溫控體布拉格光柵外腔單管半導體激光器

李志永，王立新，譚榮清，黃 偉，徐 程，李 琳

(1．中國科學院電子學研究所高功率氣體激光技術部，北京100190;2．中國科學院大學，北京100049;3．中油吉林石化公司丙烯腈廠，遼寧吉林132021)

1 引言

體布拉格光柵外腔半導體激光器(VBL)具有波長穩定、線寬窄等優點［1］，在半導體激光泵浦堿金屬激光器(diode pumped alkali laser，DPAL)中得到了廣泛的應用［2］。堿金屬激光器的增益介質主要為鉀(K)、銣(Rb)、銫(Cs)蒸氣，泵浦光波長分別為766 nm，780 nm，852 nm。為了提高堿金屬激光的效率，通常采用外腔技術對現有的普通商用半導體激光器進行線寬壓窄。相對于平面光柵線寬壓窄技術，體布拉格光柵用于線寬壓窄時具有功率損失少、結構簡單等優點，是目前堿金屬激光器泵浦源獲得技術的主要發展方向之一［3－4］。為了實現堿金屬激光器的高功率高效率激光輸出，獲得高亮度高功率的窄線寬激光器是十分必要的。雖然由多個發光元組成的二維面陣半導體激光器可以實現千瓦以上的激光輸出，但是由于smile效應、組裝工藝等因素的影響各個發光元的出射方向不盡相同［5］，將VBG置于快軸準直鏡或慢軸準直鏡后幾毫米處較難實現半導體激光器光譜特性的最佳改善效果。針對不同衍射效率、帶寬等參數的VBG，需要利用單管半導體激光器通過實驗的方法獲得光柵旋轉的角度容差［6］。根據獲得的角度容差，對疊陣半導體激光器的光束指向精度提出要求，可獲得較為理想的高功率窄線寬激光輸出。另一方面，進行堿金屬蒸氣激光器的線寬匹配研究，需要充分考慮光功率密度、堿金屬蒸氣室內的溫度梯度、調諧范圍等因素［7］。單管VBL較巴條VBL容易實現光功率密度的調節，且成本低，是理想的線寬匹配技術研究的激光源。

本文基于溫度控制技術實現了780 nm窄線寬可調諧單管半導體激光器，為體布拉格光柵特性以及銣蒸氣吸收特性的研究提供了必要的實驗基礎。

2 實驗裝置及基本原理

實驗裝置示意圖如圖1所示。實驗系統中包含兩套溫度控制系統，控溫元件均為半導體制冷片(thermo electric cooler，TEC)，分別控制單管半導體激光器和VBG的溫度。

圖1 實驗裝置示意圖Fig．1 schematic of experimental set-up

實驗中，采用的單管半導體激光器在25℃時，中心波長約為787 nm，線寬1．8 nm，發光區寬度150μm。LD的快軸方向經過準直后，發散角為7．3 mrad。為了使VBG實現更好的線寬壓窄效果，將LD置于TEC控溫的鋁制底座上，利用半導體激光器中心波長的溫度漂移特性，將LD的激光光譜的中心波長調節至780 nm附近。由于半導體激光器的溫度漂移約為2～3 nm/℃，實驗中LD的工作溫度在0～－8℃范圍內。TEC是基于帕爾貼效應制成的，其熱端和冷端的溫差影響TEC的工作效率，一般采用多級制冷技術實現較高的溫差［8］。本文中，在大功率TEC的冷端加入水冷控溫系統作為一級制冷，從而實現較低的平臺溫度。

與LD的溫度控制系統不同，VBG支承座采用了雙向控溫系統。實驗中采用的VBG是基于光熱敏玻璃制作的，其折射率隨溫度的變化而變化，這種變化使得其布拉格波長(中心波長)隨溫度產生漂移［3］。因此，基于VBG的中心波長漂移特性，可以實現VBL的調諧。溫度調節的范圍越大，VBL的調諧范圍也就越大。雙向控溫可以實現更寬的調諧范圍。實驗中，VBG底座的溫度在微小TEC的控制下可在10～130℃內調節，控溫精度為±0．1℃。采用的VBG帶寬0．1 nm，衍射效率21%，由 PD_LD公司制作。

TEC在驅動電流(或電壓)不同時形變不同。由于VBG對光柵角度的調節要求較高，這種微小的形變會影響VBL的激光光譜，因此在本實驗裝置中，兩套TEC溫控組件的調節機構分別置于圖1所示的部件3和部件5上，使TEC工作時引起的形變不致影響光柵的角度和位置。

3 實驗結果

3．1 線寬壓窄

將VBG置于六維調整臺上，調整VBG的角度以及其與LD出光面的距離，達到較好的線寬壓窄效果，并在高驅動電流下較好地抑制內腔腔模。驅動電流2．0 A時，LD工作溫度－6℃時，加入FAC后的光譜以及線寬壓窄后的光譜如圖2所示。

圖2 準直后的LD以及線寬壓窄后LD的激光輸出光譜Fig．2 spectra of collimated LD and linewidth-narrowed LD

由圖2可以看出，由于VBG的窄帶光譜反饋作用，使得LD的線寬壓窄至0．13 nm。由于FAC為普通石英圓柱透鏡，由石英光纖剝除涂覆層得到，未鍍增透膜，削弱了VBG的反饋作用，同時增加了外腔結構的復雜性。在實驗中，未加入FAC時，LD的光譜通常僅在主峰的一邊或兩邊出現肩膀或尾巴［9］，低溫工作并未改變LD的光譜展寬機制。加入FAC后，LD的激光光譜如圖2所示，多峰現象較為明顯，未鍍膜的FAC增加了LD激光光譜的不穩定性［1］。另一方面，由于FAC未進行鍍膜，VBG線寬壓窄前后的功率損耗也較大，斜效率由1．20 W/A降為0．99W/A，線寬壓窄前后的功率電流曲線如圖3所示。驅動電流 2．0 A時，LD輸出功率1．448W，線寬0．13 nm。

圖3 線寬壓窄前后的功率電流曲線Fig．3 curve of power versus current before and after narrowing linewidth

3．2 可調諧實驗

實驗中，調節VBG底座的溫度，在驅動電流2 A時通過高分辨率光纖光譜儀測得的譜線中心波長如圖4所示。VBL的激光波長可從779．28 nm調諧至780．13 nm，調諧范圍達850 pm。VBL中心波長隨VBG溫度的漂移率約為7．2 pm/℃，中心波長隨溫度的變化呈線性關系。在調諧過程中，激光器的輸出光譜線寬基本不變。

圖4 VBL激光光譜中心波長隨VBG溫度的變化Fig．4 emission wavelength of VBL versus temperature of VBG

4 結論與展望

基于TEC溫度控制技術，采用VBG外腔結構實現了780 nm的窄線寬單管半導體激光器，輸出功率1．448 W，線寬0．13 nm。采用雙向控溫使VBG的溫度調節范圍大幅加大，進而使得該窄線寬VBL的調諧范圍達850 pm，覆蓋了銣D2吸收線，可作為銣蒸氣激光線寬匹配技術研究的激光源。

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