一种小体积大芯径双包层Yb:YAG晶体波导激光器制造技术

本发明专利技术公开了一种小体积大芯径双包层Yb:YAG晶体波导激光器。通过对芯层和内包层晶体进行折射率匹配并引入模式竞争的方式，在保证基模输出的情况下将芯径尺寸扩大到400μm

【技术实现步骤摘要】
一种小体积大芯径双包层Yb:YAG晶体波导激光器


[0001]本专利技术涉及一种可实现高泵浦吸收效率、高功率及高光束质量激光输出的大芯径双包层1030nm晶体波导激光器。设计了新的波导复合结构，采用单端泵浦方式，使用热键合技术对Yb:YAG晶体、Er:YAG晶体光学材料进行键合，构成新的双包层晶体波导激光器。属于固体激光


技术介绍

[0002]晶体波导结合了块状晶体材料上与光纤结构上的优点，可以有效地减弱热效应和非线性效应的影响，具备实现高功率、高光束质量激光输出的潜力。
[0003]目前晶体波导按照包层不同可以分为单晶光纤、单包层晶体波导、双包层晶体波导。单晶光纤由单晶棒结构发展而来，其截面常常为圆形，整体呈细长棒状。单晶光纤对泵浦光具有波导作用，具有高单程增益的特性；然而单晶光纤采用空气作为包层导致其具有较大的数值孔径，对信号光未形成导波限制，难以实现高光束质量激光输出。单包层晶体波导具有芯层及包层两部分，可以对信号光形成良好的模式限制，从而获得良好的光束质量；然而单包层波导中包层晶体具有较大的厚度尺寸，导致其不能限制泵浦光，发散的泵浦光会从包层表面溢出。为了提高对泵浦光的吸收效率，需要制备外包层形成双包层波导结构，其对泵浦光及信号光同时具有波导作用，使其实现高功率、高光束质量的激光输出。
[0004]当前制备双层晶体波导主要有两种方式，一种是通过直接键合技术在矩形芯径四周键合内包层，在内包层四周再键合低折射率的晶体材料(例如尖晶石或蓝宝石)等形成外包层
[1,2]，但这种多次键合的方式存在着结构复杂、制备难度大及成本高等问题。另一种是通过液相外延法、溅射沉积法等在单晶芯层上生长晶体形成内包层，再将内包层表面处理后利用低折射率的空气形成外包层，类似单晶光纤对泵浦光具有波导作用
[3]；但受限于制备工艺，目前该方式只能采用无掺杂晶体作为内包层，因此难以实现芯层与内包层间的折射率匹配，使得这种双包层波导的基模芯径尺寸很难超过100μm
[3,4]，难以获得更大尺寸芯层基模的模场面积，限制了基模功率提升。
[0005]针对现有晶体波导激光器中存在的不足，本专利技术设计了一种小体积大芯径双包层晶体波导激光器。首先采用热键合技术制备了波导芯层和内包层，通过选用掺杂晶体作为内包层使芯、包层间的折射率差降低到4
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10
‑6，并引入模式竞争的方式，在保证基模输出的情况下将芯径尺寸扩大到400μm
×
400μm
[5]，这是我们已有的技术。在此基础上，对包层尺寸和泵浦耦合结构进行模拟仿真后，将大芯径晶体波导的内包层加工成直径1mm、长度为65mm的圆形结构，内包层表面经过光学抛光处理并以空气作为外包层，形成对泵浦光的波导作用。相比于单包层波导提高了泵浦吸收效率和泵浦吸收均匀性；相比于键合晶体作为外包层，其结构简单具有更高的应用价值；相比于液相外延法、溅射沉积法等制备的双包层晶体波导有更大的芯层基模的模场尺寸。本专利技术的双包层晶体波导具有大基模模场面积、高单程增益、大表面体积比等特点，可实现高功率、高光束质量的激光输出。晶体波导采用热键合技术制备，提高了结构稳定性。本专利技术的晶体波导激光器可靠性高、整体结构紧凑，具备
实现小型化、集成化、量产的工程应用要求。
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技术实现思路

[0012]本专利技术的目的在于设计一种复合结构的大芯径双包层Yb:YAG晶体波导激光器，克服现有晶体波导激光器中存在的不足，实现高效率、高功率、高光束质量、小体积及高可靠性的优良性能。
[0013]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0014]本专利技术的双包层结构的Yb:YAG晶体波导激光器主要包括：双包层晶体波导结构1、泵浦源2、泵浦耦合系统3、后腔镜4以及输出耦合镜5。泵浦源2出射的泵浦光经泵浦耦合系统3进行缩束后，以一定的发散角从双包层晶体波导结构1的泵浦入射面进入波导，在内包层的限制下多次通过芯层被充分吸收，并在后腔镜4与输出耦合镜5构成的谐振腔作用下产生激光振荡，从输出耦合镜5的右端面得到激光输出。
[0015]所述的双包层晶体波导结构由三部分构成，分别为芯层、内包层和外包层。芯层材料为Yb:YAG晶体，内包层材料为Er:YAG晶体，利用空气作为外包层。通过控制芯层及内包层晶体的离子掺杂浓度，对二者之间的折射率进行精确匹配，并引入模式竞争的方式扩大基模芯径本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种小体积大芯径双包层Yb:YAG晶体波导激光器，其特征在于：包括双包层晶体波导结构(1)、泵浦源(2)、泵浦耦合系统(3)、后腔镜(4)以及输出耦合镜(5)。所述的泵浦源(2)为光纤耦合半导体激光器，泵浦耦合系统(3)对泵浦源(2)输出的激光进行缩束后，以小于56.5
°
的发散角从双包层晶体波导结构(1)的泵浦入射面进入波导，该发散角满足波导内包层表面的全反射条件，在内包层的限制下多次通过芯层被充分吸收，并在后腔镜(4)与输出耦合镜(5)构成的谐振腔作用下产生激光振荡，从输出耦合镜(5)的右端面得到激光输出；双包层晶体波导结构中，芯层为1.0at％掺杂的Yb:YAG晶体，内包层为0.5at％掺杂的Er:YAG晶体；采用空气作为外包层。2.根据权利要求1所述的一种小体积大芯径双包层Yb:YAG晶体波导激光器，其特征在于...

【专利技术属性】
技术研发人员：李强，吴伟冲，雷訇，李帅，朱占达，惠勇凌，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：