紫外激光器光源和形成用于生成紫外光的倍頻波導(dǎo)的方法

專利名稱：紫外激光器光源和形成用于生成紫外光的倍頻波導(dǎo)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于發(fā)出紫外激光光線的裝置，尤其涉及用于將可見(jiàn)激光光線轉(zhuǎn)變成紫外激光光線的倍頻波導(dǎo)型光學(xué)部件，以及用于制造該倍頻波導(dǎo)的方法。在為水的殺菌處理而設(shè)計(jì)的產(chǎn)品中，所述裝置可用作光源。
背景技術(shù)：
對(duì)于呼吸干凈且安全的空氣以及飲用干凈且安全的水的需要日益增大，在全世界來(lái)說(shuō)在人口密集的國(guó)家或地區(qū)尤其如此。緊湊的固態(tài)深UV光源的主要的大量應(yīng)用是用于空氣或水的非化學(xué)手段的殺菌。深UV光-其為在波長(zhǎng)短于280nm的UVC范圍內(nèi)的光線-會(huì)有效地對(duì)DNA造成永久的物理?yè)p害，而防止細(xì)菌、病毒和真菌復(fù)制。這意味著在使用角度來(lái)說(shuō)深UV處理可用于對(duì)空氣或水消毒以便安全呼吸或飲用。深UV光在破壞e大腸菌方面特別有效。深UV光也可以用來(lái)對(duì)表面進(jìn)行消毒。深UV光也可以用于減小化學(xué)污染物諸如出現(xiàn)在水中的分解的有機(jī)化學(xué)物質(zhì)的毒性，由此使水對(duì)引用來(lái)說(shuō)是安全的。在這種情況中，深UV光促成光催化氧化反應(yīng)，該反應(yīng)將分解的有機(jī)化學(xué)物質(zhì)分裂成不那么危險(xiǎn)或者無(wú)害的副產(chǎn)品。波長(zhǎng)短于230nm的深UV光在促成光催化氧化反應(yīng)方面是最有效的。緊湊的固態(tài)深UV光源也應(yīng)用在生物及化學(xué)感測(cè)上，因?yàn)樯锖突瘜W(xué)化合物強(qiáng)烈吸收深UV光?？梢愿鶕?jù)它們的熒光光譜來(lái)識(shí)別蛋白質(zhì)和其它有機(jī)化學(xué)物質(zhì)。熒光測(cè)量要求照明用的光線在化合物強(qiáng)烈吸收的短波長(zhǎng)下，并檢測(cè)所得到的在較長(zhǎng)的波長(zhǎng)的熒光。280nm附近的波長(zhǎng)是合適的，但更短的220nm的波長(zhǎng)更好，因?yàn)樵谠摬ㄩL(zhǎng)下吸收更強(qiáng)。用于對(duì)空氣和水進(jìn)行UV處理的使用位(point-of-use)產(chǎn)品已經(jīng)存在，這些產(chǎn)品使用汞燈作為UV光源。然而，汞燈包含有毒材料，傾向于具有較短工作壽命以及較長(zhǎng)預(yù)熱時(shí)間并需要高驅(qū)動(dòng)電壓。此外，從汞燈發(fā)出的UV光在較寬范圍的方向上并從相對(duì)較大的區(qū)域上發(fā)出，這意味著它不能被有效聚焦到小區(qū)域中或被聚焦成準(zhǔn)直光束。同時(shí)在發(fā)展的替代UV光源是UV LED。使用UV LED的當(dāng)前缺陷包括它們的工作壽命較短并且它們不能被有效聚焦而提供準(zhǔn)直光束或者緊致聚焦光斑。另外，發(fā)光波長(zhǎng)短于260nm的UV LED的性能非常差。因此，這些裝置很不適合上面描述的受益于波長(zhǎng)短于260nm的光源的那些應(yīng)用。深UV激光器潛在地提供單色的相干光束，所述光束可以被有效聚集成準(zhǔn)直光束或者被聚焦到小的區(qū)域中，并且可以被快速調(diào)制(例如，如熒光測(cè)量所需要的那樣)。然而，現(xiàn)有的發(fā)射波長(zhǎng)短于280nm的激光器是非常昂貴的部件，諸如為了工業(yè)使用而設(shè)計(jì)的氣體激光器。而激光二極管并沒(méi)有制造成具有短于280nm的發(fā)射波長(zhǎng)。通過(guò)將合適的非線性光學(xué)材料內(nèi)的可見(jiàn)激光束倍頻可以實(shí)現(xiàn)深UV激光器。(例如，通常稱為 BBO 的偏硼酸鋇)首先在 IEEE Journal of Quantum Electronics QE-22, No7(1986)上報(bào)告?？梢?jiàn)光被聚焦到非線性光學(xué)材料中，光線通過(guò)二次諧波發(fā)生(SHG)過(guò)程被倍頻(FD)。SHG過(guò)程將可見(jiàn)輸入光轉(zhuǎn)變成波長(zhǎng)為輸入光的波長(zhǎng)的一半的光線。倍頻后的光線具有與激光器發(fā)出的光線的特性相似的特性，在現(xiàn)有技術(shù)中一般將該光線描述為“激光光線”。在現(xiàn)有技術(shù)中，同樣普遍的是將發(fā)出倍頻光線的裝置描述為“激光器”。如這里所使用的，術(shù)語(yǔ)“激光光線”包括由激光裝置發(fā)出的光線以及源自激光裝置發(fā)出的光線的倍頻光線。此外，如這里使用的那樣，“激光光源”包括通過(guò)輻射的受激發(fā)射表現(xiàn)出光放大的光源，以及對(duì)通過(guò)輻射的受激發(fā)射表現(xiàn)出光放大的光源發(fā)出的光線進(jìn)行倍頻的裝置。以此方式使用BBO制成的倍頻UV激光器可以發(fā)出短至205nm的波長(zhǎng)。Nishimura等人在JJAP 42，5079 (2003)中首先報(bào)告使用BBO制造UV激光器和使用藍(lán)紫色半導(dǎo)體激光二極管以產(chǎn)生“泵浦”可見(jiàn)激光束。這種辦法的潛在優(yōu)點(diǎn)是藍(lán)紫色半導(dǎo)體激光二極管是緊湊和低成本部件。然而，對(duì)于從藍(lán)紫色半導(dǎo)體激光二極管發(fā)出的相對(duì)較低功率的光線，在BBO中的SHG過(guò)程以低效率進(jìn)行。因此，盡管使用復(fù)雜的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)重復(fù)循環(huán)藍(lán)光通過(guò)BBO部件以提高效率，在該現(xiàn)有技術(shù)中實(shí)現(xiàn)的UV輸出功率仍然較低。因此，這種方法不適合制造用于上面描述的應(yīng)用的低成本高功率UV光源。兩件最近提到的現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)均沒(méi)有討論使用倍頻波導(dǎo)。已經(jīng)用于提高倍頻效率的一種方法是使用倍頻波導(dǎo)。倍頻波導(dǎo)設(shè)計(jì)成將泵浦光和倍頻光限制在小橫截面區(qū)域內(nèi)(在它們通過(guò)非線性光學(xué)材料時(shí))。通過(guò)在非線性光學(xué)材料和具有不同折射率的環(huán)繞材料(或氣體)之間的界面處的內(nèi)反射，光線被限制在非線性光學(xué)材料并被沿著非線性光學(xué)材料弓I導(dǎo)。光線可以在垂直于光傳播方向的一個(gè)維度上受到限制-這一般稱為“平面”波導(dǎo)。替代地，在“通道”或“脊”波導(dǎo)中，光線可以在垂直于光傳播方向的兩個(gè)維度上受到限制。通過(guò)將光線限制在小的區(qū)域，可以顯著提高SHG過(guò)程的效率。最早的利用倍頻波導(dǎo)的報(bào)告在US3584230(Tien，六月8日，1971)中公開，其形式為沉積在基底上的薄的非線性光學(xué)薄膜。該現(xiàn)有技術(shù)沒(méi)有使用可見(jiàn)光激光二極管也沒(méi)有使用BBO作為FD波導(dǎo)材料，因而不提供制造UV激光器的方法。尤其是，在現(xiàn)有技術(shù)中不知道將高品質(zhì)單晶BBO薄膜沉積到基底上的方法， 除了均相外延沉積到BBO基底上(其不會(huì)提供波導(dǎo)需要的與沉積的BBO層完全不同的折射率)。因此，這種方法不適于制造用于深UV激光器的聞品質(zhì)波導(dǎo)。利用常規(guī)方法擴(kuò)散、質(zhì)子交換或注入，通過(guò)產(chǎn)生與晶體形成對(duì)比的折射率，波導(dǎo)可以形成在大塊非線性光學(xué)晶體內(nèi)。US4427260 (Puech等人，I月24日，1984)描述了關(guān)于非線性光學(xué)裝置的發(fā)明，其中激光二極管泵浦利用Ni擴(kuò)散形成的FD波導(dǎo)。該現(xiàn)有技術(shù)沒(méi)有討論BBO的使用，也沒(méi)有討論任何其它的適于倍頻到深UV波長(zhǎng)的非線性材料，并且未弄清擴(kuò)散能夠用于形成適于用在深UV激光器中的高品質(zhì)波導(dǎo)。此外，該現(xiàn)有技術(shù)沒(méi)有提供成分明顯不同于非線性晶體的成分的覆層，而這樣的覆層是制造強(qiáng)烈限制光線的波導(dǎo)所需要的。APL41，7，p607(1982)，US4951293(Yamamoto 等人，8 月 21 日，1990)，以及 APL 85,91457(2004)報(bào)告了利用Ti擴(kuò)散、質(zhì)子交換或注入形成FD波導(dǎo)。后者報(bào)告了利用ΒΒ0，但是上述文獻(xiàn)均沒(méi)有提供成分明顯不同于非線性晶體的成分的覆層。此外，這些用于制造波導(dǎo)的方法傾向于對(duì)具有非常短的波長(zhǎng)(例如，波長(zhǎng)小于280nm)的紫外線光產(chǎn)生很高的吸收損耗。US5175784 (Enomoto等人，12月29，1992)描述了通過(guò)沉積非線性光學(xué)薄膜到基底上然后蝕刻出脊形結(jié)構(gòu)而制造的FD波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。給出BBO作為幾個(gè)例子。然而，在現(xiàn)有技術(shù)中沒(méi)有已知的方法來(lái)沉積高品質(zhì)單晶BBO薄膜到基底上，除了均相外延沉積在BBO基底上(其不提供波導(dǎo)需要的與沉積的BBO層形成對(duì)比的折射率)。因此，這種方法不適于制造用于深UV激光器的聞品質(zhì)波導(dǎo)。APL 89041103(2006)報(bào)告了利用氦離子注入和干蝕刻在BBO晶體中形成倍頻脊形波導(dǎo)。還報(bào)告了利用該波導(dǎo)通過(guò)FD可見(jiàn)激光束得到UV激光器。注入的氦離子形成在晶體的頂表面下面幾微米的薄層，該薄層具有比所述層和表面之間的晶體的折射率略低的折射率。光線限制在頂表面和注入層之間的晶體中。使用注入來(lái)形成波導(dǎo)是顯著不利的。尤其是，在注入層和BBO晶體之間的折射率對(duì)比相對(duì)較弱，這意味著光線可能“漏”出波導(dǎo)，在注入過(guò)程期間在注入層和所述表面之間的BBO晶體受到損害，這降低了 UV輸出動(dòng)率，并且對(duì)于波長(zhǎng)非常短(例如波長(zhǎng)小于280nm)的紫外線的吸收損耗傾向于較高。和該現(xiàn)有技術(shù)中的波導(dǎo)一起使用的可見(jiàn)光激光器是笨重且昂貴的工業(yè)激光器，這是該方法的另一個(gè)缺點(diǎn)。從大塊晶體的非線性光學(xué)材料使用掩模和拋光工藝來(lái)制造薄膜FD波導(dǎo)在兩件現(xiàn)有技術(shù)中得到描述。在 PhD dissertation ETH No 17145 (2007)中 Deglinnocenti 提到可以通過(guò)拋光粘附或光學(xué)安裝在熔融硅基底上的BBO晶體來(lái)制造薄膜波導(dǎo)。該提議忽略了在波導(dǎo)設(shè)計(jì)中一個(gè)重要的考慮因素-使倍頻光的光學(xué)吸收損耗最小化。有效的波導(dǎo)要求包圍波導(dǎo)的非線性光學(xué)材料芯的材料對(duì)波導(dǎo)中的光線具有低的吸收。大多數(shù)材料強(qiáng)烈吸收深UV光(即，波長(zhǎng)短于280nm)。尤其是，用于把BBO晶體附接到熔融硅基底上的絕大多數(shù)膠水和安裝材料都是如此。因此，根據(jù)該現(xiàn)有技術(shù)中的提議而制造的BBO薄膜對(duì)UV激光器波長(zhǎng)具有高的吸收損耗，因此提供的效率較低。此外，對(duì)深UV光的吸收容易造成材料的劣化并導(dǎo)致波導(dǎo)部件的壽命變短。US6631231 (Mizuuchi等人，10月7日，2003)公開了一種通過(guò)將FD晶體膠合到基底上而制造的光學(xué)波導(dǎo)元件，其中膠水用作覆層區(qū)域。在該現(xiàn)有技術(shù)中沒(méi)有提到ΒΒ0，也沒(méi)有提到深UV激光光線的產(chǎn)生。US專利US5123731 (Yoshinaga等人，六月23，1992)公開了一種激光源，其既發(fā)出倍頻UV激光束也發(fā)出由激光二極管產(chǎn)生的另一激光束。還公開了倍頻波導(dǎo)的使用。該現(xiàn)有技術(shù)沒(méi)有提到使用可見(jiàn)光激光二極管，也沒(méi)有給出關(guān)于波導(dǎo)的構(gòu)造方法的任何細(xì)節(jié)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的 本發(fā)明的一個(gè)目的是從發(fā)射在400nm-560nm范圍內(nèi)的光線的激光二極管提供紫外激光光線。本發(fā)明的另一個(gè)目的是使用倍頻波導(dǎo)從激光二極管生成紫外光線。本發(fā)明的再一個(gè)目的是從激光二極管生成紫外光線以及可見(jiàn)光線。本發(fā)明的這些和其他目的從下面的描述會(huì)變得更加清楚。技術(shù)方案在現(xiàn)有技術(shù)中沒(méi)有例子使用通過(guò)倍頻產(chǎn)生深UV光所需要的波長(zhǎng)在400nm到560nm之間的激光二極管，及與倍頻波導(dǎo)結(jié)合。使用通過(guò)倍頻制成的UV激光器的優(yōu)點(diǎn)是該裝置既可以發(fā)出UV激光也可以發(fā)出一部分可見(jiàn)激光。從安全的角度上說(shuō)，可見(jiàn)激光束是尤其有用的，因?yàn)榭梢?jiàn)激光(不像深UV光)對(duì)裸眼是可見(jiàn)的。根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法使得激光光源同時(shí)提供可見(jiàn)光和紫外光這兩者。在圖1中示出根據(jù)本發(fā)明的概念，其包括產(chǎn)生波長(zhǎng)U1)在400nm_560nm范圍中的可見(jiàn)激光光線的半導(dǎo)體激光二極管14，所述光線被耦合到單晶薄膜倍頻波導(dǎo)15中。單晶薄膜倍頻波導(dǎo)優(yōu)選提供對(duì)激光二極管發(fā)出的光線的相位匹配的倍頻。在一個(gè)例子中，單晶薄膜是β-BaB204。倍頻波導(dǎo)將可見(jiàn)激光束的一部分轉(zhuǎn)變成波長(zhǎng)(λ2)在200nm到280nm范圍中的紫外光。可見(jiàn)光和紫外光兩者同時(shí)從倍頻波導(dǎo)發(fā)出。利用下面包括的步驟制造單晶薄膜倍頻波導(dǎo)結(jié)構(gòu)i)施加覆層3到倍頻單晶晶片的一個(gè)表面。覆層材料對(duì)半導(dǎo)體激光二極管發(fā)出的光線以及倍頻的紫外光來(lái)說(shuō)是透明和接近透明的。ii)附接具有覆層的所述表面到支撐基底4。iii)研磨(lapping)和拋光倍頻單晶的相對(duì)表面以形成薄膜(厚度小于40 μ m)。iv)可選地，構(gòu)圖和蝕刻倍頻單晶薄膜的被拋光的表面以形成脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。V)拋光一些面(facets)，從而來(lái)自半導(dǎo)體激光二極管的光線能夠耦合到波導(dǎo)中，并且來(lái)自半導(dǎo)體激光二極管的光線和倍頻后的紫外光能夠被從波導(dǎo)耦合出去。根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法的優(yōu)點(diǎn)包括a)通過(guò)限制來(lái)自激光二極管的可見(jiàn)光和UV光沿著單晶薄膜倍頻波導(dǎo)，極大地提高了從可見(jiàn)光到深紫外光的轉(zhuǎn)變效率。由于是高品質(zhì)單晶并且在垂直于光束傳播方向的至少一個(gè)維度上具有小尺寸并且對(duì)可見(jiàn)光和UV光均具有小的吸收損耗，波導(dǎo)提供較高的效率。b)簡(jiǎn)化了波導(dǎo)制造過(guò)程并代替了對(duì)使用復(fù)雜離子注入和其它昂貴技術(shù)的需要。該制造方法也可以在尺寸上比 例放大到更大的波導(dǎo)尺寸。c)激光系統(tǒng)比現(xiàn)有的深UV激光器的成本更低、尺寸更小。d)同一光源提供可見(jiàn)激光束和UV激光束兩者，因此，裝置尺寸和功耗較低。e)從安全角度上說(shuō)，可見(jiàn)激光光束是特別有用的，因?yàn)樗?不像深UV光)對(duì)裸眼是可見(jiàn)的。f)深UV激光波長(zhǎng)在快速破壞細(xì)菌上高效、能強(qiáng)烈激發(fā)細(xì)菌熒光并且在污染的空氣和水中被強(qiáng)烈吸收。g)使用高度準(zhǔn)直并緊致聚焦的激光束可用于快速和有效處理，并從空氣中含有和水中含有的微生物獲得大的傳感信號(hào)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，一種用于提供紫外光的激光光源，包括半導(dǎo)體激光裝置，其構(gòu)造成發(fā)出可見(jiàn)光；及包括單晶薄膜的倍頻波導(dǎo)，所述波導(dǎo)光學(xué)地耦合到半導(dǎo)體激光裝置以接收其發(fā)出的可見(jiàn)光，倍頻波導(dǎo)構(gòu)造成將所接收的光的至少一部分轉(zhuǎn)變成紫外光，其中所述波導(dǎo)包括包括單晶非線性光學(xué)材料的倍頻區(qū)域；第一覆層區(qū)域，其包括對(duì)具有可見(jiàn)波長(zhǎng)的光線和紫外激光束基本透明的材料；及支撐基底；其中第一覆層區(qū)域設(shè)置在支撐基底和倍頻區(qū)域之間。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出形成用于生成紫外光線的倍頻波導(dǎo)的方法，所述波導(dǎo)包括倍頻區(qū)域，所述方法包括步驟在倍頻區(qū)域的表面上施加覆層區(qū)域，所述覆層區(qū)域包括對(duì)于具有可見(jiàn)波長(zhǎng)的光線以及紫外激光束大體上透明的材料；將覆層區(qū)域附連到基板；對(duì)倍頻區(qū)域研磨和拋光以形成單晶非線性光學(xué)材料薄膜；以及蝕刻該薄膜以形成脊型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提出形成用于生成紫外光線的倍頻波導(dǎo)的方法，所述波導(dǎo)包括倍頻區(qū)域，所述方法包括步驟在倍頻區(qū)域的表面上施加覆層區(qū)域，所述覆層區(qū)域包括對(duì)于具有可見(jiàn)波長(zhǎng)的光線以及紫外激光束大體上透明的材料；將覆層區(qū)域附連到基板；對(duì)倍頻區(qū)域研磨和拋光以形成單晶非線性光學(xué)材料薄膜；以及切割所述基底、覆層區(qū)域和倍頻區(qū)域以形成平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。為了實(shí)現(xiàn)上述及相關(guān)目的，于是本發(fā)明包括下面將完整描述并且在權(quán)利要求書中特別指出的特征。下面的詳細(xì)描述和附圖詳細(xì)的闡明了本發(fā)明的某些說(shuō)明性實(shí)施例。然而，這些實(shí)施例僅僅指出可以利用本發(fā)明的原理的各種方式中的幾種。在結(jié)合附圖考慮時(shí)，從下面對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述中，本發(fā)明的其它目的、優(yōu)點(diǎn)和新穎特征將變得顯而易見(jiàn)。本發(fā)明的技術(shù)效果根據(jù)本發(fā)明的裝置和方法能夠使用具有更長(zhǎng)的波長(zhǎng)，例如在400nm-560nm范圍內(nèi)的半導(dǎo)體激光二極管生成高頻深紫外線激光。這使得激光生成裝置能夠發(fā)射深紫外線光束以及可見(jiàn)光束。從安全的觀點(diǎn)來(lái)看，可見(jiàn)光束尤其有用，因?yàn)?不同于深紫外光)可見(jiàn)光束對(duì)裸眼是可見(jiàn)的。


圖1示出根據(jù)本發(fā)明的示例性紫外激光器的基本概念。圖2示出倍頻波導(dǎo)的示例性制造過(guò)程。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的示例性單晶薄膜倍頻平面波導(dǎo)。圖4示出根據(jù)本發(fā)明的示例性單晶薄膜倍頻脊形波導(dǎo)。圖5示出本發(fā)明同時(shí)提供的實(shí)際的激光器光輸出的例子。圖6為根據(jù)本發(fā)明的示例性紫外激光器的部件結(jié)構(gòu)的頂視圖。圖7示出用于本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的BBO單晶的取向。圖8為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的紫外激光器的部件結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖。圖9為用于本發(fā)明另一實(shí)施例的BBO單晶的取向。圖10為用于本發(fā)明還一實(shí)施例的BBO單晶的取向。圖11為用于本發(fā)明再一實(shí)施例的BBO單晶的取向。圖12為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的紫外激光器的部件結(jié)構(gòu)的頂視圖。圖13為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的紫外激光器的部件結(jié)構(gòu)的頂視圖。圖14為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的紫外激光器的部件結(jié)構(gòu)的頂視圖。圖15為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的紫外激光器的部件結(jié)構(gòu)的頂視圖。圖16為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的紫外激光器的部件結(jié)構(gòu)的頂視圖。圖17為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的紫外激光器的部件結(jié)構(gòu)的頂視圖。圖18為根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的紫外激光器的部件結(jié)構(gòu)的頂視圖。圖19為可見(jiàn)光激光二極管發(fā)出的光線的不同波長(zhǎng)U1)的近似優(yōu)選值Θ列表。圖20是六面晶胞(hexagonal unit cell)的不意圖不。圖21為顯示六面晶胞中的方向的示意圖示。圖22是BBO的六面晶胞中的原子的位置的示意圖示。對(duì)附圖標(biāo)記的描述 1.單晶BBO晶片
2. BBO晶片的第一拋光表面3.第一覆層材料4.支撐基底5.粘附層6.第二拋光表面7.第二覆層材料8.進(jìn)入面9.出射面10.單晶薄膜倍頻平面波導(dǎo)11.脊12.第三覆層材料13.單晶薄膜倍頻脊形波導(dǎo)14.發(fā)出可見(jiàn)光的半導(dǎo)體激光二極管15.單晶薄膜倍頻脊形波導(dǎo)16.透鏡17.非線性光學(xué)薄膜的厚度18.單晶薄膜倍頻波導(dǎo)的長(zhǎng)度19.單獨(dú)倍頻波導(dǎo)部件的寬度20.脊的高度21.脊的寬度22.單晶薄膜倍頻平面波導(dǎo)23.透鏡24.紫外波長(zhǎng)激光器25.垂直于第一拋光表面的平面的方向26.在例子5中用于相位匹配的優(yōu)選方向27.透鏡28.透鏡29.分束部件30. 二向色部件31.DBR/DFB 激光器32.溫度控制元件33.在波導(dǎo)周圍的密封殼34.到密封殼的進(jìn)入窗35.從密封殼來(lái)的出射窗36.容納激光二極管和波導(dǎo)的密封殼
具體實(shí)施例方式依照本發(fā)明的裝置是激光光源，其提供至少紫外光并優(yōu)選同時(shí)提供可見(jiàn)光和紫外光兩者。通過(guò)將從半導(dǎo)體激光裝置，諸如半導(dǎo)體激光二極管發(fā)出的可見(jiàn)激光光線倍頻來(lái)提供紫外波長(zhǎng)光線。利用采用單晶薄膜倍頻波導(dǎo)形式的非線性光學(xué)晶體實(shí)現(xiàn)倍頻。激光二極管發(fā)出可見(jiàn)光，其波長(zhǎng)λ工在400-560nm范圍內(nèi)。典型地,激光二極管發(fā)出的光線在很小的波長(zhǎng)范圍內(nèi)-例如離中心波長(zhǎng)±0. 5nm的范圍內(nèi)-但是為了方便起見(jiàn)，我們把發(fā)光看作是在單一波長(zhǎng)X1*出現(xiàn)。激光二極管發(fā)出的光線被光學(xué)耦合到單晶薄膜倍頻波導(dǎo)中。波長(zhǎng)X1的光線的一部分被轉(zhuǎn)變成倍頻光線，其波長(zhǎng)λ2= \J20例如，如果激光二極管發(fā)出的光線的波長(zhǎng)λ I = 500nm,倍頻后的管線的波長(zhǎng)λ 2 = 225nm,這對(duì)應(yīng)深紫外光。該裝置既發(fā)出一些由激光二極管發(fā)出的光線也發(fā)出一些倍頻光線。紫外光的輸出功率可以在從O. OlmW到500mW的范圍內(nèi)。圖2示出根據(jù)當(dāng)前發(fā)明的用于從合適的非線性光學(xué)單晶制造倍頻單晶薄膜波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的一般步驟。在該示例情況中，BBOW-BaB2O4)單晶被用作非線性光學(xué)單晶。然而，可以使用任何其它非線性光學(xué)單晶，只要它不會(huì)強(qiáng)烈吸收半導(dǎo)體激光二極管發(fā)出的在400nm和560nm之間的波長(zhǎng)λ :的光線， 并且不會(huì)強(qiáng)烈吸收在200nm到280nm范圍中的波長(zhǎng)為λ 2=λ ^2的倍頻光線。其它非線性光學(xué)晶體的例子包括氟代硼鈹酸鉀(KBe2BO3F2 ;KBBF)，焦硼酸鋰(Li2B4O7 ；LB4)，四硼酸銣鋰(LiRbB4O7 ；LRB4)以及氟化鋇鎂(MgBaF4)。不在該表中的其它非線性光學(xué)晶體也可以使用。替代地，從單晶或沉積在單晶上的準(zhǔn)相位匹配(QPM)倍頻材料也可以使用，只要它們不會(huì)強(qiáng)烈吸收波長(zhǎng)為入1和λ2的光線，例如可以使用QPM石英。優(yōu)選地，從非線性光學(xué)單晶制造的波導(dǎo)可以以長(zhǎng)相關(guān)長(zhǎng)度(至少1mm，最好至少20mm)提供倍頻。相關(guān)長(zhǎng)度L。，對(duì)倍頻來(lái)說(shuō)根據(jù)下式L。= A1^(Na2-Nai)定義，其中入1是激光二極管發(fā)出的光線的波長(zhǎng)，Νλ1是入射光(波長(zhǎng)X1)在其中傳播的波導(dǎo)模式的有效折射率，而Νλ2是倍頻光(波長(zhǎng)λ2= A1^)在其中傳播的波導(dǎo)模式的有效折射率。優(yōu)選地，用于倍頻的相關(guān)長(zhǎng)度大于倍頻波導(dǎo)的長(zhǎng)度。在本公開中，我們使用術(shù)語(yǔ)“相位匹配”來(lái)表示用于倍頻的相干長(zhǎng)度長(zhǎng)于波導(dǎo)的長(zhǎng)度的情況。步驟如下1.典型尺寸為9mmX9mmXO. 5mm(或者根據(jù)特定應(yīng)用的需要為其它尺寸)的商業(yè)可獲得的單晶BBO晶片I在其主表面之一(就是說(shuō)，兩個(gè)9mmX 9mm表面之一)上被機(jī)械研磨(lapped)和拋光到鏡狀平坦度。這被稱為第一拋光表面2。第一拋光表面的取向選擇為使得在波導(dǎo)制造完成時(shí)，波導(dǎo)將提供對(duì)半導(dǎo)體激光二極管發(fā)出的光線的相位匹配的倍頻。優(yōu)選地，第一拋光表面的取向選擇為使得，在波導(dǎo)制造完成時(shí)，在相位匹配的波導(dǎo)中的用于倍頻的非線性系數(shù)是從用于倍頻半導(dǎo)體激光二極管發(fā)出的光線的非線性晶體能夠得到的最大值?？梢垣@得具有帶適當(dāng)取向、平整度和光滑度的拋光表面的市售晶片。BBO應(yīng)該在干燥條件下存儲(chǔ)、加工和使用，因?yàn)樗行┪鼭瘛BO是相對(duì)柔軟的材料，因此必需小心以保護(hù)拋光的表面不被劃傷或沾上灰塵。I1.接下來(lái)利用合適的無(wú)水有機(jī)溶劑清潔拋光的BBO晶片以去除由于拋光工藝殘留的任何碎屑。在這里，BBO晶片的第一拋光表面可以用第一覆層材料(或多種材料)3涂覆，所述覆層材料對(duì)在隨后的操作期間將沿著波導(dǎo)傳播的光線(即，激光二極管發(fā)出的光線(波長(zhǎng)X1))和通過(guò)倍頻產(chǎn)生的光線(波長(zhǎng)λ2)來(lái)說(shuō)是透明或基本透明的。在獲得合適的材料以及核實(shí)在深UV激光波長(zhǎng)λ 2下的低吸收時(shí)要給予細(xì)致的考量，因?yàn)榻^大多數(shù)潛在覆層材料在深UV波長(zhǎng)下具有高的吸收。當(dāng)?shù)谝桓矊硬牧系南庀禂?shù)(k)對(duì)于波長(zhǎng)為A1和λ 2的光線來(lái)說(shuō)小于或等于O. 05時(shí)，第一覆層材料對(duì)波長(zhǎng)X1和λ 2的光線是透明或基本透明的。有選的，消光系數(shù)(k)對(duì)于波長(zhǎng)為入1和λ 2的光線小于O. 02。消光系數(shù)是量化材料對(duì)光線的透明度的參數(shù)。通過(guò)該材料的波長(zhǎng)為λ的光線的強(qiáng)度(I)根據(jù)公式I =I0exp (-4 ii xk/ λ )變化，其中χ是光線已經(jīng)傳播通過(guò)材料的距離而Itl是光線在χ = O處的強(qiáng)度。優(yōu)選地，在每種波長(zhǎng)入1和λ 2下，第一覆層材料的折射率(η)都小于非線性光學(xué)材料在相同波長(zhǎng)下的折射率。在雙折射非線性光學(xué)晶體的情況中，諸如ΒΒΟ，非線性光學(xué)材料在每種波長(zhǎng)下的相關(guān)折射率是考慮光線的偏振狀態(tài)，在最終波導(dǎo)中沿著相位匹配方向傳播的光線的折射率。對(duì)第一覆層材料的優(yōu)選選擇是在對(duì)波長(zhǎng)為λ 2的光線得到k < O. 02情況下，通過(guò)真空蒸發(fā)而沉積的氟化鎂(MgF2)，但是其它合適的材料包括CaF2、LaF3> AlF3> GaF3、NOA88 (由 NorlandProducts Inc 制造)、CYTOP (由 Asahi Glass Co. Ltd 制造)以及含氣聚合物。第一覆層材料3的厚度至少是IOOnm ;優(yōu)選為500nm。II1.接下來(lái)，利用粘附層5，BB0晶片被附接到例如純凈熔融硅(PFS)的支撐基底
4。如果之前BBO晶片的第一拋光表面上被涂覆有第一覆層材料，則該表面為粘合表面。如果之前未施加第一覆層材料，則對(duì)在后面的操作期間將沿著波導(dǎo)傳播的光線(波長(zhǎng)X1和入2)來(lái)說(shuō)是透明或基本透明的粘性覆層材料5被用于將第一拋光表面粘合到支撐基底上并稱為第一覆層材料。要特別小心以保證在深UV激光波長(zhǎng)λ 2下吸收較低，因?yàn)榻^大多數(shù)粘合劑在深UV波長(zhǎng)下具有高的吸收。對(duì)于波長(zhǎng)為入1和λ 2的光線，粘性覆層材料具有小于
O.05的消光系數(shù)(k),優(yōu)選該系數(shù)小于O. 02。優(yōu)選地,在每個(gè)波長(zhǎng)入1和入2下，第一覆層材料的折射率(η)均小于非線性光學(xué)材料在相同波長(zhǎng)下的折射率。在雙折射非線性光學(xué)晶體的情況中，諸如ΒΒ0，非線性光學(xué)材料在每個(gè)波長(zhǎng)下的相關(guān)折射率是考慮到光線的偏振狀態(tài)時(shí)，針對(duì)在最終波導(dǎo)中沿著相位匹配方向傳播的光線的折射率。合適的粘合劑的例子是NOA88 (由 NorlandProducts Inc 制造)、CYT0P (由 Asahi Glass Co. Ltd 制造)以及含氣聚合物。在粘合劑固化過(guò)程中可以使用合適的機(jī)械夾具將BBO晶片和PFS基底保持在一起，以保證粘合劑厚度在整個(gè)BBO表面上保持一致?？梢赃x擇支撐基底以在基底的平面中具有適當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)，該適當(dāng)?shù)臒崤蛎浵禂?shù)緊密地匹配非線性光學(xué)晶體的熱膨脹系數(shù)。

IV.接下來(lái)，粘合的BBO晶片的保持暴露的主表面被機(jī)械研磨和拋光以便將其整體厚度17 (看圖3和4)從O. 5mm減小到小于40 μ m的薄膜的厚度。這被稱為第二拋光表面6。BBO薄膜的厚度是第一拋光表面和第二拋光表面之間的距離，并且要沿著垂直于第一拋光表面的平面的距離測(cè)量。適于用于研磨和拋光的設(shè)備的例子有PP5拋光機(jī)和PM5精確研磨和拋光機(jī)器，兩者都由Logitech Ltd(UK)制造?？梢允褂貌Ａа心グ搴头稚⒃跓o(wú)水乙二醇中的9μπι氧化鋁(Al2O3)研磨顆粒實(shí)現(xiàn)機(jī)械研磨過(guò)程?？梢允褂谜归_的聚氨酯板和分散在無(wú)水乙二醇中的O. 3μπι氧化鋁(Al2O3)來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械拋光過(guò)程。最優(yōu)選地，最終BBO薄膜的厚度在Ιμπι和ΙΟμ 之間，但是任何小于40μπι的厚度均可提供本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)在在環(huán)境濕度低的情況下進(jìn)行機(jī)械研磨和拋光，以便使BBO暴露至空氣中的水汽的可能性最小。優(yōu)選地，環(huán)境的相對(duì)濕度小于30%。更優(yōu)選地，在完全無(wú)水的情況下進(jìn)行研磨和拋光；例如，在干燥氮?dú)獾臍怏w環(huán)境中。沿著光線在后面的操作期間將傳播通過(guò)薄膜的方向，得到的BBO單晶薄膜的厚度一定不能有明顯變化。如果該厚度明顯改變的話，則用于倍頻的相干長(zhǎng)度將會(huì)減小，而在薄膜波導(dǎo)中的倍頻效率會(huì)降低。沿著光線在后面的操作期間傳播通過(guò)波導(dǎo)的方向，BBO單晶薄膜的厚度優(yōu)選的變化小于2 μ m,更優(yōu)選地，沿著該方向所述厚度的變化小于O.1 μ m。V.接下來(lái)使用合適的純凈的無(wú)水有機(jī)溶劑來(lái)清潔第二拋光表面以去除在拋光過(guò)程中殘留的任何碎屑。在這一階段第二覆層材料7可以沉積在第二拋光表面上。該第二覆層材料應(yīng)該滿足同樣的要求如上所述那樣在選擇第一覆層材料時(shí)的要求，對(duì)波長(zhǎng)為λ i和λ 2的光線是透明或接近透明的。優(yōu)選地，所述第二覆層材料對(duì)波長(zhǎng)入1和入2下的折射率(η)還應(yīng)該滿足和如上所述對(duì)第一覆層材料所提出的相同的要求。對(duì)第二覆層材料來(lái)說(shuō)MgF2是優(yōu)選選擇，但是其它適當(dāng)材料包括那些列在上面的作為用于第一覆層材料的可用選擇的那些材料。第二覆層材料可提供對(duì)BBO單晶薄膜的保護(hù)，以避免在后面的操作以及對(duì)薄膜的處理期間空氣中的水汽造成損害?，F(xiàn)在可以加工BBO單晶薄膜以形成倍頻平面波導(dǎo)(在圖3中概略地示出；下面的步驟VI至VII)或者形成倍頻脊形波導(dǎo)(在圖4中概略地示出；下面的步驟VIII至XI)。V1.為了制造倍頻平面波導(dǎo)，現(xiàn)在在單晶薄膜的邊緣上拋光幾個(gè)面，從而光線可以耦合進(jìn)入和離開波導(dǎo)。進(jìn)入面8被拋光，從而來(lái)自半導(dǎo)體激光二極管的光線(波長(zhǎng)X1)可以耦合到波導(dǎo)中。出射面9被拋光從而波長(zhǎng)λ ^勺光線以及波長(zhǎng)λ 2的倍頻光線可以耦合離開波導(dǎo)。拋光這些面使其取向讓來(lái)自半導(dǎo)體激光二極管的光線能夠被耦合到倍頻平面波導(dǎo)中，從而光線沿著提供相位匹配的倍頻的薄膜的平面中的方向傳播。例如，進(jìn)入面和出射面可以被拋光成使得所述垂直于所述面的平面的方向大體平行于所述相位匹配方向。在進(jìn)入面和出射面之間的距離，沿相位匹配的方向測(cè)量，將限定薄膜平面波導(dǎo)的長(zhǎng)度(圖3)。可以用展開的聚氨酯拋光板和分散在無(wú)水乙二醇中的O. 3μπι氧化鋁(Al2O3)研磨劑來(lái)拋光進(jìn)入面和出射面?？蛇x地，被拋光的邊緣面的一個(gè)或兩者均可用抗反射涂層涂覆或者不涂覆。在進(jìn)入面上的抗反射涂層設(shè)計(jì) 成提高來(lái)自半導(dǎo)體激光二極管(波長(zhǎng)X1)的光線到波導(dǎo)中的透射。在出射面上的涂層設(shè)計(jì)成提高倍頻光(波長(zhǎng)λ2)離開波導(dǎo)的透射。作為合適的抗反射涂層的一個(gè)例子，可將單層MgF2沉積到能最大化相關(guān)波長(zhǎng)的透射的受控厚度(例如，“四分之一波長(zhǎng)”涂層)。VI1.最終，晶片被切成多個(gè)薄膜倍頻平面波導(dǎo)部件10，每個(gè)部件都適于用在UV激光裝置中。優(yōu)選地，要形成倍頻脊形波導(dǎo)而非倍頻平面波導(dǎo)。對(duì)于倍頻脊形波導(dǎo)的制造，并不執(zhí)行步驟(VI)和(VII)而是執(zhí)行步驟VIII到XI。在圖4中示出脊11的幾何形狀。來(lái)自半導(dǎo)體激光二極管的光線將被限制在脊中并在最終裝置的操作中沿著脊的方向傳播。因此，脊的方向被選擇成使得，來(lái)自半導(dǎo)體激光二極管(波長(zhǎng)X1)的光線將沿著提供相位匹配的倍頻的薄膜中的方向傳播，以產(chǎn)生波長(zhǎng)為λ2= λ i/2的倍頻光線。另外參考圖4，沿著垂直于第二拋光表面的平面的方向測(cè)量脊20的高度。沿著垂直于所述高度的方向并且垂直于脊行進(jìn)所沿的方向的方向來(lái)測(cè)量脊21的寬度。脊的高度選擇為至少O.1 μ m并小于20 μ m。優(yōu)選地，所述高度在0.5 μ m-3 μ m的范圍中。脊的寬度選擇為至少I μ m并小于40 μ m。優(yōu)選地,所述寬度在4 μ m-10 μ m的范圍中?？梢允褂脦追N不同的方法在BBO的頂表面中提供脊11。在步驟VIII中描述方法的一個(gè)示例。VII1. PMMA薄膜(例如厚度為60nm)被沉積在BBO表面上。光阻劑(例如AZ5214E)被沉積在PMMA層上。利用標(biāo)準(zhǔn)光刻技術(shù)和蝕刻在光阻劑上形成圖案，從而光阻劑/PMMA雙層在需要BBO脊處被完全移除。接下來(lái)，蝕刻掩模材料被沉積到頂表面上，沉積厚度大于IOOnm0優(yōu)選地，這種蝕刻掩模材料應(yīng)該滿足如上所述和選擇第一覆層材料一樣的要求，即，對(duì)波長(zhǎng)入1和λ 2的光線透明或接近透明。優(yōu)選地，在波長(zhǎng)入1和λ 2處的折射率(η)方面，該蝕刻掩模材料也應(yīng)該滿足和如上所述對(duì)第一覆層材料相同的要求。通過(guò)真空蒸發(fā)沉積的MgF2是用于蝕刻掩模材料的優(yōu)選選擇。利用丙酮的卸除溶劑過(guò)程，然后被用于去除PMMA/光阻劑雙層，由此在BBO表面上留下蝕刻掩模材料條。干蝕刻過(guò)程，例如氬離子等離子體蝕亥IJ，然后被用于去除在蝕刻掩模材料條之間的區(qū)域中的ΒΒ0，直到BBO脊呈現(xiàn)目標(biāo)脊高度?？蛇x地，現(xiàn)在可以使用蝕刻工序?qū)⑽g刻掩模材料從脊的表面去除。在去除蝕刻掩模材料以后，得到的脊形結(jié)構(gòu)在圖4中示出。IX.在該階段，第三覆層材料12可以沉積在晶片的頂部上以涂覆干蝕刻步驟中暴露的脊側(cè)壁和被蝕刻的表面這兩者。第三覆層材料應(yīng)該滿足如上所述和選擇第一覆層材料一樣的要求即，對(duì)波長(zhǎng)入1和λ 2的光線透明或基本透明。優(yōu)選地，在波長(zhǎng)入1和λ2處的折射率(η)方面，該第三覆層材料也應(yīng)該滿足和如上所述對(duì)第一覆層材料相同的要求。MgF2是用于第三覆層材料的優(yōu)選選擇。第三覆層材料可以提供對(duì)BBO單晶薄膜的保護(hù)，防止在后面的波導(dǎo)的搬運(yùn)、加工和操作期間空氣中的水汽造成損害。第三覆層材料也可以減小光線沿脊形波導(dǎo)傳播的散射損失。X.接下來(lái)，面被拋光在蝕刻的單晶薄膜的邊緣上，從而光線可以被耦合進(jìn)入和離開脊形波導(dǎo)。進(jìn)入面8被拋光從而來(lái)自半導(dǎo)體激光二極管的光線(波長(zhǎng)X1)可以被耦合到脊形波導(dǎo)。出射面9被拋光從而波長(zhǎng)λ i的光線和波長(zhǎng)λ 2的倍頻光線可以被耦合離開脊形波導(dǎo)。拋光所述面使其取向讓來(lái)自半導(dǎo)體激光二極管的光線被耦合到倍頻脊形波導(dǎo)中，從而光線沿脊形波導(dǎo)傳播。例如，可以拋光進(jìn)入面和出射面從而垂直于面的平面的方向大致平行于脊的方向。在進(jìn)入面和出射面之間的距離，其沿著脊的方向測(cè)量，將限定薄膜脊形波導(dǎo)18的長(zhǎng)度?？梢允褂谜归_的聚氨酯拋光板和分散在無(wú)水乙二醇中的氧化鋁(Al2O3)研磨劑來(lái)拋光進(jìn)入面和出射面?？蛇x地，拋光的邊緣面的一個(gè)和兩者可以用抗反射涂層涂覆或者不涂覆。在進(jìn)入面 上的抗反射涂層設(shè)計(jì)成提高來(lái)自半導(dǎo)體激光二極管的光線(波長(zhǎng)A1)到波導(dǎo)中的透射。在出射面上的涂層設(shè)計(jì)成提高倍頻光(波長(zhǎng)λ2)離開波導(dǎo)的透射。作為合適的抗反射涂層的例子，單層MgF2被沉積到能夠使相關(guān)波長(zhǎng)的透射最大化的受控厚度(例如“四分之一波長(zhǎng)”涂層)。X1.最終，晶片被切成多個(gè)薄膜倍頻脊形波導(dǎo)部件13，每個(gè)部件適于用在UV激光裝置中。激光二極管發(fā)出的光線(波長(zhǎng)X1)被耦合到平面波導(dǎo)10和脊形波導(dǎo)13的進(jìn)入面8中，從而入射光在波導(dǎo)模式下傳播通過(guò)提供相位匹配的光線倍頻的非線性材料。在平面波導(dǎo)的情況中，在第一拋光表面和第二拋光表面之間以及在進(jìn)入面和出射面之間的非線性光學(xué)材料，構(gòu)成波導(dǎo)的倍頻區(qū)域。在脊形波導(dǎo)的情況中，在第一拋光表面和蝕刻的脊之間以及在進(jìn)入面和出射面之間的非線性光學(xué)材料，構(gòu)成波導(dǎo)的倍頻區(qū)域。沿著脊形波導(dǎo)的波導(dǎo)模式傳播的光線限制在緊挨脊的下面及其附近(當(dāng)其在進(jìn)入面和出射面之間通過(guò)時(shí))，該區(qū)域構(gòu)成波導(dǎo)的倍頻區(qū)域。單晶薄膜倍頻波導(dǎo)將一部分入射光轉(zhuǎn)變成波長(zhǎng)為λ2 =波長(zhǎng)λ Jl的倍頻光。波長(zhǎng)λ i和λ 2的光線通過(guò)出射面9行進(jìn)離開波導(dǎo)。
在圖5中的圖表示出從根據(jù)當(dāng)前發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例制造的深UV激光裝置發(fā)出的光線的光譜。在圖5(a)中的圖表示出激光二極管發(fā)出的可見(jiàn)光光譜在圖5(b)中的圖表示出倍頻的紫外光的光譜(λ2 208nm)。本發(fā)明相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)提供幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)。使用發(fā)出可見(jiàn)光的激光二極管和單晶薄膜倍頻波導(dǎo)可以以低成本和小尺寸提供深UV激光光源。單晶薄膜倍頻波導(dǎo)的制造，其被具有低吸收損耗的一種和更多種材料包覆，從大塊單晶開始并利用了掩模和拋光工藝，提供了一種獲得高品質(zhì)的對(duì)于深UV光線產(chǎn)生具有高效率的單晶波導(dǎo)的路徑。尤其是，與利用離子注入制造倍頻波導(dǎo)并且不使用低吸收覆層有關(guān)的缺點(diǎn)，得以克服。深UV光可以聚焦到小光斑或者聚焦成準(zhǔn)直光束，而不像現(xiàn)有的低成本深UV光源諸如汞燈和LED那樣。示例 I現(xiàn)在描述本發(fā)明的第一實(shí)施例。在圖6中示出的激光裝置24，包括產(chǎn)生波長(zhǎng)A1(在400-560nm范圍內(nèi))的可見(jiàn)激光的半導(dǎo)體激光二極管14，所述光線被耦合到采用單晶薄膜脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)15形式的BBO倍頻晶體中。λ j優(yōu)選在410nm到460nm的范圍內(nèi)。利用一個(gè)和更多透鏡16將光線從激光二極管14耦合到波導(dǎo)15，所述透鏡收集激光二極管14發(fā)出的光線并將光線聚焦到波導(dǎo)15中。優(yōu)選地，進(jìn)入波導(dǎo)的光線的主導(dǎo)偏振具有垂直于BBO晶體(例如，單晶非線性光學(xué)材料)和第一覆層之間的界面的電場(chǎng)。來(lái)自半導(dǎo)體激光二極管的可見(jiàn)光的一部分在波導(dǎo)中被倍頻以產(chǎn)生波長(zhǎng)λ2= λ/2的光線。可見(jiàn)激光束和紫外激光束兩者同時(shí)從倍頻波導(dǎo)結(jié)構(gòu)發(fā)出。根據(jù)在上面的步驟I到IV和VIII到XI中描述的方法來(lái)制造BBO單晶薄膜倍頻脊形波導(dǎo)。其中在上面的描述中還沒(méi)有描述清楚的具體細(xì)節(jié)如下在步驟I中，典型尺寸為9mmX9mmX0. 5mm(或者特定應(yīng)用所需要的其它尺寸)的單晶BBO χ切口晶片I被用作非線性光學(xué)單晶。X切口 BBO晶片具有離垂直于它們的主表面(即所述9mmX9mm表面)的方向`小于5°的BBO < 2-1-10 >晶體方向，并且具有位于它們的主表面內(nèi)的BB0
晶體方向。第一拋光表面2的平面離BBO晶體的{-12-10}晶格平面的平行方向小于5° (優(yōu)選為0° )。在晶體方向和BBO晶片I的第一拋光表面2之間的大致關(guān)系在圖7中示出?？梢垣@得市售BBO晶片，其中{-12-10}平面已經(jīng)被拋光到足夠的平整度和光滑度。在本公開中，BBO中的晶體方向根據(jù)在此解釋的現(xiàn)有技術(shù)中使用的傳統(tǒng)來(lái)描述。BBO晶體結(jié)構(gòu)可以使用現(xiàn)有技術(shù)中已知的六面晶胞(hexagonal unit cell)(例如，參見(jiàn)International Centre for Diffraction DataPowder Diffraction File 01-080-1489)。六面晶胞的邊緣由彼此形成120度的兩個(gè)共面軸線和a2以及沿垂直于包含和a2的平面的方向的第三軸線C1來(lái)限定。六面晶胞邊緣的長(zhǎng)度(也已知為晶格參數(shù))為沿軸線B1和a2的a以及沿軸線C1的C。六面晶胞的圖示描述在附圖20中示出。六面晶胞中的晶體方向可以使用四個(gè)指數(shù)向量符號(hào)(UVJW)進(jìn)行描述，如在第三版“Elements of X-ray Diffraction”(B. D. Cullity and S. R. Stock)中所解釋的。在此符號(hào)中，U是基本向量的倍數(shù)，V是基本向量a2的倍數(shù)；J是基本向量a3的倍數(shù)，W是基本向量C1的倍數(shù)。由此,符號(hào)[UVJM]表不向量方向UajVajjajWc1?；鞠蛄縜3被限定為a3 = -(ai+a2)。符號(hào)[UVJM]表示晶體中的方向。符號(hào)< UVJM >表示方向[UVJM]或由于六面晶體結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性的對(duì)稱等效于方向[UVJM]的另一方向。
例如，晶體中平行于軸線B1的方向可以由U = 2，V = -1，J = -1以及W = O來(lái)描述，或者由符號(hào)[2-1-10]等效表示。在晶體中存在其他方向，其對(duì)稱等效于[2-1-10]方向。這些其他方向包括[11-20]、[-12-10]、[-2110]、[-1-120]以及[1-210]。符號(hào)< 2-1-10>表示方向[2-1-10]、[11-20]、[-12-10]、[-2110]、[-1-120]以及[1-210]中的任一方向。作為第二示例，平行于軸線Cl的方向可以由U = O, V = O, J = O以及W = I來(lái)描述，或由符號(hào)
等效表示。符號(hào)< 0001 >表示方向
以及
中的任一個(gè)。作為第三示例，與< 0001 >方向以及< 2-1-10 >方向均成90度的方向可以由U=O, V = I, J = -1以及W = O來(lái)描述,或由符號(hào)
等效表示。在晶胞中存在其他方向，其對(duì)稱等效于
方向。這些其他方向包括[-1100]、[-1010]、
、[1-100]以及[10-10]。符號(hào)< 01-10 >表示方向
、[-1100]、[-1010]、
、[1-100]以及[10-10]中的任一方向。在圖21中示出了顯示在沿< 0001 >方向看的六面晶胞中的方向的示意圖示。六面晶胞中的晶格平面可以使用四個(gè)布拉菲米耳指數(shù)(hkil)來(lái)描述，其對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員是已知的(參加，例如第三版“Elements of X-rayDiffraction”(B.D. Cullity and S. R. Stock))。符號(hào)(hkil)表示晶體中具有布拉菲米耳指數(shù)h、k、1、l的平面的取向。符號(hào){hkil}表示晶體中的在與平面(hkil)對(duì)稱等效的平面的取向。例如，符號(hào){-12-10}表示對(duì)稱等效于具有布拉菲米耳指數(shù)h = -l、k = 2、i = _1、1 = O的平面的平面的取向。這些對(duì)稱等效的平面包括(2-1-10)、(11-20)、(-12-10)、(-2110)、(-1-120)以及(1-210)。作為第二示例，符號(hào){1-100}表示對(duì)稱等效于具有布拉菲米耳指數(shù)h= l、k =-1、i = 0、1 = O的平面的平面的取向 。這些對(duì)稱等效平面包括(10-10)、(-1100)、(-1010)、(0-110)、(1-100)以及(10-10)。BBO晶體結(jié)構(gòu)的六面晶胞在室溫下具有為12.53A以及c 12.73A的晶格參數(shù)。圖22顯示了 roo的六面晶胞中的原子的位置的示意性圖示。該圖顯示了沿< 0001 >方向看的晶胞。單個(gè)晶胞中的鋇、鵬以及氧原子的投影位置分別顯示為圓形、方形和三角形。圖22中示出的原子的位置是示意性的(大致的)。BBO晶體中的方向，例如< 2-1-10 >方向，可以使用X射線衍射測(cè)量來(lái)確定。在步驟II中,通過(guò)真空蒸發(fā)沉積的300nm厚的MgF2層被用作第一覆層。選擇MgF2的沉積條件以保證MgF2的消光系數(shù)(k)和折射率(η)滿足在上面步驟II中描述的條件。在步驟III中，第一覆層表面被附接到尺寸為IOmmX IOmmX Imm的UV熔融娃支撐基底4。Ν0Α88 (由Norland Products Inc制造)被用作粘合層5。粘合層的厚度優(yōu)選為大約 2 μ m。在步驟IV中，利用研磨和拋光，將BBO單晶17的厚度減小到40 μ m。優(yōu)選地，該厚度小于10 μ m并且最好該厚度為大約4 μ m。沿著在后面的操作期間光線傳播通過(guò)波導(dǎo)的方向，BBO單晶薄膜的厚度優(yōu)選的變化小于0.1 μ m。 在步驟VIII中，厚度300nm的MgF2層被用作蝕刻掩模材料。選擇MgF2沉積條件以保證MgF2的消光系數(shù)(k)和折射率(η)滿足在上面步驟II中描述的條件。利用氬離子在感耦等離子體蝕刻工具蝕刻ΒΒ0。脊的寬度小于40 μ m。優(yōu)選地，脊的寬度小于10 μ m，最好脊的寬度為大約4 μ m。脊的高度為至少0. 5 μ m并優(yōu)選在0. 5 μ m到3 μ m的范圍內(nèi)，最好是大約2 μ m。脊的方向選擇為使得對(duì)于半導(dǎo)體激光二極管發(fā)出的傳播通過(guò)得到的脊形波導(dǎo)的光線來(lái)說(shuō)，滿足相位匹配。在脊和BBO晶體中的
方向之間的角度(Θ)取決于半導(dǎo)體激光二極管的波長(zhǎng)。圖19提供對(duì)于半導(dǎo)體激光二極管發(fā)出的光線的一些可能的波長(zhǎng)(A1)的Θ的近似值的說(shuō)明性優(yōu)選例子的列表。對(duì)于半導(dǎo)體激光二極管的任何波長(zhǎng)X1 (測(cè)量單位nm)，可用于計(jì)算優(yōu)選Θ值(測(cè)量單位度)的近似現(xiàn)象學(xué)等式為
權(quán)利要求
1.一種用于提供紫外光的激光光源，包括 半導(dǎo)體激光裝置，其構(gòu)造成發(fā)出可見(jiàn)光；及 包括單晶薄膜的倍頻波導(dǎo)，所述波導(dǎo)光學(xué)耦合到半導(dǎo)體激光裝置以接收半導(dǎo)體激光裝置發(fā)出的可見(jiàn)光，倍頻波導(dǎo)構(gòu)造成將所接收的光的至少一部分轉(zhuǎn)變成紫外光，其中所述波導(dǎo)包括 包括單晶非線性光學(xué)材料的倍頻區(qū)域； 第一覆層區(qū)域，包括對(duì)具有可見(jiàn)波長(zhǎng)的光線和紫外激光束基本透明的材料；及 支撐基底； 其中第一覆層區(qū)域設(shè)置在支撐基底和倍頻區(qū)域之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光光源，其中半導(dǎo)體激光裝置構(gòu)造成發(fā)出波長(zhǎng)在400nm和560nm之間的可見(jiàn)光，轉(zhuǎn)變的紫外光的波長(zhǎng)在200nm和280nm之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，其中單晶非線性光學(xué)材料的厚度小于40μ m,第一覆層的厚度大于lOOnm。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的激光光源，其中單晶非線性光學(xué)材料包括BB0，厚度小于40 μ m的單晶非線性光學(xué)材料的厚度所沿著的方向離< 2-1-10 > BBO晶體方向小于5°。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的激光光源，其中單晶薄膜包括形成單晶薄膜的主表面的至少一個(gè)拋光表面，且所述BBO晶體方向不平行于所述至少一個(gè)拋光表面的平面。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，其中所述單晶非線性材料包括ΒΒ0，且垂直于BBO晶片的第一拋光表面的平面的方向在離BBO晶體的
方向的α = (90- Θ ) °角度的3°以內(nèi)，其中Θ > 35°。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，其中所述單晶非線性材料包括ΒΒ0，且垂直于BBO晶片的第一拋光表面的平面的方向在離BBO晶體的
方向的α = (90- Θ ) °角度的3°以內(nèi)，其中測(cè)量單位為度的Θ通過(guò)下式根據(jù)半導(dǎo)體激光源的測(cè)量單位為nm的波長(zhǎng)入i限定 Θ = α 5 λ J5+ α 4 λ J4+ α 3 λ J3+ α 2 λ J2+ a J λ Α α 0 ; 其中當(dāng) 410nm ^ λ ! < 411nm 時(shí)，a5 = O ；a4 = 0. 188102808664553 ；a3=-309. 194840804581 ；a2 = 190590. 522011723 ；&1 = -52214207.6963821 ；a0 =5364240308. 25265 ； 當(dāng) 411nm ( \ 440nm 時(shí)，a5 = -0. 000001760705106 ；a4 = 0.00377476277753 ；a3 = -3. 23698468941742 ；a2 = 1387. 88016707932 ；&1 = -297527. 230809678 ；a0 =25512902. 6041867 ;以及當(dāng) 440nm < 560nm 時(shí)，a5 = -0. 000000000333886 ；a4 = 0. 000000873625719 ；a2 = -0. 000916331528884 ；a2 = 0. 482130839856291 ；&1 = -127. 52288219078 ；a0 =13654.8448727922。
8.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，其中單晶非線性光學(xué)材料包括偏硼酸鋇(BBO)、氟代硼鈹酸鉀、焦硼酸鋰、四硼酸銣鋰以及氟化鋇鎂中的至少一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，其中單晶非線性光學(xué)材料是準(zhǔn)相位匹配倍頻材料。
10.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，其中波導(dǎo)構(gòu)造成以Imm和20mm之間的相干長(zhǎng)度提供倍頻。
11.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，其中波導(dǎo)構(gòu)造成所提供的用于倍頻的相干長(zhǎng)度大于波導(dǎo)的長(zhǎng)度。
12.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，其中進(jìn)入波導(dǎo)的光線的主導(dǎo)偏振具有垂直于單晶非線性光學(xué)材料和第一覆層之間的界面的電場(chǎng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，其中進(jìn)入波導(dǎo)的光線的主導(dǎo)偏振具有平行于單晶非線性光學(xué)材料和第一覆層之間的界面的電場(chǎng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，還包括光學(xué)布置在半導(dǎo)體激光裝置和波導(dǎo)之間的至少一個(gè)透鏡，所述至少一個(gè)透鏡構(gòu)造成收集從半導(dǎo)體激光裝置發(fā)出的光線并將所收集的光線聚焦到波導(dǎo)中。
15.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，其中來(lái)自激光裝置的光線被直接耦合到波導(dǎo)。
16.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，其中波導(dǎo)包括倍頻脊形波導(dǎo)。
17.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，其中波導(dǎo)包括倍頻平面波導(dǎo)。
18.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，其中波導(dǎo)包括倍頻平面波導(dǎo)和倍頻脊形波導(dǎo)中的至少一種，且其中單晶薄膜包括具有主表面的BBO，BBO < 01-10 >晶體方向離垂直于所述主表面的方向小于5度，BB0
晶體方向處于所述主表面的平面中。
19.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，還包括二向色部件，其構(gòu)造成減小半導(dǎo)體激光裝置發(fā)出的光線的波長(zhǎng)范圍。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的激光光源，還包括分束部件，其構(gòu)造成將倍頻的紫外光與半導(dǎo)體激光裝置發(fā)出的光線分開。
21.根據(jù)權(quán)利要求19所述的激光光源，其中二向色部件包括下述部件的至少一個(gè) 衍射光柵，其取向?yàn)槭沟脕?lái)自光柵的衍射光束沿著與從半導(dǎo)體激光裝置發(fā)出的光線相同的路徑返回，以及 對(duì)不同波長(zhǎng)的光線具有不同反射率的鏡。
22.根據(jù)權(quán)利要求19所述的激光光源，其中二向色部件是下述情況的至少一種 光學(xué)耦合到波導(dǎo)的輸出端， 光學(xué)布置在半導(dǎo)體激光裝置和波導(dǎo)之間，以及 布置成將光線反饋到半導(dǎo)體激光裝置的面內(nèi)。
23.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，其中半導(dǎo)體激光裝置包括一體集成到半導(dǎo)體激光裝置中的周期性結(jié)構(gòu)，所述周期性結(jié)構(gòu)構(gòu)造成讓從半導(dǎo)體激光裝置發(fā)出的光線包括比從法布里-珀羅激光二級(jí)管發(fā)出的光線更小的波長(zhǎng)范圍。
24.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，還包括耦合到半導(dǎo)體激光裝置的溫度控制元件，所述溫度控制元件構(gòu)造成改變半導(dǎo)體激光裝置的溫度。
25.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，其中半導(dǎo)體激光裝置和波導(dǎo)的至少一個(gè)被裝在密封封裝中，可見(jiàn)光和紫外光通過(guò)封裝的透明窗區(qū)域發(fā)出。
26.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，其中第一覆層區(qū)域包括從由MgF2、CaF2、LaF3、A1F3、GaF3> N0A88、CYTOP和含氟聚合物組成的材料組中選出的材料。
27.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，其中覆層區(qū)域在可見(jiàn)光和紫外光兩者波長(zhǎng)下都具有小于O. 05的消光系數(shù)(k)。
28.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，其中所述光源的紫外功率輸出在O.OlmW和500mW之間。
29.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，其中激光光源構(gòu)造成既發(fā)出紫外光也發(fā)出可見(jiàn)光。
30.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的激光光源，其中半導(dǎo)體激光裝置是半導(dǎo)體激光二極管。
31.一種形成用于產(chǎn)生紫外光的倍頻波導(dǎo)的方法，所述波導(dǎo)包括倍頻區(qū)域，所述方法包括 施加覆層區(qū)域到倍頻區(qū)域的表面，所述覆層區(qū)域包括對(duì)具有可見(jiàn)光波長(zhǎng)的光線和紫外激光束基本透明的材料； 附接覆層區(qū)域到基底上； 研磨和拋光倍頻區(qū)域以形成單晶非線性光學(xué)材料薄膜；及 蝕刻所述薄膜以形成脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
32.—種形成用于產(chǎn)生紫外光的倍頻波導(dǎo)的方法，所述波導(dǎo)包括倍頻區(qū)域，所述方法包括 施加覆層區(qū)域到倍頻區(qū)域的表面，所述覆層區(qū)域包括對(duì)具有可見(jiàn)光波長(zhǎng)的光線和紫外激光束基本透明的材料； 附接覆層區(qū)域到基底上； 研磨和拋光倍頻區(qū)域以形成單晶非線性光學(xué)材料薄膜；以及 切割所述基底、覆層區(qū)域以及倍頻區(qū)域以形成平面波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。
33.根據(jù)權(quán)利要求31或32所述的方法，其中蝕刻所述薄膜包括利用由與第一覆層相同的材料制成的蝕刻掩模層。
34.根據(jù)權(quán)利要求33所述的方法，其中利用由與第一覆層相同的材料制成的蝕刻掩模層包括保留蝕刻掩模層在脊形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的頂部上作為頂部涂覆層。
35.根據(jù)權(quán)利要求31或32所述的方法，其中形成單晶非線性光學(xué)材料包括由偏硼酸鋇(BBO)形成所述單晶非線性光學(xué)材料。
全文摘要
本發(fā)明為紫外激光器光源和形成用于生成紫外光的倍頻波導(dǎo)的方法，公開了一種激光裝置，其提供至少紫外激光束，并優(yōu)選提供紫外激光束和可見(jiàn)激光束兩者。激光裝置包括半導(dǎo)體激光裝置(例如，激光二極管)以產(chǎn)生可見(jiàn)激光，所述可見(jiàn)激光被耦合到采用單晶薄膜倍頻波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的倍頻晶體中。單晶薄膜倍頻波導(dǎo)將激光二極管發(fā)出的可見(jiàn)光的一部分轉(zhuǎn)變成紫外光?？梢?jiàn)光和紫外激光均從波導(dǎo)發(fā)出。作為例子，單晶薄膜倍頻波導(dǎo)包括由β-BaB2O4(β-BBO)構(gòu)成的倍頻晶體區(qū)域、由對(duì)紫外激光光束的波長(zhǎng)透明和接近透明的材料構(gòu)成的覆層區(qū)域，以及由任意材料構(gòu)成的支撐基底。
文檔編號(hào)G02F1/377GK103064228SQ20121040109
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2012年10月19日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月21日
發(fā)明者蒂姆·斯密頓, 斯圖爾特·胡帕, 愛(ài)德華·安德魯·伯爾德曼, 羅賓·馬克·科爾 申請(qǐng)人:夏普株式會(huì)社