APP下载

用于碱金属蒸汽激光器泵浦的窄线宽780 nm半导体激光源

2019-09-16田景玉彭航宇雷宇鑫王立军

发光学报 2019年9期
关键词:线宽激光器口径

田景玉, 张 俊, 彭航宇, 雷宇鑫, 王立军

(1. 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033;2. 中国科学院大学, 北京 100049)

1 引 言

碱金属蒸汽激光器是以碱金属原子饱和蒸汽作为增益介质、利用其外层价电子能级跃迁实现激光作用的典型的三能级气体激光器。利用半导体激光泵浦碱金属蒸汽激光器(DPAL)兼具固体和气体激光的优势,具有量子效率高、气体介质可循环流动散热、近红外原子谱线大气透过性好、全电操作、结构紧凑等特点,可克服大功率气体激光器体积重量庞大、固体激光器热效应严重、半导体激光器光束质量较差等问题[1-5]。近年来,DPAL受到越来越多的关注和研究,有望发展成为新一代高能激光光源,已被明确作为“兆瓦级高能激光器的首选方案”[6]。目前高功率半导体激光器覆盖的波长范围为750~1 100 nm,主要针对钾K(766.3 nm)、铷Rb(780.0 nm)和铯Cs(852.2 nm)蒸汽激光器展开研究[7]。

为了获得好的泵浦效果,泵浦光谱与碱金属蒸汽的吸收光谱需严格匹配,即中心波长和谱宽均严格要求。根据能带跃迁原理,碱金属原子的吸收谱宽非常窄,为pm量级,即使在充入高压缓冲气体后,吸收谱宽也仅为数十GHz(0.05 nm量级);而自由运转的半导体激光器线宽较宽(通常3~5 nm),且随温度变化大(~0.3 nm/℃)。因此必须压窄半导体激光输出线宽,且稳定中心波长。

反射式体布拉格光栅(RVBG)外腔反馈是目前实现该种光源的主要方案[8],通常采用“快轴准直镜-慢轴准直镜-反射式体布拉格光栅(FAC-SAC-RVBG)”的结构,即前腔面镀增透膜的半导体激光线阵,经快轴准直镜(FAC)和慢轴准直镜(SAC)准直后,由RVBG反馈,只有满足RVBG光栅条件并能够返回到原激光单元的光才能形成有效谐振。2013年,中科院电子所李志永等基于该方法实现了40 W功率0.14 nm线宽的780 nm激光输出[9]。2014年,德国Dilas用15个激光单元合束实现了在谱宽为0.072 nm条件下获得600 W的780 nm激光输出,在输出功率为1 000 W时,其输出光谱宽度为0.083 nm[10]。2016年,德国Dilas采用7个光纤模块实现了3 000 W功率0.06 nm线宽的766 nm激光输出[11]。但该方法存在如下问题:(1)激光线阵快慢轴准直后,其慢轴发散角达数十毫弧度,而RVBG的有效接收角为毫弧度量级,有效反馈率低,对此要求所选RVBG的反射率高,造成整体光光转换效率偏低;(2)激光线阵的Smile要求高,Smile直接决定RVBG的反馈光是否能返回到激光单元,据分析,当Smile大于0.5wf(wf为发光区快轴尺寸)时,不能形成有效反馈,激光波长锁定困难[12]。

本文提出“快轴准直镜-光束变换器-慢轴准直镜-反射式体布拉格光栅(FAC-BTS-SAC-RVBG)”的结构,压缩入射到RVBG的激光发散角,提高RVBG的有效反馈率,同时BTS将快慢轴方向进行光束变换,结合外腔反馈可降低对激光线阵封装的smile要求[13-14]。相对于常规的“FAC+SAC+RVBG”的方式,光谱锁定效果更优。基于该方式实现了780 nm的窄线宽激光器,输出功率达到47.2 W,通过对RVBG温控,可将中心波长稳定在780.00 nm。聚焦光谱窄化激光,采用单模光纤探测,输出光谱宽度为0.064 nm(FWHM),温漂系数为0.001 2 nm/℃,电流漂移系数为0.001 3 nm/A,光谱稳定性良好,可用于碱金属蒸汽激光器泵浦。

2 外腔反馈实验设计及结果分析

2.1 “FAC+BTS+SAC+RVBG”结构设计

采用的外腔反馈结构如图1所示,由半导体激光线阵(LDA)、后腔面(Rear facet)与RVBG构成谐振腔,前腔面镀增透膜(AR coating)的LDA输出光束经过快轴准直镜(FAC)、光束整形器(BTS)和慢轴准直镜(SAC)后,以发散角为毫弧度量级的光入射到具有一定反射率的反射式体布拉格光栅(RVBG)上,满足光栅布拉格反射条件并能够沿着原光路回到LDA原发光区的光束能形成有效起振,不满足反馈条件的光直接输出。利用RVBG的光谱选择特性,外腔激光器能够输出光谱窄化、中心波长稳定的激光。图1(a)ZX面视图为LDA快轴出光面,经过FAC快轴准直到毫弧度发散角后,再由BTS将每个激光单元旋转90°,则ZX面变成激光束的慢轴面,此时采用SAC对慢轴方向进行准直,降低快慢轴方向发散角至毫弧度量级;图1(b)ZY面视图为LDA慢轴出光面,为19个激光单元在慢轴方向的排列,FAC不对该方向光束发散角产生影响,由BTS光束变换后,ZY面变成激光束的快轴面,为19个激光单元在快轴方向的排列,发散角为毫弧度量级,SAC不影响该方向的发散角。由分析可知LDA快慢轴两个方向的准直都是发生在ZX面。

图1 基于“FAC+BTS+SAC+RVBG”结构的外腔反馈结构图。(a)ZX面视图;(b)ZY面视图。

Fig.1 Schematic setup of external-cavity feedback structure based on “FAC+BTS+SAC+RVBG”. (a)ZXsurface view. (b)ZYsurface view.

2.2 对比实验设计及反馈模拟分析

采用Zemax分别对“FAC+BTS+SAC+RVBG”和“FAC+SAC+RVBG”两种结构进行反馈模拟分析。根据腔内谐振过程,不考虑FAC、BTS和SAC口径及透过率对反馈光影响前提下,重点考虑RVBG口径筛选、RVBG角度筛选、激光芯片LD口径筛选和LD角度筛选对外腔激光谐振的影响。输入条件如下:

(1)激光源(LD):选用激光阵列(LDA)中的一个激光单元进行模拟,前腔面增透(反射率为0),快轴(X)条宽d~1 μm,慢轴(Y)条宽W~150 μm,发散角θx×θy为60°×8°;

(2)RVBG:有效口径为1.2 mm(X)×1 mm(Y),反馈角度为1°±0.5°[4],假设反射率为100%,激光光轴与反射面垂直;

(3)聚焦镜(Focus):焦距为5 mm的高阶非球面透镜,减小像差对模拟结果的影响;

(4)FAC+BTS+SAC结构:FAC和BTS选用LIMO公司透镜库,FAC焦距为0.365 mm,SAC选用焦距为16.7 mm的柱透镜;

(5)FAC+SAC结构:FAC和SAC均选用Ingeneric公司透镜库,分别为0.9 mm焦距的高阶非球面柱透镜和2.86 mm的柱透镜阵列(500 μm周期);

(6)RVBG口径筛选(RVBG aperture filter):仅允许1.2 mm×1 mm口径内的光通过,其余光被吸收;

(7)RVBG角度筛选(RVBG divergence filter):仅允许发散角在1°±0.5°内的光能够反射回腔内,通过定焦透镜结合焦点处的额定光阑口径实现;

(8)LD口径筛选(LD aperture filter):仅允许与LD出光口径内的光通过(1 μm×150 μm),其余光被吸收;

(9)LD接收角度(LD acceptance angle):仅接收角度在60°×8°内的反馈光。

输出条件为追迹有效反馈光,是指经过RVBG有效口径和可反馈角度并进入激光单元口径和可接收角内的光,追迹后接收屏上的有效反馈光越多,说明经过外腔反馈后的有效反馈率越高,有助于提高外腔反馈光谱锁定能力。

图2为“FAC+SAC+RVBG”结构模型及其模拟结果。经过快慢轴准直后的光斑尺寸为0.9 mm×0.5 mm,发散角为1 mrad×52 mrad,其光斑均在RVBG的有效口径内,但慢轴方向的发散角过大(受激光单元周期限制,慢轴准直镜焦距小),仅有1/3能够被反馈,再经过LD的口径过滤和有效接收角度后,整体有效反馈率为21.0%。

图3为“FAC+BTS+SAC+RVBG”结构模型及其模拟结果。对于“FAC+BTS+SAC+RVBG”结构,输出光束经过快轴准直后,由BTS进行快慢轴翻转(X和Y方向的光场分布颠倒),慢轴准直镜可以选用更大焦距。在该模型中,输出光斑为2.3 mm×0.45 mm,发散角为9 mrad×3 mrad,因此其发散角均在RVBG接受角度范围内,但光斑在X方向约有1/2被截止,再经过LD的口径过滤和有效接收角度后,整体有效反馈率为58.7%。

图2 “FAC+SAC+RVBG”结构模型及模拟结果。(a)ZX面视图;(b)ZY面视图。

图3 “FAC+BTS+SAC+RVBG”结构模型及模拟结果。(a)ZX面视图;(b)ZY面视图。

从两个反馈模型反馈结果来看,“FAC+BTS+SAC+RVBG”结构具有更高的有效反馈率,是“FAC+SAC+RVBG”结构的近3倍。因此,在相同RVBG反馈率条件下,锁定的光谱更加稳定;对于需要相同反馈率的结构,RVBG所需反射率更低,外腔激光器可以实现更高的功率输出。

3 光谱锁定实验及结果分析

试验采用条宽150 μm、周期500 μm、19个激光单元组成的780 nm半导体激光线阵进行光谱锁定实验,该线阵前腔面镀增透膜(R<1%),RVBG选用PD-LD公司产品,反馈中心波长在779.8 nm,有效口径为1.5 mm×12 mm,厚度为4 mm,衍射效率为15%,其余元器件与上述模型一致,分别进行“FAC+SAC+RVBG”和“FAC+BTS+SAC+RVBG”锁定试验。

图4为单激光线阵在自由运行、“FAC+BTS+SAC+RVBG”和“FAC+SAC+RVBG”3种情况下的输出光谱,输出激光经聚焦镜耦合,单模光纤采集分光,由Ando AQ6317B光纤光谱仪测试。其中“FAC+BTS+SAC+RVBG”和“FAC+SAC+RVBG”均对波长有锁定效果,但“FAC+SAC+RVBG”结构中的自激射未能被完全压制,存在一定的自激射情况,相比之下,“FAC+BTS+SAC+RVBG”结构将自激射几乎完全压制,具有更好的锁定效果。

图4 单激光线阵在自由运行、“FAC+BTS+SAC+RVBG”和“FAC+SAC+RVBG”结构的光谱对比。

Fig.4 Spectrum comparison of single laser array by free-running,“FAC+BTS+SAC+RVBG” and “FAC+SAC+RVBG”.

图5为“FAC+BTS+SAC+RVBG”结构下,输出激光功率效率曲线。在热沉25 ℃条件下,采用Ophir FL500A功率探测头测得在50 A条件下,未锁定时功率为50.5 W,锁定后输出为47.2 W,电-光转换效率为50.7%,光-光转换效率为93.4%。

根据RVBG的温度波长漂移特性,温漂系数为0.008 nm/℃[4],通过对RVBG进行温度控制,调节锁定波长至780 nm,以匹配泵浦波长。在本实验中,RVBG采用独立温度控制,加热到48 ℃,温度波动±0.2 ℃,激光器工作电流50 A时,25 ℃水冷温度下的激光光谱测试结果如图6所示,中心波长为780.000 nm,光谱宽度(FWHM)为0.064 nm。

不改变RVBG的温度,50 A电流驱动下,调节水冷温度,测试在15,20,25 ℃下的输出光谱,如图7所示。在15 ℃时峰值波长为779.988 nm,在25 ℃下为780.000 nm,对应的温度漂移系数为0.001 2 nm/℃。

图5 “FAC+BTS+SAC+RVBG”结构下的输出激光功率效率曲线

Fig.5 Output laser power efficiency curve on “FAC+BTS+SAC+RVBG”

图6 RVBG温度48 ℃、激光器工作电流50 A、激光器温度25 ℃下的激光光谱。

Fig.6 Laser spectrum of RVBG temperature at 48 ℃, laser working current at 50 A, laser temperature at 25 ℃.

图7 50 A驱动电流不同水冷温度下的输出光谱

Fig.7 Laser spectra of laser working current at 50 A and different water temperature

不改变RVBG的温度,在25 ℃水冷温度下,调节电流驱动,测试10,20,30,40,50 A的输出光谱,如图8所示。在20 A时峰值波长为779.969 nm,在40 A时峰值波长为779.995 nm,对应的电流漂移系数为0.001 3 nm/A。

图8 25 ℃水冷温度下不同电流驱动的输出光谱

Fig.8 Laser spectra of water temperature at 25 ℃ and different laser working current

4 结 论

提出了“FAC-BTS-SAC-RVBG”的外腔反馈光谱锁定结构,通过压缩RVBG的入射激光发散角,提高了RVBG的有效反馈率,相对于“FAC-SAC-RVBG”结构,有效压制了自激射,获得了光谱窄化的激光输出。基于半导体激光线阵,采用该结构研制出谱宽0.064 nm(FWHM)、中心波长780.00 nm、功率47.2 W的窄线宽激光器。下一步工作主要是进行功率扩展,基于该结构实现功率百瓦及千瓦高功率窄线宽激光输出,以此为核心的光源将作为Rb蒸汽激光器的泵浦光源。

猜你喜欢

线宽激光器口径
减成法工艺下非电镀线路的精准加工方法
印制板制造中量化蚀刻研究
生产过程中的PCB线宽分析研究
步枪口径之争(下)
步枪口径之争(上)
基于PID控制的一体化恒温激光器系统设计
激光器发明60周年
Excel图形转入CorelDRAW技巧
全口径预决算审查监督的实践与思考
一体化半导体激光器的ANSYS热仿真及结构设计