專利名稱:固體波導(dǎo)激光器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
本發(fā)明是一種固體波導(dǎo)激光器,主要涉及到用固體波導(dǎo)形成高功率、高效率、高亮度的激光器。
背景技術(shù):
形成高功率高亮度的固體激光,是人們長期努力的重要目標,但是一直不很成功。采用摻釹釔鋁石榴石晶體(Nd:YAG)棒狀介質(zhì),用半導(dǎo)體激光光泵已能產(chǎn)生數(shù)千瓦激光,而且電效率接近20%(參見在先技術(shù)[1]RIPE 5thProceeding(2001))但是由于熱變形和雙折射,光束質(zhì)量很差。將激光介質(zhì)改為板狀,并使光束在板內(nèi)數(shù)次全反射行進,希望克服熱變形的影響(參見在先技術(shù)[2]IEEE J.Quant.Electron。QE-20(1984)289);或用很薄的片,使光泵和激光都近于垂直表面行進(參見在先技術(shù)[3]Adv.Solid State Lases,OSA,1996P.11),都未能得到滿意的結(jié)果。最近,采用Nd:YAG薄片作為波導(dǎo),并在垂直波導(dǎo)的方向用不穩(wěn)腔時,波導(dǎo)YAG激光可以輸出150W,并且光束質(zhì)量M2近于1(參見在先技術(shù)[4]Opt.Express 10(2002)297;在先技術(shù)[5]Opt.Lett27(2002)524;在先技術(shù)[6]Opt.Comm,191(2001)125)。但是由于激光諧振腔結(jié)構(gòu)不很好,并因寄生振蕩及照明效率不高,器件光效率僅為35%(電效率達10%),激光質(zhì)量也仍有問題,而且由于采用YAG為介質(zhì),尺寸受限,功率也不易提高。
上述在先技術(shù)[6]中,如圖1,表示采用Nd:YAG作為波導(dǎo)激光介質(zhì)的波導(dǎo)激光簡圖。Nd:YAG波導(dǎo)介質(zhì)1長60mm、寬11mm、厚0.2mm,由于摻雜與不摻雜的YAG折射率差約0.0011,故波導(dǎo)的數(shù)值孔徑NA=0.06。因為0.2×0.06>>λ(波長),所以是多模波導(dǎo),實驗表明激光在這一方向(Y方向)的質(zhì)量因子M2=6,當(dāng)前腔鏡3遠離波導(dǎo)介質(zhì)1,使高階模耗損加大(d2=2.5mm),可使M2=4.3,但由于基模也因此而損耗加大,效率下降。
圖1-2表示它采用的激光諧振腔為不穩(wěn)腔結(jié)構(gòu),它由后腔鏡2是半徑500mm的凹面反射鏡和前腔鏡3是半徑415mm的凸面反射鏡組成,倍率為1.2X??墒惯@個方向(X方向)M2=1.5。上述M2值都是指低功率情況下的值,當(dāng)功率加大時,由于波導(dǎo)介質(zhì)不均勻,M2大得多。
上述的在先技術(shù)采用的激光諧振腔結(jié)構(gòu)和參數(shù),對于模式的選擇區(qū)分能力較差,尤其是在波導(dǎo)方向上更不好。
在先技術(shù)[7](Opt.Lett./vol.21,No.8/April 15,1996)采用半導(dǎo)體激光二維列陣9通過帶縫反射鏡10泵浦置放在光泵腔體11內(nèi)的波導(dǎo)層102。如圖7所示。其中光泵腔體11是反射率不高的金屬構(gòu)成,帶縫反射鏡10的縫也比較寬,所以泵浦效率不高。
發(fā)明內(nèi)容
1.發(fā)明內(nèi)容概要為了克服上述在先技術(shù)中的種種問題,本發(fā)明采用能夠更好地限制振蕩模產(chǎn)生的激光諧振腔結(jié)構(gòu);采取將波導(dǎo)介質(zhì)非通激光表面磨成毛面,或表面做成斜面,或在非通激光表面上置有吸收介質(zhì),破壞寄生振蕩,以提高效率;采用能夠構(gòu)成大面積波導(dǎo)介質(zhì)的材料,如摻鐿(Yb)玻璃(簡稱Yb玻璃),或摻釹(Nd)玻璃(簡稱Nd玻璃)、或者固體激光染料,或者摻釹或摻鐿的晶體,做得大面積波導(dǎo),從而獲得大功率;改進泵浦光的照明方式,以提高光泵效率,從而得到高效率、高亮度、高功率的波導(dǎo)激光器。
2.發(fā)明內(nèi)容具體描述本發(fā)明固體波導(dǎo)激光器的結(jié)構(gòu)如圖3所示。包括由波導(dǎo)層(芯層)102和覆蓋波導(dǎo)層102上的包層101構(gòu)成的波導(dǎo)介質(zhì)1,以及置于波導(dǎo)介質(zhì)1兩通激光面A、A′前的前腔鏡3和后腔鏡2構(gòu)成的激光諧振腔4。其中波導(dǎo)層102的折射率大于包層101的折射率。在后腔鏡2與波導(dǎo)介質(zhì)1的通激光面A之間置有狹縫光闌5。后腔鏡2的圓心O′與波導(dǎo)介質(zhì)1通激光面A的中心點O′接近重合。狹縫光闌5的狹縫中心O1在后腔鏡2的中心軸線OO′上。
所說的波導(dǎo)介質(zhì)1是平板形,稱為固體平板波導(dǎo)激光器,如圖1、3所示。或是圓柱形,稱為固體柱形波導(dǎo)激光器。
所說的波導(dǎo)介質(zhì)1的非通激光表面B、B′、C、C′被磨成毛面,或者波導(dǎo)介質(zhì)1表面A、A′、B、B′、C、C′被磨成斜面,或者在波導(dǎo)介質(zhì)1的非通激光表面B、B′、C、C′上置有吸收介質(zhì)。吸收介質(zhì)的折射率大于波導(dǎo)介質(zhì)1的折射率。
所說的構(gòu)成激光諧振腔4的后腔鏡2是凹柱面反射鏡,或者是凹球反射鏡。
所說的激光諧振腔4是不穩(wěn)定激光諧振腔,或者是穩(wěn)定的激光諧振腔。
所說的激光諧振腔4的前腔鏡3是凸球面反射鏡。Z軸是激光諧振腔的光軸,當(dāng)前腔鏡3的邊在一個方向上(圖3中的X方向上,XZ面即波導(dǎo)所在平面)比波導(dǎo)介質(zhì)1小。兩者的空隙作為激光諧振腔(不穩(wěn)腔)的輸出。后腔鏡2是凹柱面反射鏡,后腔鏡2與XZ面的交線是直線,如圖3-2所示。后腔鏡2與前腔鏡3一起在XZ平面內(nèi)形成不穩(wěn)定激光諧振腔(簡稱為不穩(wěn)腔)。不穩(wěn)腔的倍率由前腔鏡3的半徑和兩腔鏡3、2之間的距離決定。后腔鏡2在YZ平面內(nèi)是半徑r=d1的圓,d1是后腔鏡2到波導(dǎo)介質(zhì)1的間距。亦即后腔鏡2的圓心O′與波導(dǎo)介質(zhì)1通激光面A的中心點O′重合,使由波導(dǎo)層102發(fā)出的光束經(jīng)后腔鏡2反射后,仍進入波導(dǎo)層102。對于波導(dǎo)層102的基模而言,出射光束的發(fā)散角很小(由波導(dǎo)層102厚度所決定的衍射限,當(dāng)厚0.2mm,波長λ=0.001mm時,為005),比波導(dǎo)的有效數(shù)值孔徑NA小得多。所以當(dāng)采用狹縫光闌5置放在后腔鏡2前時,高階模相應(yīng)的發(fā)散角較大的光束可被狹縫光闌5擋去(如圖3-1所示),而基模的反饋則不受阻礙。當(dāng)前腔鏡3離波導(dǎo)介質(zhì)1的間距d2很小時,波導(dǎo)介質(zhì)1內(nèi)波導(dǎo)基模反饋耦合損耗可以很小,從而在YZ面內(nèi)組成近單模的低損耗腔。
上述模式限制方式也適用于包層光泵光纖激光器,如上述的波導(dǎo)介質(zhì)為圓柱形。使光纖芯部可以用較大的直徑,光纖芯不必須是單模光纖,仍然可以得到單模激光。這樣一來有利用于獲得高功率單模激光,也有利于提高光纖激光功率閾值。為此,采用激光諧振腔的后腔鏡為球面反射鏡,其球心與作為波導(dǎo)介質(zhì)的光纖端面中心點重合。(光纖芯即柱形波導(dǎo)介質(zhì),纖芯的中心即波導(dǎo)中心),其形狀在YZ坐標面上與圖3-1相似。
在上述XZ面內(nèi)的不穩(wěn)腔對基模的選擇性隨倍率而提高。只要適當(dāng)選擇前腔鏡3的半徑就能達到高倍率。但是,在先技術(shù)中,由于不能克服寄生振蕩,輸出率不宜超過20%,從而倍率過低。
上述在先技術(shù)[5]中,已經(jīng)指出了一類寄生振蕩的存在,如圖2所示。其中θ角在一定范圍內(nèi)的光路在四面邊界上都全反射,從而可能形成寄生振蕩。實際上,當(dāng)波導(dǎo)內(nèi)波導(dǎo)介質(zhì)具有一定增益系數(shù)時,這種光路的增益長度很短,回路總增益不會很大。在雙包層光纖激光中也有類似光路,似未引起寄生振蕩。另一種在波導(dǎo)平面內(nèi)的光路,即圖3-2中波導(dǎo)層102內(nèi)的全反射光路可能更為重要,如圖4-1,此光路不僅在四周全反射,而且增益長度比圖2中的光路長得多,產(chǎn)生寄生振蕩的可能性大得多。圖4-2是另一類在腔板上反射的寄生光路。
消除上述寄生振蕩可以采用多種方式如上述(1)除激光通過的表面外,即除通激光面A、A′外,在所有的非通激光面B、B′、C、C′上都磨成毛面,不拋光。(2)將A、A′、B、B′、C、C′面的表面做成斜面,使反射光路離開波導(dǎo)所在平面。(3)在非通激光的表面上涂敷燒結(jié)上吸收介質(zhì),而且此吸收介質(zhì)的折射率大于波導(dǎo)介質(zhì)包層101的折射率。
在上述圖1-1中,面A、A′(長方向)是激光振蕩通過的方向,即通激光面只可采用上述方式(2);面B、B′(寬度方向)若不用于成象方式光泵時,方式(1)(2)(3)都可用;面C、C′很大,不宜用方式(2),若用于大面光泵時可用方式(1)。例如具體實施方式
中,當(dāng)用大面C、C′光泵波導(dǎo)時,為消除寄生振蕩可磨毛C、C′面并在邊面B、B′上涂吸收介質(zhì),并將面A、A′磨斜,使其不與波導(dǎo)垂直,如圖5所示。
所說的構(gòu)成波導(dǎo)介質(zhì)1的材料是摻釹(Nd)、或摻鐿(Yb)的玻璃,或者是固體激光染料、或者是摻釹、或摻鐿的釔鋁石榴石(YAG)晶體或其它晶體。當(dāng)采用摻釹、或摻鐿的玻璃時,可能獲得很大尺寸的波導(dǎo)介質(zhì)1。例如波導(dǎo)介質(zhì)1的尺寸可以大到1000mm×100mm×0.2mm,這是有利于得到萬瓦級的高亮度激光。同時,采用Nd或Yb玻璃的波導(dǎo)介質(zhì)的波導(dǎo)層102與包層101之間的折射率之差,可以準確控制,能夠使數(shù)值孔徑變小,從而減少波導(dǎo)內(nèi)模數(shù),提高亮度。
所說的固體激光染料可以是用溶膠——凝膠法形成的固體染料(中國專利98110969.1),采用這種固體染料可形成可調(diào)諧激光,由于溶膠——凝膠法易于制成薄膜,易于直接形成激光波導(dǎo)。用溶膠_凝膠法也可以形成摻Nd或Yb的玻璃,這種方法有利于減少波導(dǎo)內(nèi)模數(shù)。
對于上述的波導(dǎo)層102進行光泵,可以采用多種方式。可以采用N≥1個半導(dǎo)體激光列陣(通常簡稱為LDA)7發(fā)射的光束由相對應(yīng)的N≥1個柱透鏡6成象在波導(dǎo)層102的非通激光的端面B或B′上。如圖6所示的結(jié)構(gòu)。由于作為泵浦源的半導(dǎo)體激光列陣的發(fā)光體在快軸方向尺寸約為1μm,光束數(shù)值孔徑NA=0.5,近衍射極限;而波導(dǎo)一般為多模,例如厚200μm,NA為0.06;柱透鏡6將半導(dǎo)體激光列陣7放大100×?xí)r,象尺寸為100μm,而數(shù)值孔徑僅為0.005。所以,可以組合多個半導(dǎo)體激光列陣7的象進入波導(dǎo)層102。顯然,這種結(jié)構(gòu)有利于光泵達到高功率密度,有利于用波導(dǎo)得到上轉(zhuǎn)換激光(如對Tm,Pr,Er和Nd離子摻雜的晶體或玻璃)和三能級體系(如Er)激光。由于光泵直接進入波導(dǎo)層后不再逸出,上述的光泵方式易于達到高效率。
光泵也可以由C、C′面(大面)進入,此時容許的光束面積和立體角可以非常大,有利于高功率光泵。如圖7所示。如上述在先技術(shù)[7],由泵浦源半導(dǎo)體激光二維列陣9發(fā)射光束透過帶縫反射鏡10,由置于光泵腔體11內(nèi)的波導(dǎo)層102的大面C或C′進入波導(dǎo)層102,如圖7-1所示,穿過波導(dǎo)層102的光束再由光泵腔體11反射到波導(dǎo)層102上,如圖7-2所示。由于波導(dǎo)層102很薄,吸收率非常小,光泵必須多次通過波導(dǎo)層102,而且多次反射在光泵腔體11和帶縫反射鏡10之間,因此兩者之間必須盡可能封閉(盡量小逸出),而且低吸收。本發(fā)明中,光泵腔體11與帶縫反射鏡10組成封閉腔,而且是由吸收系數(shù)小的散射體構(gòu)成。如MgO2。在先技術(shù)[7]中,采用的是金屬(金)光泵腔體10及帶縫金屬反射鏡,由于金屬反射率較低,帶縫反射鏡的縫也太寬,造成光泵效率不高。采用光學(xué)系統(tǒng)耦合,如上述的柱透鏡成象系統(tǒng),或用玻璃作為平板波導(dǎo)介質(zhì),都可以使帶縫反射鏡的透光縫的寬度顯著變小,從而提高光泵效率。
與在先技術(shù)相比,本發(fā)明由于采用上述能夠有效地限制振蕩模的激光諧振腔結(jié)構(gòu),對于波導(dǎo)介質(zhì)1表面或非通激光面B、B′、C、C′表面上,采用上述措施,有利地破壞了寄生振蕩的產(chǎn)生。波導(dǎo)介質(zhì)1采用能夠做成大尺寸波導(dǎo)的Nd玻璃、或Yb玻璃,以及采用上述有效地照明方式,所以,本發(fā)明能夠獲得比在先技術(shù)更高的亮度、更高的功率,更高的效率。
圖1為在先技術(shù)[6]中波導(dǎo)激光器激光諧振腔的結(jié)構(gòu)示意圖。其中圖1-1為波導(dǎo)介質(zhì)1的結(jié)構(gòu)尺寸示意圖。圖1-2為波導(dǎo)激光器在YZ坐標面上的結(jié)構(gòu)示意圖。圖1-3為波導(dǎo)激光器在XZ坐標面上的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為在先技術(shù)[5]中,外帶水冷的波導(dǎo)介質(zhì)內(nèi)全反射光路示意圖。
圖3為本發(fā)明的波導(dǎo)激光器的結(jié)構(gòu)示意圖,其中,圖3-1為本發(fā)明波導(dǎo)激光器在YZ坐標面上的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3-2為本發(fā)明波導(dǎo)激光器在XZ坐標面上的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為波導(dǎo)介質(zhì)內(nèi)全反射的光路示意圖。其中圖4-1為圖3-2中波導(dǎo)層內(nèi)的全反射光路示意圖。圖4-2為另一類在波導(dǎo)層內(nèi)的寄生光路示意圖。
圖5為本發(fā)明將波導(dǎo)介質(zhì)兩通激光面A、A′磨成斜面的波導(dǎo)激光器結(jié)構(gòu)示意圖。其中,圖5-1為將波導(dǎo)介質(zhì)兩通激光面A、A′磨成一種斜面的波導(dǎo)激光器結(jié)構(gòu)示意圖。圖5-2為將波導(dǎo)介質(zhì)兩通激光面A、A′磨成另一種斜面的波導(dǎo)激光結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6為本發(fā)明采用柱透鏡6成象泵浦的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7為在先技術(shù)[7]泵浦結(jié)構(gòu)示意圖,其中圖7-1為光泵腔體內(nèi)元件的分解示意圖。圖7-2為泵浦光束反射光路的示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施進一步描述本發(fā)明的內(nèi)容。
如圖3所示的本發(fā)明波導(dǎo)激光器的結(jié)構(gòu)。其波導(dǎo)介質(zhì)1為平板形,稱為固體平面波導(dǎo)激光器。激光諧振腔4為不穩(wěn)定激光諧振腔。激光諧振腔4在坐標YZ平面內(nèi)如圖3-1所示。后腔鏡2是凹柱面反射鏡,凹柱面的半徑r=d1,d1是凹柱面反射鏡反射面的中心點O至波導(dǎo)介質(zhì)1通激光面A中心點O′的距離,即凹柱面的圓心O′與波導(dǎo)介質(zhì)1通激光面(激光束出射面)的中心點O′重合。使由波導(dǎo)層102發(fā)射的光束經(jīng)凹柱面反射鏡反射后,再回到波導(dǎo)層102中。在后腔鏡2與波導(dǎo)介質(zhì)1之間置有狹縫光闌5,狹縫光闌5中的狹縫使得基模能夠通過。而相對于發(fā)散角較大的高階模光束將被狹縫光闌5擋掉。由前腔鏡3到波導(dǎo)介質(zhì)1通激光面A′的距離d2取值很小時,波導(dǎo)介質(zhì)內(nèi)波導(dǎo)基模反饋耦合損耗也很小,因此,在YZ面內(nèi)構(gòu)成近單模的低損耗激光諧振腔。
激光諧振腔在XZ坐標面上,凹柱面反射鏡的后腔鏡2反射面投影是直線,如圖3-2所示。后腔鏡2與前腔鏡3構(gòu)成在XZ坐標平面內(nèi)的不穩(wěn)定激光諧振腔。不穩(wěn)腔對基模的選擇性隨其倍率而提高,選擇適宜的前腔鏡3的半徑,能夠獲得高倍率及高選擇性。
為了消除寄生振蕩,可將大面C、C′表面磨成毛面,在B、B′面的表面上涂敷折射率大于波導(dǎo)層102折射率的吸收介質(zhì)或者磨斜。兩通激光面A、A′面磨成斜面,如圖5-1所示的一種斜面的形式,圖5-2為另一種斜面的形式。使反射光路離開波導(dǎo)所在的平面。
波導(dǎo)介質(zhì)1的材料采用摻Nd或摻Y(jié)b的玻璃,波導(dǎo)介質(zhì)1的尺寸能夠達到1000mm×100mm×0.2mm。波導(dǎo)層102的折射率大于包層101的折射率。
對于波導(dǎo)介質(zhì)為光纖,為圓柱形,稱為固體柱形波導(dǎo)激光器。激光諧振腔可以是穩(wěn)定的激光諧振腔。后腔鏡是凹球面反射鏡。凹球面的半徑r=d1,d1是凹球面反射鏡反射面的中心點至光纖芯的中心點。即凹球面反射鏡的圓心與光纖芯的圓心重合。
對波導(dǎo)層102進行光泵,采用柱透鏡成象的方式,如圖6所示的結(jié)構(gòu)。其中半導(dǎo)體激光列陣7的數(shù)量N=2,如圖7中所示的701、702,相對應(yīng)的柱透鏡6的數(shù)量N=2,如圖7中的601、602。為了成象集中對準波導(dǎo)層102的側(cè)面B′,光路中采用了全反射鏡8。
對波導(dǎo)層102進行光泵還可采用如圖7所示的結(jié)構(gòu),其中光泵腔體11與帶縫反射鏡10組成封閉腔,采用散射體為純氧化鎂做成光泵腔體11和帶縫反射鏡腔10,吸收可以小于0.01%。
權(quán)利要求
1.一種固體波導(dǎo)激光器,包括由波導(dǎo)層(102)及覆蓋波導(dǎo)層(102)上的包層(101)構(gòu)成的波導(dǎo)介質(zhì)(1),在波導(dǎo)介質(zhì)(1)兩激通光面(A、A′)前置有前腔鏡(3)和后腔鏡(2)構(gòu)成激光諧振腔(4),其特征在于后腔鏡(2)的圓心(O′)與波導(dǎo)介質(zhì)(1)通激光面(A′)的中心點(O1)重合,在后腔鏡(2)與波導(dǎo)介質(zhì)(1)之間置有狹縫光闌(5),狹縫光闌(5)的狹縫中心(O1)在后腔鏡(2)的中心軸線(OO′)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體波導(dǎo)激光器,其特征在于所說的波導(dǎo)介質(zhì)(1)是平板形,或是圓柱形。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體波導(dǎo)激光器,其特征在于所說的激光諧振腔(4)的后腔鏡(2)是凹柱面反射鏡、或者是凹球面反射鏡。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的固體波導(dǎo)激光器,其特征在于所說的由前腔鏡(3)和后腔鏡(2)構(gòu)成的激光諧振腔(4)是不穩(wěn)定激光諧振腔,或是穩(wěn)定的激光諧振腔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的固體波導(dǎo)激光器,其特征在于所說的波導(dǎo)介質(zhì)(1)的非通激光表面(B、B′、C、C′)磨成毛面,或者將波導(dǎo)介質(zhì)(1)的表面(A、A′、B、B′、C、C′)做成斜面,或者在非通激光表面(B、B′、C、C′)上置有折射率大于波導(dǎo)介質(zhì)(1)折射率的吸收介質(zhì)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的固體波導(dǎo)激光器,其特征在于構(gòu)成波導(dǎo)介質(zhì)(1)的材料是摻釹或摻鐿的玻璃,或者是固體激光染料,或者是摻釹或摻鐿的晶體。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體波導(dǎo)激光器,其特征在于對于波導(dǎo)層(102)的光泵是有N≥1個半導(dǎo)體激光列陣(7)發(fā)射的光由相對應(yīng)的N≥1個柱透鏡(6)成象在波導(dǎo)層(102)的非通激光的端面(B、B′)上。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固體波導(dǎo)激光器,其特征在于由作為泵浦源的半導(dǎo)體激光列陣(9)發(fā)射的光束透過帶縫反射鏡(10)由置于光泵腔體(11)內(nèi)的波導(dǎo)層(102)的大面(C、C′)進入波導(dǎo)層(102),其中光泵腔體(11)與帶縫反射鏡(10)組成封閉腔,是由吸收系數(shù)小的散射體構(gòu)成。
全文摘要
一種固體波導(dǎo)激光器,采用能夠有效地限制振蕩模的激光諧振腔結(jié)構(gòu);將波導(dǎo)介質(zhì)的非通激光表面磨成毛面,或表面制成斜面,或在非通激光表面上置放吸收介質(zhì),破壞寄生振蕩,以提高效率。采用能夠構(gòu)成大尺寸波導(dǎo)介質(zhì)的材料摻稀土元素的玻璃或晶體,或固體激光染料。改進了泵浦光的照明方式,以提高光泵效率。與在先技術(shù)相比,本發(fā)明的波導(dǎo)激光器能夠獲得高亮度、高功率、高效率。
文檔編號H01S3/05GK1471205SQ0213622
公開日2004年1月28日 申請日期2002年7月26日 優(yōu)先權(quán)日2002年7月26日
發(fā)明者王之江, 姜中宏 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所