為了滿足市場對于更高輸出功率、近衍射極限光學屬性以及線性偏振光輸出的DPSS激光器的需求，工業半導體泵浦固體激光器系統正在不斷革新。輸出功率的提升可全面改善加工處理能力，實現精密加工、材料處理、光譜分析、晶圓檢驗、激光顯示以及醫療診斷等先進應用。優質的光束質量以及線性偏振光輸出可以得到高效的2次和3次諧波振蕩。
一直以來，由于較大的吸收截面、寬吸收線寬、以及主控晶體良好的溫度特性，在工業加工中大量應用的DPSS激光器采用808nm泵浦Nd:YAG激光。欠缺的是，此系統的性能由于808nm泵浦激光與1064nm激光散射的高量子虧損，造成了熱透鏡效應，以及對應的不理想的空間光束質量。此外，YAG晶體的單折射性導致隨機偏振輸出，降低了諧波振蕩過程的效率。顯然，對于新一代DPSS 系統，必須利用替代材料系統和泵浦方法來增加輸出功率，提升光光轉換效率，并且提升新一代DPSS 系統的光束質量。
Nd:YVO4（摻釹釩酸釔晶體）晶體因其激發截面大、吸收系數高、激光破壞閾值高以及線性偏振輸出，在新一代DPSS 系統中得到了越來越多的應用。此外，正因為降低了30%左右的量子虧損以及相對應減少的熱負荷/熱透鏡效應，就可以通過以878nm進行Nd:YVO4固態激光器的高能態泵浦來實現更高的功率能級與效率。
通過使用釩酸釔晶體所實現的輸出功率、光束質量與偏振輸出的改進需要更高規格的半導體激光器泵浦，是由于釩酸釔晶體具有天然雙折射性，高能態吸收線寬較窄，且嚴重依賴偏振。嚴格的規格要求是指高功率半導體激光泵浦源的光譜寬度和發射波長在不同工作溫度和電流下的穩定性。因此只有通過波長穩定的泵浦源才能充分利用此材料系統提供的性能。此外，半導體泵浦的亮度和空間特性對DPSS系統的輸出功率、光束亮度和效率有著顯著影響。我們將討論高能態泵浦的優勢，以及針對光纖耦合、波長鎖定二極管所需的優化。本文量化了在實施 VBG 解決方案時就成本、功率、效率和動態范圍的系統層級平衡。
VBG解決方案的優勢
量子阱半導體激光器的激光光譜與有源區域的光學增益光譜緊密相關。這個光學增益光譜非常依賴半導體激光器的驅動電流和溫度。標準寬域半導體激光器不采用波長可選的反饋機構，導致任何以及所有模式激光發射在有源區的光譜增益帶寬中得到充分的往返增益。因此，激光發射模式的總光譜寬度主要取決于光學增益的光譜寬度，而此項增益本身則與發射波長的平方成比例關系。由于半導體激光器帶隙以及相應光學增益光譜隨溫度和工作電流而變化，非穩波長半導體激光器設備的激光光譜會以約0.3 nm/°C速率漂移。換言之，光譜寬度與中心波長會隨著激光器工作條件的變化而變化，并且在特定材料系統中不能直接通過外界工程改造改變。
半導體激光器的波長穩定性通常是通過波長選擇反饋機制實現的，該機制會將激光器鎖定到一個（或幾個）縱向模式。半導體激光器最常見的兩種波長穩定方法是內部反饋機制和外部反饋機制，內部反饋機制是通過在激光器的有源區包含蝕刻的分布式布拉格光柵（DBR和DFB激光器），外部反饋機制則是通過體全息光柵 (VBG) 等外部光學器件實現 。通過外部VBG實現的波長鎖定相比DFB或DBR鎖定裝置有多項優勢。
圖 1：性能比較表，自由運行、內部布拉格光柵穩定以及VBG 鎖定半導體激光器的中心波長、光譜線寬以及峰值二極管效率變化的測量值。VBG鎖定裝置在中心波長變化上變化最小，光譜線寬最低，并且在電光轉換效率并無損失。
首先，外部VBG鎖定將二極管自身發熱與反饋結構的波長解諧分離開來，進一步改進了鎖定二極管的溫度穩定性，從而可通過VBG器件的獨立溫度控制實現波長可調諧的激光發射。DFB或DBR激光器等包含內部光柵的設備會隨溫度產生0.07nm/°C 波長漂移，從而在工作功率上產生2nm的激光波長漂移。相比之下，VBG的低光學吸收率可使產品在工作范圍內的波長漂移 小于0.2nm。
其次，因為縱向激光模式通過外部光學器件選擇，此方法在波長上提供了更大的靈活性。發射線寬可以根據應用定制 - 在非常窄的線寬要求 (<0.05nm) 情況下，可以直接將 VBG做得更厚。例如，nLIGHT展示了在整個工作范圍內光譜線寬 <10pm的780nm波長穩定裝置。
第三，通過去除p-DBR，可以大大降低電插入裝置的電壓損傷，從而使這些設備的插接效率有所增加。外延器件可以單獨為高功率和高效率進行優化，而無需影響到埋入光柵工藝所需光學模式的良好光柵耦合設計。光柵本身較低的內部損耗可以實現設計優化，相對于非鎖定設計在功率和效率上并無損失。埋入光柵工藝通常采用復雜的外延生長方法，采用外部鎖定則不再有此需要。與采用和透鏡領域相一致的完善開發的技術，非鎖定和鎖定產品都可以用同一晶圓的芯片制造。
最后，近來在量產能力方面的提升以及競爭性的價格壓力讓光學器件的成本降低，從而使該解決方案的整體成本下降。光學器件的安裝采用了快軸準直透鏡方面開發完善且性價比高的技術。
此前其他機構的研究表明在采用VBG實現外部波長鎖定后，半導體激光器出現了~10%到~20%的顯著效率下降。為了解決此局限性，nLIGHT開發了能在寬幅溫度范圍內維持良好鎖定性能的鎖定技術，且對激光器功率與效率幾乎沒有改變。此技術已被應用到多種工作在800nm到1900nm波段的高功率高效率半導體激光器上。nLIGHT已經將這些技術加入到88xnm光纖耦合PearlTM模塊中，可以支持極窄光譜線寬的設備以及高于55%的光纖耦合電光轉換效率，如下方圖2所示。這些結果展示了nLIGHT獨有的外腔激光器制造能力，可以實現極低光學損耗、波長穩定性和極窄光譜線寬并支持釩酸釔晶體 DPSS 激光器高能態泵浦關鍵參數。
圖 2：（左）耦合到400μm、0.22NA 光纖的Pearl 模塊（波長穩定，10 個芯片串聯）的功率、電壓、效率與電流的曲線圖。工作功率與效率分別為50W 和 >55%。（右）模塊在工作電流的光譜特征。光譜線寬 < 0.4nm，漂移在整個工作范圍內 < 0.2nm。
低成本光纖耦合激光器模塊的到來顯著提升了SSL泵浦架構。多模光纖決定了泵浦光的空間特征，提供了與SSL信號具有良好空間疊加的圓形輸出光束。其次，泵浦可以與SSL晶體分別封裝，從而簡化了對系統冷卻的要求。nLIGHT同時探索了泵浦光的消偏振與光纖數值孔徑輸出均質化的方法。此技術大大消除了激光的偏振現象，同時提升了光纖耦合泵浦模塊的穩定性和可維護性。最后，通過近場和遠場光束的均質化，泵浦模塊特征與SSL 基礎模式特征更加吻合，從而提升了光光轉換效率與可實現的衍射極限輸出功率。
有一些客戶使用波長穩定光纖勻化泵浦源以878.6nm波長泵浦Nd:YVO4固體激光器。在進行808nm與878nm半導體泵浦的對比性研究時發現，a軸與c軸偏振光吸收曲線的差異對激光器性能有著顯著影響。
在878.6nm進行泵浦時，這些客戶經常發現原先在808nm泵浦的裝置在最大輸出功率上有了巨大提升。然而，a軸和c軸吸收情況的差異對泵浦波長和光譜寬度以及兩者的平衡提出了更高要求，許多客戶發現泵浦Nd:YVO4的最佳波長是878.6nm，同時光譜寬度和中心激光波長的容差極小。通過在878.6nm泵浦，a軸和c軸的吸收情況得到了平衡，從而在極小熱透鏡效應的情況下實現了高輸出功率。光譜線寬必須足夠窄（約0.5 nm，FWHM）以便使a軸和c軸吸收值在泵浦的光譜寬度內不會大量變化。
圖 3：Nd:YVO4 的a 偏振光與 c 偏振光的吸收曲線。在 878nm 波段泵浦時，a 軸與 c 軸偏振光的吸收差異可能會對激光器性能有著巨大影響。
在將泵浦解諧到878.1nm時，低a軸光吸收情況會導致性能不良。較大的光譜寬度（約 1nm）由于a軸吸收的迅速減少會大大削減性能，導致以短波長泵浦的近衍射極限光束質量下降。通過將泵浦調諧到879.1nm以上的波長，強c軸吸收搭配弱a軸吸收會導致低光光轉換效率以及很強的熱透鏡效應。光譜線寬的進一步增加會導致DPSS性能降低。
通過維持窄光譜線寬、優質的中心波長穩定性、激光輸出的偏振消除以及良好的光學勻質性，我們可以同時在a軸和c軸優化吸收，同時減輕熱透鏡效應，從而在輸出功率和斜率效率上相比808nm泵浦有了顯著提升。憑借VBG穩定泵浦模塊的設計與多年的生產經驗，nLIGHT開發出了具有嚴格中心波長和光譜線寬性能設備的制造能力，見圖4。
圖 4：柱狀圖顯示了 878.6 nm 半導體激光器的中心波長（左）和光譜寬度（右）。泵浦二極管集中輸出波長和收窄光譜寬度的能力可大大提升 Nd:YVO4 激光設備的輸出功率和光束質量。
878.6nm泵浦的Nd:YVO4激光器在更高功率和線性偏振輸出性能的提升直接帶來了固體激光器諧波振蕩的改善。根據多個客戶反饋，在878.6nm 泵浦設備可以得到的提升在808nm泵浦設備的TEM00輸出功率上帶來了>60%的提升效果，直接對應的是通過一次和二次諧波振蕩可實現輸出功率級別的顯著提升。nLIGHT生產的878.6nm波長穩定的泵浦具有最高的效率、最嚴格的中心波長穩定性、窄光譜線寬，屬于Nd:YVO4的最佳泵浦，可以提升DPSSL輸出功率和穩定性以及DPSSL性能在生產線上的重現性。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
