反射式體光柵壓窄線寬鎖波長(zhǎng)785nm激光器的使用

王艷麗

摘 要 本文通過(guò)體光柵作為外腔反饋，實(shí)現(xiàn)線寬<0.1nm，波長(zhǎng)785+/-0.5nm穩(wěn)定輸出的窄線寬半導(dǎo)體激光器。將LD光束經(jīng)過(guò)FAC和SAC整形之后，采用反射式體光柵形成外諧振腔作為反饋，通過(guò)調(diào)節(jié)入射角度，就可以獲得785+/-0.5nm窄線寬波長(zhǎng)穩(wěn)定輸出，該激光器具有較高的功率穩(wěn)定性（RMS<0.40%），長(zhǎng)時(shí)間的波長(zhǎng)穩(wěn)定性及較高的信噪比>40dB。在經(jīng)過(guò)聚焦透鏡，耦合到光纖里面，實(shí)現(xiàn)光纖耦合輸出。這款小型化激光器提供內(nèi)置TEC，可保證在-20℃-50℃環(huán)境溫度下正常工作，且該激光器蝶形封裝可提供三種結(jié)構(gòu)選擇：自由空間、光纖耦合及模組。更為突出的優(yōu)點(diǎn)是，激光器可靠性很高，壽命達(dá)20 000h以上。

關(guān)鍵詞 LD；反射式體光柵RBG；壓窄線寬；鎖波長(zhǎng)

中圖分類(lèi)號(hào) O47 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 1674-6708（2018）209-0093-03

一般來(lái)說(shuō)，半導(dǎo)體激光器（Laser Diode 簡(jiǎn)稱(chēng)LD）由于光譜寬，波長(zhǎng)隨電流和溫度都比較敏感，改善半導(dǎo)體激光器的光束特性通常使用光子注入鎖定和外腔反饋技術(shù)兩種。外腔反饋常用通常采用標(biāo)準(zhǔn)具、光纖光柵、閃耀光柵等光學(xué)元件進(jìn)行選模。當(dāng)采用標(biāo)準(zhǔn)具作為選模元件時(shí)，單個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具存在周期性的通帶，往往由于二極管激光器的增益譜線很寬，再加上標(biāo)準(zhǔn)具的厚度不能做到很薄，（例如厚度為0.27nm的標(biāo)準(zhǔn)具的FSR大概在0.8nm左右，厚度為0.27mm的標(biāo)準(zhǔn)具制作上工藝上也很有難度），所以一般情況下會(huì)選定很多分立的發(fā)射波長(zhǎng)，一般需要兩個(gè)或多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具由不同自由光譜區(qū)不互相重疊實(shí)現(xiàn)窄線寬的輸出，這樣工藝較為復(fù)雜，且鎖波效果不理想；采用薄膜濾光片也可以實(shí)現(xiàn)單個(gè)通帶輸出，但由于鍍膜工藝的限制壓窄線寬輸出往往不理想，通帶的半高寬較大而不能滿(mǎn)足實(shí)際需求；利用閃耀光柵的1級(jí)衍射來(lái)實(shí)現(xiàn)窄線寬的輸出，閃耀光柵的缺點(diǎn)就是效率比較低，且大功率下光柵容易發(fā)生變形而導(dǎo)致效率降低。

另外就是直接DFB半導(dǎo)體激光器和DBR半導(dǎo)體激光器，盡管這兩種激光器可以做到比較窄的線寬，因?yàn)楣鈻胖苯釉诎雽?dǎo)體激光器的腔體內(nèi)，生長(zhǎng)工藝復(fù)雜，且功率相對(duì)低，目前的成本總體很高。本文采用光纖和柱透鏡作為準(zhǔn)直光斑光學(xué)元件，利用反射式體光柵作為外腔反饋的共同作用來(lái)壓窄線寬，工藝簡(jiǎn)單，損耗低，成本相對(duì)較低，并容易實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定的窄線寬的激光輸出。

1 腔外結(jié)構(gòu)及工作原理

體光柵分為反射式體光柵，透射式光柵和啁啾式光柵。而反射式體光柵是比較常用的壓一種窄線寬的光學(xué)元件。在1998年，Glebov等人設(shè)計(jì)制作了一種光熱折變（photo-thermo-refractive，PTR）無(wú)極玻璃[1-4]，這種玻璃在紫外波段具有較好的光敏特性，并且在近紅外和可見(jiàn)波段具有較高的透射率，由PTR制作的體光柵衍射效率幾乎不受溫度的影響。PTR玻璃的主要特性：PTR玻璃經(jīng)過(guò)紫外激光的光刻，熱處理后由于析出納米NaF晶相能夠產(chǎn)生永久折射率調(diào)制，所以PTR十分適合制作體光柵。

體光柵是一種折射率呈周期Λ變化的雙折射晶體，其折射率可表示為：n（z）=n0+n1f（z）式中，f（z）是周期Λ的函數(shù)，n0為VBG的平均折射率，n1為折射調(diào)制振幅。體光柵的反射波長(zhǎng)有布拉格條件決定：

Λn0cosθ=mλ

其中，m為衍射級(jí)次，θ為折射角。當(dāng)具有一定帶寬的光束以一定的角度進(jìn)入體光柵時(shí)，其中只有一個(gè)特定波長(zhǎng)λ會(huì)被反射。

2 器件的制作

圖1是壓窄線寬鎖波長(zhǎng)激光器的結(jié)構(gòu)示意圖。

實(shí)驗(yàn)中我們使用的LD是采用了美國(guó)Axcel 公司的Q-Mount封裝1.5W的785nm波長(zhǎng)輸出的二極管激光器簡(jiǎn)稱(chēng)LD，芯片發(fā)光1um*100um，芯片長(zhǎng)度2mm，為了能夠更好使用體光柵鎖波，需對(duì)LD出來(lái)光整形，首先LD出光經(jīng)過(guò)FAC（fast axis collimator）和SAC（slow axis collimator）系統(tǒng)得到的我們所需要的光斑，反射式光柵簡(jiǎn)稱(chēng)RBG是從美國(guó)Optigrating公司購(gòu)買(mǎi)的。

在蝶形封裝（14PIN腳）內(nèi)，放置內(nèi)置TEC：TEC上面放置陶瓷板及LD對(duì)應(yīng)的陶瓷板，TEC和蝶形封裝，TEC和陶瓷板，陶瓷板和LD陶瓷板及LD和陶瓷板，都是經(jīng)過(guò)過(guò)焊接的工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)的。然后圖1這套設(shè)計(jì)系統(tǒng)，放置在陶瓷板上，進(jìn)行后續(xù)的各個(gè)工藝制作。

圖中LD，快軸和慢軸的發(fā)散角是不同的，快軸方向的發(fā)散角約為38°，慢軸發(fā)散角約為10°。光斑經(jīng)過(guò)一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)即使用FAC作為快軸準(zhǔn)直，然后使用SAC進(jìn)行慢軸準(zhǔn)直后得到近似準(zhǔn)直的光斑，然后調(diào)試光柵RBG進(jìn)而實(shí)現(xiàn)鎖波。

LD焊接好后，通過(guò)特殊的工藝把FAC安裝在LD上，F(xiàn)AC作用是快軸準(zhǔn)直FAC（ Fast axis collimator）， FAC可以鍍膜也可以不鍍膜，然后就是調(diào)節(jié)SAC，SAC的作用是把LD的慢軸壓縮到光斑最小，再進(jìn)行關(guān)鍵的一步，開(kāi)始調(diào)試光柵，LD芯片的前后的高反射膜面及反射式光柵部分反饋形成的一個(gè)穩(wěn)定的復(fù)合腔，達(dá)到鎖定波長(zhǎng)壓窄線寬的作用。調(diào)試光柵需要五維調(diào)節(jié)，從半高寬為2nm的調(diào)試到半高寬小于0.1nm，邊模抑制比大于40dB。波長(zhǎng)鎖定后，如果需要自由空間輸出，直接就可以滿(mǎn)足要求。如果需要光纖耦合輸出，就需要Lens，把光會(huì)聚，然后經(jīng)過(guò)特殊的工藝，耦合的多模光纖里面，最后進(jìn)行密封封蓋，老化及最終的參數(shù)測(cè)試。當(dāng)然，如果想把電源省去，我們也可以加匹配的電路板，直接使用。

3 器件的參數(shù)與性能

圖2是LD經(jīng)過(guò)光學(xué)系統(tǒng)后未加體光柵RGB及加體光柵RGB得到的激光光譜特性對(duì)比，激光器光譜測(cè)量采用ANDO AQ6317光譜分析儀，精度0.01nm。

從圖2可以看出，未鎖波和使用RGB鎖波，差異較大。正常未鎖波的情況下，LD的光譜特性，隨溫度變化平均0.25nm/℃，隨電流變化4.5nm/A。通過(guò)RBG鎖定波長(zhǎng)后，光譜特性隨溫度變化平均0.007nm/℃，圖3是不同溫度下波長(zhǎng)。激光器的光譜線是一個(gè)非常窄的激光光譜特性，線寬小于0.1nm（FHWM），滿(mǎn)足在拉曼光譜儀上使用。

如圖3所示，該器件在工作溫度下，2.5小時(shí)的波長(zhǎng)穩(wěn)定性如下：2.5小時(shí)波長(zhǎng)的最大變化量?jī)H有0.016nm，長(zhǎng)時(shí)間下，輸出波長(zhǎng)非常穩(wěn)定，這一特性，非常適合拉曼光譜儀上的食品安全檢測(cè)等。圖4模擬環(huán)境溫度在-20℃到50℃，波長(zhǎng)的變化如下：從下面的數(shù)據(jù)來(lái)看，隨環(huán)境-20-到50℃的變化，對(duì)于同一產(chǎn)品，波長(zhǎng)變化最大值0.056nm，測(cè)試5個(gè)產(chǎn)品，在-20℃到50℃這70℃的溫度帶寬中，70℃的溫度變化僅引起波長(zhǎng)的平均變化0.03nm，這說(shuō)明波長(zhǎng)隨環(huán)境溫度變化較小，鎖波性能很穩(wěn)定。這對(duì)于環(huán)境的要求特別低，基本可以覆蓋應(yīng)用的各種環(huán)境。

圖5是激光經(jīng)過(guò)RGB鎖波且耦合到光纖里面的輸出，典型的P-I曲線。

4 結(jié)論

本文介紹了使用體光柵作為外腔反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)激光器的線寬壓窄。半導(dǎo)體激光器即LD經(jīng)過(guò)FAC、SAC來(lái)進(jìn)行光斑整形，使用反射式光柵作為外腔反饋的鎖波元件，獲得了一種<0.1nm線寬波長(zhǎng)在785+/-0.5nm窄線寬鎖波長(zhǎng)激光器。該激光器具有較高的功率穩(wěn)定性（RMS<0.40%），長(zhǎng)時(shí)間的波長(zhǎng)穩(wěn)定性及較高的信噪比>40dB。并從實(shí)驗(yàn)上證明了該激光器在很寬的溫度范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)的鎖定。這款激光器都有內(nèi)置TEC，可保證在-20℃-50℃環(huán)境溫度下正常工作，這一性能對(duì)環(huán)境溫度要求較低，基本可以使用各種環(huán)境。為了適應(yīng)不同客戶(hù)需求，我們還研制開(kāi)發(fā)不同的封裝結(jié)構(gòu)。該激光器蝶形封裝可提供3種結(jié)構(gòu)選擇：自由空間、光纖耦合及模組。更為突出的優(yōu)點(diǎn)：激光器可靠性很高，特別是壽命達(dá)20 000h以上。

參考文獻(xiàn)

[1]L.B.Glebov， A. Sugama， V. Smirnov， S. Aoki，V. Rotar， M. Lee， and L. Glebov. IEEE Photonics Technology Lett. 19 （2007） 701-703.

[2]L.B. Glebov Volume Bragg Gratings in PTR glass –New Optical B.Elements for Laser Design

[3]L.B. Glebov. Photosensitive glass for phase hologram recording. Glass Science and Technology， 71C （1998） 85-90.

[4]L.B. Glebov. Volume hologram recording in inorganic glasses. Glass Science and Technology 75 C1 （2002） 73-90.