双掺CaF制造技术

本发明专利技术提供一种双掺CaF

Preparation of three dimensional waveguide beam splitter in double doped CaF2 crystal

The invention provides a preparation method of a three dimensional waveguide type beam splitter in a double doped CaF2 crystal, which belongs to the technical field of photonics device preparation. It mainly includes using femtosecond laser to write two phases of CaF2 crystal in different stages. Each stage is a cladding waveguide structure with slightly different end faces, which is connected at the beginning and the end of each stage, and the centerline is always on the same line. Through the gradual change of the morphology of the end faces of the cladding optical waveguide, the waveguide structure is transformed from the single cylindrical waveguide at the incident end to the multiple cylindrical structures at the exit end, and the waveguide splitter is formed. At the incident end of the beam splitter and the laser port at the exit end, we pump the wave splitter with the appropriate wavelength of the pump laser, and realize the simultaneous output of the multi-channel waveguide laser.

【技术实现步骤摘要】
双掺CaF2晶体中三维波导型分束器的制备方法
本专利技术属于集成光子学器件制备
，特别涉及一种双掺CaF2晶体中三维波导型分束器的制备方法。
技术介绍
稀土离子双掺CaF2晶体具有萤石型结构，属等轴晶系，面心立方结构，具有较低的折射率、非线性系数和较高的热导率，其负温度系数较玻璃更小，这些都有利于高质量激光输出。此外，CaF2还有其他众多的优异性能，如透光范围宽(0.125-10μm)、恒定的平均折射率和局部折射率、损伤阈值高、不潮解、抗化学腐蚀性强、易生长大尺寸单晶、热导率高(10W/m·k)。然而，在掺三价稀土离子CaF2晶体中非常容易形成离子团簇结构，导致其在1μm激光上能级上的浓度猝灭严重。因此，在单掺的CaF2晶体光波导中至今未获得令人满意的激光性能。近来，有研究表明在稀土离子掺杂CaF2晶体中共掺Gd3+、Na3+等离子可有效抑制浓度猝灭效应，改善晶体的光谱和激光性能，有利于获得较高激光效率下的连续激光输出。光波导是构成集成光子学器件的基本元件，它是由低折射率的介质包围起来的高折射率介质区域，能够将光限制在微米或亚微米量级的尺寸内进行传输，具有集成度高、稳定性高的优点。更为重要的是，基于不同功能光学材料的光波导可将衬底材料的光学特性与光波导结构的优良性能相结合，实现微型化的有源光波导器件，同时，波导内的高功率密度能够使波导区材料性能得到进一步的加强，如在激光晶体中制备的光波导结构能够实现波导激光器，且与该激光晶体体材料相比，波导激光泵浦阈值往往较低，更有利于激光的泵浦。包层光波导是近年来广泛研究并应用的一种光波导结构，该结构具有低折射率的圆柱形或矩形的包层，在包层包围的区域内折射率相对较高，形成波导区。该结构具有诸多优点：首先，该结构的具有很高的可调控性(其尺寸极易控制)，有利于获得单模波导；其次，该结构具有极高的对称性，使不同偏振方向的激光得以限制传输，同时也有利于与其他光学元件(如光纤)的耦合。在材料改性、集成光学、现代光通讯等前沿领域，都具有广阔的应用前景和重要的研究意义。飞秒激光微加工技术是新兴的光波导制备技术，该技术已经用于一些光学晶体中波导型分束器的制备。例如，T.Calmano等人在Yb:YAG晶体中制备了Y形分束器并获得了激光输出[OpticsLetters40,1753(2015)]，该分束器是基于双线型光波导结构(利用激光写入相隔数微米的折射率降低的双线，在双线之间形成波导结构)，然而，该分束器只能限制传输特定偏振的激光，这也是此类波导分束器具有的普遍缺陷。H.L.Liu等人报道了Nd:YAG晶体中基于矩形包层光波导结构的Y型分束器制备及波导激光[IEEEJournalofSelectedTopicsinQuantumElectronics22,4500204(2016)]，W.J.Nie等人在KTP晶体中制备了类光子晶格结构的波导型分束器，并在其中实现了激光倍频[ScientificReports6,22310(2016)]，这两类波导型分束器均基于包层结构，能够获得不同偏振方向的光传输，有效解决了偏振选择性的问题，然而，此类结构由于不具有多模干涉(multi-modeinterference)结构，导致其损耗往往较高。同时，H.L.Liu等人制备的Y型分束器的矩形端面使其与其他光学元件(如光纤)耦合时效率较低，且该方法不易直接制备三维的分束结构，限制了该类分束器的应用范围。中国专利CN106526747A公开了一种钛宝石晶体波导型分束器件的制备方法。选取钛宝石晶体作为基底材料；在所述钛宝石晶体某一晶面的不同位置重复写入踪迹组成分支型包层结构，即得波导分束器。但其为重复写入的Y型分支形包层结构，出射端与入射端的结构尺寸不同，导致光波导分束器耦合效率低、光损耗大。
技术实现思路
为了克服上述不足，本专利技术提供一种CaF2晶体中波导型分束器件的制备方法。本专利技术采用稀土离子双掺CaF2晶体作为基底材料，在其中制备波导型分束器，并有望在波导分束器中实现激光输出。该分束器基于圆柱形包层光波导，采用分阶段写入的方法，使波导由入射端的单个圆柱形结构经过若干阶段的逐渐变化形状最终在出射端形成多个圆柱形波导结构(各个阶段之间波导端面形貌的变化类似于细胞“有丝分裂”的变化)，进而实现光束的渐变。本专利技术有效的克服了上述各种缺陷。研究结果表明：采用本专利技术制备的CaF2晶体波导型分束器具有极高的可控性与可操作性。为了实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种双掺CaF2晶体中三维波导型分束器，所述波导型分束器以稀土离子双掺CaF2晶体作为基底材料，其波导结构由入射端的单个圆柱形波导渐变为出射端的多个圆柱形结构。为了克服现有的光波导分束器入射端和出射端结构尺寸不同、光损耗大的问题，本专利技术系统研究了不同包层结构和写入方法对光波导分束器光耦合效率的影响，在大规模实验的基础上，提出了一种基于圆柱形包层光波导分束器，采用分阶段写入的方法，使波导由入射端的单个圆柱形结构经过若干阶段的逐渐变化形状最终在出射端形成多个圆柱形波导结构(各个阶段之间波导端面形貌的变化类似于细胞“有丝分裂”的变化)，进而实现光束的渐变，有效降低了光损耗。优选的，所述基底材料为Nd,Gd:CaF2或Yb,Na:CaF2。优选的，所述双掺CaF2晶体为Nd(0.5％),Gd(10％):CaF2、Yb(2％),Na(2％):CaF2晶体，晶体切割尺寸为10(a)×10(b)×2(c)立方毫米。本专利技术晶体中掺杂元素的含量皆为原子数百分含量。本专利技术还提供了一种分束型波导激光器件，包括：任一项上述的波导型分束器。优选的，所述波导型分束器的两个端面分别设置有激光谐振腔。本专利技术还提供了一种双掺CaF2晶体中三维波导型分束器的制备方法，包括：选取双掺CaF2晶体作为基底材料；沿所述双掺CaF2晶体的a轴方向进行灼烧写入，写入踪迹形成多段端面形貌略有不同的包层光波导结构，各段包层结构首尾相接，且中心线始终在同一直线上——沿a轴，直至在出射端形成了两个与入射端结构直径完全相同的包层结构，即得波导分束器。优选的，所述基底材料为Nd,Gd:CaF2或Yb,Na:CaF2。优选的，所述飞秒激光的波长为1047纳米、脉冲重复频率为500千赫兹、脉冲宽度为1360飞秒、写入速度为10～30毫米/秒，飞秒激光偏振为圆偏振，样品表面处的飞秒激光平均功率为100～160毫瓦，每条写入踪迹处的重复扫描次数为1～10次，相邻两条写入踪迹间的距离为2～5微米，分束器中心位于晶体表面下100～350微米处。为了提高双掺CaF2晶体刻蚀效率、降低波导损耗，本专利技术对氟化钙晶体的飞秒激光写入条件进行了系统研究和大规模实验摸索，发现：就本专利技术的分阶段写入法而言，当飞秒激光平均功率为160毫瓦，每条写入踪迹处的重复扫描次数为10次时，制备的光波导结构损耗极低。本专利技术还提供了一种分束型波导激光器件的制备方法，包括：选取双掺CaF2晶体作为基底材料；在所述双掺CaF2某一晶面的不同位置利用飞秒激光进行写入，写入踪迹组成分支型包层结构，即得波导分束器；在分束器的两个端面分别加激光谐振腔，利用808纳米或976纳米激光作为泵浦源，形成分束型波导激光器件。本专利技术还提供了Nd,Gd:Ca本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双掺CaF2晶体中三维波导型分束器，其特征在于，所述波导型分束器以稀土离子双掺CaF2晶体作为基底材料，其波导结构由入射端的单个圆柱形波导渐变为出射端的多个圆柱形结构。

【技术特征摘要】
1.一种双掺CaF2晶体中三维波导型分束器，其特征在于，所述波导型分束器以稀土离子双掺CaF2晶体作为基底材料，其波导结构由入射端的单个圆柱形波导渐变为出射端的多个圆柱形结构。2.如权利要求1所述的波导型分束器，其特征在于，所述基底材料为Nd,Gd:CaF2或Yb,Na:CaF2。3.如权利要求2所述的波导分束器，其特征在于，所述双掺CaF2晶体为Nd(0.5％),Gd(10％):CaF2、Yb(2％),Na(2％):CaF2晶体，晶体切割尺寸为10(a)×10(b)×2(c)立方毫米。4.一种分束型波导激光器件，其特征在于，包括：权利要求1-3任一项所述的波导型分束器。5.如权利要求4所述的器件，其特征在于，所述波导型分束器的两个端面分别设置有激光谐振腔。6.一种双掺CaF2晶体中三维波导型分束器的制备方法，其特征在于，包括：选取双掺CaF2晶体作为基底材料；沿所述双掺CaF2晶体的a轴方向进行灼烧写入，写入踪迹形成多段端面形貌略有不同的包层光波导结构，各段包层结构首尾相接，且中心线始终在同一直线上——沿a轴，...

【专利技术属性】
技术研发人员：任莹莹，陈峰，韩钰，王倚天，张立木，
申请(专利权)人：山东师范大学，山东大学，
类型：发明
国别省市：山东,37