基于寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅晶體的光參量振蕩激光器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅晶體的光參量振蕩激光器。該光參量振蕩激光器依次包括激勵(lì)源、輸入鏡、半導(dǎo)體SiC晶體和輸出鏡；所述半導(dǎo)體SiC晶體沿其光參量振蕩的相位匹配方向切割，通光面鍍以對(duì)激勵(lì)光、信頻光和閑頻光高透過的介質(zhì)膜，激勵(lì)源是全固態(tài)脈沖激光器；輸入鏡兩個(gè)通光面鍍以對(duì)激勵(lì)光高透過且對(duì)信頻光和閑頻光高反射的介質(zhì)膜，輸出鏡鍍以對(duì)信頻光高反射且對(duì)閑頻光部分透過的介質(zhì)膜。本發(fā)明利用寬禁帶半導(dǎo)體SiC作為非線性光學(xué)介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)1.28μm-6μm光參量振蕩振蕩激光輸出，輸出能量高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、透過范圍連續(xù)可調(diào)。
【專利說明】基于寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅晶體的光參量振蕩激光器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅晶體(SiC)的光參量振蕩激光器，屬于激光【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及非線性晶體器件。
【背景技術(shù)】
[0002]光參量振蕩，是指一束頻率為vP (泵頻也稱激勵(lì)光)的強(qiáng)激光和一束頻率為vS(信頻)的弱激光同時(shí)射入非線性介質(zhì)時(shí)，如信頻光(也稱振蕩光)被放大，同時(shí)產(chǎn)生頻率為vi的閑置頻率光(閑頻光，vi=vP-vS)，即為所要獲得的OPO激光，這種現(xiàn)象稱為光參量放大。若將此非線性介質(zhì)置于輸入鏡Ml和輸出鏡M2組成的諧振腔中，Ml對(duì)泵頻光透射，Ml、M2對(duì)信頻光、閑頻光或兩者高反射，則在頻率為vP的激光作用下，從M2鏡將光參量振蕩輸出頻率為vS和vi的激光；這就構(gòu)成了光參量振蕩器。
[0003]光參量振蕩器(簡(jiǎn)稱0P0)振蕩過程是目前產(chǎn)生中遠(yuǎn)紅外激光的重要技術(shù)，因其輸出波長(zhǎng)可在覆蓋近紅外到中遠(yuǎn)紅外之內(nèi)的幾百納米范圍內(nèi)連續(xù)調(diào)諧，已經(jīng)在眾多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。因半導(dǎo)體具有透過范圍大、透過波段寬等特點(diǎn)，是中紅外OPO激光產(chǎn)生的常用非線性激光介質(zhì)，包括磷鍺鋅、硫銦鋰等系列窄禁帶半導(dǎo)體成為目前研究的重點(diǎn)。然而OPO的過程是物質(zhì)對(duì)高能量激光的高階響應(yīng)，窄禁帶半導(dǎo)體容易其相對(duì)較低的熱導(dǎo)率使其在高能量密度激光作用下容易損壞，限制了其高能量激光的獲得。
[0004]SiC晶體是一類重要的寬禁帶半導(dǎo)體，其熱導(dǎo)率高達(dá)3W/cm K，SiC作為襯底材料是目前人們熟知的應(yīng)用。但，SiC晶體材料無反演對(duì)稱心，具有二階非線性光學(xué)特性和大的非線性系數(shù)，同時(shí)SiC晶體材料的透過曲線截止邊長(zhǎng)達(dá)近6 μ m，是理想的中紅外波段OPO非線性激光介質(zhì)。但SiC晶體材料在OPO領(lǐng)域的應(yīng)用一直未被重視，而基于寬禁帶半導(dǎo)體SiC晶體的OPO激光器迄今為止也未有所報(bào)道。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0005]針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種基于寬禁帶半導(dǎo)體材料碳化硅(SiC)晶體的光參量振蕩激光器，特別是基于SiC晶體的中紅外激光器。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案采用以下方式來實(shí)現(xiàn)。
[0007]基于寬禁帶半導(dǎo)體材料碳化硅晶體的光參量振蕩激光器，依次包括激勵(lì)源(I)、輸入鏡(2)、半導(dǎo)體SiC晶體(3)和輸出鏡(4)；
[0008]所述半導(dǎo)體SiC晶體沿其光參量振蕩的相位匹配方向切割，表面鍍膜或不鍍膜；所述表面鍍膜是在SiC晶體通光面鍍以對(duì)激勵(lì)光、信頻光和閑頻光高透過的介質(zhì)膜；
[0009]所述激勵(lì)源(I)是全固態(tài)脈沖激光器；所述輸入鏡(2)兩個(gè)通光面鍍以對(duì)激勵(lì)光高透過且對(duì)信頻光和閑頻光高反射的介質(zhì)膜，輸出鏡(4 )鍍以對(duì)信頻光高反射且對(duì)閑頻光部分透過的介質(zhì)膜。
[0010]所述半導(dǎo)體SiC晶體為單晶體，選自6H-SiC晶體或4H_SiC晶體。半導(dǎo)體SiC晶體的通光方向?yàn)楣鈪⒘空袷幍南辔黄ヅ浞较?。[0011]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，6H-SiC晶體的通光方向與光軸成47° -73°角。
[0012]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，4H_SiC晶體的通光方向與光軸成38° -55°角。
[0013]所述半導(dǎo)體SiC晶體的通光方向長(zhǎng)度為0.5mm-50mm。根據(jù)光參量振蕩激光器的規(guī)格而定。優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體SiC晶體長(zhǎng)度為10mm-40mm。
[0014]所述的輸入鏡(2)是平面鏡或凹面鏡，輸出鏡(4)平面鏡或凹面鏡。其中，凹面鏡的曲率為20mm-1000mm，其凹面面對(duì)半導(dǎo)體SiC晶體。
[0015]所述的輸出鏡鍍膜是在兩個(gè)通光面都鍍有所述的介質(zhì)膜。
[0016]輸入鏡和輸出鏡之間的距離可按現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行計(jì)算，使其有利于信頻光振蕩，該計(jì)算過程為本領(lǐng)域熟知理論。本發(fā)明優(yōu)選，輸入鏡和輸出鏡之間距離為1-1OOmm之間。
[0017]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述的激勵(lì)源是產(chǎn)生波長(zhǎng)為1.06 μ m的全固態(tài)脈沖激光器，進(jìn)一步優(yōu)選1.06 μ m調(diào)Q激光器或1.06 μ m鎖模激光器
[0018]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，所述光參量振蕩激光器產(chǎn)生1.28 μ m_6 μ m的中紅外激光輸出。
[0019]術(shù)語解釋:本發(fā)明中的“高反射”、“高透過”、“部分反射”具有本領(lǐng)域的公知含義。
[0020]上述“高反射”是指對(duì)特定波長(zhǎng)或波段入射光的反射率大于99%。
[0021]上述“高透過”是指對(duì)特定波長(zhǎng)或波段光的透過率大于80%。
[0022]上述“部分透過”指對(duì)特定波長(zhǎng)或波段入射光的透過率在1%_80%。
[0023]本發(fā)明以寬禁帶半導(dǎo)體碳化硅為非線性光學(xué)介質(zhì)，形成有效的光參量振蕩輸出，入射和出射端面與所需的相位匹配方向垂直。本發(fā)明利用SiC晶體的OPO非線性光學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生1.28 μ m到6 μ m的閑頻光，該OPO過程為本領(lǐng)域熟知過程。
[0024]本發(fā)明的光參量振蕩激光器除了具有調(diào)諧范圍寬、透過波段寬(從可見光到中紅外光)等優(yōu)勢(shì)外，還以寬禁帶半導(dǎo)體SiC晶體為非線性光學(xué)介質(zhì)產(chǎn)生中紅外激光，該SiC晶體材料具有禁帶寬度寬、透過波段寬、有效非線性系數(shù)大、熱導(dǎo)率高以及光損傷閾值高等特點(diǎn)，因此基于寬禁帶半導(dǎo)體材料碳化硅晶體的光參量振蕩激光器的OPO激光輸出能量高、效率高。
[0025]本發(fā)明的優(yōu)良效果還在于，本發(fā)明的光參量振蕩激光器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊，易于裝調(diào)，體積小成本低，可提供性價(jià)比高的中紅外激光器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明的光參量振蕩激光器結(jié)構(gòu)及光路示意圖。其中，
[0027]I是激勵(lì)源；2是入射鏡，通光端面鍍以對(duì)激勵(lì)光5高透過且對(duì)信頻光6以及閑頻光7高反射的介質(zhì)膜；3是半導(dǎo)體SiC晶體，沿相位匹配方向切割，鍍有對(duì)激勵(lì)光、閑頻光以及信頻光高透的介質(zhì)膜；4是輸出鏡，鍍以對(duì)信頻光高反射以及對(duì)閑頻光部分透過的介質(zhì)膜；
[0028]5是激勵(lì)光,6是信頻光,7是閑頻光，其中箭頭方向表光的方向。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。
[0030]實(shí)施例1:[0031]光參量振蕩激光器結(jié)構(gòu)如圖1所不，由激勵(lì)源1、輸入鏡2、半導(dǎo)體SiC晶體3、和輸出鏡4順序排列組成，其中:激勵(lì)源I是發(fā)射波長(zhǎng)為1.06 μ m的Nd: YAG (摻釹釔鋁石榴石，Nd摻雜濃度為Iat.%)調(diào)Q激光器；輸入鏡2為平面鏡，且其通光面上鍍以對(duì)1.06 μ m高透過、對(duì)1.57 μ m和3.26 μ m高反射的介質(zhì)膜；半導(dǎo)體SiC晶體3為4H型SiC單晶，通光方向與光軸成54.2°，通光方向晶體長(zhǎng)度為30mm，通光面拋光并鍍以對(duì)1.06 μ m、1.57 μ m及3.26 μ m高透過介質(zhì)膜；輸出鏡4為平面鏡，其兩個(gè)通光面上均鍍以1.57 μ m高反射且對(duì)
3.26 μ m部分透過(透過率為80%)的介質(zhì)膜。輸入鏡和輸出鏡之間距離為50mm。加大激勵(lì)功率(泵浦功率)，得到3.26 μ m中紅外OPO激光輸出。
[0032]實(shí)施例2、
[0033]如實(shí)施例1所述，所不同的是輸出鏡4兩個(gè)通光面上鍍以3.26 μ m高反射且對(duì)1.57 μ m部分透過(透過率為50%)的介質(zhì)膜,輸出鏡和輸出鏡之間距離為80mm。加大激勵(lì)功率，可以實(shí)現(xiàn)1.57 μ m中紅外OPO激光輸出。
[0034]實(shí)施例3、
[0035]如實(shí)施例1所述，所不同的是輸出鏡4為曲率半徑為50mm的凹面鏡，輸出鏡和輸出鏡之間距離為80mm，加大激勵(lì)功率，得到3.26 μ m中紅外OPO激光輸出。
[0036]實(shí)施例4、
[0037]如實(shí)施例4所述，所不同的是輸入鏡2為曲率半徑為IOOmm的凹面鏡，輸出鏡和輸入鏡之間的距離為90mm，加大激勵(lì)功率，得到3.26 μ m中紅外OPO激光輸出。
[0038]實(shí)施例5、
[0039]光參量振蕩激光器結(jié)構(gòu)如圖1所示，激勵(lì)源I是發(fā)射波長(zhǎng)為1.06 μ m的Nd: YAG(摻釹釔鋁石榴石，Nd摻雜濃度為Iat.%)鎖模激光器；輸入鏡2為平面鏡，且其通光面上鍍以對(duì)1.06 μ m高透過、對(duì)1.57 μ m和3.26 μ m高反射的介質(zhì)膜；半導(dǎo)體SiC晶體3為4H型SiC單晶，通光方向與光軸成54.2° ,通光方向晶體長(zhǎng)度為30mm,通光面拋光并鍍以對(duì)1.06μηι、
1.57 μ m及3.26 μ m高透過介質(zhì)膜；輸出鏡4為凹面鏡，曲率半徑為1000mm，其凹面面對(duì)半導(dǎo)體SiC晶體放置，其通光面上鍍以1.57 μ m高反射且對(duì)3.26 μ m部分透過(透過率為80%)的介質(zhì)膜。輸入鏡和輸出鏡之間距離為100mm。加大激勵(lì)功率，得到3.26 μ m中紅外OPO激光輸出。
[0040]實(shí)施例6、
[0041]如實(shí)施例1所述，所不同的是半導(dǎo)體SiC晶體3為6H型SiC單晶，其通光方向與光軸成72.9°，通光方向晶體長(zhǎng)度為20mm。輸入鏡和輸出鏡之間距離為30mm。加大泵浦功率，實(shí)現(xiàn)1.57 μ m中紅外OPO激光輸出。
[0042]實(shí)施例7、
[0043]如實(shí)施例5所述，所不同的是輸入鏡2鍍以對(duì)1.06 μ m、1.44 μ m和4 μ m高反射的介質(zhì)膜，半導(dǎo)體SiC晶體3的通光方向與光軸成47.4°，通光方向晶體長(zhǎng)度為10mm，通光面拋光并鍍以對(duì)1.06 μ m、1.44 μ m及4 μ m高透過介質(zhì)膜，輸出鏡4鍍以對(duì)1.44 μ m光高反射和對(duì)4 μ m光透過率為50%的介質(zhì)膜。加大泵浦功率，獲得4 μ m中紅外OPO激光輸出。
[0044]實(shí)施例8、
[0045]如實(shí)施例7所述，所不同的是半導(dǎo)體SiC晶體3為6H型SiC單晶，其通光方向與光軸成60°，通光方向晶體長(zhǎng)度為5_。加大泵浦功率，獲得4μπι中紅外OPO激光輸出。[0046]實(shí)施例9、
[0047]如實(shí)施例5所述，所不同的是是輸入鏡2鍍以對(duì)1.06 μ m、1.31 μ m和5.5 μ m高反射的介質(zhì)膜，半導(dǎo)體SiC晶體3的通光方向與光軸成38.8。，通光方向晶體長(zhǎng)度為40_，通光面拋光并鍍以對(duì)1.06 μ m、1.31 μ m以及5.5μπι高透過介質(zhì)膜，輸出鏡3鍍以1.31 μ m高反射介質(zhì)膜。加大泵浦功率，獲得5.5 μ m中紅外OPO激光輸出。
[0048]實(shí)施例10、
[0049]如實(shí)施例9所述，所不同的是半導(dǎo)體SiC晶體3為6H型SiC單晶，其通光方向與光軸成47.4°，通光方向晶體長(zhǎng)度為50mm。加大泵浦功率，獲得5.5 μ m中紅外OPO激光輸出。
【權(quán)利要求】
1.基于寬禁帶半導(dǎo)體材料碳化硅晶體的光參量振蕩激光器，其特征在于依次包括激勵(lì)源(I)、輸入鏡(2)、半導(dǎo)體SiC晶體(3)和輸出鏡(4); 所述半導(dǎo)體SiC晶體沿其光參量振蕩的相位匹配方向切割，表面鍍膜或不鍍膜；所述表面鍍膜是在SiC晶體通光面鍍以對(duì)激勵(lì)光、信頻光和閑頻光高透過的介質(zhì)膜； 所述激勵(lì)源(I)是全固態(tài)脈沖激光器； 所述輸入鏡(2)兩個(gè)通光面鍍以對(duì)激勵(lì)光高透過且對(duì)信頻光和閑頻光高反射的介質(zhì)膜，輸出鏡(4 )鍍以對(duì)信頻光高反射且對(duì)閑頻光部分透過的介質(zhì)膜。
2.如權(quán)利要求1所述的激光器，其特征在于:所述半導(dǎo)體SiC晶體為單晶體，選自6H-SiC晶體或4H-SiC晶體。
3.如權(quán)利要求2所述的激光器，其特征在于:所述6H-SiC晶體的通光方向與光軸成47。-73。角。
4.如權(quán)利要求2所述的激光器，其特征在于:所述4H-SiC晶體的通光方向與光軸成38。-55。角。
5.如權(quán)利要求1所述的激光器，其特征在于:所述半導(dǎo)體SiC晶體的通光方向長(zhǎng)度為0.5mm-50mm ;優(yōu)選的，所述半導(dǎo)體SiC晶體長(zhǎng)度為10mm-40mm。
6.如權(quán)利要求1所述的激光器，其特征在于:所述的輸入鏡(2)是平面鏡或凹面鏡，輸出鏡(4)平面鏡或凹面鏡。
7.如權(quán)利要求1所述的激光器，其特征在于:所述的激勵(lì)源是產(chǎn)生波長(zhǎng)為1.06 μ m的全固態(tài)脈沖激光器。
8.如權(quán)利要求1所述的激光器，其特征在于:所述的激勵(lì)源是1.06 μ m調(diào)Q激光器或1.06 μ m鎖模激光器。
9.如權(quán)利要求1所述的激光器，其特征在于:該光參量振蕩激光器產(chǎn)生1.28 μ m-6 μ m的中紅外激光輸出。
【文檔編號(hào)】H01S3/16GK103427329SQ201310400907
【公開日】2013年12月4日 申請(qǐng)日期:2013年9月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月5日
【發(fā)明者】于浩海, 徐現(xiàn)剛, 路大治, 陳秀芳, 胡小波, 張懷金 申請(qǐng)人:山東大學(xué)