專利名稱：利用鍍膜技術(shù)制備的一體化微片激光介質(zhì)及器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及固體激光材料和器件領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
微片激光器是一種激光增益介質(zhì)厚度在1毫米以下，兩面直接鍍上滿足激光運(yùn)轉(zhuǎn)條件的介質(zhì)膜的小型激光器?？梢岳冒雽?dǎo)體激光器作為泵浦源進(jìn)行端面泵浦，將光束質(zhì)量和單色性都較差的半導(dǎo)體激光轉(zhuǎn)變成為高光束質(zhì)量和單色性好的固體激光輸出。在此基礎(chǔ)上，可以添加調(diào)Q元件、非線性光學(xué)晶體或受激拉曼頻移晶體，對該固體基波激光進(jìn)行調(diào)Q、變頻(倍頻、混頻)或頻移，得到更具應(yīng)用價(jià)值的各種波段的激光輸出。目前常用膠合的方法將激光微片和調(diào)Q片、非線性光學(xué)晶體或受激拉曼頻移材料組合成單一器件輸出脈沖和變頻激光。該類器件簡單緊湊、堅(jiān)固耐用、使用方便，并具有可移動、抗振動、低泵浦閾值、高轉(zhuǎn)換效率等優(yōu)點(diǎn)，在國防、信息、環(huán)保、交通、電子、測量、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。但是，膠合方法有兩個主要的缺陷一是工藝較為復(fù)雜；二是膠合部存在老化、失透甚至斷裂等隱患。
另外，微片激光器為得到單色性好的激光輸出，同時也有利于提高變頻效率，要求激光微片的厚度在幾百微米以下，甚至只有幾十微米。同時研究結(jié)果表明微片中的激活離子濃度增加，微片厚度減小，激光泵浦效率將提高。所有這些都要求在能吸收泵浦光的條件下將微片做得盡量薄。這就給微片加工帶來一定的難度。這也使微片激光的應(yīng)用受到限制。目前已有采用液相外延的方法，在純的基質(zhì)晶體襯底上生長微片激光介質(zhì)的報(bào)道，如在KY(WO4)2襯底上外延生長Yb:KY(WO4)2激光晶體微片，在一定程度上解決了微片加工難的問題。但是，該方法制備周期較長，而且襯底和微片介質(zhì)基質(zhì)只能是同一晶體或者晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)非常接近的同類晶體。這就約束了該方法的廣泛應(yīng)用。而且，目前已有的高性能的調(diào)Q片、非線性光學(xué)晶體或受激拉曼頻移材料與高性能的微片激光介質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)往往差別很大，不能用此方法在調(diào)Q片、非線性光學(xué)晶體或受激拉曼頻移材料上外延生長微片結(jié)構(gòu)介質(zhì)，解決前面提到的膠合方法的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的主要目的是利用鍍膜技術(shù)，克服微片激光器加工難度大的不足，并克服產(chǎn)生基頻激光的微片與調(diào)Q或變頻元件之間的膠合而帶來的缺陷，力求省去微片激光器件制造的復(fù)雜性，使得器件盡量緊湊和小型化，同時提高運(yùn)行穩(wěn)定性，降低器件成本。在透明的基體材料、調(diào)Q片、非線性光學(xué)晶體或受激拉曼頻移材料上，采用鍍膜技術(shù)制備可產(chǎn)生出基波固體激光的微片激光介質(zhì)，得到一個半導(dǎo)體激光或其它合適光源泵浦，并具有調(diào)Q、變頻或頻移功能的一體化微片激光器件，將半導(dǎo)體激光或其它光源發(fā)光有效地轉(zhuǎn)變成為具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的連續(xù)、脈沖或不同波長的固體激光輸出。
本發(fā)明的技術(shù)方案為將透明基體材料的兩端面按固體激光的要求拋光，在其中的一個端面上利用鍍膜技術(shù)外延制備微片激光介質(zhì)，用于實(shí)現(xiàn)微片激光運(yùn)轉(zhuǎn)。該基體材料還可采用(1)被動調(diào)Q片，從而得到一個一體化的被動調(diào)Q微片激光復(fù)合材料，用于實(shí)現(xiàn)脈沖微片激光運(yùn)轉(zhuǎn)；(2)非線性光學(xué)晶體，該晶體根據(jù)變頻的需要，按一定的相位匹配方向切割，從而得到一個一體化的變頻微片激光復(fù)合材料，用于實(shí)現(xiàn)變頻微片激光運(yùn)轉(zhuǎn)；(3)受激拉曼頻移材料，從而得到一個一體化的受激拉曼頻移微片激光復(fù)合材料，用于實(shí)現(xiàn)受激拉曼頻移微片激光運(yùn)轉(zhuǎn)。
或者按上述方法先在非線性光學(xué)晶體或受激拉曼頻移材料上外延生長被動調(diào)Q材料，再進(jìn)一步外延生長激光介質(zhì)微片，得到激光介質(zhì)、調(diào)Q和非線性光學(xué)晶體或受激拉曼頻移材料三者合一的一體化復(fù)合材料，用于實(shí)現(xiàn)變頻或頻移的脈沖微片激光運(yùn)轉(zhuǎn)。
在上述復(fù)合材料的兩端面直接鍍上適合相應(yīng)波長激光運(yùn)轉(zhuǎn)的介質(zhì)膜，便得到一個具有相應(yīng)運(yùn)轉(zhuǎn)方式的微片激光器件。也可以將其中一面或兩面介質(zhì)膜鍍在腔鏡上，再將一面鍍膜或沒有鍍膜的功能材料與腔鏡構(gòu)成激光器件。
本技術(shù)方案可實(shí)施于能夠利用鍍膜技術(shù)在晶體、玻璃或透明陶瓷表面上外延制備微片激光介質(zhì)的固體激光材料。如Nd:YAG、Nd:YVO4、Yb:YAG、YbAG晶體等。
實(shí)施本發(fā)明技術(shù)方案具有的有益效果是克服了以往液相外延生長方法制備周期較長，而且襯底和微片介質(zhì)基質(zhì)只能是同一晶體或者晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)非常接近的同類晶體的缺點(diǎn)?？梢詫⑿阅茏詈玫恼{(diào)Q片、非線性光學(xué)晶體或受激拉曼頻移材料與微片激光介質(zhì)直接結(jié)合成一個整體，構(gòu)成一個激光和調(diào)Q、變頻或頻移功能復(fù)合的一體化激光器件。具有生長過程可觀察，微片介質(zhì)的厚度可控制，外延生長后免加工，以及外延生長與激光鍍膜可連續(xù)完成等優(yōu)點(diǎn)。而且，具備可批量生長，一致性好等適合工業(yè)化生產(chǎn)的條件。
具體實(shí)施例方式
實(shí)例1將Cr:YAG調(diào)Q片的兩端面拋光并經(jīng)過清潔后作為襯底材料，固定在真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)的支架上。將Nd3+離子濃度為1.5at％的Nd:YAG晶體置于坩堝中作為外延生長材料，將鍍膜機(jī)中的鍍膜室用真空泵抽到5×10-3Pa的真空度，打開電子束流，先預(yù)熔Nd:YAG，待Nd:YAG晶體充分熔化后，打開坩堝檔板，使Nd:YAG緩慢蒸發(fā)，借助測厚儀，直到在Cr:YAG調(diào)Q片的一個端面上外延生長500微米的Nd:YAG介質(zhì)后，緩慢關(guān)閉電子束流。得到上述激光介質(zhì)微片和調(diào)Q片合為一體的復(fù)合材料后，在復(fù)合材料的Nd:YAG介質(zhì)端面上再鍍上泵浦光波長807納米處高透、1064納米處高反(R＞99％)的介質(zhì)膜，調(diào)Q片的另一端面鍍上807納米處高反(R＞99％)、1064納米處透過率為8％的介質(zhì)膜。這便是一個適于807納米半導(dǎo)體激光泵浦、輸出1064納米波長脈沖激光、一體化的具有調(diào)Q功能的微片激光器。
實(shí)例2將垂直于倍頻Nd:YVO4基波激光相位匹配方向的非線性光學(xué)晶體KTP(采用II類相位匹配θ＝90°，φ＝23.6°)的兩端面拋光并經(jīng)過清潔后作為襯底材料，固定在真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)的支架上。將Nd3+離子濃度為4at％的Nd:YVO4晶體置于坩堝中作為外延生長材料，將鍍膜機(jī)中的鍍膜室用真空泵抽到5×10-3Pa的真空度，打開電子束流，先預(yù)熔Nd:YVO4，待Nd:YVO4晶體充分熔化后，打開坩堝檔板，使Nd:YVO4緩慢蒸發(fā)，借助于測厚儀，直至KTP晶體的一個端面上外延生長400微米的Nd:YVO4介質(zhì)，緩慢關(guān)閉電子束流，即可得到激光介質(zhì)微片和非線性光學(xué)晶體合為一體的復(fù)合材料。在復(fù)合材料的Nd:YVO4介質(zhì)端面上再鍍上泵浦光波長808納米處高透、1064納米和532納米處高反(R＞99％)的介質(zhì)膜，KTP晶體的另一端面鍍上808納米和1064納米處高反(R＞99％)、532納米處高透的介質(zhì)膜。這便是一個適于808納米半導(dǎo)體激光泵浦、輸出532納米波長倍頻激光、一體化的具有腔內(nèi)倍頻功能的微片激光器。
實(shí)例3將垂直于倍頻Nd:YAG基波激光相位匹配方向的非線性光學(xué)晶體BBO(采用I類相位匹配θ＝22.8°，φ＝0°)的兩端面拋光并經(jīng)過清潔后作為襯底材料，固定在真空蒸發(fā)鍍膜機(jī)的支架上。將Nd3+離子濃度為1.5at％的Nd:YAG晶體置于坩堝中作為外延生長材料，將鍍膜機(jī)中的鍍膜室用真空泵抽到5×10-3Pa的真空度，打開電子束流，先預(yù)熔Nd:YAG，待Nd:YAG晶體充分熔化后，打開坩堝檔板，使Nd:YAG緩慢蒸發(fā)，借助測厚儀，直到在BBO晶體的一個端面上外延生長500微米的Nd:YAG介質(zhì)，緩慢關(guān)閉電子束流，即可獲得激光介質(zhì)微片和非線性光學(xué)晶體合為一體的復(fù)合材料。在復(fù)合材料的Nd:YAG介質(zhì)端面上再鍍上泵浦光波長807納米處高透、1064納米和532納米處高反(R＞99％)的介質(zhì)膜，BBO晶體另一端面鍍上807納米和1064納米處高反(R＞99％)、532納米處高透的介質(zhì)膜。這便是一個適于807納米半導(dǎo)體激光泵浦、輸出532納米波長倍頻激光、一體化的具有腔內(nèi)倍頻功能的微片激光器。
實(shí)例4將垂直于倍頻Nd:YVO4基波激光I類相位匹配方向(θ＝90°，φ＝11.91°)的非線性光學(xué)晶體LBO的兩端面拋光并經(jīng)過清潔后作為襯底材料，固定在直流濺射鍍膜機(jī)的支架上。以Nd3+離子濃度為4at％的Nd:YVO4晶體作為鍍膜的靶材料。用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵將鍍膜機(jī)中鍍膜室的真空度抽到10-5Pa，再充90％的氬氣和10％的氧氣使鍍膜室的真空度達(dá)到10-3Pa，靶與鍍膜面的距離為70mm，濺射電壓為1.0KV，電流40mA。借助測厚儀，在LBO晶體的一個端面上外延生長400微米的Nd:YVO4介質(zhì)。得到上述激光介質(zhì)微片和非線性光學(xué)晶體合為一體的復(fù)合材料后，在復(fù)合材料的Nd:YVO4介質(zhì)端面上再鍍上泵浦光波長808納米處高透、1064納米和532納米處高反(R＞99％)的介質(zhì)膜，LBO晶體另一端面鍍上808納米和1064納米處高反(R＞99％)、532納米處高透的介質(zhì)膜。這便是一個適于808納米半導(dǎo)體激光泵浦、輸出532納米波長倍頻激光、一體化的具有腔內(nèi)倍頻功能的微片激光器。
實(shí)例5將受激拉曼頻移晶體PbWO4的兩端面拋光并經(jīng)過清潔后作為襯底材料，固定在磁控濺射鍍膜機(jī)的支架上。用Nd3+離子濃度為4at％的Nd:YVO4晶體作為靶材。用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵將鍍膜機(jī)中鍍膜室的真空度抽到10-5Pa，再充90％的氬氣和10％的氧氣使鍍膜室的真空度達(dá)到10-3Pa，靶與鍍膜面的距離為70mm，濺射電壓為400V，電流3.2A。借助測厚儀，在PbWO4晶體的一個端面上外延生長400微米的Nd:YVO4介質(zhì)。得到上述激光介質(zhì)微片和受激拉曼頻移材料合為一體的復(fù)合材料后，在復(fù)合材料的Nd:YVO4介質(zhì)端面上再鍍上泵浦光波長808納米處高透、1064納米和頻移波長處(λ-1＝1/1064±901×10-7×k，k一般為(-3)至10的整數(shù)，波長單位納米)高反(R＞99％)的介質(zhì)膜，PbWO4晶體另一端面鍍上808納米和1064納米處高反(R＞99％)、所需的頻移波長處高透的介質(zhì)膜。這便是一個適于808納米半導(dǎo)體激光泵浦、輸出特定頻移波長激光、一體化的具有受激拉曼頻移功能的微片激光器。
實(shí)例6將垂直于倍頻Nd:YAG基波激光I類相位匹配方向(θ＝168.9°，φ＝90°)的非線性光學(xué)晶體BiBO的兩端面拋光并經(jīng)過清潔后作為襯底材料，固定在磁控濺射鍍膜機(jī)的支架上。分別以Cr:YAG和Nd:YAG作為靶材。用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵將鍍膜機(jī)中鍍膜室的真空度抽到10-5Pa，再充90％的氬氣和10％的氧氣使鍍膜室的真空度達(dá)到10-3Pa，靶與鍍膜面的距離為70mm，濺射電壓為400V，電流3.2A。借助測厚儀，精確地獲得所需的Cr:YAG和Nd:YAG介質(zhì)厚度。得到上述激光介質(zhì)微片、調(diào)Q介質(zhì)和非線性光學(xué)晶體合為一體的復(fù)合材料后，在復(fù)合材料的Nd:YAG介質(zhì)端面鍍上泵浦光波長807納米處高透、1064納米和532納米處高反(R＞99％)的介質(zhì)膜，BiBO晶體的另一端面鍍上807納米和1064納米處高反(R＞99％)、532納米處高透的介質(zhì)膜。這便是一個適于807納米半導(dǎo)體激光泵浦、輸出532納米波長脈沖倍頻激光、一體化的具有調(diào)Q和倍頻功能的微片激光器。
實(shí)例7將受激拉曼頻移晶體PbWO4的兩端面拋光并經(jīng)過清潔后作為襯底材料，固定在磁控濺射鍍膜機(jī)的支架上。分別以Cr:YAG和Nd:YAG作為靶材。用機(jī)械泵和擴(kuò)散泵將鍍膜機(jī)中鍍膜室的真空度抽到10-5Pa，再充90％的氬氣和10％的氧氣使鍍膜室的真空度達(dá)到10-3Pa，靶與鍍膜面的距離為70mm，濺射電壓為400V，電流3.2A。借助測厚儀，精確地獲得所需的Cr:YAG和Nd:YAG介質(zhì)厚度。得到上述激光介質(zhì)微片、調(diào)Q介質(zhì)和受激拉曼頻移材料合為一體的復(fù)合材料后，在復(fù)合材料的Nd:YAG介質(zhì)端面鍍上泵浦光波長807納米處高透、1064納米和頻移波長處(λ-1＝1/1064±901×10-7×k，k一般為(-3)至10的整數(shù)，波長單位納米)高反(R＞99％)的介質(zhì)膜，PbWO4晶體另一端面鍍上808納米和1064納米處高反(R＞99％)、所需的頻移波長處高透的介質(zhì)膜。這便是一個適于807納米半導(dǎo)體激光泵浦、輸出特定頻移波長脈沖激光、一體化的具有調(diào)Q和受激拉曼頻移功能的微片激光器。
權(quán)利要求
1.一種利用鍍膜技術(shù)制備的一體化微片激光介質(zhì)，其特征在于在透明襯底材料上外延制備一定厚度的微片激光介質(zhì)。
2.如權(quán)利要求1所述的微片激光介質(zhì)，其特征在于所述的襯底為被動調(diào)Q材料。
3.如權(quán)利要求2所述的微片激光介質(zhì)，其特征在于所述的襯底材料為Cr:YAG調(diào)Q片，以Nd:YAG為微片激光介質(zhì)。
4.如權(quán)利要求1所述的微片激光介質(zhì)，其特征在于所述的襯底為端面垂直于倍頻微片激光相位匹配方向或混頻微片和泵浦激光的相位匹配方向的非線性光學(xué)晶體。
5.如權(quán)利要求4所述的微片激光介質(zhì)，其特征在于所述的非線性光學(xué)晶體為KTP，Nd:YVO4為微片激光介質(zhì)。
6.如權(quán)利要求1所述的微片激光介質(zhì)，其特征在于所述的襯底為受激拉曼頻移材料。
7.一種微片激光介質(zhì)，其特征在于以垂直于倍頻微片激光的相位匹配方向或混頻微片和泵浦激光的相位匹配方向的非線性光學(xué)晶體的一個端面作為襯底，先外延制備被動調(diào)Q材料，再進(jìn)一步外延制備微片激光介質(zhì)。
8.如權(quán)利要求7所述的微片激光介質(zhì)，其特征在于采用受激拉曼頻移材料為襯底。
9.一種微片激光器件，其特征在于將權(quán)利要求1-8任一所述的微片激光介質(zhì)的兩端面直接鍍上適合相應(yīng)波長激光運(yùn)轉(zhuǎn)的介質(zhì)膜。
10.如權(quán)利要求9所述的激光器件，其特征在于將其中一面或兩面介質(zhì)膜鍍在腔鏡上，再將一面鍍膜或沒有鍍膜的功能材料與腔鏡構(gòu)成激光器件。
全文摘要
利用鍍膜技術(shù)制備的一體化微片激光介質(zhì)及器件，涉及固體激光材料和器件領(lǐng)域。在透明的基體材料、調(diào)Q片、非線性光學(xué)晶體或受激拉曼頻移材料上，采用鍍膜技術(shù)制備可產(chǎn)生出基波固體激光的微片激光介質(zhì)，得到一個半導(dǎo)體激光或其它合適光源泵浦，并具有調(diào)Q、變頻或頻移功能的一體化微片激光器件，將半導(dǎo)體激光或其它光源發(fā)光有效地轉(zhuǎn)變成為具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值的連續(xù)、脈沖或不同波長的固體激光輸出。本發(fā)明克服了以往液相外延生長方法制備周期較長，而且襯底和微片介質(zhì)基質(zhì)只能是同一晶體或者晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)非常接近的同類晶體的缺點(diǎn)。
文檔編號H01S3/00GK101026284SQ20061005902
公開日2007年8月29日 申請日期2006年2月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月24日
發(fā)明者林炎富, 黃藝東, 陳雨金, 龔興紅, 羅遵度, 譚奇光 申請人:中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所