專利名稱：一種兩片式結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)倍頻微片激光器的加工方法
一種兩片式結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)倍頻微片激光器的加工方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種腔內(nèi)倍頻微片激光器的加工方法，尤其涉及一種一定工 作溫度范圍內(nèi)具有較高消光比腔內(nèi)倍頻微片激光器加工方法。背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體泵浦倍頻激光器中，微片結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)倍頻激光器具有高效率， 結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點。半導(dǎo)體激光二極管泵浦腔內(nèi)倍頻綠光輸出原理示意圖如圖l所示包括半導(dǎo)體泵浦源1 (LD)、準(zhǔn)直透鏡2、聚焦透鏡3、雙折射型激 光晶體4及II類位相匹配倍頻晶體5。 Si和S2為腔內(nèi)倍頻^[鼓片激光器的兩個鍍膜面。通常Si面鍍對泵浦光增透，對基頻光人co和倍頻光 L2w高反的膜，S2面鍍對基頻光X。高反和對倍頻光入^高透的膜，這樣雙折射型激光晶體4及 II類位相匹配倍頻晶體5連同兩端的膜層形成激光諧振腔，在泵浦源及光學(xué) 透鏡的作用下可在該激光腔內(nèi)產(chǎn)生倍頻光，相對普通分立元件所制作的激光 器而言，因該腔內(nèi)倍頻激光器的最終完工尺寸可以很小，如 0.8mmx0.8mmx2.5mm, 故通常稱之為腔內(nèi)倍頻微片激光器。在這種兩片式 結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)倍頻微片激光器中，由于雙折射型激光晶體與II類位相匹配倍頻 晶體通常光軸夾角為45°,根據(jù)II類位相匹配條件Ke)+ ;U;o)"^2"e)或 入co(e)+入co(0)—人200(0),從II類位相匹配倍頻晶體5中產(chǎn)生的倍頻光為線偏光， 其光軸方向平行或垂直于倍頻晶體的光軸，因此倍頻光偏振方向與雙折射型 激光晶體4的夾角也為45°,當(dāng)反向倍頻線偏光通過雙折射型激光晶體4時， 分解為不同傳播速度的且振動方向互相垂直的o、 e倍頻光，雙折射型激光晶 體4相對II類位相匹配倍頻晶體5產(chǎn)生的反向倍頻光而言，其作用相當(dāng)于一 波片，使得從II類位相匹配倍頻晶體5出射的反向倍頻光往返兩次穿過雙折 射型激光晶體4后，其倍頻光的偏振方向及消光比由雙折射型激光晶體在該 微片激光器工作狀態(tài)下的波片效應(yīng)所決定。例如，普通兩片式腔內(nèi)倍頻微片激光器由0.5mm厚的Nd:YV04和2mm厚的KTP組成，對于其中的0.5mm 厚的Nd:YV04而言，在532nm處相鄰兩級次半波片或全波片之間的厚度差僅 為2.2微未普通兩片式腔內(nèi)倍頻微片激光器的加工方法中由于在雙折射型激 光晶體的拋光過程中沒有精確控制雙折射型激光晶體的厚度，也就使得該雙 折射型激光晶體的波片效應(yīng)各不相同，這樣不同批次制造出來的微片激光器 其輸出的倍頻光消光比也必然各不一樣，在某一固定工作溫度下微片激光器 所輸出倍頻光的消光比高的可達(dá)到100: 1以上，低的接近園偏光，在1: 1 附近，各不相等。隨著倍頻激光器的發(fā)展，人們對倍頻激光器的要求越來越高，要求在特 定工作溫度范圍內(nèi)激光輸出功率高，光斑模式好，偏振方向固定，消光比較 高，如要求大于10: 1,器件微小，成本低廉，以上普通加工方法所制造出 來的微片激光器雖然成本低廉但因在雙折射型激光晶體的拋光過程中沒有按 一定要求去控制雙折射型激光晶體在倍頻光處的位相差，即雙折射型激光晶 體的厚度，使得所輸出的倍頻光無法滿足上述特定的要求。為了實現(xiàn)較高消光比偏振方向固定的倍頻光輸出，通常的辦法是將圖1 中腔內(nèi)倍頻微片激光器的前腔鏡St面膜層設(shè)計成對泵浦光增透，對基頻光高 反和對倍頻光增透的方式，使由II類位相匹配倍頻晶體產(chǎn)生的倍頻光經(jīng)過雙折射型激光晶體后直接透過，不再返回到倍頻晶體中，從而保證倍頻光輸出 具有極高的消光比。但這種方法在提高了消光比的同時，倍頻光在兩相反方 向卻均有輸出，單一方向上的出光效率降低了一半。另一種辦法是在雙折射型激光晶體與II類位相匹配倍頻晶體之間加上對倍頻光高反及對基頻光高透 的膜層，阻止倍頻光往返于激光晶體，從而獲得具有極高消光比的偏振倍頻 光輸出。但這種方法因為在激光晶體與倍頻晶體之間加入了高反膜層，增大 了腔內(nèi)損耗，降低效率，且因為雙折射激光晶體和倍頻晶體之間要光膠或深 化光膠才能保證高的輸出功率，從而加大了加工方法的難度，使得成本不易 低廉。其它方法如中國專利第ZL200520068583.8號等所述，所采用的微片激 光器的結(jié)構(gòu)均為三片式的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)雖然可以在一定程度上提高消光 比，但皆因結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，方法步驟增加，使得產(chǎn)品成本必然增高。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種在 一定使用溫度范圍內(nèi)可以獲 得較高消光比偏振倍頻光輸出的兩片式結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)倍頻微片激光器的加工方 法。本發(fā)明的實現(xiàn)方案是， 一種兩片式結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)倍頻微片激光器的加工步驟包括雙折射型激光晶體及n類位相匹配倍頻晶體分別毛坯定向、切割、 大片磨砂、拋光、大片鍍膜、雙折射型激光晶體大片與II類位相匹配倍頻晶體大片之間光膠或深化光膠、大片切小。本發(fā)明的主要特征是雙折射型激 光晶體拋光步驟中還含有位相差控制步驟，通過在雙折射型激光晶體的最后 一次表面拋光時，即決定雙折射型激光晶體厚度或雙折射型激光晶體中o、 e 倍頻光位相差的最后一次拋光過程中控制o、 e倍頻光在雙折射型激光晶體中 的位相差，使得雙折射型激光晶體拋光完成后，在該激光器實際工作溫度下 等同于一個所輸出倍頻光的高級次半波片或全波片。上述雙折射型激光晶體、II類位相匹配倍頻晶體的光軸與通光方向垂 直，且雙折射型激光晶體與II類位相匹配倍頻晶體二者的光軸成45。夾角；雙 折射型激光晶體及II類位相匹配倍頻晶體大片鍍膜是指兩者分別鍍制有不同 膜層，不同膜層包括前腔鏡膜和后腔鏡膜兩種，其中前腔鏡膜為對基頻光及 倍頻光高反射，泵浦光高透過的膜層，后腔鏡膜為對基頻光高反射及倍頻光 高透過的膜層。根據(jù)上面兩片式結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)倍頻微片激光器特性可知，采用上述技術(shù)方 案后無論后腔鏡膜鍍制在II類位相匹配倍頻晶體表面上還是鍍制在雙折射型 激光晶體表面上，該腔內(nèi)倍頻微片激光器在實際工作溫度下工作時，所產(chǎn)生 的線偏振倍頻光在腔內(nèi)經(jīng)過雙折射型激光晶體后輸出時仍然可保持4艮好的偏 振度。上述位相差控制步驟中所用的位相差控制方法可以是測量雙折射型激光 晶體中o、 e倍頻光的位相差或測量雙折射型激光晶體的幾何厚度。 具體位相差或厚度要求計算參見如下說明假設(shè)在微片激光器的實際工作溫度ti時，要求雙折射型激光晶體為所輸出倍頻光的高級次半波片或全波片，則雙折射型激光晶體中o、 e倍頻光的位 相差A(yù)cpi滿足A(p尸2承兀氺lno(tO-ne(tOI承I^/X2①-K承Ti ( 1)則在測量環(huán)境溫度為k時，該雙折射型激光晶體中o、 e倍頻光的位相差 A(p2應(yīng)為<formula>formula see original document page 7</formula>以上部分參數(shù)之間的關(guān)系為<formula>formula see original document page 7</formula>
LtHl+a承(t2-ti)]承Lti (5) 根據(jù)以上公式，當(dāng)已知部分參數(shù)時即可得出相應(yīng)的位相差值或厚度值。 其中，K為正整數(shù)，Lt。 Lt2分別為雙折射型激光晶體在溫度t。 t2時所對應(yīng)的幾何厚度，單位與倍頻光波長？12(0相同，Ile(ti)、 ！le(t2)分別為雙折射型激光晶體在溫度ti、 t2時所對應(yīng)的波長人2w處e光折射率，n。(ti)、 n。(t2)分別為雙折 射型激光晶體在溫度t!、 t2時所對應(yīng)的波長？^處o光折射率，a為雙折射型 激光晶體在溫度t廣t2范圍內(nèi)沿通光方向上的線膨脹系數(shù)，drio/dt、 dne/dt分別 對應(yīng)雙折射型激光晶體在溫度t廣t2范圍內(nèi)波長為^co時o、 e光的熱光系數(shù)。同樣道理當(dāng)測量波長即使不是處在倍頻光波X2w處，根據(jù)雙折射型激光晶 體材料的Sellmeier方程，仍然可以推算出對應(yīng)的位相差及厚度。由上可知，采用本發(fā)明的加工方法，能加工出各種在不同工作溫度區(qū)域 下出較高消光比倍頻光的微片激光器。本發(fā)明一種兩片式結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)倍頻微片激光器的加工方法的優(yōu)點在于 采用以上的腔內(nèi)倍頻微片激光器加工方法，克服了普通加工方法中不同批次 制造出來的微片激光器在指定工作溫度下所輸出的倍頻光消光比高低各不一 樣的問題?？纱_保微片激光器在以實際工作溫度為中心的一定工作溫度范圍 內(nèi)仍可獲得較高消光比的偏振倍頻光輸出，同時也可滿足輸出功率高，光斑 模式好，偏振方向固定的要求，且具有器件微小，成本低廉的特點。
圖1為半導(dǎo)體激光二極管泵浦腔內(nèi)倍頻綠光輸出原理示意圖。圖2為本發(fā)明的加工方法流程圖。
具體實施方式下面參照附圖結(jié)合實施例對本發(fā)明作進(jìn) 一 步的描述。參考圖1,腔內(nèi)倍頻微片激光器由雙折射型激光晶體4及II類位相匹配倍 頻晶體晶體5組成，，支設(shè)雙折射型激光晶體4為3。/。Nd:YV04晶體，a切，尺 寸LxWxH: 2mmx2mmx0.5mm， c軸與任一邊長垂直；II類位相匹配倍頻晶 體5為KTP晶體，II類位相匹配角由腔內(nèi)倍頻微片激光器實際工作溫度范圍 的中心溫度確尤尺寸LxWxH 2mmx2mmx2mm前腔鏡膜位于3%Nd:YV04 晶體前端面上，該膜對基頻光1064nm及倍頻光532nm高反射，泵浦光808nm 高透過，后腔鏡膜位于II類位相匹配倍頻晶體KTP后端面上，后腔鏡膜為對 基頻光1064nm高反射及倍頻光532nm高透過的膜層。圖2為該發(fā)明的加工方法流程圖，具體說明該兩片式結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)倍頻孩i 片激光器的加工方法如下雙折射型激光晶體毛坯定向、切割。該步主要是利用X光晶體定向儀及 內(nèi)圓切割機把雙折射型激光晶體3°/。Nd:YV04的毛坯加工成下步所需要的大 尺寸基片，確保各尺寸及精度，光軸方向及精度等符合設(shè)計及下步的要求。雙折射型激光晶體大片磨砂、拋光。該步主要是利用普通平面研磨/拋光 機來獲得待鍍膜的雙折射型激光晶體3。/。Nd:YV04的拋光平行平片，主要步驟 包括兩平行表面分別細(xì)磨、拋光。要確保拋光片兩表面的光學(xué)瘋病、平行度， 面形符合激光器元件的要求，如美軍標(biāo)S/D: 10-5， 5"， X710,與此同時在最 后一次表面拋光時，即決定雙折射型激光晶體厚度或雙折射型激光晶體中o、 e倍頻光的位相差的最后一次拋光過程中，用單波長位相測量儀器或多波長位 相測量儀器或高精度測厚儀等控制雙折射型激光晶體中o、 e倍頻光的位相差 或幾何厚度。因為最后一次拋光時，通常采用光膠上盤的方式才可精確保證 零件的平行度所以光膠底板只需選用雙面拋光的成都光明光學(xué)玻璃K9平行 平板，即可采用透過的方式測量雙折射型激光晶體中o、 e倍頻光的位相差。 對K9玻璃的應(yīng)力雙折射要求為不影響位相差測量即可。假設(shè)所要求的腔內(nèi)倍頻微片激光器中3°/。 Nd:YV04的實際工作中心溫度 t尸50。， 3。/。Nd:YV04被拋光時的測量環(huán)境溫度t2-25。，在25°時3%Nd:YV04 在532nm處o、 e光的折射率分別為n。(t2)= 2.021、 ne(t2)=2.256, 3%Nd:YV04 在溫度25°~50°范圍內(nèi)532nm處的o 、 e光的熱光系數(shù)分別為 dn。/dt=8.5xl0-6/K、 dne/dt =3.0xlO-6/K， 3% Nd:YV04在溫度25。 500范圍內(nèi)沿 通光方向上的線膨脹系數(shù)o^4.43xlO-VK,由此根據(jù)公式(3)、 (4)可推算出 在50°時3% Nd:YV04在532nm處o、 e光的折射率分別為n。(t,^2.021212、 !^(^)=2.256075，在0.5mm附近對應(yīng)的532nm處高級次半波片、全波片的幾 何厚度I^分別為499.5微束500.6微未并由公式(5)可推算出3%Nd:YV04 在25。時所需控制的對應(yīng)幾何厚度Lt2分別為499.4微米、500.5微米，同時由 公式(2)可推算出3% Nd:YV04在25。時所需控制的532nm波長處e、 o光 的位相差A(yù)(P2全角等同為306°、 309°。如果使用532nm單波長位相測量儀器， 就可以按此位相差全角的要求來控制被加工的3。/。Nd:YV04中e、 o倍頻光的 位相差， 一般來講，測量位相差的方法更直接，更準(zhǔn)確，厚度測量方法屬間 接測量方法，在材料及加工方法一致性較好時，也可采用。雙折射型激光晶體大片鍍膜。該步主要用真空鍍膜機在激光晶體的任一 拋光表面鍍制激光前腔鏡膜。確保各鍍膜指標(biāo)符合要求并盡量減少因鍍膜而 產(chǎn)生的負(fù)面影響。倍頻晶體KTP毛坯定向、切割。該步主要是利用X光晶體定向儀及內(nèi)圓 切割機把倍頻晶體KTP的毛坯加工成下步所需要的大尺寸基片，確保各尺寸 及精度，光軸方向及精度等符合設(shè)計及下步的要求。倍頻晶體KTP大片磨砂、拋光。該步主要是利用普通平面研磨/拋光機來 獲得待鍍膜的倍頻晶體KTP的拋光平行平片，主要步驟包括兩平行表面分別 細(xì)磨、拋光。要確保拋光片兩表面的光學(xué)疵病、平行度，面形符合激光器元 件的要求，如美軍標(biāo)S/D: 10-5, 5", X/10。倍頻晶體KTP大片鍍膜。該步主要用真空鍍膜機在倍頻晶體的任一拋光 表面鍍制激光后腔鏡膜。確保各鍍膜指標(biāo)符合要求并盡量減少因鍍膜而產(chǎn)生 的負(fù)面影響。雙折射型激光晶體大片與n類位相匹配倍頻晶體大片之間光膠。該步主 要用來預(yù)先檢測大片腔內(nèi)倍頻激光器的出光質(zhì)量并為后面切小做準(zhǔn)備。主要 保證光膠質(zhì)量，如無氣泡等。大片切小。該步主要用切割機來獲得最終小尺寸的成品。主要保證切割 尺寸并盡量減少因切割不當(dāng)而產(chǎn)生的負(fù)面影響。以上所列舉的具體實施實例只代表本發(fā)明專利所要求的權(quán)利項中的 一些特例，并不是全部，如雙折射型激光晶體與II類位相匹配倍頻晶體之間也可以采用熱膠或紫外膠膠合的方式制作成在一定工作溫度范圍內(nèi)獲得較高消光比倍頻光輸出的低功率微片激光器；在雙折射型激光晶體大片與II類位相 匹配倍頻晶體大片分別鍍膜完工后，也可以先分別切小，然后將兩不同晶體 的小片光膠或深化光膠。雖然以上描述了本發(fā)明的具體實施方式
，但是熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人 員應(yīng)當(dāng)理解，我們所描述的具體的實施例只是說明性的，而不是用于對本發(fā) 明的范圍的限定，熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員在依照本發(fā)明的精神所作的等效的 修飾以及變化，都應(yīng)當(dāng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求所保護的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種兩片式結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)倍頻微片激光器的加工方法，其加工步驟包括雙折射型激光晶體及II類位相匹配倍頻晶體分別毛坯定向、切割、大片磨砂、拋光、大片鍍膜、雙折射型激光晶體與II類位相匹配倍頻晶體之間固定，其特征在于雙折射型激光晶體拋光步驟中還含有位相差控制步驟，使得雙折射型激光晶體被加工成在該激光器實際工作溫度下所輸出倍頻光的高級次半波片或全波片。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種兩片式結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)倍頻微片激光器的 加工方法，其特征在于所述位相差控制步驟所對應(yīng)的拋光為雙折射型激 光晶體的最后一次表面拋光。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種兩片式結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)倍頻微片激光器的加工方 法，其特征在于所述位相差控制步驟中所用的位相差控制方法是測量雙折 射型激光晶體中o、 e倍頻光的位相差或測量雙折射型激光晶體的幾何厚度。
4. 如權(quán)利要求3所述的一種兩片式結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)倍頻微片激光器的 加工方法，其特征在于所述位相差或幾何厚度的計算步驟如下假設(shè)在微片激光器的實際工作溫度^時，要求雙折射型激光晶體為所輸 出倍頻光的高級次半波片或全波片，則雙折射型激光晶體中o、 e倍頻光的位 相差A(yù)(p!滿足A(p尸2承兀,o(tD-ne(ti)l承W入2,K承兀 (1)則在測量環(huán)境溫度為t2時，該雙折射型激光晶體中o、 e倍頻光的位相差 Acp2應(yīng)為Acpf2承兀承l(wèi)no(t2)-ne(t2)l承Lt2/入^ (2 )以上部分參數(shù)之間的關(guān)系為魂)=no(t2)+(dn拜(t廣t2) ( 3 )n"ti): ne(t2)+(dne/dt)Wt2) ( 4 )Ltf[l+o^(t2畫"PLt！ (5) 根據(jù)以上公式，當(dāng)已知部分參數(shù)時即可得出相應(yīng)的位相差值或厚度值， 其中，K為正整數(shù)，Lt" Lt2分別為雙折射型激光晶體在溫度t。 t2時所對應(yīng)的幾何厚度，單位與倍頻光波長A^相同，Ile(ti)、 ne(t2)分別為雙折射型激光晶體在溫度h、 12時所對應(yīng)的波長12￡0處6光折射率，n。(h)、 n。(t2)分別為雙折射型激光晶體在溫度t,、 t2時所對應(yīng)的波長人2。處0光折射率，a為雙折射型激光晶體在溫度t廣t2范圍內(nèi)沿通光方向上的線膨脹系數(shù)，dno/dt、 dne/dt分別 對應(yīng)雙折射型激光晶體在溫度tr、t2范圍內(nèi)波長為人2(0時o、 e光的熱光系數(shù)。
5. 如權(quán)利要求1所述的一種兩片式結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)倍頻微片激光器的 加工方法，其特征在于所述兩片式結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)倍頻微片激光器只含 有一片雙折射型激光晶體和一片II類位相匹配倍頻晶體，所述的雙折射型激 光晶體、II類位相匹配倍頻晶體的光軸與通光方向垂直，且雙折射型激光晶 體與II類位相匹配倍頻晶體二者的光軸成45°夾角。
6. 如權(quán)利要求1所述的一種兩片式結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)倍頻微片激光器的加工方法，其特征在于所述的雙折射型激光晶體及n類位相匹配倍頻晶體大片鍍膜是指兩者分別鍍制有不同膜層，不同膜層包括前腔鏡膜和后腔鏡 膜兩種，其中前腔鏡膜為對基頻光及倍頻光高反射，泵浦光高透過的膜層， 后腔鏡膜為對基頻光高反射及倍頻光高透過的膜層。
7. 如權(quán)利要求1所述的 一種兩片式結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)倍頻微片激光器的加 工方法，其特征在于還包括最后一步大片切小，其中大片鍍膜后，雙折 射型激光晶體大片與II類位相匹配倍頻晶體大片之間固定，然后是大片切小。
8. 如權(quán)利要求1所述的一種兩片式結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)倍頻微片激光器的加工方 法，其特征在于在大片働莫步驟后，雙折射型激光晶體與II類位相匹配倍 頻晶體之間固定的步驟前，還包括分別切小的步驟，則雙折射型激光晶體與 II類位相匹配倍頻晶體的固定是兩不同晶體的小片之間的固定。
9. 如權(quán)利要求1、 7或8任一項所述的一種兩片式結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)倍頻微片激 光器的加工方法，其特征在于雙折射型激光晶體與II類位相匹配倍頻晶體 之間固定方式為光膠或深化光膠。
10. 如權(quán)利要求1 、 7或8任一項所述的 一種兩片式結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)倍頻微 片激光器的加工方法，其特征在于雙折射型激光晶體與II類位相匹配倍 頻晶體之間固定方式為熱膠或紫外膠膠合。
全文摘要
一種兩片式結(jié)構(gòu)的腔內(nèi)倍頻微片激光器的加工方法，其加工步驟包括雙折射型激光晶體及II類位相匹配倍頻晶體分別毛坯定向、切割、大片磨砂、拋光、大片鍍膜、雙折射型激光晶體大片與II類位相匹配倍頻晶體大片之間光膠或深化光膠、大片切小。其特征是雙折射型激光晶體拋光步驟中還含有位相差控制步驟，通過在雙折射型激光晶體最后一次表面拋光過程中控制雙折射型激光晶體中o、e倍頻光的位相差，使得激光晶體被加工成在該激光器實際工作溫度下所輸出倍頻光的高級次半波片或全波片。本發(fā)明的優(yōu)點在于使得倍頻光在腔內(nèi)通過雙折射型激光晶體后從激光器輸出時仍然保持較好的偏振度，從而保證該激光器在一定工作溫度范圍內(nèi)可輸出較高消光比的倍頻光。
文檔編號H01S3/109GK101404380SQ20081007212
公開日2009年4月8日 申請日期2008年11月14日 優(yōu)先權(quán)日2008年11月14日
發(fā)明者張山從, 陳建林 申請人:福建華科光電有限公司