一种提高CO2激光器倍频效率的方法

一种提高co2激光器倍频效率的方法
技术领域
1.本发明涉及一种用准相位匹配砷化镓晶体制备的倍频器件，用于co2激光器倍频，产生中红外激光，属于非线性光学领域。


背景技术：

2.co2激光器倍频光在3～5μm波段，具有在大气中吸收低、散射小的特点，该波段大气透过率在70％以上，可以实现大气中远距离传输，在红外检测、遥感、光谱学等领域具有重要的意义。同时输出高功率、高效率的倍频光，对中红外激光的应用具有重要意义。与双折射匹配晶体大多热导率低、激光损伤阈值低相比，准相位匹配晶体能够实现更高的倍频效率。常用的准相位匹配倍频晶体有insb、gap、zns、znse和inp等，该类晶体有吸收系数大、非线性系数小或高质量单晶生长难度大的问题，影响了在co2激光器倍频方面的应用。
3.采用一阶准相位匹配砷化镓晶体用于co2激光器倍频大多存在以下问题：co2激光器输出波长在9～10μm波段，与之匹配的砷化镓相干长度lc在100微米量级，目前抛光工艺难以保证其晶片质量和精度，加工过程中晶片易变形，导致晶片之间厚度偏差较大、热键合后晶片对基频光透过率不均、单层界面损耗难以再降低，严重影响倍频效率。文献1和2中，gaas晶体都有对4～12μm波段光的透过率不均匀的现象，最大相差可近15％，对实现大孔径的co2激光倍频输出造成困难；文献2和文献3中，gaas晶体都有热键合后单层厚度变化大的问题，文献2变化4～5μm，文献3变化2～3μm，在倍频输出是对基频光的偏移较大。(文献1,gordon l,woods g l.diffusion
‑
bonded stacked gaas for quasiphase
‑
matched second
‑
harmonic generation of a carbon dioxide laser[j].electronics letters,1993,29(22):1942
‑
1944；文献2,王昊,惠勇凌,姜梦华,等.准相位匹配砷化镓晶体制备工艺及脉冲co2激光倍频研究[j].中国激光,2014；文献3,郭芷言,惠勇凌,边慧征,等.gaas晶体的扩散键合工艺优化[j].激光与红外,2019,049(010):1206
‑
1211.)需寻求新的解决方案。
[0004]
提出增大单层晶片的厚度，充分利用了gaas在co2激光器输出波段的吸收少、热导率相对高、非线性系数大等优势，同时将晶片厚度增加至300μm以上，晶片的变形小，目前的工艺能够保证晶片之间的厚度误差精度和抛光质量、进一步降低倍频器件的损耗，从而实现高转换效率的co2激光倍频输出。


技术实现要素：

[0005]
本发明的内容在于解决目前准相位匹配晶片加工过程中由于晶片厚度薄，易变形，导致晶片之间厚度偏差较大、热键合后晶片对基频光透过率不均匀、界面损耗难以进一步降低的问题，提出了一种提高co2激光器倍频效率的新方法。
[0006]
一种提高co2激光器倍频效率的方法，整体分为晶片抛光、真空环境下键合操作和热处理三个步骤。步骤1，采用砷化镓作为准相位匹配的倍频晶体，以垂直于[0
‑
11]晶向将晶体切割并抛光至328微米的晶片，该328微米利于使用现有工艺实现高质量的晶片，晶片
之间的厚度偏差可达0.5λ＝0.3μm，粗糙度ra＝0.41nm，平面度峰谷值为0.056λ、均方根值为0.009λ(λ＝632.8μm)，优于一阶准相位匹配晶体的质量(文献3,粗糙度为0.5nm，平面度峰谷值为0.06λ、均方根值为0.013λ)。
[0007]
步骤2，经步骤1得到的晶片用丙酮、酒精、去离子水去除晶片表面研磨液，在盐酸混合溶液(以纯度为38％的盐酸和离子水按照体积比1:1混合)中酸洗2分钟去除晶片表面氧化物，在真空环境中按照极化方向依次旋转180度的方式进行光胶，最后在真空球中进行抽真空处理，处理至真空度为10
‑7pa，这些操作都能有效降低晶片表面残留物和氧化物对基频光和倍频光的吸收带来的损耗。
[0008]
步骤3，步骤2得到的晶体放置于真空热压炉中进行热处理，控制以0.37℃/min的加热速度升温至560℃，保温时间20小时，保温过程保持恒定压力0.27kgf/mm2，降温至室温25℃，使层与层之间的晶片紧密结合在一起，得到47层低损耗准相位匹配砷化镓晶体，其平均单层界面损耗低于0.11％，优于一阶准相位匹配晶体的质量(文献3为至今报导最好的结果，其平均单层界面损耗为0.18％)。
[0009]
通过增加晶片厚度，提高晶片加工质量和精度。根据准相位匹配理论，只能采用奇数阶的匹配方式，即三、五、七阶准相位匹配，考虑到尽量减少对基频光和倍频光的吸收，采用了三阶准相位匹配晶片用于倍频实验。该晶片相比一阶厚度增加了3倍，在300μm以上量级，且砷化镓的吸收系数为0.005cm
‑1，对光的吸收较少(即便是47层三阶qpm
‑
gaas晶体，对光吸收仅在1％)，与一阶相同层数条件下，可实现同样的倍频效率输出值。
[0010]
与其他常用的准相位匹配倍频晶体相比，砷化镓晶体有着吸收系数小、非线性系数大、损伤阈值较高的优势。通过扩散键合法，增加单层晶片厚度，可以实现几十层的大面积键合键合，提高入射基频光通光孔径，并且键合后平均单层厚度变化小，单层界面损耗进一步降低，为实现高功率、高转换效率的倍频输出奠定了基础。
[0011]
本发明具有实质性特点和显著进步，相对目前采用的co2激光器倍频晶体，本发明的方式具有以下优势：(1)增加晶片的厚度，现有技术条件下晶片加工质量和精度提高、抛光完成后晶片之间厚度偏差低至0.3μm，粗糙度和平面峰谷值降低至0.41nm和0.06λ(λ＝632.8μm)；(2)真空环境中光胶过程减少晶片破损率，可实现50层至100层的键合；(3)相比一阶准相位匹配晶片经热处理后层间压缩厚度为3～5μm，本方法晶片质量得以提高，层间压缩厚度低至1μm，平均单层界面损耗有效降低至0.11％；(4)理论上使用与一阶准相位匹配结构相同层数的砷化镓晶体可以实现与其效率相同的输出结果，又加上本方法的界面损耗最低，可以进一步有效提高co2激光器倍频的输出功率和转化效率。
附图说明
[0012]
图1是本发明器件的堆叠示意图。
[0013]
图2是单层砷化镓晶片的晶向。
[0014]
图3是co2激光输出波长对应gaas晶体的相干长度。
[0015]
图4是晶片粗糙度和平面度的测量结果。
[0016]
图5是47层准相位匹配晶体的透过率曲线。
[0017]
图6是三阶准相位匹配倍频原理。
[0018]
图7是相同层数下一阶与三阶准相位匹配倍频效率曲线。
[0019]
图8是三阶准相位匹配下倍频效率曲线。
[0020]
图9是厚度偏差对倍频效率影响曲线。
具体实施方式
[0021]
如图1所示，本发明采用三阶准相位匹配晶体制备多层倍频器件，制备过程可分为以下步骤。第一步，确定砷化镓晶片的晶向，[0
‑
11]为通光方向，[0
‑1‑
1]为基频光偏振方向，[100]为晶体极化方向。切成2mm厚度的薄片；第二步经过双面减薄、抛光至指定厚度，在真空条件下进行预键合；第三步进行高温热键合。
[0022]
砷化镓晶体的吸收系数为0.005cm
‑1，二阶非线性系数为83pm/v，比常用准相位匹配晶体磷化镓小一个数量级，比磷化铟小两个数量级。砷化镓的二阶非线性系数为83pm/v，是硒化锌的1.5倍。
[0023]
砷化镓的切割后的晶向如图2所示。图中三个互相垂直的晶向分别对应基频光入射方向、偏振方向和晶体极化方向，晶片堆叠时，每次以偏振方向[0
‑1‑
1]为轴旋转180
°
，极化方向[100]逐层反转进行堆叠，完成后经过热键合方法结合成一个整体。
[0024]
晶片的形状为圆形，考虑到限制基模后co2激光器输出光斑为圆形，相比矩形形状，该形状能够有效利用晶体的通光面积，并且能减少晶片抛光过程中尖锐边缘对抛光垫的损伤。另外，对圆形晶片做了长短切边处理，用于区分偏振方向和极化方向。晶片的相干长度与基频光波长一一对应，co2激光器输出基频光的范围为9.26～10.73μm，相干长度在105.5～109.5μm之间，其对应关系如图3所示。由于晶片厚度为300μm以上，抛光过程可提高晶片质量和精度，如图4所示，厚度加工误差在0.5λ(λ＝632.8μm)＝0.3μm，粗糙度在0.41nm，平面度峰谷值为0.056λ、均方根值为0.009λ(λ＝632.8μm)，优于本课题组一阶qpm晶体的数据(ra＝0.5nm、平面度峰谷值为0.06λ、均方根值为0.013λ)。
[0025]
晶片经过减薄，抛光至指定长度，几十层的倍频器件最外层未镀膜，因镀膜会使晶体的损伤阈值降低，影响倍频输出。抛光完成的晶片，首先要经过丙酮、酒精清洗掉表面研磨液和其他污染物降低研磨残留物带来的界面散射损耗，其次用盐酸和去离子水体积比1:1混合溶液后进行酸洗，去除晶片表面氧化物，降低由于表面氧化物吸收带来的界面损耗。最后在真空环境中进行光胶预键合，在真空热压炉中进行高温加压热键合处理，最终得到的低损耗砷化镓倍频器件。采用一阶准相位匹配晶体制备多层倍频器件，热键合处理后晶体的单层厚度降低2～5μm、平均单层界面损耗通常不高于0.3％，但是厚度增加后，平均单层厚度降低仅1μm，平均单层界面损耗降低至0.1％甚至更低，如图5所示。
[0026]
晶片经过几十层的堆叠，在co2激光器倍频过程中，基频光每经过一层晶片，就实现一次基频光能量向倍频光的转化，从而实现高效率的倍频光转化。虽然在每一层晶片中，前两个相干长度没有实现倍频光的增长，但是由于砷化镓对于基频和倍频光的吸收系数很低，没有造成两种光的特别大的损耗。图6为倍频效率随着三阶准相位匹配晶片层数的变化曲线，在一定范围内，层数越多，倍频效率越高。
[0027]
如图7，忽略晶体吸收，理论上相同层数条件下，三阶准相位匹配晶体与一阶可以实现相同的倍频效率。设置层数为20层，(横坐标为相干长度lc的倍数，一阶准相位匹配晶片厚度为lc，三阶晶片厚度为3lc)，基频光为9.57μm、光功率密度在5mw/cm2条件下，两种情况得到的倍频效率都为7.57％，说明了三阶准相位匹配的可实施性和意义。
[0028]
随着晶片层数增加，倍频效率也会提升。如图8，设置基频光波长为9.57μm，光功率密度为30mw/cm2，得到倍频效率与层数关系曲线。当层数到达100层时，倍频效率可达60％。因为砷化镓晶片的损伤阈值为50～70mw/cm2，所以可以适当增加光功率密度以提高倍频效率。同时，如图9，当厚度变化1μm，基频光波长为9.57μm，光功率密度为5mw/cm2，一阶qpm晶片下降28％，而三阶仅下降3％。所以，晶片之间变化相同的厚度，三阶qpm晶片效率降低的更少，尽管晶片单层厚度增加会增加对光的吸收，但是对于9.57μm波长的基频光，gaas的吸收系数为0.005cm
‑1，长度为2cm的砷化镓吸收也仅占入射基频光的1％。综上，三阶qpm
‑
gaas晶体是实现高效率co2激光倍频的良好选择。