一种双包层晶体波导及激光器

本发明属于固体激光，涉及一种双包层晶体波导及激光器，具体涉及一种大芯径双包层nd：yag晶体锥形圆波导及激光器。

背景技术：

1、晶体波导结合了块状晶体材料与光纤结构的优点，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。

2、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。

3、当前制备双包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，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；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，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。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的不足，本发明提供一种双包层晶体波导及激光器，其采用单端泵浦方式，使用无胶热键合技术对nd:yag晶体、er:yag晶体和yag晶体光学材料进行键合，并蒸镀sio2薄膜作为外包层，以实现高效率、高功率、高光束质量及高可靠性的优良性能。

2、本发明公开了一种双包层晶体波导，包括：

3、芯层；其中，芯层的尺寸选择要求为：在保证波导满足基模光输出下，选择最大的尺寸；

4、内包层，所述内包层键合在所述芯层的外表面上，以对水平和竖直两个方向的信号光传输模式均形成波导作用；

5、外包层，所述外包层蒸镀在所述芯层的内包层上，基于内外包层的折射率差，使得泵浦光因全反射被限制在晶体波导中；

6、散热端头，所述散热端头键合在波导的泵浦入射面上。

7、作为本发明的进一步改进，所述芯层采用1.00at％掺杂的nd:yag晶体，所述内包层为2.25at％掺杂的er:yag晶体，所述外包层为sio2薄膜，所述散热端头为yag晶体。

8、作为本发明的进一步改进，所述芯层为方形结构，尺寸为(300～500)×(300～500)μm，优选为400×400μm；所述内包层为锥形结构且截面为圆形；所述外包层的厚度为2～4μm，优选为3μm，所述散热端头的厚度为1～3mm，优选为2mm；整体呈现前端直径1～2mm，优选为1.5mm、后端直径0.5～1.5mm，优选为1mm、长度为50～70mm，优选为62mm(含散热端头2mm)的锥形圆波导结构。

9、作为本发明的进一步改进，通过热键合技术将nd:yag晶体、er:yag晶体制备为一体结构，内包层设计为锥形结构，其表面经过光学抛光处理，利用内、外包层的折射率差对泵浦光进行限制，使泵浦光在内包层表面间多次进行反射，有效增加nd:yag芯层的泵浦吸收长度，提升芯层轴向上的泵浦吸收均匀性；在内包层上蒸镀与内包层材料折射率(约1.82)具有较大折射率差的sio2薄膜(折射率约为1.46，厚度约为3μm)作为外包层，较大的折射率差使得泵浦光因全反射被限制在双包层晶体锥形圆波导结构中。

10、作为本发明的进一步改进，所述双包层晶体波导的左、右两端面均镀有885nm及1064nm的增透膜。

11、本发明还公开了一种激光器，包括：双包层晶体波导、泵浦源、泵浦聚焦耦合系统、后腔镜以及输出耦合镜；

12、所述双包层晶体波导作为增益介质，所述泵浦聚焦耦合系统、后腔镜、双包层晶体波导和输出耦合镜沿泵浦源的激光传输方向依次设置。

13、作为本发明的进一步改进，所述泵浦源为光纤耦合ld激光器，输出波长为885nm，数值孔径na＝0.22，纤芯直径400μm，最高输出功率200w；所述泵浦聚焦耦合系统为焦距f＝40mm和f＝50mm的一组平凸透镜，该系统将原本的泵浦光数值孔径na＝0.22整形为na＝0.176，整形后的泵浦从双包层晶体锥形圆波导结构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，所述后腔镜与输出耦合镜构成谐振腔，用于产生激光振荡，并从输出耦合镜的右端面得到激光输出；所述后腔镜表面镀有885nm增透膜及1064nm全反膜，所述输出耦合镜对1064nm波长部分透射。

14、作为本发明的进一步改进，激光器的使用方法，包括：

15、步骤一、采用无胶热键合技术，将方形芯层材料nd:yag晶体四周键合内包层晶体er:yag，使介质对水平和竖直两个方向的信号光传输模式均形成波导作用；将表面经过光学抛光处理后的波导结构，在内包层外蒸镀3μm厚的sio2薄膜，内外包层材料较大的折射率差使得泵浦光因全反射被限制在晶体波导中；最后在波导前端键合上yag晶体，有效消除了晶体波导前端热积累的问题并改善了晶体波导整体的热分布；

16、步骤二、采用焦距f＝40mm和f＝50mm的一组平凸透镜作为泵浦聚焦耦合系统，该系统将原本的泵浦光数值孔径na＝0.22整形为na＝0.176，整形后的泵浦从双包层晶体锥形圆波导结构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，并在后腔镜与输出耦合镜构成的谐振腔作用下产生激光振荡，从输出耦合镜的右端面得到激光输出。

17、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

18、1、本发明采用双包层晶体波导结构，通过控制内包层材料的离子掺杂浓度，使其与芯层的折射率形成良好匹配，并引入模式竞争的方式扩大基模芯径尺寸，增加了基模模场面积，在保证高光束质量的同时提高输出功率。

19、2、本发明的双包层晶体锥形圆波导结构，芯层设计为方形结构，四周键合包层晶体，使介质对水平、竖直两个方向的信号光传输模式均起到波导作用；采用与内包层材料折射率(约1.82)具有较大折射率差的sio2薄膜(折射率约为1.46，厚度约为3μm)作为外包层，较大的折射率差使得泵浦光因全反射被限制在晶体波导中；采用晶体锥形圆波导结构增加了波导后端的有效吸收光程，可以明显解决因波导长度过长、前端吸收过多而导致后端吸收效率低的问题；采用在波导前端键合2mm端头的方式，消除了晶体波导前端热积累的问题并改善了晶体波导整体的热分布。

20、3、本发明的双包层晶体锥形圆波导结构相比于单包层波导提高了泵浦吸收效率和吸收均匀性；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。

21、4、本发明的新晶体波导结构中，内包层采用对泵浦光及振荡光均不吸收的er:yag晶体，其在限制泵浦光的同时，对芯层nd:yag晶体起到热沉的作用，有利于芯层散热，改善热效应。所述的双包层晶体锥形圆波导结构的内包层为er:yag晶体，芯层为nd:yag晶体，通过控制芯层及内包层材料的离子掺杂浓度，对二者之间的折射率进行精确匹配以扩大基模芯径尺寸，并引入模式竞争的方式进一步扩大基模的模场面积，实现高功率、高光束质量激光输出。晶体波导采用热键合和蒸镀技术制备，使得激光器整体结构紧凑、可靠性高，具备实现小型化、集成化、量产的工程应用要求。