專利名稱：鉺摻雜釔鋁石榴石陶瓷脊形波導(dǎo)激光器件的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鉺摻雜釔鋁石榴石陶瓷脊形波導(dǎo)激光器件的制備方法，屬于光電 子器件制備技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鉺離子摻雜釔鋁石榴石陶瓷(Er-doped yttrium aluminum garnet，或簡寫為 Er:YAG陶瓷)作為激光工作物質(zhì)具有優(yōu)良的光學(xué)性質(zhì)，而且損傷閾值高、耐熱沖擊性能好 等特點(diǎn)。相對于鉺離子摻雜釔鋁石榴石晶體，Er:YAG陶瓷制備簡單，可以生長的尺寸更大， 獲得很高的摻雜濃度，在大批量生產(chǎn)時(shí)極大地降低生產(chǎn)成本。Er:YAG陶瓷可以輸出波長為 2940納米左右的激光。因?yàn)椴ㄩL為2940納米左右的激光能被水吸收，所以Er:YAG陶瓷激 光器可以應(yīng)用于醫(yī)療。此外，Er:YAG陶瓷還可以輸出波長為1645納米左右的激光。波長 為1645納米左右的激光是大氣窗口和人眼的安全波段，對光通信領(lǐng)域、相干雷達(dá)是非常重 要，在集成光學(xué)、光通訊等方面有很大的應(yīng)用潛力。波導(dǎo)被定義為低折射率的介質(zhì)包圍起來的高折射率介質(zhì)區(qū)域，它是集成光學(xué)的基 本元件。由于光束在高折射率和低折射率介質(zhì)邊界處，低折射率介質(zhì)一側(cè)的全內(nèi)反射，因而 被限制在高折射率介質(zhì)中傳播。波導(dǎo)的橫截面只有幾個或幾十個平方微米，可以將光的能 量約束在非常小的區(qū)域內(nèi)。如果在與光束傳播方向垂直的截面上，光束只在一個方向上受 到約束而被導(dǎo)引，波導(dǎo)就是平面波導(dǎo)，如果在全部橫截上受到限制則是條形波導(dǎo)。脊形波導(dǎo) 是條形波導(dǎo)的一種。在脊形波導(dǎo)的三個面被空氣包圍，一個面和基質(zhì)材料相接觸?；|(zhì)材 料和空氣的折射率差大(折射率差大約是0. 83)，根據(jù)全反射原理，脊形波導(dǎo)可以更好的對 光進(jìn)行限制，能達(dá)到更高的集成光學(xué)元件集成度。用一定條件的激光對激光材料制備出的 波導(dǎo)進(jìn)行泵浦，就會輸出波導(dǎo)激光。與體器件相比，波導(dǎo)的橫截面只有幾個平方微米或者幾 十個平方微米，能把光束的能量約束在非常小的體積內(nèi)，能夠有效的提高光功率密度，從而 降低激光器的閾值功率，提高斜率效率；另外，波導(dǎo)激光還具有結(jié)構(gòu)緊湊、穩(wěn)定性高，利于集 成等優(yōu)點(diǎn)。到目前為止，還沒有在Er:YAG陶瓷材料上制備波導(dǎo)的報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種鉺摻雜釔鋁石榴石陶瓷脊形波導(dǎo)激光器件 的制備方法。本發(fā)明采用氟離子注入、光刻和氬離子刻蝕技術(shù)制備Er:YAG陶瓷脊形波導(dǎo)激光 器件，制備方法包括1)對鉺離子摻雜釔鋁石榴石陶瓷樣品的待加工面進(jìn)行拋光，并對拋光后的樣品清 洗；2)對樣品拋光面進(jìn)行氟離子注入，形成平面波導(dǎo)；氟離子注入能量為3_4MeV，劑 量為4X IO14 1 X IO15離子/平方厘米；3)利用光刻技術(shù)在平面波導(dǎo)上制作光刻膠掩膜，光刻膠掩膜寬10微米厚2微米；
4)用氬離子束對平面波導(dǎo)表面進(jìn)行刻蝕，形成脊形波導(dǎo)；5)對脊形波導(dǎo)進(jìn)行熱退火處理，降低光在波導(dǎo)中傳播時(shí)的損耗；6)對垂直于脊形波導(dǎo)的兩個端面拋光，在脊形波導(dǎo)兩個端面上鍍反射膜，作為激 光諧振腔膜，形成鉺摻雜釔鋁石榴石陶瓷脊形波導(dǎo)激光器件；7)利用激光器對Er:YAG陶瓷波導(dǎo)進(jìn)行泵浦，可輸出波長在2940士 1納米和 1645 士 1納米的紅外激光。用氟離子進(jìn)行注入時(shí)，氟離子為二價(jià)氟離子或四價(jià)氟離子；氬離子刻蝕時(shí)，氬離子 能量為500電子伏，刻蝕過程中，離子束與樣品表面成60度夾角。使用氟離子進(jìn)行注入，所需劑量低，因而成本較低；氬離子束刻蝕可以對樣品的表 面形貌進(jìn)行加工，加工后的樣品平整性好。波導(dǎo)區(qū)內(nèi)的折射率改變及波導(dǎo)模式可以通過注 入離子的劑量和能量或?qū)Σ▽?dǎo)進(jìn)行不同條件的退火進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。波導(dǎo)激光的輸出可以 通過精確調(diào)控耦合模式的匹配來增強(qiáng)。


圖1為本發(fā)明制備Er:YAG陶瓷波導(dǎo)激光的流程圖；圖2為制作Er:YAG陶瓷的脊形波導(dǎo)的工藝步驟示意圖；圖3為Er:YAG陶瓷條形波導(dǎo)激光產(chǎn)生的產(chǎn)生示意圖；圖中1、MeV氟離子注入，2、平面波導(dǎo)，3、Er:YAG陶瓷，4、氬離子束，5、光刻膠掩 膜，6、脊形波導(dǎo)，7、泵浦光，8、偏振片，9、凸透鏡，10、波導(dǎo)激光，11、激光諧振腔輸出端鍍反 射膜，12、激光諧振腔輸入端鍍反射膜。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1 一種鉺摻雜釔鋁石榴石陶瓷脊形波導(dǎo)激光器件的制備方法，制備方法如下1)對鉺離子摻雜釔鋁石榴石陶瓷樣品(3)的待加工面進(jìn)行拋光，并對拋光后的樣 品清洗；2)對樣品拋光面進(jìn)行氟離子注入(1)，形成平面波導(dǎo)(2)；氟離子注入能量為 3. 5MeV,劑量為6 X IO14離子/平方厘米；3)利用光刻技術(shù)在平面波導(dǎo)上制作光刻膠掩膜(5)，光刻膠掩膜寬8微米厚2微 米；4)用能量為500電子伏的氬離子束(4)對平面波導(dǎo)表面進(jìn)行刻蝕，形成脊形波導(dǎo) (6)；5)對脊形波導(dǎo)進(jìn)行熱退火處理，降低光在波導(dǎo)中傳播時(shí)的損耗，退火溫度為260 攝氏度，時(shí)間為20分鐘；6)對垂直于脊形波導(dǎo)的兩個端面拋光，在脊形波導(dǎo)兩個端面上鍍反射膜(11， 12)，作為激光諧振腔膜，通光進(jìn)入方向鍍波長在950-970納米范圍內(nèi)高透過率、波長在 2930-2950納米范圍內(nèi)全反射率(12)，輸出面鍍波長在950-970納米范圍內(nèi)高反射率、波長 在2930-2950納米范圍內(nèi)部分反射的氧化物薄膜(11)，以實(shí)現(xiàn)激光諧振腔；7)利用波長為963納米的激光器對Er YAG陶瓷波導(dǎo)進(jìn)行泵浦(7)，可輸出波長在2940士 1納米的紅外激光(10)。實(shí)施例2 一種鉺摻雜釔鋁石榴石陶瓷脊形波導(dǎo)激光器件的制備方法，制備方法如下1)對鉺離子摻雜釔鋁石榴石陶瓷樣品(3)的待加工面進(jìn)行拋光，并對拋光后的樣 品清洗；2)對樣品拋光面進(jìn)行氟離子注入(1)，形成平面波導(dǎo)(2)，氟離子注入能量為 4MeV,劑量為5 X IO14離子/平方厘米；3)利用光刻技術(shù)在平面波導(dǎo)上制作光刻膠掩膜(5)，光刻膠掩膜寬8微米厚2微 米；4)用能量為500電子伏的氬離子束(4)對平面波導(dǎo)表面進(jìn)行刻蝕，形成脊形波導(dǎo) (6)；5)對脊形波導(dǎo)進(jìn)行熱退火處理，降低光在波導(dǎo)中傳播時(shí)的損耗，退火溫度為260 攝氏度，時(shí)間為20分鐘；6)對垂直于脊形波導(dǎo)的兩個端面拋光，在脊形波導(dǎo)兩個端面上鍍反射膜(11， 12)，作為激光諧振腔膜，通光進(jìn)入方向鍍波長在950-970納米范圍內(nèi)高透過率、波長在 1640-1650納米范圍內(nèi)全反射率(12)，輸出面鍍波長在950-970納米范圍內(nèi)高反射率、波長 在1640-1650納米范圍內(nèi)部分反射的氧化物薄膜(11)，以實(shí)現(xiàn)激光諧振腔；7)利用波長為963納米的激光器對Er YAG陶瓷波導(dǎo)進(jìn)行泵浦(7)，可輸出波長在 1645士 1納米的紅外激光(10)。
權(quán)利要求
一種鉺摻雜釔鋁石榴石陶瓷脊形波導(dǎo)激光器件的制備方法，其特征在于，制備方法如下1)對鉺離子摻雜釔鋁石榴石陶瓷樣品的待加工面進(jìn)行拋光，并對拋光后的樣品清洗；2)對樣品拋光面進(jìn)行氟離子注入，形成平面波導(dǎo)；氟離子注入能量為3～4MeV，劑量為4×1014～1×1015離子/平方厘米；3)利用光刻技術(shù)在平面波導(dǎo)上制作光刻膠掩膜，光刻膠掩膜寬10微米厚2微米；4)用氬離子束對平面波導(dǎo)表面進(jìn)行刻蝕，形成脊形波導(dǎo)；5)對脊形波導(dǎo)進(jìn)行熱退火處理，降低光在波導(dǎo)中傳播時(shí)的損耗；6)對垂直于脊形波導(dǎo)的兩個端面拋光，在脊形波導(dǎo)兩個端面上鍍反射膜，作為激光諧振腔膜，形成鉺摻雜釔鋁石榴石陶瓷脊形波導(dǎo)激光器件；7)利用激光器對Er:YAG陶瓷波導(dǎo)進(jìn)行泵浦，可輸出波長在2940±1納米和1645±1納米的紅外激光。
2.如權(quán)利要求1所述的鉺摻雜釔鋁石榴石陶瓷脊形波導(dǎo)激光器件的制備方法，其特征 在于，用氟離子進(jìn)行注入時(shí)，氟離子為二價(jià)氟離子或四價(jià)氟離子；氬離子刻蝕時(shí)，氬離子能 量為500電子伏，刻蝕過程中，離子束與樣品表面成60度夾角。
全文摘要
鉺摻雜釔鋁石榴石陶瓷脊形波導(dǎo)激光器件的制備方法，屬于光電子器件制備技術(shù)領(lǐng)域。主要包括在Er:YAG陶瓷中形成脊形波導(dǎo)和實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)激光輸出。采用能量為3.0兆電子伏，劑量為1×1014～6×1014離子/平方厘米范圍的氟離子注入，在鉺摻雜釔鋁石榴石陶瓷表面形成平面波導(dǎo)。用光刻技術(shù)，在平面波導(dǎo)表面制備刻蝕掩膜。利用氬離子束刻蝕波導(dǎo)，形成脊形波導(dǎo)。對脊形波導(dǎo)端面進(jìn)行激光諧振腔鍍膜后，使用一定波長和功率的泵浦激光對鉺摻雜釔鋁石榴石陶瓷波導(dǎo)進(jìn)行泵浦，輸出波長在1645±1或2940±1納米的紅外激光。
文檔編號H01S3/17GK101969170SQ20101028451
公開日2011年2月9日 申請日期2010年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月17日
發(fā)明者任盈盈, 姚一村, 管靜, 譚楊, 陳 峰 申請人:山東大學(xué)