1. 引言
　　高功率半導體(ti) 激光器係統作為(wei) 發展成熟的激光光源，在材料加工和固體(ti) 激光器泵浦領域具有廣泛應用。盡管高功率半導體(ti) 具備轉換效率高、功率高、可靠性強、壽命長、體(ti) 積小以及成本低等諸多優(you) 點，但是光譜亮度相對較差則是一個(ge) 不容忽視的缺點。半導體(ti) 激光器bar條典型的光譜帶寬大約是3～6nm，而且峰值波長會(hui) 受工作電流和工作溫度的影響而發生漂移。

　　通常，摻釹固體(ti) 晶體(ti) 是對其相對較寬的808nm吸收帶進行泵浦，標準的半導體(ti) 激光器係統能很容易地滿足808nm泵浦的光譜要。但是在過去幾年裏，隨著半導體(ti) 激光器bar條的工作電流和功率的不斷提高，導致在從(cong) 閾值電流上升到工作電流的過程中產(chan) 生了更大的波長漂移。為(wei) 了確保在整個(ge) 工作範圍內(nei) 實現穩定、有效的泵浦，需要控製泵浦半導體(ti) 激光器的光譜，使其光譜帶寬始終與(yu) 激活激光介質的吸收帶寬相匹配。

      另一方麵，光纖激光器的迅速發展，也增加了對其他波長的泵浦源的需求。例如，泵浦波長為(wei) 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(ti) 激光器係統，特別是980nm泵浦區尤為(wei) 重要，因為(wei) 摻鐿材料在該泵浦區具有較高的吸收係數和較窄的吸收帶寬。

　　另一個(ge) 新的泵浦波長是在888nm泵浦Nd：YVO4，與(yu) 808nm泵浦相比，888nm泵浦的優(you) 勢在於(yu) 該波長處於(yu) 各向同性吸收區，即在所有偏振方向上具有相同的吸收係數，並且量子虧(kui) 損小。[1]

　　對於(yu) 光譜線寬要求最高的應用之一是堿金屬蒸汽激光器（如銣或銫）的光泵浦，這類應用需要的線寬大約為(wei) 10GHz。對於(yu) 這些應用，要實現有效泵浦，控製半導體(ti) 激光器泵浦源的光譜。[2]

　　由多個(ge) 半導體(ti) 激光器bar條構成的高功率半導體(ti) 激光器係統的另一缺點在於(yu) 相對較差的光束質量和亮度B，公式（1）是B的定義(yi) 。半導體(ti) 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乘積（BPP）a所確定。[3]

 
　　普通大麵積半導體(ti) 激光器bar條的輸出光束是由對於(yu) 光束尺寸和發散角高度非對稱的參數來表征的。快軸方向上的光束質量約為(wei) 1mm•mrad，接近衍射極限；然而，標準10mm大麵積半導體(ti) 激光器bar條慢軸方向上的光束質量在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(ge) 發射體(ti) 的輸出功率和減小慢軸發散角，半導體(ti) 激光器bar條的亮度已經得到了顯著提高。這些進展帶來了發射體(ti) 數量減少、發射體(ti) 間距增加的新型半導體(ti) 激光器設計。這些迷你bar條比傳(chuan) 統的10mm大麵積半導體(ti) 激光器bar條更具優(you) 勢。[4]

　　半導體(ti) 激光器係統亮度的進一步增強是通過偏振耦合和波長複用實現的。偏振耦合僅(jin) 能將亮度提高一個(ge) 單位係數的兩(liang) 倍，而波長複用技術受可用波長數量n的限製。 事實上，波長複用進行功率擴展是以犧牲光譜亮度為(wei) 代價(jia) 。

　　標準半導體(ti) 激光器光源的波長複用，以及基於(yu) 非介質膜的波長耦合器，需要大約30nm的光譜寬度。通過使用具有穩定的窄帶發射光譜的半導體(ti) 激光源和體(ti) 全息光柵作為(wei) 組合單元，光譜距離可以顯著縮減到3nm。[5]結果，對於(yu) 給定的光譜範圍，能夠被複用的半導體(ti) 激光器bar條的數量增加，進而使亮度增強。

　　光譜穩定的半導體(ti) 激光器模塊更大的優(you) 點是其對工作溫度和工作電流的敏感性降低，從(cong) 而使冷卻係統更加簡便。另外，其對於(yu) 芯片材料的規格要求也降低了，提高了生產(chan) 中的晶圓利用率；而且還消除了隨著半導體(ti) 激光器工作時間增加而引起的波長變化（“紅移”）。然而，應該指出的是，所有這些優(you) 點的獲得要取決(jue) 於(yu) 體(ti) 全息光柵的鎖定範圍。#p#分頁標題#e#
　　下麵將介紹不同的波長穩定技術。

　　2. 波長穩定的基本概念
　　2.1波長穩定的方法
　　在過去，為(wei) 了改善半導體(ti) 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(wei) 激光器內(nei) 部和外部解決(jue) 方案。內(nei) 部解決(jue) 方案將波長穩定結構集成到半導體(ti) 激光器bar條內(nei) 部，而外部解決(jue) 方案則是將體(ti) 全息光柵與(yu) 布拉格光柵分開，以穩定波長。

　　分布式反饋半導體(ti) 激光器（DFB）是采用內(nei) 部波長穩定解決(jue) 方案的一個(ge) 典型例子，用於(yu) 選擇性光譜反饋的光柵被集成在激光器bar條的激活區結構中。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於(yu) 1nm。[6,7,8]很明顯，這種DFB-半導體(ti) 激光器的製造過程更為(wei) 複雜，導致成本增加。這種激光器的另一個(ge) 缺點是效率降低。

　　除了內(nei) 部波長穩定方案，研究人員還探討了通過外部元件實現波長穩定的解決(jue) 方案。外部波長穩定元件的一個(ge) 例子是基於(yu) 光熱折變（PTR）無機玻璃的厚體(ti) 光柵。這種光柵通過紫外光照射下折射率的周期性變化，實現在這種感光玻璃內(nei) 記錄高效布拉格光柵。市場上有不同廠商出售這種體(ti) 衍射光柵，隻是名字稍有不同，如體(ti) 布拉格光柵（VBG）[9]、體(ti) 全息光柵（VHG）[10]，或是體(ti) 布拉格光柵激光器（VOBLA）[11]。

　　與(yu) 內(nei) 部解決(jue) 方案相反，外部波長穩定不需要對芯片結構做任何修改，也就是說，通過外部體(ti) 全息光柵就能夠對標準大麵積半導體(ti) 激光器bar條進行波長穩定。這是外部解決(jue) 方案的一個(ge) 重要優(you) 勢。此外，與(yu) 內(nei) 部解決(jue) 方案相比，外部波長穩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，光譜寬度減小到小於(yu) 0.3 nm。然而，外部波長穩定方案的一個(ge) 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定方案的半導體(ti) 激光器bar條的典型組成。VHG的角度敏感性有利於(yu) 減少半導體(ti) 激光器bar條的發散，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直接置於(yu) FAC之後。圖1中的表格所示的是有效波長穩定所需的典型對準公差。

 
　　圖1：采用波長穩定方案的半導體(ti) 激光器bar條的典型組成，VHG直接置於(yu) 快軸準直透鏡（FAC）之後。表中給出了圖中所示組成的典型對準公差。
Typical tolerances for rotation：典型旋轉公差
x-axis：x軸；y-axis：y軸；z-axis：z軸

　　2.2 半導體(ti) 激光器參數對外部波長穩定性能的影響
　　為(wei) 了獲得有效、穩定的波長穩定方案，必須對半導體(ti) 激光器bar條的相關(guan) 參數進行仔細控製，這些參數包括輸出麵增透膜的反射率、發射體(ti) 結構、腔長、smile效應、角度發射特性以及安裝技術等，這些參數將影響波長隨工作電流和工作溫度的漂移。

        通過折射率調製、改變空間頻率和厚度，可以優(you) 化VHG的性能。這三個(ge) 獨立的參數決(jue) 定布拉格角、衍射效率、光柵的光譜和角度選擇性。原則上，對於(yu) 每種配置，這些VHG參數都必須分別優(you) 化。然而根據經驗，對於(yu) 大多數常用的半導體(ti) 激光器bar條，VHG反射率約為(wei) 20％。當然，與(yu) 沒有采用波長穩定方案的半導體(ti) bar條相比，對於(yu) 給定的電流，采用波長穩定方案的bar條因為(wei) 插入了一個(ge) VHG，將會(hui) 導致輸出功率有所下降。具有更高反射率的VHG將增加鎖定範圍，代價(jia) 是更高的功率損耗。這意味著波長穩定的優(you) 化始終需要在鎖定範圍和功率損耗間進行權衡。此外，重要的是要注意到最佳反射率的選取也視應用需求而定。對於(yu) 某些應用，VHG需要優(you) 化以得到大的鎖定範圍，而對於(yu) 固定工作條件的應用，則可能要求較低的損耗。#p#分頁標題#e#
　　前麵提到，最常見的外部波長穩定方案是將一個(ge) 單獨的塊狀VHG直接置於(yu) 快軸準直透鏡之後。這種布局的一個(ge) 重要的缺點是對smile效應靈敏。由於(yu) smile效應，一些發射體(ti) 不正好在光軸上，導致準直後產(chan) 生偏轉角，最終導致反射光相對於(yu) 發射體(ti) 的初始位置的偏移（見圖2）。不在光軸上的發射體(ti) 將接收到較少的光學反饋，如圖2中的右圖所示。

 
　　圖2. Smile效應對采用體(ti) 全息光柵波長穩定技術的半導體(ti) 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效應的半導體(ti) 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效應靈敏度的一種方法是將光柵結構集成到FAC中。[12]這樣的元件對smile效應和非準直並不敏感。由於(yu) 未經準直的光束具有更大的發散角，加之光柵的小角度選擇性，因此隻有一小部分光束被反射回半導體(ti) 激光器腔內(nei) 。在未準直或是存在smile效應的情況下，另外一部分光束將被反射用於(yu) 提供反饋。與(yu) 此相反，將光柵集成到FAC中，這種方案的一個(ge) 理想情況是具備精確的準直且沒有smile效應，此時幾乎所有從(cong) VHG反射的光都被耦合至半導體(ti) 激光器腔內(nei) 。另一方麵，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(you) 點是：隻需要操作和調整一個(ge) 獨立的元件。VHG-FAC的一個(ge) 缺點是基於(yu) 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製造的。如果使用折射率較低的材料，對於(yu) 同樣的焦距，使用較小的曲率半徑，將會(hui) 影響高數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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12.  C.  Schnitzler  et.  al.;  “Wavelength  Stabilization  of  HPDL  Array  –  Fast-Axis  Collimation  Optic  with  integrated VHG”; Proc. SPIE Vol. 6456, 6456-12 (2007)