温控体布拉格光栅外腔单管半导体激光器

李志永，王立新，谭荣清，黄 伟，徐 程，李 琳

(1．中国科学院电子学研究所高功率气体激光技术部，北京100190;2．中国科学院大学，北京100049;3．中油吉林石化公司丙烯腈厂，辽宁吉林132021)

1 引言

体布拉格光栅外腔半导体激光器(VBL)具有波长稳定、线宽窄等优点［1］，在半导体激光泵浦碱金属激光器(diode pumped alkali laser，DPAL)中得到了广泛的应用［2］。碱金属激光器的增益介质主要为钾(K)、铷(Rb)、铯(Cs)蒸气，泵浦光波长分别为766 nm，780 nm，852 nm。为了提高碱金属激光的效率，通常采用外腔技术对现有的普通商用半导体激光器进行线宽压窄。相对于平面光栅线宽压窄技术，体布拉格光栅用于线宽压窄时具有功率损失少、结构简单等优点，是目前碱金属激光器泵浦源获得技术的主要发展方向之一［3－4］。为了实现碱金属激光器的高功率高效率激光输出，获得高亮度高功率的窄线宽激光器是十分必要的。虽然由多个发光元组成的二维面阵半导体激光器可以实现千瓦以上的激光输出，但是由于smile效应、组装工艺等因素的影响各个发光元的出射方向不尽相同［5］，将VBG置于快轴准直镜或慢轴准直镜后几毫米处较难实现半导体激光器光谱特性的最佳改善效果。针对不同衍射效率、带宽等参数的VBG，需要利用单管半导体激光器通过实验的方法获得光栅旋转的角度容差［6］。根据获得的角度容差，对叠阵半导体激光器的光束指向精度提出要求，可获得较为理想的高功率窄线宽激光输出。另一方面，进行碱金属蒸气激光器的线宽匹配研究，需要充分考虑光功率密度、碱金属蒸气室内的温度梯度、调谐范围等因素［7］。单管VBL较巴条VBL容易实现光功率密度的调节，且成本低，是理想的线宽匹配技术研究的激光源。

本文基于温度控制技术实现了780 nm窄线宽可调谐单管半导体激光器，为体布拉格光栅特性以及铷蒸气吸收特性的研究提供了必要的实验基础。

2 实验装置及基本原理

实验装置示意图如图1所示。实验系统中包含两套温度控制系统，控温元件均为半导体制冷片(thermo electric cooler，TEC)，分别控制单管半导体激光器和VBG的温度。

图1 实验装置示意图Fig．1 schematic of experimental set-up

实验中，采用的单管半导体激光器在25℃时，中心波长约为787 nm，线宽1．8 nm，发光区宽度150μm。LD的快轴方向经过准直后，发散角为7．3 mrad。为了使VBG实现更好的线宽压窄效果，将LD置于TEC控温的铝制底座上，利用半导体激光器中心波长的温度漂移特性，将LD的激光光谱的中心波长调节至780 nm附近。由于半导体激光器的温度漂移约为2～3 nm/℃，实验中LD的工作温度在0～－8℃范围内。TEC是基于帕尔贴效应制成的，其热端和冷端的温差影响TEC的工作效率，一般采用多级制冷技术实现较高的温差［8］。本文中，在大功率TEC的冷端加入水冷控温系统作为一级制冷，从而实现较低的平台温度。

与LD的温度控制系统不同，VBG支承座采用了双向控温系统。实验中采用的VBG是基于光热敏玻璃制作的，其折射率随温度的变化而变化，这种变化使得其布拉格波长(中心波长)随温度产生漂移［3］。因此，基于VBG的中心波长漂移特性，可以实现VBL的调谐。温度调节的范围越大，VBL的调谐范围也就越大。双向控温可以实现更宽的调谐范围。实验中，VBG底座的温度在微小TEC的控制下可在10～130℃内调节，控温精度为±0．1℃。采用的VBG带宽0．1 nm，衍射效率21%，由 PD_LD公司制作。

TEC在驱动电流(或电压)不同时形变不同。由于VBG对光栅角度的调节要求较高，这种微小的形变会影响VBL的激光光谱，因此在本实验装置中，两套TEC温控组件的调节机构分别置于图1所示的部件3和部件5上，使TEC工作时引起的形变不致影响光栅的角度和位置。

3 实验结果

3．1 线宽压窄

将VBG置于六维调整台上，调整VBG的角度以及其与LD出光面的距离，达到较好的线宽压窄效果，并在高驱动电流下较好地抑制内腔腔模。驱动电流2．0 A时，LD工作温度－6℃时，加入FAC后的光谱以及线宽压窄后的光谱如图2所示。

图2 准直后的LD以及线宽压窄后LD的激光输出光谱Fig．2 spectra of collimated LD and linewidth-narrowed LD

由图2可以看出，由于VBG的窄带光谱反馈作用，使得LD的线宽压窄至0．13 nm。由于FAC为普通石英圆柱透镜，由石英光纤剥除涂覆层得到，未镀增透膜，削弱了VBG的反馈作用，同时增加了外腔结构的复杂性。在实验中，未加入FAC时，LD的光谱通常仅在主峰的一边或两边出现肩膀或尾巴［9］，低温工作并未改变LD的光谱展宽机制。加入FAC后，LD的激光光谱如图2所示，多峰现象较为明显，未镀膜的FAC增加了LD激光光谱的不稳定性［1］。另一方面，由于FAC未进行镀膜，VBG线宽压窄前后的功率损耗也较大，斜效率由1．20 W/A降为0．99W/A，线宽压窄前后的功率电流曲线如图3所示。驱动电流 2．0 A时，LD输出功率1．448W，线宽0．13 nm。

图3 线宽压窄前后的功率电流曲线Fig．3 curve of power versus current before and after narrowing linewidth

3．2 可调谐实验

实验中，调节VBG底座的温度，在驱动电流2 A时通过高分辨率光纤光谱仪测得的谱线中心波长如图4所示。VBL的激光波长可从779．28 nm调谐至780．13 nm，调谐范围达850 pm。VBL中心波长随VBG温度的漂移率约为7．2 pm/℃，中心波长随温度的变化呈线性关系。在调谐过程中，激光器的输出光谱线宽基本不变。

图4 VBL激光光谱中心波长随VBG温度的变化Fig．4 emission wavelength of VBL versus temperature of VBG

4 结论与展望

基于TEC温度控制技术，采用VBG外腔结构实现了780 nm的窄线宽单管半导体激光器，输出功率1．448 W，线宽0．13 nm。采用双向控温使VBG的温度调节范围大幅加大，进而使得该窄线宽VBL的调谐范围达850 pm，覆盖了铷D2吸收线，可作为铷蒸气激光线宽匹配技术研究的激光源。

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