為了滿(mǎn)足市場(chǎng)對(duì)于更高輸出功率、近衍射極限光學(xué)屬性以及線(xiàn)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(shí)現(xiàn)精密加工、材料處理、光譜分析、晶圓檢驗(yàn)、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(xiàn)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(lái)，由于較大的吸收截面、寬吸收線(xiàn)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(duì)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(guò)程的效率。顯然，對(duì)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(lái)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(xiàn)性偏振輸出，在新一代DPSS 系統(tǒng)中得到了越來(lái)越多的應(yīng)用。此外，正因?yàn)榻档土?0%左右的量子虧損以及相對(duì)應(yīng)減少的熱負(fù)荷/熱透鏡效應(yīng)，就可以通過(guò)以878nm進(jìn)行Nd:YVO4固態(tài)激光器的高能態(tài)泵浦來(lái)實(shí)現(xiàn)更高的功率能級(jí)與效率。
通過(guò)使用釩酸釔晶體所實(shí)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(xiàn)寬較窄，且嚴(yán)重依賴(lài)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(zhǎng)在不同工作溫度和電流下的穩(wěn)定性。因此只有通過(guò)波長(zhǎng)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(duì)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(shì)，以及針對(duì)光纖耦合、波長(zhǎng)鎖定二極管所需的優(yōu)化。本文量化了在實(shí)施 VBG 解決方案時(shí)就成本、功率、效率和動(dòng)態(tài)范圍的系統(tǒng)層級(jí)平衡。
VBG解決方案的優(yōu)勢(shì)
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(gè)光學(xué)增益光譜非常依賴(lài)半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動(dòng)電流和溫度。標(biāo)準(zhǔn)寬域半導(dǎo)體激光器不采用波長(zhǎng)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(xiàng)增益本身則與發(fā)射波長(zhǎng)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(zhǎng)半導(dǎo)體激光器設(shè)備的激光光譜會(huì)以約0.3 nm/°C速率漂移。換言之，光譜寬度與中心波長(zhǎng)會(huì)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(guò)外界工程改造改變。
半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)穩(wěn)定性通常是通過(guò)波長(zhǎng)選擇反饋機(jī)制實(shí)現(xiàn)的，該機(jī)制會(huì)將激光器鎖定到一個(gè)（或幾個(gè)）縱向模式。半導(dǎo)體激光器最常見(jiàn)的兩種波長(zhǎng)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(guò)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(guò)體全息光柵 (VBG) 等外部光學(xué)器件實(shí)現(xiàn) 。通過(guò)外部VBG實(shí)現(xiàn)的波長(zhǎng)鎖定相比DFB或DBR鎖定裝置有多項(xiàng)優(yōu)勢(shì)。
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(zhǎng)、光譜線(xiàn)寬以及峰值二極管效率變化的測(cè)量值。VBG鎖定裝置在中心波長(zhǎng)變化上變化最小，光譜線(xiàn)寬最低，并且在電光轉(zhuǎn)換效率并無(wú)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(zhǎng)解諧分離開(kāi)來(lái)，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(guò)VBG器件的獨(dú)立溫度控制實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)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(huì)隨溫度產(chǎn)生0.07nm/°C 波長(zhǎng)漂移，從而在工作功率上產(chǎn)生2nm的激光波長(zhǎng)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(zhǎng)漂移 小于0.2nm。
其次，因?yàn)榭v向激光模式通過(guò)外部光學(xué)器件選擇，此方法在波長(zhǎng)上提供了更大的靈活性。發(fā)射線(xiàn)寬可以根據(jù)應(yīng)用定制 - 在非常窄的線(xiàn)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(gè)工作范圍內(nèi)光譜線(xiàn)寬 <10pm的780nm波長(zhǎng)穩(wěn)定裝置。
第三，通過(guò)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(dú)為高功率和高效率進(jìn)行優(yōu)化，而無(wú)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(jì)。光柵本身較低的內(nèi)部損耗可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)優(yōu)化，相對(duì)于非鎖定設(shè)計(jì)在功率和效率上并無(wú)損失。埋入光柵工藝通常采用復(fù)雜的外延生長(zhǎng)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(kāi)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(lái)在量產(chǎn)能力方面的提升以及競(jìng)爭(zhēng)性的價(jià)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(kāi)發(fā)完善且性?xún)r(jià)比高的技術(shù)。
此前其他機(jī)構(gòu)的研究表明在采用VBG實(shí)現(xiàn)外部波長(zhǎng)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(kāi)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(duì)激光器功率與效率幾乎沒(méi)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(xiàn)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(dú)有的外腔激光器制造能力，可以實(shí)現(xiàn)極低光學(xué)損耗、波長(zhǎng)穩(wěn)定性和極窄光譜線(xiàn)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(zhǎng)穩(wěn)定，10 個(gè)芯片串聯(lián)）的功率、電壓、效率與電流的曲線(xiàn)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(xiàn)寬 < 0.4nm，漂移在整個(gè)工作范圍內(nèi) < 0.2nm。
低成本光纖耦合激光器模塊的到來(lái)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(hào)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(jiǎn)化了對(duì)系統(tǒng)冷卻的要求。nLIGHT同時(shí)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(shí)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(guò)近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)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(shí)現(xiàn)的衍射極限輸出功率。
有一些客戶(hù)使用波長(zhǎng)穩(wěn)定光纖勻化泵浦源以878.6nm波長(zhǎng)泵浦Nd:YVO4固體激光器。在進(jìn)行808nm與878nm半導(dǎo)體泵浦的對(duì)比性研究時(shí)發(fā)現(xiàn)，a軸與c軸偏振光吸收曲線(xiàn)的差異對(duì)激光器性能有著顯著影響。
在878.6nm進(jìn)行泵浦時(shí)，這些客戶(hù)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(duì)泵浦波長(zhǎng)和光譜寬度以及兩者的平衡提出了更高要求，許多客戶(hù)發(fā)現(xiàn)泵浦Nd:YVO4的最佳波長(zhǎng)是878.6nm，同時(shí)光譜寬度和中心激光波長(zhǎng)的容差極小。通過(guò)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(shí)現(xiàn)了高輸出功率。光譜線(xiàn)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(huì)大量變化。
圖 3：Nd:YVO4 的a 偏振光與 c 偏振光的吸收曲線(xiàn)。在 878nm 波段泵浦時(shí)，a 軸與 c 軸偏振光的吸收差異可能會(huì)對(duì)激光器性能有著巨大影響。
在將泵浦解諧到878.1nm時(shí)，低a軸光吸收情況會(huì)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(huì)大大削減性能，導(dǎo)致以短波長(zhǎng)泵浦的近衍射極限光束質(zhì)量下降。通過(guò)將泵浦調(diào)諧到879.1nm以上的波長(zhǎng)，強(qiáng)c軸吸收搭配弱a軸吸收會(huì)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(xiàn)寬的進(jìn)一步增加會(huì)導(dǎo)致DPSS性能降低。
通過(guò)維持窄光譜線(xiàn)寬、優(yōu)質(zhì)的中心波長(zhǎng)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(shí)在a軸和c軸優(yōu)化吸收，同時(shí)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(jì)與多年的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，nLIGHT開(kāi)發(fā)出了具有嚴(yán)格中心波長(zhǎng)和光譜線(xiàn)寬性能設(shè)備的制造能力，見(jiàn)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(zhǎng)（左）和光譜寬度（右）。泵浦二極管集中輸出波長(zhǎng)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(xiàn)性偏振輸出性能的提升直接帶來(lái)了固體激光器諧波振蕩的改善。根據(jù)多個(gè)客戶(hù)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(lái)了>60%的提升效果，直接對(duì)應(yīng)的是通過(guò)一次和二次諧波振蕩可實(shí)現(xiàn)輸出功率級(jí)別的顯著提升。nLIGHT生產(chǎn)的878.6nm波長(zhǎng)穩(wěn)定的泵浦具有最高的效率、最嚴(yán)格的中心波長(zhǎng)穩(wěn)定性、窄光譜線(xiàn)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(xiàn)上的重現(xiàn)性。
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