高功率半导体激光器的波长稳定技术

　　1. 引言

　　高功率半导体激光器系统作为发展成熟的激光光源，在材料加工和固体激光器泵浦领域具有广泛应用。尽管高功率半导体具备转换效率高、功率高、可靠性强、寿命长、体积小以及成本低等诸多优点，但是光谱亮度相对较差则是一个不容忽视的缺点。半导体激光器bar条典型的光谱带宽大约是3～6nm，而且峰值波长会受工作电流和工作温度的影响而发生漂移。

　　通常，掺钕固体晶体是对其相对较宽的808nm吸收带进行泵浦，标准的半导体激光器系统能很容易地满足808nm泵浦的光谱要。但是在过去几年里，随着半导体激光器bar条的工作电流和功率的不断提高，导致在从阈值电流上升到工作电流的过程中产生了更大的波长漂移。为了确保在整个工作范围内实现稳定、有效的泵浦，需要控制泵浦半导体激光器的光谱，使其光谱带宽始终与激活激光介质的吸收带宽相匹配。

　　另一方面，光纤激光器的迅速发展，也增加了对其他波长的泵浦源的需求。例如，泵浦波长为1080nm左右的标准掺镱光纤激光器，就需要915nm、940nm和980nm的光纤耦合半导体激光器系统，特别是980nm泵浦区尤为重要，因为掺镱材料在该泵浦区具有较高的吸收系数和较窄的吸收带宽。

　　另一个新的泵浦波长是在888nm泵浦Nd：YVO4，与808nm泵浦相比，888nm泵浦的优势在于该波长处于各向同性吸收区，即在所有偏振方向上具有相同的吸收系数，并且量子亏损小。[1]

　　对于光谱线宽要求最高的应用之一是碱金属蒸汽激光器（如铷或铯）的光泵浦，这类应用需要的线宽大约为10GHz。对于这些应用，要实现有效泵浦，控制半导体激光器泵浦源的光谱。[2]

　　由多个半导体激光器bar条构成的高功率半导体激光器系统的另一缺点在于相对较差的光束质量和亮度B，公式（1）是B的定义。半导体激光器光束的亮度由激光功率P以及慢轴和快轴方向上的光束参数乘积（BPP）a所确定。[3]

　　普通大面积半导体激光器bar条的输出光束是由对于光束尺寸和发散角高度非对称的参数来表征的。快轴方向上的光束质量约为1mm•mrad，接近衍射极限；然而，标准10mm大面积半导体激光器bar条慢轴方向上的光束质量在400～500mm•mrad之间，远远超过了衍射极限。

　　最近几年中，通过增加每个发射体的输出功率和减小慢轴发散角，半导体激光器bar条的亮度已经得到了显著提高。这些进展带来了发射体数量减少、发射体间距增加的新型半导体激光器设计。这些迷你bar条比传统的10mm大面积半导体激光器bar条更具优势。[4]

　　半导体激光器系统亮度的进一步增强是通过偏振耦合和波长复用实现的。偏振耦合仅能将亮度提高一个单位系数的两倍，而波长复用技术受可用波长数量n的限制。 事实上，波长复用进行功率扩展是以牺牲光谱亮度为代价。

　　标准半导体激光器光源的波长复用，以及基于非介质膜的波长耦合器，需要大约30nm的光谱宽度。通过使用具有稳定的窄带发射光谱的半导体激光源和体全息光栅作为组合单元，光谱距离可以显著缩减到3nm。[5]结果，对于给定的光谱范围，能够被复用的半导体激光器bar条的数量增加，进而使亮度增强。

　　光谱稳定的半导体激光器模块更大的优点是其对工作温度和工作电流的敏感性降低，从而使冷却系统更加简便。另外，其对于芯片材料的规格要求也降低了，提高了生产中的晶圆利用率；而且还消除了随着半导体激光器工作时间增加而引起的波长变化（“红移”）。然而，应该指出的是，所有这些优点的获得要取决于体全息光栅的锁定范围。

　　下面将介绍不同的波长稳定技术。

　　2. 波长稳定的基本概念

　　2.1波长稳定的方法

　　在过去，为了改善半导体激光器bar条的光谱亮度，研究人员探讨了一些不同的方法。这些方法可分为激光器内部和外部解决方案。内部解决方案将波长稳定结构集成到半导体激光器bar条内部，而外部解决方案则是将体全息光栅与布拉格光栅分开，以稳定波长。

　　分布式反馈半导体激光器（DFB）是采用内部波长稳定解决方案的一个典型例子，用于选择性光谱反馈的光栅被集成在激光器bar条的激活区结构中。这样，波长随温度的漂移指标将减少到大约0.08nm/K，光谱带宽将减少到小于1nm。[6,7,8]很明显，这种DFB-半导体激光器的制造过程更为复杂，导致成本增加。这种激光器的另一个缺点是效率降低。

　　除了内部波长稳定方案，研究人员还探讨了通过外部元件实现波长稳定的解决方案。外部波长稳定元件的一个例子是基于光热折变（PTR）无机玻璃的厚体光栅。这种光栅通过紫外光照射下折射率的周期性变化，实现在这种感光玻璃内记录高效布拉格光栅。市场上有不同厂商出售这种体衍射光栅，只是名字稍有不同，如体布拉格光栅（VBG）[9]、体全息光栅（VHG）[10]，或是体布拉格光栅激光器（VOBLA）[11]。

　　与内部解决方案相反，外部波长稳定不需要对芯片结构做任何修改，也就是说，通过外部体全息光栅就能够对标准大面积半导体激光器bar条进行波长稳定。这是外部解决方案的一个重要优势。此外，与内部解决方案相比，外部波长稳定方案能获得更小的温度漂移和光谱带宽：温度漂移能减少到约0.01nm/K，光谱宽度减小到小于0.3 nm。然而，外部波长稳定方案的一个重要缺点是需要敏感和高度对准的VHG。

　　图1所示的是采用外部波长稳定方案的半导体激光器bar条的典型组成。VHG的角度敏感性有利于减少半导体激光器bar条的发散，特别是在快轴方向上利用快轴准直透镜（FAC）来准直光束。VHG将显著提高光学反馈。VHG直接置于FAC之后。图1中的表格所示的是有效波长稳定所需的典型对准公差。

 
　　图1：采用波长稳定方案的半导体激光器bar条的典型组成，VHG直接置于快轴准直透镜（FAC）之后。表中给出了图中所示组成的典型对准公差。
Typical tolerances for rotation：典型旋转公差
x-axis：x轴；y-axis：y轴；z-axis：z轴

　　2.2 半导体激光器参数对外部波长稳定性能的影响

　　为了获得有效、稳定的波长稳定方案，必须对半导体激光器bar条的相关参数进行仔细控制，这些参数包括输出面增透膜的反射率、发射体结构、腔长、smile效应、角度发射特性以及安装技术等，这些参数将影响波长随工作电流和工作温度的漂移。

　　通过折射率调制、改变空间频率和厚度，可以优化VHG的性能。这三个独立的参数决定布拉格角、衍射效率、光栅的光谱和角度选择性。原则上，对于每种配置，这些VHG参数都必须分别优化。然而根据经验，对于大多数常用的半导体激光器bar条，VHG反射率约为20％。当然，与没有采用波长稳定方案的半导体bar条相比，对于给定的电流，采用波长稳定方案的bar条因为插入了一个VHG，将会导致输出功率有所下降。具有更高反射率的VHG将增加锁定范围，代价是更高的功率损耗。这意味着波长稳定的优化始终需要在锁定范围和功率损耗间进行权衡。此外，重要的是要注意到最佳反射率的选取也视应用需求而定。对于某些应用，VHG需要优化以得到大的锁定范围，而对于固定工作条件的应用，则可能要求较低的损耗。

　　前面提到，最常见的外部波长稳定方案是将一个单独的块状VHG直接置于快轴准直透镜之后。这种布局的一个重要的缺点是对smile效应灵敏。由于smile效应，一些发射体不正好在光轴上，导致准直后产生偏转角，最终导致反射光相对于发射体的初始位置的偏移（见图2）。不在光轴上的发射体将接收到较少的光学反馈，如图2中的右图所示。

 
　　图2. Smile效应对采用体全息光栅波长稳定技术的半导体激光器bar条的光学反馈的影响
Off optical axis：偏离光轴
Onoptical axis：在光轴上
Diode bar with smile：具有smile效应的半导体激光器bar条
Reflected intensity：反射强度
Optical feedback by VHG：VHG的光学反馈
Optical axis：光轴

　　克服smile效应灵敏度的一种方法是将光栅结构集成到FAC中。[12]这样的元件对smile效应和非准直并不敏感。由于未经准直的光束具有更大的发散角，加之光栅的小角度选择性，因此只有一小部分光束被反射回半导体激光器腔内。在未准直或是存在smile效应的情况下，另外一部分光束将被反射用于提供反馈。与此相反，将光栅集成到FAC中，这种方案的一个理想情况是具备精确的准直且没有smile效应，此时几乎所有从VHG反射的光都被耦合至半导体激光器腔内。另一方面，这意味着要得到有效的波长锁定，VHG-FAC的反射率需要大幅提高到70％。

　　集成VHG的FAC的更大的优点是：只需要操作和调整一个独立的元件。VHG-FAC的一个缺点是基于石英的PTR材料相对较低的折射率（n＝1.45）。FAC通常是由S-TiH53 或 N-LAF21之类的高折射率材料制造的。如果使用折射率较低的材料，对于同样的焦距，使用较小的曲率半径，将会影响高数值孔径工作条件下的透镜像差。

参考文献：
1.  L. McDonagh et. al.; “High-efficiency 60 W TEM00 Nd:YVO4 oscillator pumped at 888 nm”; Optics Letters Vol. 31, pp. 3297 (2006)
2.  A. Gourevitch et. al.; “Continuous wave, 30 W laser-diode bar with 10 GHz linewidth for Rb laser pumping”; Optics Letters Vol. 33, pp. 702 (2008)
3.  Friedrich Bachmann, Peter Loosen, Reinhart Poprawe „High Power Diode Lasers“, pp.121-123, pp.162-174, Springer Series in Optical Sciences (2007)
4.  M. Haag et. al.; “Novel high-brightness fiber coupled diode laser device”; Proc. SPIE Vol. 6456, 6456-28 (2007)
5.  C. Wessling et. al.; “Dense wavelength multiplexing for a high power diode laser”; Proc. SPIE Vol. 6104, 6104-21 (2006)
6.  M. Maiwald et. al.; “Reliable operation of 785 nm DFB diode  lasers  for rapid Raman spectroscopy”; Proc. SPIE Vol. 6456, 6456-0W (2007)
7.  M. Kanskar et. al.; “High power conversion efficiency and wavelength-stabilized narrow bandwidth 975 nm diode laser pumps”; Proc. SPIE, Vol. 6216, 6216-09 (2006)
8.  L.  Vaissié  et.  al.;  “High-power  diode  lasers  advance  pumping  applications”;  LASER  FOCUS WORLD  (June 2008)
9.  B.L. Volodin et. al.; ”Wavelength stabilization and spectrum narrowing of high-power multimode laser diodes and arrays by use of volume Bragg gratings”; Optics Letters Vol. 29, pp. 1891 (2004)
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)