專利名稱：穩(wěn)定化全固態(tài)激光裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及光學(xué)器件領(lǐng)域，尤其涉及一種穩(wěn)定化全固態(tài)激光裝置，該裝 置能實(shí)現(xiàn)寬溫功率穩(wěn)定輸出。技術(shù)背景用半導(dǎo)體激光二極管抽運(yùn)的全固態(tài)激光裝置具有轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、工 作壽命長、使用方便等特點(diǎn)。在激光通信、材料加工、激光打印、激光投影顯示、 激光娛樂、激光醫(yī)療，科學(xué)儀器等諸多領(lǐng)域都已得到廣泛應(yīng)用。在眾多的實(shí)際應(yīng)用 中，功率穩(wěn)定是全固態(tài)激光裝置的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)。在常規(guī)的全固態(tài)激光裝置結(jié)構(gòu)中，皆采用F-P腔半導(dǎo)體激光二極管(LD)為軸運(yùn)光源。由于這種LDF-P腔結(jié)構(gòu) 的制約，以及半導(dǎo)體特性對溫度敏感的本質(zhì)，致使LD的多縱摸激光譜線寬較寬， 典型的半功率光諳全寬(AA )約為(3-6)nm;而且激光閾值Ith，輸出功率P，峰值 波長入等性能隨環(huán)境溫度而變化，典型的波長/溫度變化為(2.8-3.5) nm/° C。 同時(shí)LD工作電流的改變同樣要造成LD峰值波長的移動。如此激光特性將嚴(yán)重影響 固態(tài)激光器激光轉(zhuǎn)換效率和輸出功率穩(wěn)定性。為此，人們在提高全固態(tài)激光裝置的激光轉(zhuǎn)換效率和改善輸出功率穩(wěn)定性已 開展了幾方面的工作(1)在全固態(tài)激光裝置的驅(qū)動電路中采用溫控技術(shù)，閉環(huán) 功率反饋技術(shù)等；(2)例如，US2007/0165683A1專利采用至少二段偏振轉(zhuǎn)換區(qū)的 諧波器件來改善溫度波動造成二次諧波效率的退化；而另有專利(申請?zhí)?200510122588. 9 )通過加溫倍頻晶體(48° C)的措施補(bǔ)償熱畸變引起的高功率內(nèi) 腔倍頻激光器的相位失配。與以上方案相比，最有效的解決方案是選用穩(wěn)頻半導(dǎo)體LD作為全固態(tài)激光裝 置的pump源。這要?dú)w于穩(wěn)頻LD具有以下特點(diǎn)(1 )單縱摸，窄線寬(DFB-LD的 光譜線寬為(40-20 ) MHz) ; (2)波長隨溫度變化小，波長溫度系數(shù)(A入/AT)比 FP腔LD 'J、一個(gè)量級。由此可以成倍地提高pump光的利用率，大大改善全固態(tài)激 光裝置的功率穩(wěn)定性，提高工作可靠性。此外，采用穩(wěn)頻LD作為pump源，可以簡化全固態(tài)激光裝置的溫控結(jié)構(gòu)和散 熱設(shè)計(jì)，從而使全固態(tài)激光裝置更為緊湊靈巧，使用更為便捷。就現(xiàn)今半導(dǎo)體LD穩(wěn)頻技術(shù)而言，可分為二大類。(1 )選頻色散元件(Bragg 衍射光柵等)集成在激光二極管(LD)諧振腔內(nèi)，即稱為分布反饋(DFB) LD或分 布Bragg反射LD,典型的結(jié)構(gòu)如圖1示意，其中從上到下依次包括P+歐姆接觸層 101、 P限制層102、光柵波導(dǎo)層103、量子阱有源層104、 n限制層105、 n緩沖層 106、 n型襯底107; ( 2 )選頻色散元件置于半導(dǎo)體諧振腔外，構(gòu)成復(fù)合外腔。的 Bragg光柵可以是平面衍射光柵，體光柵或光纖光柵等，典型的結(jié)構(gòu)分別如圖2, 圖3,圖4所示。圖2所示的表面衍射光柵外腔激光器至少包括F-P LD 201、平面 全反鏡202和刻劃光柵203。圖3所示的體光柵外腔激光器至少包括F-P LD 301 和光致折變體光柵302。圖4所示的光纖光柵外腔激光器至少包括F-P LD 401和 光柵光纖402。其中DFB-LD，體光柵外腔LD已有作為pump源的報(bào)道(光學(xué)學(xué)報(bào))， 但真正的實(shí)用化，在器件價(jià)格和外腔結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性等諸多方面面臨嚴(yán)重的挑戰(zhàn)。實(shí)用新型內(nèi)容針對上述技術(shù)背景，本實(shí)用新型提出一種技術(shù)新穎、結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高的 外腔半導(dǎo)體激光器作為固態(tài)激光器的抽運(yùn)光源，以實(shí)現(xiàn)全固態(tài)激光裝置功率穩(wěn)定 化。為此，本實(shí)用新型提供了一種穩(wěn)定化全固態(tài)激光裝置，它包括一個(gè)用作抽運(yùn) 光源，具有波長穩(wěn)定功能的折疊型外腔激光器，該外腔激光器包括FP激光二極 管以及位于FP激光二極管輸出端處的含傾斜光柵的光纖。其中，傾斜光柵的光柵 平面與光纖的軸線形成一傾角，且各光柵平面之間間隔一光對冊周期。FP激光二極 管射出的激光垂直入射光纖，該激光的一部分經(jīng)光柵衍射再經(jīng)光纖內(nèi)部的全反射重 新反饋回FP激光二極管內(nèi)參與振蕩。此外，上述穩(wěn)定化全固態(tài)激光裝置還可以包括設(shè)置于外腔激光器輸出端處 的工作介質(zhì)；以及設(shè)置于工作介質(zhì)輸出端處的光電轉(zhuǎn)換反饋控制系統(tǒng)。此外，在上述穩(wěn)定化全固態(tài)激光裝置中，光纖的兩個(gè)端面上鍍敷有抽運(yùn)光的 高反膜。此外，在上述穩(wěn)定化全固態(tài)激光裝置中，光纖的材料為具有光致折變性能的 玻璃纖維或具有光敏性的摻Ge或B的石英光纖。光纖的芯徑大小也可根據(jù)抽運(yùn)方式和介質(zhì)尺寸確定。本實(shí)用新型的特點(diǎn)在于(1) Bragg波長決定于光柵周期，由于石英光纖熱膨脹系數(shù)很小(10—7),因 此因溫度引起光柵周期而導(dǎo)致波長的變化為pm/K量級。故傾斜光纖光柵折疊外腔 激光器的輸出波長穩(wěn)定性很好，確保全固態(tài)激光裝置總體效率高，寬溫工作穩(wěn)定。(2) 光纖光柵體積極小，堅(jiān)固牢靠，與二極管構(gòu)成外腔，結(jié)構(gòu)緊湊耐用，有 利于實(shí)用化。(3) 傾斜光纖光柵既是外腔色散元件，同時(shí)又是住面透鏡，用作激光二極管 快軸方向的壓縮，兼具穩(wěn)頻和聚焦的雙重功用，推進(jìn)全固態(tài)激光裝置結(jié)構(gòu)的小型化， 微型化。(4 )傾斜光纖光4冊外腔同時(shí)也適用于bar條組件pump源的寬溫波長穩(wěn)定。 應(yīng)當(dāng)理解，本實(shí)用新型以上的 一般性描述和以下的詳細(xì)描述都是示例性和說 明性的，并且旨在為如權(quán)利要求所述的本實(shí)用新型提供進(jìn)一步的解釋。


包括附圖是為提供對本實(shí)用新型進(jìn)一步的理解，它們被收錄并構(gòu)成本申請的 一部分，附圖示出了本實(shí)用新型的實(shí)施例，并與本說明書一起起到解釋本實(shí)用新型 原理的作用。附圖中圖1示出了 DFB半導(dǎo)體激光二極管的結(jié)構(gòu)；圖2是表面衍射光柵外腔激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3是體光柵外腔激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是光纖光柵外腔激光器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖5是根據(jù)本實(shí)用新型的穩(wěn)定全固態(tài)激光裝置的結(jié)構(gòu)框圖；圖6是本實(shí)用新型的含傾斜光柵的光纖的結(jié)構(gòu)示意圖；圖7a和7b示出了 D形含傾斜光柵的光纖的結(jié)構(gòu)示意圖；圖8是含傾斜光柵光纖折疊式外腔激光器的裝配圖。
具體實(shí)施方式
現(xiàn)在將詳細(xì)參考附圖描述本實(shí)用新型的實(shí)施例。本實(shí)用新型是利用傾斜光柵光纖與常規(guī)的F-P LD組成一個(gè)折疊外腔，通過光 纖光柵的Bragg反射，實(shí)現(xiàn)在一個(gè)很寬的溫度范圍內(nèi)，外腔激光二極管的激射波長穩(wěn)定在固態(tài)激光器的工作介質(zhì)的吸收光譜線寬范圍內(nèi)，從而達(dá)到全固態(tài)激光裝置輸 出功率穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。我們把內(nèi)置有這種pump源的固態(tài)激光器命名為穩(wěn)定化全固態(tài)激 光裝置。
穩(wěn)定化全固態(tài)激光裝置的基本結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。它包括一用作抽運(yùn)光源 的外腔激光器501、經(jīng)光學(xué)聚焦后從端面或側(cè)面去抽運(yùn)帶有諧振腔的固態(tài)激光器的 工作介質(zhì)502以及為監(jiān)控激光器的功率輸出而在光路上設(shè)置的PD光電轉(zhuǎn)換反饋控 制裝置503，這些部件整體密封于外殼504之內(nèi)。其中，以上的部件502、 503和 504的詳細(xì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和技術(shù)描述與本公司已有美國專利7003006基本相同，在此不 再重述。
以下著重描述本實(shí)用新型的關(guān)鍵部件外腔激光器501。
圖6詳細(xì)示出了該具有傾斜光柵光纖的折疊外腔激光器501的結(jié)構(gòu)。該外腔 激光器501由FP激光二極管601和含傾斜光柵的光纖602組成。含傾斜光柵的光 纖602位于FP激光二極管601輸出腔面的前端，其中光纖602的軸線平行于FP 激光二極管601的腔面，并對準(zhǔn)FP激光二極管601的有源區(qū)。
此外，含傾斜光柵的光纖602的結(jié)構(gòu)和基本參數(shù)由圖7詳細(xì)示出。通常，含 傾斜光柵的光纖602 —般包含芯層701 (折射率ns)和包層702 (折射率n包)， 或者只有芯層701也可以。如圖6所示，光柵平面與光纖軸線的夾角余弦為光柵傾 角d,光柵周期為A,光柵軸向周期為Ag =A/Con^。光纖的二個(gè)端面鍍敷有抽運(yùn)光 的高反膜。
如圖6所示，F(xiàn)P激光二極管601射出的激光垂直入射所述光纖602,該激光 的一部分經(jīng)光柵衍射再經(jīng)光纖內(nèi)部的全反射重新反饋回所述FP激光二極管內(nèi)參與 振蕩。該工作原理可以用幾何光學(xué)和纖維光學(xué)的方法予以描述。首先，可以把傾斜 光柵等效成一個(gè)反射型平面光柵。當(dāng)從LD發(fā)出的光垂直入射光纖時(shí)， 一部份被光 柵衍射進(jìn)入光纖內(nèi)，其衍射光路如圖6所示。來自LD激光的入射角為a，衍射角 為P。為了使被傾斜光纖光4冊4汙射的光能在光纖內(nèi)傳輸，根據(jù)費(fèi)涅耳折射定律可知， 此衍射光需滿足全內(nèi)反射條件即全內(nèi)反射角ox，等于或大于arcsin(n空/n包)。這 部分局限在光纖內(nèi)傳輸衍射光，通過光纖兩個(gè)端面的反射。根據(jù)光路徑的可逆性， 被二個(gè)4面反射的衍射光又有一部分經(jīng)光柵重新返饋回LD腔內(nèi)參與振蕩；如此內(nèi)/ 外腔多次反復(fù)，只有那些滿足相位匹配條件波長的光得到振蕩，實(shí)現(xiàn)單縱摸激光輸 出。由此可見傾斜光纖光柵充當(dāng)折疊外腔，行使選模，壓縮線寬的功能。光譜線寬 A入與光柵條文數(shù)目成反比，即傾斜光柵的反射率。此外，也可把傾斜光柵光纖理解為一個(gè)帶通濾波器。它的濾波特性決定了波 長穩(wěn)定性能，而傾斜光柵的濾波特性，包括通帶線寬、反射率等，密切依賴于光柵
參數(shù)和制備工藝，因此，傾斜光柵光纖602要根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)和制備。 所用光纖應(yīng)具有光敏性的摻Ge或B等石英光纖，也可是具有光致折變性能的玻璃 纖維，芯徑大小可根據(jù)抽運(yùn)方式和介質(zhì)尺寸來選擇。
還需指出的是，上述結(jié)構(gòu)中的傾斜光柵光纖不僅是個(gè)選頻色散元件，而且是 一個(gè)住面透鏡，發(fā)揮對LD快軸壓縮的功能，替代常用的光學(xué)聚焦系統(tǒng)，可使得本 實(shí)用新型的全固態(tài)激光裝置的結(jié)構(gòu)更為緊揍牢靠穩(wěn)定。
以下，給出本實(shí)用新型的一個(gè)實(shí)施例和裝配程序，但以下的描述并不構(gòu)成對 本實(shí)用新型的任何限制，本實(shí)用新型也可以在不背離本實(shí)用新型的精神的前提下采 用其它具體參數(shù)或材料。
1 .傾斜光纖光柵的制備采用芯層701直徑lOOiim/包層702外徑140pm摻 鍺(Ge)單模光纖1-22,經(jīng)過高壓載氫后，剝?nèi)ツ猃埌鼘?，切割小段并研磨拋光?如圖7b所示的D形截面。而后采用相位掩模板和紫外光致折變技術(shù)來制備傾斜光 纖光柵，如圖7a所示。
傾斜光柵光纖的基本參數(shù)根據(jù)光柵衍射的光在光纖內(nèi)傳播滿足全反條件，以 及光4冊書f射方程(1 )和Bragg相位匹配公式(2 ):
Xb=A(sinoc± sin卩) (1)
A=Xb/2neff since (2)
式中入b為Bragg衍射波長，A為光柵周期。
根據(jù)圖6的衍射光路的幾何關(guān)系，則分別可計(jì)算出
全反射臨界角為43.23°
傾斜光柵703的傾斜角\)=31°,其中光纖折射率iw=l. 46。 考慮到L D實(shí)際工作時(shí)的驅(qū)動電流引起的溫升，設(shè)計(jì)光柵周期A時(shí)比計(jì)算值偏 小，針對808nm工作波長，取光柵周期704 ( A ) =535nm。 最后，在光纖光柵的二個(gè)端面上蒸鍍808nm的高反膜。 2.外腔激光器的組裝
外腔激光器的內(nèi)在結(jié)構(gòu)如圖8所示，它是由多摸高功率F-P腔LD芯片801、 熱沉802、金絲電極引線803、過度電極804、兩端鍍有高反射膜的傾斜光柵光纖 805以及光纖支梁806等元器件組成。其裝配過程如下(1 )先用高溫焊料Su把 過渡電極804和光纖支梁806分別鍵合在熱沉802各自規(guī)定的表面(如圖所示)的區(qū)域；2)把F-P LD芯片801， P面朝下，采用鍵合(die-bonding )在熱沉802 上表面中間部位；3)用金絲球焊機(jī)引上金絲電極引線803，并連接過度電極8O4 之間電路聯(lián)通；4)在光學(xué)平臺上通過精密光學(xué)調(diào)整和LD的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)場監(jiān)視，把D 形傾斜光柵光纖固定在光纖支梁805上，構(gòu)建完成折疊式外腔激光器。
3.選擇100 mW級Nd: YV04: KTP微片按照圖5的布局置于傾斜光纖光柵折疊外 腔激光器的前端，以端注入方式實(shí)現(xiàn)0. 5mm3小型高效穩(wěn)定化綠光激光器。
本領(lǐng)域技術(shù)人員可顯見，可對本實(shí)用新型的上述示例性實(shí)施例進(jìn)行各種修 改和變型而不偏離本實(shí)用新型的精神和范圍。因此，旨在使本實(shí)用新型覆蓋落 在所附權(quán)利要求書及其等效技術(shù)方案范圍內(nèi)的對本實(shí)用新型的修改和變型。
權(quán)利要求1.一種穩(wěn)定化全固態(tài)激光裝置，其特征在于，包括一用作抽運(yùn)光源、用于穩(wěn)定波長的外腔激光器，該外腔激光器包括FP激光二極管；以及含傾斜光柵的光纖，位于所述FP激光二極管輸出端處，其中所述傾斜光柵的光柵平面與所述光纖的軸線形成一傾角，且各光柵平面之間間隔一光柵周期，所述FP激光二極管射出的激光垂直入射所述光纖，該激光的一部分經(jīng)光柵衍射再經(jīng)光纖內(nèi)部的全反射重新反饋回所述FP激光二極管內(nèi)參與振蕩。
2. 如權(quán)利要求1所述的穩(wěn)定化全固態(tài)激光裝置，其特征在于，還包括 設(shè)置于所述外腔激光器輸出端處的工作介質(zhì)；以及設(shè)置于所述工作介質(zhì)輸出端處的光電轉(zhuǎn)換反4責(zé)控制系統(tǒng)。
3. 如權(quán)利要求1所述的穩(wěn)定化全固態(tài)激光裝置，其特征在于，所述光纖的兩 個(gè)端面上鍍敷有抽運(yùn)光的高反膜。
4. 如權(quán)利要求1所述的穩(wěn)定化全固態(tài)激光裝置，其特征在于，所述光纖的材 料為具有光致折變性能的玻璃纖維或具有光敏性的摻Ge或B的石英光纖。
5. 如權(quán)利要求1所述的穩(wěn)定化全固態(tài)激光裝置，其特征在于， 所述光纖的芯徑大小根據(jù)抽運(yùn)方式和介質(zhì)尺寸確定。
專利摘要本實(shí)用新型提供了一種穩(wěn)定化全固態(tài)激光裝置，它包括一用作抽運(yùn)光源、波長穩(wěn)定功能的折疊型外腔激光器，該外腔激光器包括FP激光二極管以及位于FP激光二極管輸出端處的含傾斜光柵的光纖。其中，傾斜光柵的光柵平面與光纖的軸線形成一傾角，且各光柵平面之間間隔一光柵周期。FP激光二極管射出的激光垂直入射光纖，該激光的一部分經(jīng)光柵衍射再經(jīng)光纖內(nèi)部的全反射重新反饋回FP激光二極管內(nèi)參與振蕩。該激光裝置采用結(jié)構(gòu)簡單、性價(jià)比高的外腔半導(dǎo)體激光器作為抽運(yùn)光源，以實(shí)現(xiàn)全固態(tài)激光裝置功率穩(wěn)定化。
文檔編號H01S3/10GK201174498SQ20082005515
公開日2008年12月31日 申請日期2008年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2008年1月28日
發(fā)明者強(qiáng) 付, 張哨峰, 李大汕, 楊金濤, 胡企銓, 陳高庭, 黃春樂 申請人:上海高意激光技術(shù)有限公司