一种微片脊波导激光器及微片脊波导可调谐激光器的制作方法

本实用新型涉及激光器技术领域，特别是涉及一种微片脊波导激光器及微片脊波导可调谐激光器。

背景技术：

近年来，高质量光源激光器的探索与研制已成为研究人员关注的热点。经过不断的研究与探索，波导作为一种新型材料，可以用于激光光源，这种波导激光器在转换效率、激光振荡和光束质量等性能方面有着，显著的优势，在光集成方面显示出了良好的应用前景。

目前制备波导激光器主要采用离子注入法、钛扩散法和质子交换法，但这些制备方法也存在一些问题，比如，离子注入法由于注入剂量较大，注入时间较长，波导制作成本较高，在离子注入过程中，注入离子在射程末端对晶格结构造成了一定程度上的损伤，而这些损伤的存在会增加波导的吸收和散射的损耗，降低波长转换效率。南安普顿大学J.K.Jones等人利用Ti法制备了波导激光器，尽管Ti扩散可以制作出低损耗的波导，但由于Ti扩散存在严重的光折变损伤，从而无法产生稳定的连续波激光振荡，这大大限制了它们的应用。为寻求更好的制备方法，日本大阪大学F.Masatoshi利用退火质子交换法制备了铌酸锂波导激光器，虽然降低了制备波导激光器过程中的光折变损伤，但质子交换使晶体中的晶格遭到了破坏，即使追加退火过程，修复了部分遭到破坏的晶格结构，但是在表面较浅区域1μm内被破坏的非线性系数以及电光系数仍然无法完全恢复。针对以上制备方法的技术缺陷，美国林肯实验室的J.Za yhowski等人使用LD泵浦Nb:YAG微片激光器，获得了单纵模输出，之后，在此基础上又实现了微片激光器的频率调谐。他们将微片激光器镶嵌在一块U 形的铍铜支架上，紧靠在一块压电陶瓷上。当对压电陶瓷施加电压进行驱动后，压电陶瓷伸长，进而挤压Nb:YAG晶体，使晶体表面向外突出，从而改变腔长，成功制成微片激光器，调谐频率范围达300KHz；然而，通过压电陶瓷挤压晶体，易损伤微片，且采用此方法制备得到的微片激光器调谐范围窄。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种微片脊波导激光器及微片脊波导可调谐激光器，以解决现有微片激光器调谐范围窄且制备过程中易损伤微片的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下方案：

一种微片脊波导激光器，所述微片脊波导激光器包括：铌酸锂衬底层和脊波导部分；所述脊波导部分与所述铌酸锂衬底层的材料均为掺杂镱离子的铌酸锂晶体；所述铌酸锂衬底层和所述脊波导部分均为长方体结构；所述脊波导部分位于所述铌酸锂衬底层上表面的正中间位置；所述脊波导部分的长与所述铌酸锂衬底层的宽平行；所述脊波导部分的长度与所述铌酸锂衬底层的宽度相同；所述微片脊波导激光器的两端面镀有激光谐振腔膜。

可选的，所述微片脊波导激光器的输入端面镀有918nm的增透膜和 1050-1070nm的第一高反膜；所述增透膜的透射率大于95％；所述第一高反膜的反射率大于95％；所述微片脊波导激光器的输出端面镀有918nm的第二高反膜和1050-1070nm的高透膜；所述第二高反膜的反射率大于90％；所述高透膜的透射率大于10％。

可选的，所述微片脊波导激光器的厚度满足其中L为所述微片脊波导激光器的厚度；n为群折射率，Δλ0为增益谱线宽度，λ为中心波长。

可选的，所述脊波导部分的尺寸为长300μm×宽10μm×高25μm。

可选的，所述微片脊波导激光器的尺寸为长0.5mm×宽0.3mm×高0.4mm。

本实用新型还提供一种微片脊波导可调谐激光器，所述微片脊波导可调谐激光器包括：微片脊波导激光器、半导体激光器、光纤、光学耦合器和温控器；

所述微片脊波导激光器包括：铌酸锂衬底层和脊波导部分；所述脊波导部分与所述铌酸锂衬底层的材料均为掺杂镱离子的铌酸锂晶体；所述铌酸锂衬底层和所述脊波导部分均为长方体结构；所述脊波导部分位于所述铌酸锂衬底层上表面的正中间位置；所述脊波导部分的长与所述铌酸锂衬底层的宽平行；所述脊波导部分的长度与所述铌酸锂衬底层的宽度相同；所述微片脊波导激光器的两端面镀有激光谐振腔膜；

所述半导体激光器发出的泵浦光经过所述光纤传输及所述光学耦合器耦合后，耦合进入所述脊波导部分；所述微片脊波导激光器置于所述温控器中；所述温控器用于调节所述微片脊波导激光器的温度，使所述微片脊波导激光器发出不同波长的激光。

可选的，所述半导体激光器发出的泵浦光波长为918nm。

可选的，所述微片脊波导激光器发出激光的波长范围为 1050-1070nm。

根据本实用新型提供的具体实施例，本实用新型公开了以下技术效果：

本实用新型提供一种微片脊波导激光器及微片脊波导可调谐激光器。本实用新型的微片脊波导激光器利用脊形光波导作为激光器的增益介质，能够减小激光谐振腔的体积，增大了谐振腔内的光功率密度，从而可以实现稳定的波导激光输出；本实用新型提供的微片脊波导可调谐激光器采用温度控制代替了传统的压电陶瓷控制，克服了压力控制易造成微片损伤的缺点，具有可靠性高、波长调谐范围大的优点。同时，通过将波导制成微片，并在两端镀膜，避免了使用透镜和反射镜，减少了激光器所需元器件的数量，大大降低了激光器的尺寸和成本，提高了激光系统的集成度和稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型提供的微片脊波导激光器的结构示意图；

图2为本实用新型提供的微片脊波导激光器的尺寸示意图；

图3为本实用新型提供的微片脊波导可调谐激光器的结构示意图；

图4为本实用新型提供的微片脊波导激光器制备方法的方法流程图；

图5为本实用新型提供的918nm的光射入微片脊波导激光器后的模场分布图；

图6为本实用新型提供的1060nm的光射入微片脊波导激光器后的模场分布图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型的目的是提供一种微片脊波导激光器及微片脊波导可调谐激光器，以解决现有微片激光器调谐范围窄且制备过程中易损伤微片的技术问题。

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型提供的微片脊波导激光器的结构示意图。参见图1，本实用新型提供的一种微片脊波导激光器包括：铌酸锂衬底层101和脊波导部分 102。所述脊波导部分102与所述铌酸锂衬底层101的材料均为掺杂镱离子的铌酸锂晶体。所述铌酸锂衬底层101和所述脊波导部分102均为长方体结构，由一整块掺杂镱离子的铌酸锂晶体切割而成。所述脊波导部分102位于所述铌酸锂衬底层101上表面的正中间位置。所述脊波导部分102的长与所述铌酸锂衬底层101的宽平行。所述脊波导部分102的长度与所述铌酸锂衬底层101 的宽度相同，均为300μm。所述微片脊波导激光器的两端面镀有激光谐振腔膜。

所述微片脊波导激光器的两端面镀不同的激光谐振腔膜，具体为：所述微片脊波导激光器的输入端面103镀有918nm的增透膜和1050-1070nm的第一高反膜；所述增透膜的透射率大于95％；所述第一高反膜的反射率大于95％。所述微片脊波导激光器的输出端面104镀有918nm的第二高反膜和 1050-1070nm的高透膜；所述第二高反膜的反射率大于90％；所述高透膜的透射率大于10％。

所述微片脊波导激光器的厚度满足其中L为所述微片脊波导激光器的厚度；n为群折射率，Δλ0为增益谱线宽度，λ为中心波长。

本实用新型提供的微片脊波导激光器采用微片脊波导作为激光增益介质，从而减小了光斑尺寸，进而增大了谐振腔内的光功率密度，从而实现了高效波导激光光源输出。

图2为本实用新型提供的微片脊波导激光器的尺寸示意图。参见图2，本实用新型所述微片脊波导激光器的脊波导部分102的尺寸为长300μm×宽 10μm×高25μm。整个所述微片脊波导激光器的尺寸为长0.5mm×宽0.3mm×高 0.4mm。

本实用新型还提供一种微片脊波导可调谐激光器。图3为本实用新型提供的微片脊波导可调谐激光器的结构示意图。参见图3，所述微片脊波导可调谐激光器包括：微片脊波导激光器301、半导体激光器302、光纤303、光学耦合器304和温控器305。其中，所述微片脊波导激光器301包括铌酸锂衬底层 101和脊波导部分102。所述微片脊波导激光器301置于所述温控器305中，所述微片脊波导激光器301的脊波导部分102高出所述温控器305，以便泵浦光进入。所述微片脊波导激光器301的输入端面103设置在靠近所述半导体激光器302的一侧，输出端面104设置在远离所述半导体激光器302的一侧。

所述半导体激光器302输出918nm的泵浦光，泵浦光经过所述光纤303 传输至所述光学耦合器304，经所述光学耦合器304后，耦合进入所述脊波导部分102。所述脊波导部分102的输入端镀918nm@AR，T>95％和可调谐波段 1050-1070nm@HR，R>95％的激光谐振腔膜；输出端可调谐波段 1050-1070nm@HT，T>10％和918nm@HR，R>90％的激光谐振腔膜。

所述温控器305通过调节所述微片脊波导激光器301的温度，进而调节折射率，改变腔长，控制所述微片脊波导激光器301发出不同波长的激光306，实现可调谐激光输出。

所述微片脊波导激光器301的温度调节范围通常为常温至200摄氏度。由于铌酸锂晶体具有折射率随温度变换的色散关系，即温度改变，晶体的折射率就会发生变化，谐振腔的有效腔长nL就会发生变化，进而能够改变激光器的输出波长。

可见，本实用新型提供的微片脊波导可调谐激光器通过控制温度，改变微片Yb:LiNbNO3晶体(掺杂镱离子的铌酸锂晶体)的折射率，进而改变腔长，实现了激光器的波长调谐。所述微片脊波导可调谐激光器克服了现有激光器调谐方式通过压电陶瓷挤压微片，从而易造成微片损伤且调谐范围窄的不足。本实用新型提供的微片脊波导可调谐激光器不用挤压微片，而是通过控制温度实现激光器的波长调谐，不会造成微片损伤且调谐范围较大。

图4为本实用新型提供的微片脊波导激光器制备方法的方法流程图。参见图4，所述微片脊波导激光器的制备方法包括：

步骤401：准备铌酸锂晶体。

步骤402：对所述铌酸锂晶体进行抛光并清理，获得清理后的铌酸锂晶体。

可选的，所述对所述铌酸锂晶体进行抛光并清理，获得清理后的铌酸锂晶体，具体包括：

利用化学-机械研磨的方法对所述铌酸锂晶体的端面进行抛光处理，获得抛光后的铌酸锂晶体；

依次利用丙酮溶液、无水乙醇、蒸馏水对所述抛光后的晶体进行清洗处理；各自清洗20分钟，获得所述清理后的铌酸锂晶体。

步骤403：在所述清理后的铌酸锂晶体表面蒸发一层镱膜，并在高温环境下进行扩散处理，生成掺杂镱离子的铌酸锂晶体。

在晶体中掺杂镱离子是一种受人瞩目的材料，具有很强的偏振吸收性，高吸收系数，对泵浦波长的依赖性较小，激光阈值较低，同时能够产生1061nm 的激光，在集成光学和光通讯领域具有重要应用。因此本实用新型在所述清理后的铌酸锂晶体表面蒸发一层镱膜，并在高温环境下进行扩散处理，生成掺杂镱离子的铌酸锂晶体，具体包括：

利用精密机械电子束蒸发技术在所述清理后的铌酸锂晶体表面沉积一层厚度为40nm的镱膜；

将沉积镱膜后的铌酸锂晶体放置在高温气氛炉中，为了防止波导表面氧化物分解，在有氧环境下对带有镱膜的铌酸锂晶体进行高温扩散处理，扩散温度设置在1150摄氏度，扩散时间设为25小时，生成所述掺杂镱离子的铌酸锂晶体。

本实用新型将镱作为增益介质，通过沉积镱膜在高温下将镱扩散到铌酸锂晶体中，然后进行软质子交换，形成掩埋型波导，镱分布在波导内部，作为增益介质。

步骤404：对所述掺杂镱离子的铌酸锂晶体进行软质子交换处理，形成平面光波导。具体包括：

将所述掺杂镱离子的铌酸锂晶体置于马弗炉中恒温预热预设时间后，通过转动装置转动玻璃管使置换液浸没所述掺杂镱离子的铌酸锂晶体，开始软质子交换。所述置换液为苯甲酸锂和苯甲酸的混合溶液，将苯甲酸锂与苯甲酸以一定的比例混合，增加置换液中锂离子浓度中，苯甲酸锂所占有的比例是一重要因素，所述苯甲酸锂浓度值为其中ρ为软质子交换阈值， wLiBA为苯甲酸锂粉末的重量，wBA为苯甲酸粉末的重量。在置换液苯甲酸中加入苯甲酸锂，在305摄氏度下，软质子交换100个小时。

由扩散理论可知，离子交换速度由扩散系数、温度、扩散表面上的浓度梯度等因素决定，而软质子交换温度的目标是于一个步骤完成质子交换和退火两个过程，所以固定软质子交换温度为305℃，通过调节马弗炉的温控表来控制炉内温度，将温度设置为305℃，经过一定的恒温时间让晶片充分预热后，通过一定的转动装置转动玻璃管使苯甲酸和苯甲酸锂溶液浸没晶片，开始交换。

持续100个小时的软质子交换后，再转动玻璃管使所述掺杂镱离子的铌酸锂晶体从所述置换液中脱离出来，取出软质子交换后的铌酸锂晶体。

待马弗炉冷却并接近到室温后，使用丙酮、无水乙醇、去离子水依次超声清洗所述软质子交换后的铌酸锂晶体的表面各十分钟，去除所述软质子交换后的铌酸锂晶体表面的手印、油脂以及灰尘，形成所述平面光波导。

其中丙酮可以去除晶体表面杂质，接着无水乙醇又溶于丙酮，最后去离子水冲洗表面残留的乙醇，最终完成了整个的清洗过程。

可见，本实用新型提供的微片脊波导激光器制备方法在掺镱铌酸锂晶体上，利用高折射率软质子交换法制备脊波导激光器，获得微片脊波导激光器。通过增加置换液中锂离子浓度，使得置换液中氢离子浓度降低，减缓了铌酸锂晶格内锂离子向外扩散速度，以达成减缓质子交换速度的目的，减少了交换过程中对晶体内部结构的改变，进而保持晶体原有的晶相，减少了置换过程中对晶体中晶格的损伤，克服了传统质子交换的不足，提高了激光变频效率。

步骤405：采用金刚石划片切割技术将所述平面光波导切割成脊形光波导。

波导主要可分为平面波导、脊形波导。平面波导是只在一个方向上对光有限制作用，且在波导横向方向上存在衍射和散射现象，用它来制作集成光波导器件存在一定的局限性。若将平面波导制成脊形结构，则对光束的约束能力更强、输出的光斑尺寸更小，从而能够有效提高激光的变频效率与输出功率。因此本实用新型采用精密金刚石划片切割技术将所述平面光波导切割成脊形光波导，具体包括：

采用金刚石划片切割技术将所述平面光波导切割成脊形结构，切割宽度为 10μm，切割深度为25μm，制成尺寸为长300μm×宽10μm×高25μm的所述脊形光波导。切割过程中使用的刀片颗粒网孔尺寸为#4800，颗粒直径为2μm。同时考虑到LiNbO3晶体是种易碎晶体材料，硬度适中，因此所述刀片选用树脂粘贴的刀片。

步骤406：采用机械化学法将所述脊形光波导加工成微片，形成微片脊波导。具体为：

通过机械化学法或者更精密的机械加工方法，首先将所述脊形光波导在长度方向上进行机械打磨，打磨至所需的长度，然后进行化学抛光，最后镀膜，使微片表面严格平行，形成所述微片脊波导。

所述微片的厚度根据单纵模选模原理确定，即纵模间隔大于增益谱宽：

式中，C为真空中的光速，n为群折射率，Δλ0为增益谱线宽度，λ为中心波长。则谐振腔的宽度(即微片厚度)满足：

本实用新型中，微片的厚度设置为200μm。

本实用新型利用精密加工技术，将波导加工成微片，制成微片脊波导激光器，减小了激光谐振腔的体积，实现了激光器的高度集成化和微型化。该微片脊波导激光器具有体积小、结构紧凑、输出稳定、可调谐范围大等优点。

步骤407：在所述微片脊波导的两端面镀上激光谐振腔膜，制成所述微片脊波导激光器。

通过对波导端面进行谐振腔镀膜，并用合适的泵浦光对波导型增益介质进行泵浦，可做出相应的波导型激光器。本实用新型在所述微片脊波导的两端面镀上激光谐振腔膜，制成所述微片脊波导激光器，具体包括：

在所述微片脊波导的第一端面镀918nm的增透膜和1050-1070nm的第一高反膜；所述增透膜的透射率大于95％；所述第一高反膜的反射率大于95％；

在所述微片脊波导的第二端面镀918nm的第二高反膜和1050-1070nm的高透膜，制成所述微片脊波导激光器；所述第二高反膜的反射率大于90％；所述高透膜的透射率大于10％。

本实用新型通过在微片波导两端镀膜，避免了使用透镜和反射镜，减少了激光系统所需分立元件的数量，大大降低了激光器的生产成本，进而极大地提高了激光系统的集成度和稳定性。

与一般的激光器相比，本实用新型采用上述方法制备的微片脊波导激光器利用光波导结构能够将能量限制在截面很小的波导内，能够有效地提高光的能量密度，降低泵浦阈值，从而有效地提高激光器的效率。

接下来将所述微片脊波导激光器安装于温控装置中，并将泵浦光耦合进微片脊波导激光器中，通过调节温度，实现不同波长的激光输出。本实用新型采用温度控制代替了传统的压电陶瓷控制，克服了压力控制的缺点，具有可靠性、安全性高，波长调谐范围大等优点。

图5为本实用新型提供的918nm的光射入微片脊波导激光器后的模场分布图。图5中横、纵坐标为模型的物理尺寸，单位都为μm。图5中的6.96×10^-1、 1.82×10³×10³表示光场能量值，分别为能量图例中的最小和最大坐标值，单位均为V/m。图6为本实用新型提供的1060nm的光射入微片脊波导激光器后的模场分布图。图6中横、纵坐标为模型的物理尺寸，单位都为μm。图6中 893×10^-18、1.45×10³×10³表示光场能量值，分别为能量图例中的最小和最大坐标值，单位均为V/m。由图5和图6的仿真结果可知，本实用新型制备的微片脊波导激光器具有很好的光束耦合效果，且光斑集中，光束质量很好。

综上可见，本实用新型提供的一种微片脊波导激光器及微片脊波导可调谐激光器与现有技术相比，至少具有以下优点：

1、本实用新型激光器采用微片脊波导作为激光器的增益介质，减小激光谐振腔的体积，减小了光斑尺寸，进而增大了谐振腔内的光功率密度，从而实现了稳定高效的波导激光光源输出。

2、本实用新型通过将波导制成微片，减小激光谐振腔的体积，实现激光器的高度集成化和微型化。通过在微片波导两端镀膜，避免了使用透镜和反射镜，减少了激光系统所需分立元件的数量，大大降低了激光器的生产成本，进而极大地提高了激光系统的集成度和稳定性。

3、本实用新型采用温度控制代替了传统的压电陶瓷控制，克服了压力控制的缺点，具有可靠性、安全性高，波长调谐范围大的优点。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

本文中应用了具体个例对本实用新型的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本实用新型的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本实用新型的限制。