高功率
半導(dǎo)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(dǎo)體具備轉(zhuǎn)換效率高、功率高、可靠性強(qiáng)、壽命長(zhǎng)、體積小以及成本低等諸多優(yōu)點(diǎn),但是
光譜亮度相對(duì)較差則是一個(gè)不容忽視的缺點(diǎn)。半導(dǎo)體激光器bar條典型的光譜帶寬大約是3~6nm,而且峰值
波長(zhǎng)會(huì)受工作電流和工作溫度的影響而發(fā)生漂移。
sI@m"A ^a[7qX_B 通常,摻釹固體晶體是對(duì)其相對(duì)較寬的808nm吸收帶進(jìn)行泵浦,標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)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(guò)去幾年里,隨著半導(dǎo)體激光器bar條的工作電流和功率的不斷提高,導(dǎo)致在從閾值電流上升到工作電流的過(guò)程中產(chǎn)生了更大的波長(zhǎng)漂移。為了確保在整個(gè)工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、有效的泵浦,需要控制泵浦半導(dǎo)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。
!\}Dxt mSY;hJi 另一方面,
光纖激光器的迅速發(fā)展,也增加了對(duì)其他波長(zhǎng)的泵浦源的需求。例如,泵浦波長(zhǎng)為1080nm左右的標(biāo)準(zhǔn)摻鐿光纖激光器,就需要915nm、940nm和980nm的光纖耦合半導(dǎo)體激光器系統(tǒng),特別是980nm泵浦區(qū)尤為重要,因?yàn)閾借O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。
y"]?TEd 6$4G&'J 通常,高功率半導(dǎo)體激光器模塊的典型光譜寬度大約是3~6nm,而且其中心波長(zhǎng)會(huì)隨著溫度和驅(qū)動(dòng)電流的變化而發(fā)生漂移,這對(duì)于具有較小吸收帶寬的泵浦應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一個(gè)很大的障礙。高功率半導(dǎo)體激光器模塊的波長(zhǎng)穩(wěn)定性,對(duì)于有效地泵浦具有較窄吸收帶寬的固體激光器而言,至關(guān)重要。
@r%[e1. GLcf'$l 體全息
光柵波長(zhǎng)穩(wěn)定性技術(shù),能幫助高功率半導(dǎo)體激光器模塊實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的波長(zhǎng)。當(dāng)然,要想實(shí)現(xiàn)可靠的波長(zhǎng)穩(wěn)定性能,必須要對(duì)體全息光柵和半導(dǎo)體激光器模塊的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行慎重選擇。
#@;RJJZg [kt!\- 另一個(gè)新的泵浦波長(zhǎng)是在888nm泵浦Nd:YVO4,與808nm泵浦相比,888nm泵浦的優(yōu)勢(shì)在于該波長(zhǎng)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]
0F1 a -=&r}/& 對(duì)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(duì)于這些應(yīng)用,要實(shí)現(xiàn)有效泵浦,必須要控制半導(dǎo)體激光器泵浦源的光譜。[2]
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YMks4 !?DPI) 由多個(gè)半導(dǎo)體激光器bar條構(gòu)成的高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的另一缺點(diǎn)在于相對(duì)較差的光束質(zhì)量和亮度B,下面的公式是B的定義。半導(dǎo)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)所確定。[3]
<dV|N$WV E=Ah_zKU ~x)Awdlu 普通大面積半導(dǎo)體激光器bar條的輸出光束是由對(duì)于光束尺寸和發(fā)散角高度非對(duì)稱的參數(shù)來(lái)表征的。快軸方向上的光束質(zhì)量約為1mm·mrad,接近衍射極限;然而,標(biāo)準(zhǔn)10mm大面積半導(dǎo)體激光器bar條慢軸方向上的光束質(zhì)量在400~500mm·mrad之間,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了衍射極限。
E&Pv:h,pV& H2BD5 最近幾年中,通過(guò)增加每個(gè)發(fā)射體的輸出功率和減小慢軸發(fā)散角,半導(dǎo)體激光器bar條的亮度已經(jīng)得到了顯著提高。這些進(jìn)展帶來(lái)了發(fā)射體數(shù)量減少、發(fā)射體間距增加的新型半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)。這些迷你bar條比傳統(tǒng)的10mm大面積半導(dǎo)體激光器bar條更具優(yōu)勢(shì)。[4]
f` 2W}|(jA O/e5LA 半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)亮度的進(jìn)一步增強(qiáng)是通過(guò)偏振耦合和波長(zhǎng)復(fù)用實(shí)現(xiàn)的。偏振耦合僅能將亮度提高一個(gè)單位系數(shù)的兩倍,而波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)受可用波長(zhǎng)數(shù)量n的限制。事實(shí)上,通過(guò)波長(zhǎng)復(fù)用進(jìn)行功率擴(kuò)展是以犧牲光譜亮度為代價(jià)的。
|+~CdA MSUkCWt! 標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體激光器光源的波長(zhǎng)復(fù)用,以及基于非介質(zhì)膜的波長(zhǎng)耦合器,需要大約30nm的光譜寬度。通過(guò)使用具有穩(wěn)定的窄帶發(fā)射光譜的半導(dǎo)體激光源和體全息光柵作為組合單元,光譜距離可以顯著縮減到3nm。[5]結(jié)果,對(duì)于給定的光譜范圍,能夠被復(fù)用的半導(dǎo)體激光器bar條的數(shù)量增加,進(jìn)而使亮度增強(qiáng)。
5,:>.LRA c+f~>AaI 光譜穩(wěn)定的半導(dǎo)體激光器模塊更大的優(yōu)點(diǎn)是其對(duì)工作溫度和工作電流的敏感性降低,從而使冷卻系統(tǒng)更加簡(jiǎn)便。另外,其對(duì)于芯片材料的規(guī)格要求也降低了,提高了生產(chǎn)中的晶圓利用率;而且還消除了隨著半導(dǎo)體激光器工作時(shí)間增加而引起的波長(zhǎng)變化(“紅移”)。然而,應(yīng)該指出的是,所有這些優(yōu)點(diǎn)的獲得要取決于體全息光柵的鎖定范圍。
c_~)#F%P L~"~C(g 波長(zhǎng)穩(wěn)定的基本概念
_"&b%! |P$tLOrG 波長(zhǎng)穩(wěn)定的方法
Uq<c+4)5 D?44:'x+- 在過(guò)去,為了改善半導(dǎo)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(zhǎng)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)集成到半導(dǎo)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(kāi),以穩(wěn)定波長(zhǎng)。
p(8H[L4Y f>s3Q\+ 分布式反饋半導(dǎo)體激光器(DFB)是采用內(nèi)部波長(zhǎng)穩(wěn)定解決方案的一個(gè)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(zhǎng)隨溫度的漂移指標(biāo)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(dǎo)體激光器的制造過(guò)程更為復(fù)雜,導(dǎo)致成本增加。這種激光器的另一個(gè)缺點(diǎn)是效率降低。
$ii/Q:w T" mQ;b'0& 除了內(nèi)部波長(zhǎng)穩(wěn)定方案,研究人員還探討了通過(guò)外部元件實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)穩(wěn)定的解決方案。外部波長(zhǎng)穩(wěn)定元件的一個(gè)例子是基于光熱折變(PTR)無(wú)機(jī)玻璃的厚體光柵。這種光柵通過(guò)紫外光照射下折射率的周期性變化,實(shí)現(xiàn)在這種感光玻璃內(nèi)記錄高效布拉格光柵。市場(chǎng)上有不同廠商出售這種體衍射光柵,只是名字稍有不同,如體布拉格光柵(VBG)[9]、體全息光柵(VHG)[10],或是體布拉格光柵激光器(VOBLA)[11]。
`J|bGf# >2x[ub%$L 與內(nèi)部解決方案相反,外部波長(zhǎng)穩(wěn)定不需要對(duì)芯片結(jié)構(gòu)做任何修改,也就是說(shuō),通過(guò)外部體全息光柵就能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)大面積半導(dǎo)體激光器bar條進(jìn)行波長(zhǎng)穩(wěn)定。這是外部解決方案的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì)。此外,與內(nèi)部解決方案相比,外部波長(zhǎng)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0.3nm。然而,外部波長(zhǎng)穩(wěn)定方案的一個(gè)重要缺點(diǎn)是需要敏感和高度對(duì)準(zhǔn)的VHG。
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XCE|D* 圖1所示的是采用外部波長(zhǎng)穩(wěn)定方案的半導(dǎo)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(dǎo)體激光器bar條的發(fā)散,特別是在快軸方向上利用快軸準(zhǔn)直
透鏡(FAC)來(lái)準(zhǔn)直光束。VHG將顯著提高
光學(xué)反饋。VHG直接置于FAC之后。圖1中的表格所示的是有效波長(zhǎng)穩(wěn)定所需的典型對(duì)準(zhǔn)公差。
btkD<1{g Zgkk%3'^' 圖1. 采用波長(zhǎng)穩(wěn)定方案的半導(dǎo)體激光器bar條的典型組成,VHG直接置于快軸準(zhǔn)直透鏡(FAC)之后。表中給出了圖中所示組成的典型對(duì)準(zhǔn)公差
yd$_XWp?\ R+Dx#Wn I 半導(dǎo)體激光器參數(shù)對(duì)外部波長(zhǎng)穩(wěn)定性能的影響
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