作者： Bernd Köhler，Thomas Brand，Matthias Haag，Jens Biesenbach DILAS公司
1. 引言
高功率半導體激光器系統(tǒng)作為發(fā)展成熟的激光光源，在材料加工和固體激光器泵浦領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。盡管高功率半導體具備轉(zhuǎn)換效率高、功率高、可靠性強、壽命長、體積小以及成本低等諸多優(yōu)點，但是光譜亮度相對較差則是一個不容忽視的缺點。半導體激光器bar條典型的光譜帶寬大約是3～6nm，而且峰值波長會受工作電流和工作溫度的影響而發(fā)生漂移。
通常，摻釹固體晶體是對其相對較寬的808nm吸收帶進行泵浦，標準的半導體激光器系統(tǒng)能很容易地滿足808nm泵浦的光譜要。但是在過去幾年里，隨著半導體激光器bar條的工作電流和功率的不斷提高，導致在從閾值電流上升到工作電流的過程中產(chǎn)生了更大的波長漂移。為了確保在整個工作范圍內(nèi)實現(xiàn)穩(wěn)定、有效的泵浦，需要控制泵浦半導體激光器的光譜，使其光譜帶寬始終與激活激光介質(zhì)的吸收帶寬相匹配。
另一方面，光纖激光器的迅速發(fā)展，也增加了對其他波長的泵浦源的需求。例如，泵浦波長為1080nm左右的標準摻鐿光纖激光器，就需要915nm、940nm和980nm的光纖耦合半導體激光器系統(tǒng)，特別是980nm泵浦區(qū)尤為重要，因為摻鐿材料在該泵浦區(qū)具有較高的吸收系數(shù)和較窄的吸收帶寬。
另一個新的泵浦波長是在888nm泵浦Nd：YVO4，與808nm泵浦相比，888nm泵浦的優(yōu)勢在于該波長處于各向同性吸收區(qū)，即在所有偏振方向上具有相同的吸收系數(shù)，并且量子虧損小。[1]
對于光譜線寬要求最高的應(yīng)用之一是堿金屬蒸汽激光器（如銣或銫）的光泵浦，這類應(yīng)用需要的線寬大約為10GHz。對于這些應(yīng)用，要實現(xiàn)有效泵浦，控制半導體激光器泵浦源的光譜。[2]
由多個半導體激光器bar條構(gòu)成的高功率半導體激光器系統(tǒng)的另一缺點在于相對較差的光束質(zhì)量和亮度B，公式（1）是B的定義。半導體激光器光束的亮度由激光功率P以及慢軸和快軸方向上的光束參數(shù)乘積（BPP）a所確定。[3]
普通大面積半導體激光器bar條的輸出光束是由對于光束尺寸和發(fā)散角高度非對稱的參數(shù)來表征的。快軸方向上的光束質(zhì)量約為1mm*mrad，接近衍射極限；然而，標準10mm大面積半導體激光器bar條慢軸方向上的光束質(zhì)量在400～500mm*mrad之間，遠遠超過了衍射極限。
最近幾年中，通過增加每個發(fā)射體的輸出功率和減小慢軸發(fā)散角，半導體激光器bar條的亮度已經(jīng)得到了顯著提高。這些進展帶來了發(fā)射體數(shù)量減少、發(fā)射體間距增加的新型半導體激光器設(shè)計。這些迷你bar條比傳統(tǒng)的10mm大面積半導體激光器bar條更具優(yōu)勢。[4]
半導體激光器系統(tǒng)亮度的進一步增強是通過偏振耦合和波長復用實現(xiàn)的。偏振耦合僅能將亮度提高一個單位系數(shù)的兩倍，而波長復用技術(shù)受可用波長數(shù)量n的限制。 事實上，波長復用進行功率擴展是以犧牲光譜亮度為代價。
標準半導體激光器光源的波長復用，以及基于非介質(zhì)膜的波長耦合器，需要大約30nm的光譜寬度。通過使用具有穩(wěn)定的窄帶發(fā)射光譜的半導體激光源和體全息光柵作為組合單元，光譜距離可以顯著縮減到3nm。[5]結(jié)果，對于給定的光譜范圍，能夠被復用的半導體激光器bar條的數(shù)量增加，進而使亮度增強。
光譜穩(wěn)定的半導體激光器模塊更大的優(yōu)點是其對工作溫度和工作電流的敏感性降低，從而使冷卻系統(tǒng)更加簡便。另外，其對于芯片材料的規(guī)格要求也降低了，提高了生產(chǎn)中的晶圓利用率；而且還消除了隨著半導體激光器工作時間增加而引起的波長變化（“紅移”）。然而，應(yīng)該指出的是，所有這些優(yōu)點的獲得要取決于體全息光柵的鎖定范圍。
下面將介紹不同的波長穩(wěn)定技術(shù)。
2. 波長穩(wěn)定的基本概念
2.1波長穩(wěn)定的方法
在過去，為了改善半導體激光器bar條的光譜亮度，研究人員探討了一些不同的方法。這些方法可分為激光器內(nèi)部和外部解決方案。內(nèi)部解決方案將波長穩(wěn)定結(jié)構(gòu)集成到半導體激光器bar條內(nèi)部，而外部解決方案則是將體全息光柵與布拉格光柵分開，以穩(wěn)定波長。
分布式反饋半導體激光器（DFB）是采用內(nèi)部波長穩(wěn)定解決方案的一個典型例子，用于選擇性光譜反饋的光柵被集成在激光器bar條的激活區(qū)結(jié)構(gòu)中。這樣，波長隨溫度的漂移指標將減少到大約0.08nm/K，光譜帶寬將減少到小于1nm。[6,7,8]很明顯，這種DFB-半導體激光器的制造過程更為復雜，導致成本增加。這種激光器的另一個缺點是效率降低。
除了內(nèi)部波長穩(wěn)定方案，研究人員還探討了通過外部元件實現(xiàn)波長穩(wěn)定的解決方案。外部波長穩(wěn)定元件的一個例子是基于光熱折變（PTR）無機玻璃的厚體光柵。這種光柵通過紫外光照射下折射率的周期性變化，實現(xiàn)在這種感光玻璃內(nèi)記錄高效布拉格光柵。市場上有不同廠商出售這種體衍射光柵，只是名字稍有不同，如體布拉格光柵（VBG）[9]、體全息光柵（VHG）[10]，或是體布拉格光柵激光器（VOBLA）[11]。
與內(nèi)部解決方案相反，外部波長穩(wěn)定不需要對芯片結(jié)構(gòu)做任何修改，也就是說，通過外部體全息光柵就能夠?qū)藴蚀竺娣e半導體激光器bar條進行波長穩(wěn)定。這是外部解決方案的一個重要優(yōu)勢。此外，與內(nèi)部解決方案相比，外部波長穩(wěn)定方案能獲得更小的溫度漂移和光譜帶寬：溫度漂移能減少到約0.01nm/K，光譜寬度減小到小于0.3 nm。然而，外部波長穩(wěn)定方案的一個重要缺點是需要敏感和高度對準的VHG。
圖1所示的是采用外部波長穩(wěn)定方案的半導體激光器bar條的典型組成。VHG的角度敏感性有利于減少半導體激光器bar條的發(fā)散，特別是在快軸方向上利用快軸準直透鏡（FAC）來準直光束。VHG將顯著提高光學反饋。VHG直接置于FAC之后。圖1中的表格所示的是有效波長穩(wěn)定所需的典型對準公差。
圖1：采用波長穩(wěn)定方案的半導體激光器bar條的典型組成，VHG直接置于快軸準直透鏡（FAC）之后。表中給出了圖中所示組成的典型對準公差。
Typical tolerances for rotation：典型旋轉(zhuǎn)公差
x-axis：x軸；y-axis：y軸；z-axis：z軸
2.2 半導體激光器參數(shù)對外部波長穩(wěn)定性能的影響
為了獲得有效、穩(wěn)定的波長穩(wěn)定方案，必須對半導體激光器bar條的相關(guān)參數(shù)進行仔細控制，這些參數(shù)包括輸出面增透膜的反射率、發(fā)射體結(jié)構(gòu)、腔長、smile效應(yīng)、角度發(fā)射特性以及安裝技術(shù)等，這些參數(shù)將影響波長隨工作電流和工作溫度的漂移。
通過折射率調(diào)制、改變空間頻率和厚度，可以優(yōu)化VHG的性能。這三個獨立的參數(shù)決定布拉格角、衍射效率、光柵的光譜和角度選擇性。原則上，對于每種配置，這些VHG參數(shù)都必須分別優(yōu)化。然而根據(jù)經(jīng)驗，對于大多數(shù)常用的半導體激光器bar條，VHG反射率約為20％。當然，與沒有采用波長穩(wěn)定方案的半導體bar條相比，對于給定的電流，采用波長穩(wěn)定方案的bar條因為插入了一個VHG，將會導致輸出功率有所下降。具有更高反射率的VHG將增加鎖定范圍，代價是更高的功率損耗。這意味著波長穩(wěn)定的優(yōu)化始終需要在鎖定范圍和功率損耗間進行權(quán)衡。此外，重要的是要注意到最佳反射率的選取也視應(yīng)用需求而定。對于某些應(yīng)用，VHG需要優(yōu)化以得到大的鎖定范圍，而對于固定工作條件的應(yīng)用，則可能要求較低的損耗。
前面提到，最常見的外部波長穩(wěn)定方案是將一個單獨的塊狀VHG直接置于快軸準直透鏡之后。這種布局的一個重要的缺點是對smile效應(yīng)靈敏。由于smile效應(yīng)，一些發(fā)射體不正好在光軸上，導致準直后產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)角，最終導致反射光相對于發(fā)射體的初始位置的偏移（見圖2）。不在光軸上的發(fā)射體將接收到較少的光學反饋，如圖2中的右圖所示。
圖2. Smile效應(yīng)對采用體全息光柵波長穩(wěn)定技術(shù)的半導體激光器bar條的光學反饋的影響
Off optical axis：偏離光軸
Onoptical axis：在光軸上
Diode bar with smile：具有smile效應(yīng)的半導體激光器bar條
Reflected intensity：反射強度
Optical feedback by VHG：VHG的光學反饋
Optical axis：光軸
克服smile效應(yīng)靈敏度的一種方法是將光柵結(jié)構(gòu)集成到FAC中。[12]這樣的元件對smile效應(yīng)和非準直并不敏感。由于未經(jīng)準直的光束具有更大的發(fā)散角，加之光柵的小角度選擇性，因此只有一小部分光束被反射回半導體激光器腔內(nèi)。在未準直或是存在smile效應(yīng)的情況下，另外一部分光束將被反射用于提供反饋。與此相反，將光柵集成到FAC中，這種方案的一個理想情況是具備精確的準直且沒有smile效應(yīng)，此時幾乎所有從VHG反射的光都被耦合至半導體激光器腔內(nèi)。另一方面，這意味著要得到有效的波長鎖定，VHG-FAC的反射率需要大幅提高到70％。
集成VHG的FAC的更大的優(yōu)點是：只需要操作和調(diào)整一個獨立的元件。VHG-FAC的一個缺點是基于石英的PTR材料相對較低的折射率（n＝1.45）。FAC通常是由S-TiH53 或 N-LAF21之類的高折射率材料制造的。如果使用折射率較低的材料，對于同樣的焦距，使用較小的曲率半徑，將會影響高數(shù)值孔徑工作條件下的透鏡像差。
參考文獻：
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3. Friedrich Bachmann, Peter Loosen, Reinhart Poprawe „High Power Diode Lasers“, pp.121-123, pp.162-174, Springer Series in Optical Sciences (2007)
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8. L. Vaissié et. al.; “High-power diode lasers advance pumping applications”; LASER FOCUS WORLD (June 2008)
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10. C. Moser et. al.; “Filters to Bragg About”; Photonics Spectra, pp. 82 (June 2005)
11. G.B. Venus et. al.; “High-brightness narrow-line laser diode source with volume Bragg-grating feedback”; Proc. SPIE Vol. 5711, pp. 166 (2005)
12. C. Schnitzler et. al.; “Wavelength Stabilization of HPDL Array – Fast-Axis Collimation Optic with integrated VHG”; Proc. SPIE Vol. 6456, 6456-12 (2007)
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