[发明专利]双掺CaF

说明书

本发明提供一种双掺CaF₂晶体中三维波导型分束器的制备方法，属于光子学器件制备技术领域。主要包括利用飞秒激光在双掺CaF₂晶体进行分阶段写入，各阶段为端面形貌略有不同的包层光波导结构，各阶段首尾相接，且中心线始终在同一直线上。通过各阶段包层光波导端面形貌的渐变，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，形成波导分束器。在分束器入射端、出射端加激光腔镜，利用适当波长的泵浦激光对波动啊分束器进行泵浦，可实现多路波导激光的同时输出。

技术领域

本发明属于集成光子学器件制备技术领域，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。

背景技术

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[Optics Letters 40,1753(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[IEEE Journal ofSelected Topics in Quantum Electronics 22,4500204(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[ScientificReports 6,22310(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-mode interference)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。