紫外激光器光源和形成用于生成紫外光的倍频波导的方法技术

本发明专利技术为紫外激光器光源和形成用于生成紫外光的倍频波导的方法，公开了一种激光装置，其提供至少紫外激光束，并优选提供紫外激光束和可见激光束两者。激光装置包括半导体激光装置(例如，激光二极管)以产生可见激光，所述可见激光被耦合到采用单晶薄膜倍频波导结构的倍频晶体中。单晶薄膜倍频波导将激光二极管发出的可见光的一部分转变成紫外光。可见光和紫外激光均从波导发出。作为例子，单晶薄膜倍频波导包括由β-BaB2O4(β-BBO)构成的倍频晶体区域、由对紫外激光光束的波长透明和接近透明的材料构成的覆层区域，以及由任意材料构成的支撑基底。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及用于发出紫外激光光线的装置，尤其涉及用于将可见激光光线转变成紫外激光光线的倍频波导型光学部件，以及用于制造该倍频波导的方法。在为水的杀菌处理而设计的产品中，所述装置可用作光源。
技术介绍
对于呼吸干净且安全的空气以及饮用干净且安全的水的需要日益增大，在全世界来说在人口密集的国家或地区尤其如此。紧凑的固态深UV光源的主要的大量应用是用于空气或水的非化学手段的杀菌。深UV光-其为在波长短于280nm的UVC范围内的光线-会有效地对DNA造成永久的物理损害，而防止细菌、病毒和真菌复制。这意味着在使用角度来说深UV处理可用于对空气或水消毒以便安全呼吸或饮用。深UV光在破坏e大肠菌方面特别有效。深UV光也可以用来对表面进行消毒。深UV光也可以用于减小化学污染物诸如出现在水中的分解的有机化学物质的毒性，由此使水对引用来说是安全的。在这种情况中，深UV光促成光催化氧化反应，该反应将分解的有机化学物质分裂成不那么危险或者无害的副产品。波长短于230nm的深UV光在促成光催化氧化反应方面是最有效的。紧凑的固态深UV光源也应用在生物及化学感测上，因为生物和化学化合物强烈吸收深UV光。可以根据它们的荧光光谱来识别蛋白质和其它有机化学物质。荧光测量要求照明用的光线在化合物强烈吸收的短波长下，并检测所得到的在较长的波长的荧光。280nm附近的波长是合适的，但更短的220nm的波长更好，因为在该波长下吸收更强。用于对空气和水进行UV处理的使用位(point-of-use)产品已经存在，这些产品使用汞灯作为UV光源。然而，汞灯包含有毒材料，倾向于具有较短工作寿命以及较长预热时间并需要高驱动电压。此外，从汞灯发出的UV光在较宽范围的方向上并从相对较大的区域上发出，这意味着它不能被有效聚焦到小区域中或被聚焦成准直光束。同时在发展的替代UV光源是UV LED。使用UV LED的当前缺陷包括它们的工作寿命较短并且它们不能被有效聚焦而提供准直光束或者紧致聚焦光斑。另外，发光波长短于260nm的UV LED的性能非常差。因此，这些装置很不适合上面描述的受益于波长短于260nm的光源的那些应用。深UV激光器潜在地提供单色的相干光束，所述光束可以被有效聚集成准直光束或者被聚焦到小的区域中，并且可以被快速调制(例如，如荧光测量所需要的那样)。然而，现有的发射波长短于280nm的激光器是非常昂贵的部件，诸如为了工业使用而设计的气体激光器。而激光二极管并没有制造成具有短于280nm的发射波长。通过将合适的非线性光学材料内的可见激光束倍频可以实现深UV激光器。(例如，通常称为 BBO 的偏硼酸钡)首先在 IEEE Journal of Quantum Electronics QE-22, No7(1986)上报告。可见光被聚焦到非线性光学材料中，光线通过二次谐波发生(SHG)过程被倍频(FD)。SHG过程将可见输入光转变成波长为输入光的波长的一半的光线。倍频后的光线具有与激光器发出的光线的特性相似的特性，在现有技术中一般将该光线描述为“激光光线”。在现有技术中，同样普遍的是将发出倍频光线的装置描述为“激光器”。如这里所使用的，术语“激光光线”包括由激光装置发出的光线以及源自激光装置发出的光线的倍频光线。此外，如这里使用的那样，“激光光源”包括通过辐射的受激发射表现出光放大的光源，以及对通过辐射的受激发射表现出光放大的光源发出的光线进行倍频的装置。以此方式使用BBO制成的倍频UV激光器可以发出短至205nm的波长。Nishimura等人在JJAP 42，5079 (2003)中首先报告使用BBO制造UV激光器和使用蓝紫色半导体激光二极管以产生“泵浦”可见激光束。这种办法的潜在优点是蓝紫色半导体激光二极管是紧凑和低成本部件。然而，对于从蓝紫色半导体激光二极管发出的相对较低功率的光线，在BBO中的SHG过程以低效率进行。因此，尽管使用复杂的光学系统来重复循环蓝光通过BBO部件以提高效率，在该现有技术中实现的UV输出功率仍然较低。因此，这种方法不适合制造用于上面描述的应用的低成本高功率UV光源。两件最近提到的现有技术文献均没有讨论使用倍频波导。已经用于提高倍频效率的一种方法是使用倍频波导。倍频波导设计成将泵浦光和倍频光限制在小横截面区域内(在它们通过非线性光学材料时)。通过在非线性光学材料和具有不同折射率的环绕材料(或气体)之间的界面处的内反射，光线被限制在非线性光学材料并被沿着非线性光学材料弓I导。光线可以在垂直于光传播方向的一个维度上受到限制-这一般称为“平面”波导。替代地，在“通道”或“脊”波导中，光线可以在垂直于光传播方向的两个维度上受到限制。通过将光线限制在小的区域，可以显著提高SHG过程的效率。最早的利用倍频波导的报告在US3584230(Tien，六月8日，1971)中公开，其形式为沉积在基底上的薄的非线性光学薄膜。该现有技术没有使用可见光激光二极管也没有使用BBO作为FD波导材料，因而不提供制造UV激光器的方法。尤其是，在现有技术中不知道将高品质单晶BBO薄膜沉积到基底上的方法， 除了均相外延沉积到BBO基底上(其不会提供波导需要的与沉积的BBO层完全不同的折射率)。因此，这种方法不适于制造用于深UV激光器的闻品质波导。利用常规方法扩散、质子交换或注入，通过产生与晶体形成对比的折射率，波导可以形成在大块非线性光学晶体内。US4427260 (Puech等人，I月24日，1984)描述了关于非线性光学装置的专利技术，其中激光二极管泵浦利用Ni扩散形成的FD波导。该现有技术没有讨论BBO的使用，也没有讨论任何其它的适于倍频到深UV波长的非线性材料，并且未弄清扩散能够用于形成适于用在深UV激光器中的高品质波导。此外，该现有技术没有提供成分明显不同于非线性晶体的成分的覆层，而这样的覆层是制造强烈限制光线的波导所需要的。APL41，7，p607(1982)，US4951293(Yamamoto 等人，8 月 21 日，1990)，以及 APL 85,91457(2004)报告了利用Ti扩散、质子交换或注入形成FD波导。后者报告了利用ΒΒ0，但是上述文献均没有提供成分明显不同于非线性晶体的成分的覆层。此外，这些用于制造波导的方法倾向于对具有非常短的波长(例如，波长小于280nm)的紫外线光产生很高的吸收损耗。US5175784 (Enomoto等人，12月29，1992)描述了通过沉积非线性光学薄膜到基底上然后蚀刻出脊形结构而制造的FD波导结构。给出BBO作为几个例子。然而，在现有技术中没有已知的方法来沉积高品质单晶BBO薄膜到基底上，除了均相外延沉积在BBO基底上(其不提供波导需要的与沉积的BBO层形成对比的折射率)。因此，这种方法不适于制造用于深UV激光器的闻品质波导。APL 89041103(2006)报告了利用氦离子注入和干蚀刻在BBO晶体中形成倍频脊形波导。还报告了利用该波导通过FD可见激光束得到UV激光器。注入的氦离子形成在晶体的顶表面下面几微米的薄层，该薄层具有比所述层和表面之间的晶体的折射率略低的折射率。光线限制在顶表面和注入层之间的晶体中。使用注入来形成波导是显著不利的。尤其是，在注入层和BBO晶体之间的折射率对比本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于提供紫外光的激光光源，包括：半导体激光装置，其构造成发出可见光；及包括单晶薄膜的倍频波导，所述波导光学耦合到半导体激光装置以接收半导体激光装置发出的可见光，倍频波导构造成将所接收的光的至少一部分转变成紫外光，其中所述波导包括：包括单晶非线性光学材料的倍频区域；第一覆层区域，包括对具有可见波长的光线和紫外激光束基本透明的材料；及支撑基底；其中第一覆层区域设置在支撑基底和倍频区域之间。

【技术特征摘要】
2011.10.21 US 13/278,8471.一种用于提供紫外光的激光光源，包括 半导体激光装置，其构造成发出可见光；及 包括单晶薄膜的倍频波导，所述波导光学耦合到半导体激光装置以接收半导体激光装置发出的可见光，倍频波导构造成将所接收的光的至少一部分转变成紫外光，其中所述波导包括 包括单晶非线性光学材料的倍频区域； 第一覆层区域，包括对具有可见波长的光线和紫外激光束基本透明的材料；及 支撑基底； 其中第一覆层区域设置在支撑基底和倍频区域之间。2.根据权利要求1所述的激光光源，其中半导体激光装置构造成发出波长在400nm和560nm之间的可见光，转变的紫外光的波长在200nm和280nm之间。3.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中单晶非线性光学材料的厚度小于40μ m,第一覆层的厚度大于lOOnm。4.根据权利要求3所述的激光光源，其中单晶非线性光学材料包括BB0，厚度小于40 μ m的单晶非线性光学材料的厚度所沿着的方向离< 2-1-10 > BBO晶体方向小于5°。5.根据权利要求4所述的激光光源，其中单晶薄膜包括形成单晶薄膜的主表面的至少一个抛光表面，且所述BBO晶体方向不平行于所述至少一个抛光表面的平面。6.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中所述单晶非线性材料包括ΒΒ0，且垂直于BBO晶片的第一抛光表面的平面的方向在离BBO晶体的方向的α = (90- Θ ) °角度的3°以内，其中Θ > 35°。7.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中所述单晶非线性材料包括ΒΒ0，且垂直于BBO晶片的第一抛光表面的平面的方向在离BBO晶体的方向的α = (90- Θ ) °角度的3°以内，其中测量单位为度的Θ通过下式根据半导体激光源的测量单位为nm的波长入i限定 Θ = α 5 λ J5+ α 4 λ J4+ α 3 λ J3+ α 2 λ J2+ a J λ Α α 0 ; 其中当 410nm ^ λ ! < 411nm 时，a5 = O ；a4 = 0. 188102808664553 ；a3=-309. 194840804581 ；a2 = 190590. 522011723 ；&1 = -52214207.6963821 ；a0 =5364240308. 25265 ； 当 411nm ( \ 440nm 时，a5 = -0. 000001760705106 ；a4 = 0.00377476277753 ；a3 = -3. 23698468941742 ；a2 = 1387. 88016707932 ；&1 = -297527. 230809678 ；a0 =25512902. 6041867 ;以及当 440nm < 560nm 时，a5 = -0. 000000000333886 ；a4 = 0. 000000873625719 ；a2 = -0. 000916331528884 ；a2 = 0. 482130839856291 ；&1 = -127. 52288219078 ；a0 =13654.8448727922。8.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中单晶非线性光学材料包括偏硼酸钡(BBO)、氟代硼铍酸钾、焦硼酸锂、四硼酸铷锂以及氟化钡镁中的至少一种。9.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中单晶非线性光学材料是准相位匹配倍频材料。10.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中波导构造成以Imm和20mm之间的相干长度提供倍频。11.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中波导构造成所提供的用于倍频的相干长度大于波导的长度。12.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中进入波导的光线的主导偏振具有垂直于单晶非线性光学材料和第一覆层之间的界面的电场。13.根据权利要求1或2所述的激光光源，其中进入波导的光线的...

【专利技术属性】
技术研发人员：蒂姆·斯密顿，斯图尔特·胡帕，爱德华·安德鲁·伯尔德曼，罗宾·马克·科尔，
申请(专利权)人：夏普株式会社，
类型：发明
国别省市：