為了滿足市場對于更高輸出功率、近衍射極限光學(xué)屬性以及線性偏振光輸出的DPSS激光器的需求，工業(yè)半導(dǎo)體泵浦固體激光器系統(tǒng)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(xiàn)精密加工、材料處理、光譜分析、晶圓檢驗、激光顯示以及醫(yī)療診斷等先進(jìn)應(yīng)用。優(yōu)質(zhì)的光束質(zhì)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(yè)加工中大量應(yīng)用的DPSS激光器采用808nm泵浦Nd:YAG激光。欠缺的是，此系統(tǒng)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(yīng)，以及對應(yīng)的不理想的空間光束質(zhì)量。此外，YAG晶體的單折射性導(dǎo)致隨機(jī)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(tǒng)，必須利用替代材料系統(tǒng)和泵浦方法來增加輸出功率，提升光光轉(zhuǎn)換效率，并且提升新一代DPSS 系統(tǒng)的光束質(zhì)量。
Nd:YVO4（摻釹釩酸釔晶體）晶體因其激發(fā)截面大、吸收系數(shù)高、激光破壞閾值高以及線性偏振輸出，在新一代DPSS 系統(tǒng)中得到了越來越多的應(yīng)用。此外，正因為降低了30%左右的量子虧損以及相對應(yīng)減少的熱負(fù)荷/熱透鏡效應(yīng)，就可以通過以878nm進(jìn)行Nd:YVO4固態(tài)激光器的高能態(tài)泵浦來實現(xiàn)更高的功率能級與效率。
通過使用釩酸釔晶體所實現(xiàn)的輸出功率、光束質(zhì)量與偏振輸出的改進(jìn)需要更高規(guī)格的半導(dǎo)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(tài)吸收線寬較窄，且嚴(yán)重依賴偏振。嚴(yán)格的規(guī)格要求是指高功率半導(dǎo)體激光泵浦源的光譜寬度和發(fā)射波長在不同工作溫度和電流下的穩(wěn)定性。因此只有通過波長穩(wěn)定的泵浦源才能充分利用此材料系統(tǒng)提供的性能。此外，半導(dǎo)體泵浦的亮度和空間特性對DPSS系統(tǒng)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(tài)泵浦的優(yōu)勢，以及針對光纖耦合、波長鎖定二極管所需的優(yōu)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(tài)范圍的系統(tǒng)層級平衡。
VBG解決方案的優(yōu)勢
量子阱半導(dǎo)體激光器的激光光譜與有源區(qū)域的光學(xué)增益光譜緊密相關(guān)。這個光學(xué)增益光譜非常依賴半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電流和溫度。標(biāo)準(zhǔn)寬域半導(dǎo)體激光器不采用波長可選的反饋機(jī)構(gòu)，導(dǎo)致任何以及所有模式激光發(fā)射在有源區(qū)的光譜增益帶寬中得到充分的往返增益。因此，激光發(fā)射模式的總光譜寬度主要取決于光學(xué)增益的光譜寬度，而此項增益本身則與發(fā)射波長的平方成比例關(guān)系。由于半導(dǎo)體激光器帶隙以及相應(yīng)光學(xué)增益光譜隨溫度和工作電流而變化，非穩(wěn)波長半導(dǎo)體激光器設(shè)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(tǒng)中不能直接通過外界工程改造改變。
半導(dǎo)體激光器的波長穩(wěn)定性通常是通過波長選擇反饋機(jī)制實現(xiàn)的，該機(jī)制會將激光器鎖定到一個（或幾個）縱向模式。半導(dǎo)體激光器最常見的兩種波長穩(wěn)定方法是內(nèi)部反饋機(jī)制和外部反饋機(jī)制，內(nèi)部反饋機(jī)制是通過在激光器的有源區(qū)包含蝕刻的分布式布拉格光柵（DBR和DFB激光器），外部反饋機(jī)制則是通過體全息光柵 (VBG) 等外部光學(xué)器件實現(xiàn) 。通過外部VBG實現(xiàn)的波長鎖定相比DFB或DBR鎖定裝置有多項優(yōu)勢。
圖 1：性能比較表，自由運(yùn)行、內(nèi)部布拉格光柵穩(wěn)定以及VBG 鎖定半導(dǎo)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(zhuǎn)換效率并無損失。
首先，外部VBG鎖定將二極管自身發(fā)熱與反饋結(jié)構(gòu)的波長解諧分離開來，進(jìn)一步改進(jìn)了鎖定二極管的溫度穩(wěn)定性，從而可通過VBG器件的獨立溫度控制實現(xiàn)波長可調(diào)諧的激光發(fā)射。DFB或DBR激光器等包含內(nèi)部光柵的設(shè)備會隨溫度產(chǎn)生0.07nm/°C 波長漂移，從而在工作功率上產(chǎn)生2nm的激光波長漂移。相比之下，VBG的低光學(xué)吸收率可使產(chǎn)品在工作范圍內(nèi)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(xué)器件選擇，此方法在波長上提供了更大的靈活性。發(fā)射線寬可以根據(jù)應(yīng)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(nèi)光譜線寬 <10pm的780nm波長穩(wěn)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(shè)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(jìn)行優(yōu)化，而無需影響到埋入光柵工藝所需光學(xué)模式的良好光柵耦合設(shè)計。光柵本身較低的內(nèi)部損耗可以實現(xiàn)設(shè)計優(yōu)化，相對于非鎖定設(shè)計在功率和效率上并無損失。埋入光柵工藝通常采用復(fù)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(lǐng)域相一致的完善開發(fā)的技術(shù)，非鎖定和鎖定產(chǎn)品都可以用同一晶圓的芯片制造。
最后，近來在量產(chǎn)能力方面的提升以及競爭性的價格壓力讓光學(xué)器件的成本降低，從而使該解決方案的整體成本下降。光學(xué)器件的安裝采用了快軸準(zhǔn)直透鏡方面開發(fā)完善且性價比高的技術(shù)。
此前其他機(jī)構(gòu)的研究表明在采用VBG實現(xiàn)外部波長鎖定后，半導(dǎo)體激光器出現(xiàn)了~10%到~20%的顯著效率下降。為了解決此局限性，nLIGHT開發(fā)了能在寬幅溫度范圍內(nèi)維持良好鎖定性能的鎖定技術(shù)，且對激光器功率與效率幾乎沒有改變。此技術(shù)已被應(yīng)用到多種工作在800nm到1900nm波段的高功率高效率半導(dǎo)體激光器上。nLIGHT已經(jīng)將這些技術(shù)加入到88xnm光纖耦合PearlTM模塊中，可以支持極窄光譜線寬的設(shè)備以及高于55%的光纖耦合電光轉(zhuǎn)換效率，如下方圖2所示。這些結(jié)果展示了nLIGHT獨有的外腔激光器制造能力，可以實現(xiàn)極低光學(xué)損耗、波長穩(wěn)定性和極窄光譜線寬并支持釩酸釔晶體 DPSS 激光器高能態(tài)泵浦關(guān)鍵參數(shù)。
圖 2：（左）耦合到400μm、0.22NA 光纖的Pearl 模塊（波長穩(wěn)定，10 個芯片串聯(lián)）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(nèi) < 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(gòu)。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(tǒng)冷卻的要求。nLIGHT同時探索了泵浦光的消偏振與光纖數(shù)值孔徑輸出均質(zhì)化的方法。此技術(shù)大大消除了激光的偏振現(xiàn)象，同時提升了光纖耦合泵浦模塊的穩(wěn)定性和可維護(hù)性。最后，通過近場和遠(yuǎn)場光束的均質(zhì)化，泵浦模塊特征與SSL 基礎(chǔ)模式特征更加吻合，從而提升了光光轉(zhuǎn)換效率與可實現(xiàn)的衍射極限輸出功率。
有一些客戶使用波長穩(wěn)定光纖勻化泵浦源以878.6nm波長泵浦Nd:YVO4固體激光器。在進(jìn)行808nm與878nm半導(dǎo)體泵浦的對比性研究時發(fā)現(xiàn)，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(jìn)行泵浦時，這些客戶經(jīng)常發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)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(yīng)的情況下實現(xiàn)了高輸出功率。光譜線寬必須足夠窄（約0.5 nm，F(xiàn)WHM）以便使a軸和c軸吸收值在泵浦的光譜寬度內(nèi)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(dǎo)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(dǎo)致以短波長泵浦的近衍射極限光束質(zhì)量下降。通過將泵浦調(diào)諧到879.1nm以上的波長，強(qiáng)c軸吸收搭配弱a軸吸收會導(dǎo)致低光光轉(zhuǎn)換效率以及很強(qiáng)的熱透鏡效應(yīng)。光譜線寬的進(jìn)一步增加會導(dǎo)致DPSS性能降低。
通過維持窄光譜線寬、優(yōu)質(zhì)的中心波長穩(wěn)定性、激光輸出的偏振消除以及良好的光學(xué)勻質(zhì)性，我們可以同時在a軸和c軸優(yōu)化吸收，同時減輕熱透鏡效應(yīng)，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(wěn)定泵浦模塊的設(shè)計與多年的生產(chǎn)經(jīng)驗，nLIGHT開發(fā)出了具有嚴(yán)格中心波長和光譜線寬性能設(shè)備的制造能力，見圖4。
圖 4：柱狀圖顯示了 878.6 nm 半導(dǎo)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(shè)備的輸出功率和光束質(zhì)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(jù)多個客戶反饋，在878.6nm 泵浦設(shè)備可以得到的提升在808nm泵浦設(shè)備的TEM00輸出功率上帶來了>60%的提升效果，直接對應(yīng)的是通過一次和二次諧波振蕩可實現(xiàn)輸出功率級別的顯著提升。nLIGHT生產(chǎn)的878.6nm波長穩(wěn)定的泵浦具有最高的效率、最嚴(yán)格的中心波長穩(wěn)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(wěn)定性以及DPSSL性能在生產(chǎn)線上的重現(xiàn)性。
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