波长稳定的高功率半导体激光器推力轴承

波长稳定的高功率半导体激光器

波长稳定的高功率半导体激光器 2011年12月03日 来源： 作者：Bernd Köhler，Thomas Brand，Matthias Haag，Jens Biesenbach DILAS公司波长稳定的半导体激光器bar条下面将介绍从单bar条到由12个bar条组成的光纤耦合模块的各种不同结构的波长稳定性实验结果，将对主动冷却产品和被动冷却产品分别讨论。实验中所用的模块都是没有进行输出面镀增透膜优化的标准半导体激光器。这主要是出于成本考虑，因为对于小批量应用，对体全息光栅（VHG）镀增透膜来优化性能，成本高昂。（1）792nm被动冷却半导体管激光器单bar条790nm左右的波长范围适合泵浦工作在人眼安全波段的光纤激光器，如泵浦工作波长在2μm附近的掺铥（Tm）光纤激光器和碱金属蒸汽激光器，尤其是碱金属蒸汽激光器，其需要非常窄的泵浦线宽。只有配备附加的波长稳定系统，半导体激光器bar条才能用于碱金属蒸汽激光器的泵浦。图1上部分所示的是安装在被动冷却热沉上的波长稳定的单个半导体激光器bar条的典型功率与电流关系曲线。VHG直接安装在快轴准直透镜之后，反射率约为20％，中心波长为792nm。半导体激光器bar条的AR膜并没有针对VHG进行优化。

图1：（a）具有外部VHG的波长稳定的半导体激光器bar条的功率与电流曲线，输出波长为792nm。（b）当电流为20A、温度为20°C时，有波长稳定功能（绿色）和无波长稳定功能（蓝色）的单个半导体激光器bar条的光谱曲线（左图）；以及电流为55A、温度为30°C时，有、无波长稳定功能时的光谱曲线（右图）。

电流为55A时，具有VHG的bar条的最大功率为47.6W，插入VHG大约引起10％的功率损耗。图1下部分所示的是在有波长稳定功能和无波长稳定功能时，半导体激光器bar条的光谱曲线。实验温度从20°C上升至30°C，电流从20 A上升至55A。无VHG时，中心波长从787 nm漂移至795 nm。有VHG 时，中心波长基本保持稳定，仅从791.9nm增加了0.2 nm到792.1nm。此外，半导体激光器bar条的光谱宽度大幅缩减至0.3nm。(2) 808nm微通道冷却热沉半导体管激光器单bar条实现有效波长稳定的一个重要参数是VHG的反射率。下文将对安装在主动冷却热沉上的一个半导体激光器bar条，在不同VHG反射率下的波长稳定性能进行比较。与前面介绍的方法相似，即首先利用FAC在快轴方向上准直光束，用于波长稳定的VHG直接置于FAC之后。图2为VHG反射率从15％增至50％的过程中，四个反射率值所对应的激光器bar条的光谱，以及无VBG情况下的激光器bar条的光谱。测量温度为20°C，工作电流为50A。当VHG反射率为15％时，光谱没有完全锁定，导致光谱上出现较大的旁瓣（side lobe）。增大VHG的反射率，反馈增加，使旁瓣变小，当反射率增大到30％时旁瓣近乎消失。当然，因为增加反馈，与无VHG的激光器bar条相比，插入VHG引起的功率损耗也从反射率为15％时的仅8％，增至50％时的24％。图2中的表格总结了不同VHG反射率下的损耗与峰值波长。

图2：具有外部VHG的808nm波长稳定半导体激光器bar条在不同VHG反射率下的光谱，VHG的反射率从15％增至50％。测量温度为20°C，工作电流为50A。蓝色曲线为无VHG的半导体激光器bar条的光谱。右方的表格给出了不同反射率下的损耗和波长稳定光谱的峰值波长。

从图2中可以看到，不同VHG反射率下的峰值波长在807.8nm到808.6 nm之间轻微变化。但是，需要指出的是，峰值波长基本上不直接取决于VHG的反射率。峰值波长的变化主要是因为VHG的制造厂商不同，以及制造工艺的不同。市售VHG的中心波长的典型公差为±0.5nm。不同VHG反射率的比较结果显示，约25％～30％的VHG反射率适合对这种808nm半导体激光器bar条进行有效和稳定的波长锁定。图3（a）显示了该808nm激光器bar条的功率与电流关系曲线。当工作电流为80A时，具有VHG的模块的光功率为69W。VHG的插入损耗约为10％。图3（b）显示的是工作电流为20A和80A时，808nm激光器bar条的光谱。峰值波长从807.67nm增至807.95nm，因为工作电流引起的波长漂移小于0.005nm/A。

图3（a）：外部VHG的反射率为25％时，808nm波长稳定的半导体激光器bar条的功率与电流关系曲线。（b）左图为工作电流20A、温度20°C时，有VHG（绿色）和无VHG（蓝色）的半导体激光器bar条的光谱曲线；右图为工作电流80A、温度20°C时的光谱曲线。

（3）940nm被动冷却热沉半导体激光器单bar条下面介绍的940nm被动冷却半导体激光器单bar条的波长稳定性情况，其基本设置也是将VHG直接置于FAC之后。图4显示了温度对锁定性能的影响，给出了工作电流为55A时，三种不同温度下有VHG和无VHG的半导体激光器bar条的光谱。

图4：工作电流为55A、温度从17°C增至35°C时，不同温度下的半导体激光器bar条的光谱曲线。左图为无VHG的曲线，右图为有VHG的曲线。

随着温度从17°C增至35°C，无VHG的bar条的中心波长从约938.4nm增至941.6nm，温漂值约为0.3nm/°C，这也是普通半导体激光器bar条的典型值；与之相反，具有VHG的bar条的峰值波长几乎不变，仅从938.57nm增至938.65nm，热漂移显著降至低于0.01nm/K。（4）976nm被动冷却热沉半导体激光器单bar条图5所示的是976nm波长稳定的被动冷却半导体激光器bar条随电流变化的波长漂移曲线。波长稳定也是通过将VHG直接置于FAC之后实现的。稳定光谱的峰值波长从20A时的976.2nm增至60A时的976.7nm，这对的波长漂移值约为0.013nm/A。对于无VHG的激光器bar条，该值约为0.1nm/A。因此，通过波长稳定功能，波长随电流的漂移值能降低约10倍。

图5：976nm波长稳定的被动冷却二极管激光器bar条在温度25°C、不同工作电流下的光谱曲线，电流从20A增至60A。

以上介绍的都是基于标准大面积发射体的半导体激光器bar条的波长稳定性情况。与大面积半导体激光器bar条相反，锥形半导体激光器bar条通常具有反射率大幅降低的输出面，这更加有利于实现波长稳定。我们已经对976nm锥形半导体激光器bar条的波长稳定性进行了实验，观察到其光谱宽度仅为0.26nm，并且插入VHG带来的功率损耗仅为6％。波长稳定锥形半导体激光器bar条对高空间和光谱亮度半导体激光器系统极具吸引力。（5）981nm光纤耦合半导体激光器单bar条上文中介绍的都是具有FAC的直接发射半导体激光器bar条的波长稳定情况。下面将介绍981nm光纤耦合半导体激光器bar条的波长稳定情况。光纤耦合模块基于被动冷却半导体激光器bar条。为了使半导体激光器bar条适合光纤耦合，在使用VHG的同时还应用了其他微型光学元件，以使光束对称。图6为该模块的功率与电流关系曲线，光纤直径为200μm，数值孔径为0.22。工作电流为55A时，最大输出功率为32.7W。右图为该波长稳定模块的典型光谱。

图6：左图为波长稳定的半导体激光器单bar条光纤耦合模块的功率与电流关系曲线。光纤芯径为200μm，数值孔径为0.22。右图为温度25°C、电流35A时该模块的典型光谱。

波长稳定的光纤耦合多bar条模块下面介绍各种具备波长稳定功能的多bar条模块。所有模块都基于被动冷却半导体激光器bar条，并有附加的微型光学元件以实现光纤耦合。第一个例子是基于792nm被动冷却半导体激光器bar条的双bar条模块。通过组合两个bar条，利用合适的微型光学元件进行光纤耦合，工作电流51A时，获得了50W的输出功率。光纤芯径为200μm，数值孔径为0.22。峰值波长位于792.3nm，光谱宽度仅为0.5nm。（1）976nm四bar条模块基于976nm被动冷却热沉半导体激光器bar条，实现了波长稳定的四bar条组合模块。模块输出被耦合进一根数值孔径为0.22、芯径的400μm的光纤中。工作电流71A时，获得了150W的输出功率。光谱的中心波长为977.2nm，模块的总体光谱宽度低至1.0nm。通过增加bar条的数量可以实现更高的功率水平。然而必须注意的是，增加bar条的数量会使波长稳定更加困难，这是因为自由运行的激光器bar条的公差和VHG的公差累加到一起的Ô¬故。此外，对各个bar条可能产生的非一致冷却，也会增加自由运行模块的带宽。（2）976nm十二bar条模块下面介绍976nm高功率波长稳定模块。该模块的高功率是通过12个半导体激光器bar条的光学叠加和偏振耦合实现的。如图7中右图所示，该模块的外形尺寸为70mm×220mm×320mm；左图为该模块的功率与电流关系曲线。当工作电流为60A时，从一根数值孔径为0.22、芯径为400μm的光纤输出456W的最大功率。

图7：由12个半导体激光器bar条组成的波长稳定的光纤耦合半导体激光器模块。该模块的外形尺寸为70mm×220mm×320mm。左图为该模块的功率与电流关系曲线。光纤芯径为400μm，数值孔径为0.22。

图8中，左图为工作电流50A、温度25°C下无波长稳定功能的12个半导体激光器单bar条的光谱范围，其波长范围从970nm延伸至980nm；右图为同样工作条件下波长稳定的模块的光谱曲线。中心波长位于976.5nm，光谱宽度从10nm降至1nm（95％值间）。

图8：左图为工作电流50A、温度25°C时，无波长稳定功能的单个半导体激光器bar条的光谱曲线；右图为通过体全息光栅方法实现波长稳定的这12个bar条模块的完整光谱。

总结与展望我们已经实现了几种不同配置的有效、稳定的波长锁定，范围从单bar条到多达12个bar条组成的模块。所有这些配置中使用的都是没有进行输出面镀增透膜优化的标准半导体激光器bar条。对于直接发射的半导体激光器bar条，和光纤芯径为200μm和400μm（数值孔径0.22）的光纤耦合模块，也实现了波长稳定。前文中分别展示了792nm、808nm、940nm、976nm和981nm的不同模块的波长稳定性能。光纤耦合波长稳定模块从一根芯径为400μm的光纤（数值孔径0.22）中输出了456W的最大功率。该模块的中心波长位于976.5nm，组合bar条的光谱宽度仅为1nm。波长稳定的单bar条的最大功率为69W，中心波长位于808nm，该bar条的光谱宽度小于0.5nm。此外，我们分析了不同参数对波长稳定性的影响。这些参数包括体全息光栅的反射率、半导体激光器bar条的smile效应、工作电流和温度。光谱的热漂移从波长不稳定模块的约0.3nm/K降至波长稳定模块的不足0.01nm/K；由工作电流引起的波长漂移也显著地从0.1nm/A降至0.013nm/A。总之，具有增强的光谱亮度的高功率半导体激光器模块，对于窄吸收带宽的固体激光器更有效的泵谱极具吸引力。另外，这种波长稳定的模块对提高半导体激光器系统的亮度也有重要意义。未来，我们期待半导体激光器的亮度进一步增加，向BPP为20mmmrad的几千瓦输出功率迈进，这将有望使半导体激光器系统能够在工业应用中取代灯泵固体激光器。由于工作电流和工作温度范围的延伸，波长稳定性对于半导体激光器系统更加重要。致谢本文中部分工作得到了德国教育部（BMBF）德国国家创新基金项目“高功率激光器模块的集成光学元件（INLAS）”的支持，在此表示感谢。(end)

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