定晶体的大小(一般为端面积在毫米见方，厚度为几个毫米的方块或圆柱)，端面抛光后先置于含有助熔剂的Cr2O3，Y2O3，Al2O3，B2O3和MgO按一定比例混合的高温熔剂中，利用YAl3(BO3)4作为衬底进行液相外延法生长，通过控制生长时间和条件在与相位匹配方向垂直的一个端面得到所需厚度(一般在几十到几百微米)的Cr4+∶YAl3(BO3)4调Q晶片。再置于含有助熔剂的NdxY1-xAl3(BO3)4(x在0.01到1之间)的高温熔剂中进行液相外延法生长，通过控制生长时间和条件在与相位匹配方向垂直的一个端面得到所需厚度的NdxY1-xAl3(BO3)4晶体微片。得到上述激光晶体微片、调Q晶片和非线性光学晶体合为一体的功能晶体后，在如附图2所示端面(3)镀上在807纳米处(作为泵浦光的半导体激光波长)高透、在1062纳米和531纳米处高反(R＞99％)的介质膜，端面(4)镀上在807纳米和1062纳米处高反(R＞99％)、在531纳米处高透的介质膜。这便是一个适于807纳米半导体激光沿方向(5)泵浦的一体化的具有调Q和倍频功能的微片激光器，沿方向(6)输出531纳米波长的绿色脉冲激光。
实例5可以利用其它非线性光学晶体如GdxY1-xAl3(BO3)4，Ca4GdxY1-xO(BO3)3，Gd2xY2(1-x)(MoO4)3，(其中x可以从0变化到1)，LaSc3(BO3)4等作为衬底，采用上述实例中的办法外延以Nd3+离子全部或部分取代Gd3+，Y3+或La3+离子的同构晶体作为激光晶体微片，或者以非线性光学晶体LiNbO3作为衬底，外延生长Nd3+∶MgO∶LiNbO3或Nd3+∶ZnO∶LiNbO3激光晶体微片。
实例6可以利用其它稀土离子如Er3+，Pr3+，Yb3+等替代上述实例中的Nd3+离子进行相同或相似的制造过程得到适于其它波长的光源泵浦的同样具有频率调制功能的一体化微片激光器。这些激光器可以输出其它波长的激光。
实例7上述所有实例均可以选择不镀介质膜(3)和(4)而直接将该一体化晶体置于一对合适的镀膜激光腔镜中构成一个具有相同功能的激光器。
权利要求
1．具有频率调制功能的一体化微片激光器，以非线性光学晶体为衬底，其特征在于确定该非线性光学晶体的倍频或混频的相位匹配方向，在与相位匹配方向垂直的一个端面上外延生长激光晶体微片，这样就将腔内倍频或混频激光器中的非线性光学晶体与激光晶体二者合一，在这块激光和非线性功能一体化晶体的垂直于相位匹配方向的两个端面镀上适于相应波长激光运转的介质膜，便成为一个一体化的具有腔内倍频或混频功能的微片激光器。
2．具有频率调制功能的一体化微片激光器，以非线性光学晶体为衬底，其特征在于确定该非线性光学晶体的倍频或混频的相位匹配方向，先在非线性光学晶体材料上外延生长被动调Q的晶体微片，再进一步外延生长激光晶体微片，这就将激光晶体、调Q晶体和非线性光学晶体三者合一，在这块激光、调Q和非线性功能一体化晶体的垂直于相位匹配方向的两个端面镀上适于相应波长激光运转的介质膜，便成为一个一体化的具有调Q与倍频或混频功能的微片激光器。
3．如权利要求1所述的具有频率调制功能的一体化微片激光器，其特征在于可以以GdxY1-xAl3(BO3)4，Ca4GdxY1-xO(BO3)3，Gd2xY2(1-x)MoO4)3，(其中x可以从0变化到1)，LaSc3(BO3)4等非线性光学晶体作为衬底，外延以Nd3+，Er3+，pr3+和Yb3+等稀土离子，作为激活离子全部或部分取代Gd3+，Y3+或La3+离子的同构晶体作为激光晶体微片的一体化器件。
4．如权利要求1所述的具有频率调制功能的一体化微片激光器，其特征在于也可以用非线性光学晶体LiNbO3作为衬底，外延生长RE3+∶MgO∶LiNbO3或RE3+∶ZnO∶LiNbO3(RE=Nd，Er，Pr，Yb等稀土离子)激光晶体微片得到一体化的效果。
5．如权利要求2所述的具有频率调制功能的一体化微片激光器，其特征在于对于用稀土离子Nd3+取代的情况，可以在外延激光晶体微片之前先外延生长掺Cr4+的被动调Q同构晶体薄片达到对1.06微米激光调Q的效果。
6．如权利要求1至5所述的具有频率调制功能的一体化微片激光器，其特征在于也可以不在两端面上镀膜而将该一体化微片激光器直接置于一对满足激光运转条件的介质膜片中构成具有同样功能的微片激光器。
全文摘要
通过在非线性光学晶体垂直于倍频或混频相位匹配方向的一个端面上外延生长激光晶体微片或外延生长调Q晶片后再外延生长激光晶体微片来实现一个具有频率调制功能的半导体激光或其它合适光源泵浦的一体化的固体微片激光器。能将半导体激光或其它光源发光有效地转变成为可见和紫外波段的激光输出。
文档编号H01S3/10GK1298217SQ9912531
公开日2001年6月6日 申请日期1999年11月30日 优先权日1999年11月30日
发明者黄艺东, 陈学元, 涂朝阳, 罗遵度 申请人:中国科学院福建物质结构研究所