專利名稱：激光晶體和非線性晶體的封裝方法及其在二極管泵浦固態激光器中的應用的制作方法
技術領域：
本發明涉及將激光晶體和基于準相位匹配(QPM)技術的光學非線性晶體封裝在一起的方法，該方法能夠用于產生從紫外(UV)到中紅外(mid-IR)波長范圍的光。
背景技術：
很多激光器可利用二極管泵浦固態(DPSS)激光器和倍頻技術來構建，其中包括激光晶體和非線性晶體。如圖I所示，通常DPSS激光器系統需要有泵浦激光二極管1(例如，以808nm激射(Iasing)的半導體激光二極管)、GRIN透鏡2、激光晶體3 (例如，摻釹釩酸釔)、非線性晶體4 (即倍頻部件)和耦合鏡5。如圖1(a)所示，激光晶體和非線性晶體的面適當地涂覆有高反射(HR)膜或抗反射(AR)膜，使得基頻光被限制在激光腔內，而SHG光被有效地耦合出激光腔外。非線性晶體起到二次諧波發生器(SHG)或倍頻器的作用。為了實 現高效率的SHG，需要滿足相位匹配條件。通常通過選擇光束進入非線性晶體的適當的入射角和偏振角(即相位匹配角)來實現相位匹配(PM)，使得1^,。-11吣=0或其中η2ω，。、η2ω；ε> ηω；0和ηω，ε分別是尋常光束和非尋常光束在SH (secondharmonic)光和基頻光的折射率。相位匹配也可以通過采用準相位匹配(QPM)技術來實現，其中沿著光傳播方向形成周期性疇反轉光柵以滿足QPM條件。通過采用激射波長為808nm的泵浦激光二極管來泵浦激光晶體(即摻釹fL酸釔)，在激光腔內產生波長為λ (即1064nm)的基頻光。如果滿足PM或QPM條件，則能高效地產生波長為λ/2 (即532nm)的二次諧波光。該疇反轉光柵的周期Λ由QPM條件(B卩，2(η2ω-ηω) = λ / Λ，其中η2ω和ηω分別為SH光和基頻光的折射率)決定。為了實現高效率的激光器操作，適當地對激光晶體和非線性晶體的表面進行涂覆。為了有效地去掉激射過程中所產生的熱，通常所有的部件都安裝在銅支架10上。事實上，以上描述的采用結合型非線性晶體的技術是眾所周知的，并且已經在很多文獻中公開，例如如圖1(a)所示，以上提到的具有分立部件的激光器系統具有以下缺點。首先，在激光器中含有太多的部件，這會增加激光器的成本。其次，難以將這些部件對準(尤其是難以實現輸入激光晶體和非線性晶體的輸出面的高度平行性)，因此增加了激光器的組裝成本并降低了激光器的性能。事實上，以上描述的采用結合型非線性晶體的技術是眾所周知的，并且已經在很多文獻中公開，例如美國專利第5，365，359號，1994年11月15日，Mooradian等人，“Microchip laser” ；PCT / US94/09393, 1994 年 8 月 22 日，Hargis 等人，“Deep blue microlaser” ；PCT/EP97/05241, 1996 年 9 月 27 日，Nagele 等人，“Frequency-doubling diode-pumped so I id-state laser Y. Fan 等人，“EfficientGaAlAs diode-laser-pumped operation ofNd:YLF at I.047 μ m with intracavitydoubling to 532. 6nm”，OpticsLetters，第 11 卷，第 204 頁(1986) ;T. Ypkoyama 等人，“Compact andHighly Efficient Intracavity SHG Green Light Source with WideOperationTemperature Range Using Periodically Poled Mg:LiNb03”，The ReviewofLaser Engineering,補充卷，第 1046 頁(2008) ;A. Harada 等人，“Intracavityfrequency doubling of a diode-pumped 946-nm Nd:YAG laserwith bulk periodicallypoled MgO: LiNb03”，Optics Letters,第 22 卷，第 805 頁(1997) ; D. Y. Shen 等人，“Efficient operation of anintracavity-doubled Nd:YV04KTP laser end pumpedby a high-brightnesslaser diode”，Applied Optics,第 37 卷，第 7785 頁(1998); S.W. Chu等人，“High-Efficiency Intracavity Continuous-Wave Green-Light GenerationbyQuasiphaseMatching in a Bulk Periodically Poled MgO:LiNb03Crystal”，Advancesin OptoElectronicsj 第 2008 卷，論文編號 151487。為了減小DPSS激光器的尺寸、成本并提高DPSS激光器的性能，如圖1(b)所示，DPSS中使用的激光晶體和非線性晶體可以通過膠粘劑或者光學接觸而被結合在一起。在此結合的結構中，如圖1(b)所示，激光晶體3 (例如，摻釹釩酸釔)和非線性晶體4 (例如，KTP或Mg0:PPLN)被結合在一起。為了將基頻光限制在激光腔內、降低泵浦功率的耦合損失并有 效地從腔內耦合SH光，激光晶體3涂覆有膜6，膜6在基頻光和SH光的波長(例如1064mn和532mn)處具有高反射，而在泵浦光的波長(例如808mn)處具有抗反射，同時非線性晶體4涂覆有膜9，膜9在基頻光(例如1064nm)處具有高反射，而在SH光(例如532nm)處具有抗反射。事實上，以上描述的使用結合型非線性晶體的技術是眾所周知的，并且已經在很多文獻中公開，例如！Moravian等人，美國專利第4，953，166號，“Microchiplaser”，1989 年 2 月 9 日;J. J. Zayhowski 等人，“Diode-pumped passively Q-switchedpicosecond microchip lasers，，，OpticsLetters，第 19 卷，第 1427 頁(1994) ; R.Fluck 等人，"Passively Q-switchedl. 34-micron Nd:YV04microchip laser withsemiconductorsaturabIe-absorber mirrors, 〃0ptics Letters,第 22 卷，第 991頁(1997);美國專利第 5，295，146 號，1994 年 3 月 15 日，Gavrilovic 等人，“Solidstategain mediums for optically pumped monolithic laser” ；美國 專利第5，574，740 號，1994 年 8 月 23 日，Hargis 等人，“Deep blue microlaser” ;美國專利第 5，802，086 號，1998 年 9 月 I 日，Hargis 等人，“High-efficiencycavity doublinglaser” ;美國專利第 7，149，231 號，2006 年 12 月 12 日，Afzal 等人，“Monolithic，side-pumped，passively Q-switched solid-state laser” ;美國專利第 7，260，133 號，2007 年 8 月 21 日，Lei 等人，“Diode-pumpedlaser” ;美國專利第 7，535，937 號，2009 年 5 月 19 日，Luo 等人，“Monolithicmicrochip laser with intra-cavitybeam combining and sum frequency ordifference frequency mixing，，;美國專利第7，535，938 號，2009 年 5 月 19 日，Luo 等人，“Low-noise monolithic microchip laserscapable of producingwavelengths ranging from IR to UV based on efficientand cost-effectivefrequency conversion” ；美國專利第 7，570，676 號，2009 年 8月 4 日，Essaian 等人，“Compact efficient and robust ultraviolet solid-statelaser sourcesbased on nonlinear frequency conversion in periodically poledmaterials” ；USPC 分類37210，IPC8 分類AH01S311FI，Essaian 等人；R.F.Wu 等人，“High-power diffusion-bonded walk-off-compensated KTP ΟΡΟ”，Proc.SPIE,第 4595 卷,115 (2001) ; Y. J. Ma 等人,“Single-longitudinal modeNd: YV04microchiplaser with orthogonal-polarization bidirectionaltraveling-waves mode，，，2008年 11 月 10 日，第 16 卷，編號 23，OPTICSEXPRESS 18702 ;C. S. Jung 等人，“A CompactDiode-Pumped MicrochipGreen Light Source with a Built-in ThermoelectricElement”，AppliedPhysics Express 1(2008)062005。上述結合可以通過使用粘合劑環氧樹脂或直接結合技術來實現。由于環氧樹脂在高的光功率下會被損壞，雖然粘合劑環氧樹脂結合的工藝比直接結合容易得多，但是高功率SHG激光器需要使用直接結合或光學結合技術。結合型非線性晶體可以是傳統的非線性晶體，例如KTP或諸如PPLN之類的周期性極化晶體。使用結合型非線性晶體的激光器可以基于二次諧波發生(SHG)或和頻發生(SFG)或差頻發生(DFG)。由于KTP的非線性系數遠小于PPLN的非線性系數，從激光效率的觀點來看，在SHG激光器中優選采用PPLN作為非線性晶體。
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采用結合型晶體的激光器的優點包括結構簡單、成本低和尺寸緊湊。然而，結合型晶體也有一些缺點，例如由于從激光晶體到非線性晶體的熱傳遞而導致降低了穩定性；由于不良的結合條件和/或表面的弱的結合強度而導致限制了輸出功率(對于膠合的結合型晶體為ImW綠光，對于光學結合型晶體為 IOOmW);以及由于結合表面處的反射而導致增加了腔損耗。
發明內容
本發明的目的是提供用以克服含有非線性晶體和激光晶體的DPSS激光器中涉及的上述問題的方法。在這些方法中，激光晶體和非線性晶體彼此分隔開，并通過高導熱層結合在散熱片上，從而散去晶體中所產生的熱，阻止從激光晶體到非線性晶體的熱傳遞，降低激光器的封裝成本，減少激光器的腔損耗，并增加激光器的穩定性。根據本發明的一個方面，如圖2所示，首先通過高導熱層9將激光晶體I和非線性晶體2與散熱片8結合。根據激光器輸出功率適當設置激光晶體I和非線性晶體2之間的間隙。激光晶體和非線性晶體的面被適當地涂覆有高反射(HR)或抗反射(AR)膜3至6，使得基頻光被限制在激光腔內而SHG光被有效地耦合出激光腔外。在DPSS綠光激光器的情況下，膜3在基頻光和SH光的波長(例如1064nm和532nm)處具有高反射，但在泵浦光的波長(例如808nm)處具有抗反射，膜4在基頻光(例如1064nm)處具有抗反射并且在SH光(例如532nm)處具有抗反射，膜5在基頻光(例如1064nm)處具有抗反射并且在SH光(例如532nm)處具有抗反射，并且膜6在基頻光(例如1064nm)處具有高反射并且在SH光(例如532nm)處具有抗反射。僅在相位匹配條件得到滿足的非線性晶體2中出現二次諧波發生。通過利用激射波長為808nm的泵浦激光二極管來泵浦激光晶體(即摻釹釩酸釔)，在激光腔內產生波長為λ (即1064nm)的基頻光。如果非線性晶體被適當地選擇成使得相位匹配條件被滿足，則可以有效地產生波長為λ / 2 (即532nm)的二次諧波光。
結合附圖，根據以下文中給出的詳細描述，將更全面地理解本發明。在附圖中圖I是現有技術的DPSS SHG激光器的示意圖，其具有(a)分隔開的晶體和(b)結合型晶體。圖2是根據本發明的、用于說明在第一優選實施例中描述的用以實現DPSS激光器的一種方法的構思的示意圖。圖3是根據本發明的、用于說明在第二優選實施例中描述的用以實現激光晶體和非線性晶體與散熱片的結合的一種方法的構思的示意圖，其中輸入激光晶體的輸入面和非線性晶體輸出面高度平行。圖4是根據本發明的、用于說明在第三優選實施例中描述的用以實現DPSS激光器的一種方法的構思的示意圖。 圖5是根據本發明的、用于說明在第四優選實施例中描述的用以實現DPSS激光器的一種方法的構思的示意圖。
具體實施例方式本發明通過以下描述的手段來解決上述問題。在第一優選實施例中，圖2中示出了 DPSS激光器的結合型結構。激光晶體(例如，NdiYVO4) I和非線性晶體(例如，MgO = PPLN) 2首先與散熱片(例如，AlN (氮化鋁)基板)8結合。這里可以使用激光晶體和非線性晶體的典型厚度(例如O. 5mm),同時適當地選擇AlN基板的厚度(例如，O. 5mm 10mm)，使得能夠容易地處理結合型晶體。晶體1、2與AlN基板8之間的結合可以使用長條(long bar)來完成，以降低總制造成本。AlN基板8具有高的熱導率。激光晶體I和AlN基板8之間的結合以及非線性晶體2和AlN基板8之間的結合可以通過高導熱層(例如，銦膜)來完成。為了提高結合強度，所有的結合表面都涂覆有金屬層(例如，金)。激光晶體的輸入面和非線性晶體的輸出表面是平行的。激光晶體和非線性晶體被適當地涂覆有高反射(HR)或抗反射(AR)膜3至6，使得基頻光被限制在激光腔內，而SHG光被有效地耦合出激光腔外。存在可以使用的兩類涂層。如圖2(a)所示，在第一種方法中，膜3在基頻波長(例如1064nm)處具有高反射，而在泵浦光波長(例如808nm)處具有抗反射，膜4在基頻光(例如1064nm)處具有抗反射，而在SH光(例如532nm)處具有高反射，膜5在基頻光(例如1064nm)處具有抗反射，并且在SH光(例如532nm)處具有抗反射，并且膜6在基頻光(例如1064nm)處具有高反射，而在SH光(例如532nm)處具有抗反射。另一方面，如圖2(b)所示，在第二種方法中，膜3在基頻光和SH光的波長(例如，1064nm和532nm)處具有高反射，而在泵浦光的波長(例如，808nm)處具有抗反射，膜4在基頻光(例如1064nm)處具有抗反射，并且在SH光(例如532nm)處具有抗反射，膜5在基頻光(例如1064nm)處具有抗反射，并且在SH光(例如532nm)處具有抗反射，并且膜6在基頻光(例如1064nm)處具有高反射，而在SH光(例如532nm)處具有抗反射。在O. Olmm和IOmm之間適當地選擇激光晶體和非線性晶體之間的間隙，使得從激光晶體到非線性晶體的熱傳遞可忽略不計，同時該間隙盡可能得小。結果，該間隙取決于激光器的功率。僅在QPM條件得到滿足的非線性晶體2內出現二次諧波發生。通過利用激射波長為808nm的泵浦激光二極管來泵浦激光晶體(即摻釹釩酸釔)，在激光腔內產生波長為λ (即1064nm)的基頻光。如果非線性晶體被適當地選擇成使得相位匹配條件被滿足，則可以有效地產生波長為λ / 2(即532nm)的二次諧波光。基于上面的描述，容易理解本發明的結構具有以下優點。首先，由于AlN散熱片和銅金屬支架的高熱導率，可以容易地散去激光晶體和非線性晶體中所產生的熱。其次，由于在激光晶體和非線性晶體之間有空氣間隙，所以抑制了從激光晶體到非線性晶體的熱傳遞，從而提高了激光器的穩定性。再次，激光晶體的輸出面4和非線性晶體的輸入面5被涂覆成在基頻光波長處抗反射。結果，降低了基頻光的腔損耗，因此可預期在腔內得到高的基頻光功率。這有助于激光器的高的SHG效率。又者，激光晶體、非線性晶體和散熱片之間的結合是以長條進行的。結果，在切割之后，可以利用單次結合工藝獲得許多結合型芯片(其包括激光晶體、非線性晶體和散熱片)。這導致封裝成本顯著降低。在本發明的第二優選實施例中，激光晶體條I和非線性晶體條2通過高導熱的銦膜6而與散熱片5結合。在激光晶體條和非線性晶體條的每個端部處插入墊片3、4。如圖3所示，在結合之后，被結合的激光晶體條和非線性晶體條被切割成沿著虛線的小芯片。然后，切割的芯片可以安裝到銅金屬支架上。 基于上面的描述，容易理解本發明的結構具有以下優點。首先，可以確保激光晶體的輸入面精準平行于非線性晶體的輸出面，這對于實現高效率的激光器和穩定的激射是非常重要的。其次，通過適當地選擇具有適當厚度的墊片，可以實現精確控制激光晶體和非線性晶體之間的間隙。再次，本發明使得可以在一個單次結合工藝中得到多個具有平行的輸入和輸出面的結合型激光晶體和非線性晶體，從而顯著降低了制造成本。在本發明的第三優選實施例中，圖4中示出了 DPSS激光器的結合結構。基本結構與圖I中所示的類似，但加了高導熱散熱片11 (例如氮化鋁基板)結合于裹了銦膜12激光晶體和非線性晶體的外側。AlN的厚度可以在O. I毫米和10毫米之間進行選擇。基于上面的描述，容易理解，與圖2所示的結構相比，可以提高散熱效率，但封裝成本略有增加。在本發明的第四優選實施例中，圖5中示出了 DPSS激光器的優選結合結構。其基本結構與圖I中所示的類似，還另加了金屬支架11 (例如銅)結合于裹了銦膜12激光器和非線性晶體的外側。銅支架的厚度可以在O. 5毫米和50毫米之間進行選擇。基于上面的描述，容易理解可以提高散熱效率。與圖2所示的結構相比，封裝成本略有增加，但與圖4所示的結構相比要便宜。上述實施例已經描述了用于具有腔內配置的綠光激光器的結合型MgO:PPLN非線性晶體。當然，本發明中所描述的方法也可以應用于其他的結合型非線性晶體，如MgO: PPLT、PPKTP 等。上述實施例已經描述了具有結合型非線性晶體和腔內配置的SHG綠光激光器。當然，本發明中所描述的方法也可以應用于其他的SHG激光器，如SHG藍光激光器等。上述實施例已經描述了使用結合型非線性晶體的SHG激光器。當然，本發明中所描述的方法也可以應用于其他的光學非線性過程，如光學參量振蕩，差頻發生等。
權利要求
1.一種用于將激光晶體和光學非線性晶體進行封裝以實現腔內配置中的高效波長轉換的方法，所述激光晶體和所述光學非線性晶體結合在高導熱的散熱片上并安裝在金屬支架上。
2.權利要求I中的所述激光晶體和非線性晶體首先以特定的間隙被結合在所述散熱片上，其中所述激光晶體的輸入面和所述非線性晶體的輸出面保持平行。
3.權利要求2中的被結合的激光晶體和非線性晶體然后與所述散熱片一起結合到金屬支架上。
4.權利要求I中的所述激光晶體、非線性晶體和散熱片的結合表面在結合之前沉積有金屬層。
5.權利要求I中的所述激光晶體和所述非線性晶體在結合之前被切割成長條形式。
6.結合時在所述條的每一端插入具有相同厚度的墊片，以確保權利要求2中的所述激光晶體的輸入面和所述非線性晶體的輸出面的平行。
7.權利要求I中所述激光晶體和所述非線性晶體的兩個面被適當地涂覆，使得基頻光被限制在激光腔內，而二次諧波光能夠從所述非線性晶體的輸出面被有效地提取。
8.權利要求7中的所述激光晶體的輸入面被涂覆成在基頻光波長處為高反射(HR)并且被涂覆成在泵浦光波長處為抗反射(AR)，激光晶體的輸出面被涂覆成在基頻光處為抗反射并且被涂覆成在二次諧波SH光處為高反射；同時非線性晶體的輸入面被涂覆成在基頻光處為抗反射并且被涂覆成在SH光處為抗反射，非線性晶體的輸出面被涂覆成在基頻光處為高反射并且被涂覆成在SH光處為抗反射。
9.權利要求7中的所述激光晶體的輸入面被涂覆成在基頻光和SH光處為高反射并且被涂覆成在泵浦光的波長處為抗反射，所述激光晶體的輸出面被涂覆成在基頻光和SH光處為抗反射；同時所述非線性晶體的輸入面被涂覆成在基頻光和SH光處為抗反射，非線性晶體的輸出面被涂覆成在基頻光處為高反射并且被涂覆成在SH光處為抗反射。
10.權利要求I中的被結合的激光晶體和非線性晶體然后被結合到第二散熱片。
11.權利要求I中的被結合的激光晶體和非線性晶體然后被結合到第二金屬支架。
12.權利要求10中的所述激光晶體、所述非線性晶體和所述散熱片的結合表面在結合之前沉積有金屬層。
13.權利要求11中的所述激光晶體和非線性晶體的結合表面在結合之前沉積有金屬層。
14.權利要求I和權利要求10中的所述激光晶體和非線性晶體與所述散熱片的結合是通過兩個金屬膜的直接結合或借助于高導熱的軟金屬膜或環氧樹脂來實現。
15.權利要求I和權利要求11中所述的散熱片與金屬支架的結合是通過兩個金屬膜的直接結合或借助于高導熱的軟金屬膜或環氧樹脂來實現。
全文摘要
本發明涉及將具有周期性疇反轉結構的光學非線性晶體(例如，周期極化摻氧化鎂鈮酸鋰)與激光晶體(例如，摻釹釩酸釔)封裝在一起的方法，該方法用以實現低成本的緊湊高效的腔內配置中的二次諧波發生。
文檔編號H01S5/02GK102893465SQ201180023452
公開日2013年1月23日 申請日期2011年5月11日 優先權日2010年5月11日
發明者胡燁 申請人:胡燁