高功率半导体激光器的波长稳定技术

）[9]、体全息光栅（VHG）[10]，或是体布拉格光栅激光器（VOBLA）[11]。

　　与内部解决方案相反，外部波长稳定不需要对芯片结构做任何修改，也就是说，通过外部体全息光栅就能够对标准大面积半导体激光器bar条进行波长稳定。这是外部解决方案的一个重要优势。此外，与内部解决方案相比，外部波长稳定方案能获得更小的温度漂移和光谱带宽：温度漂移能减少到约0.01nm/K，光谱宽度减小到小于0.3 nm。然而，外部波长稳定方案的一个重要缺点是需要敏感和高度对准的VHG。

　　图1所示的是采用外部波长稳定方案的半导体激光器bar条的典型组成。VHG的角度敏感性有利于减少半导体激光器bar条的发散，特别是在快轴方向上利用快轴准直透镜（FAC）来准直光束。VHG将显著提高光学反馈。VHG直接置于FAC之后。图1中的表格所示的是有效波长稳定所需的典型对准公差。

　　图1：采用波长稳定方案的半导体激光器bar条的典型组成，VHG直接置于快轴准直透镜（FAC）之后。表中给出了图中所示组成的典型对准公差。
Typical tolerances for rotation：典型旋转公差
x-axis：x轴；y-axis：y轴；z-axis：z轴

　　2.2 半导体激光器参数对外部波长稳定性能的影响

　　为了获得有效、稳定的波长稳定方案，必须对半导体激光器bar条的相关参数进行仔细控制，这些参数包括输出面增透膜的反射率、发射体结构、腔长、smile效应、角度发射特性以及安装技术等，这些参数将影响波长随工作电流和工作温度的漂移。

　　通过折射率调制、改变空间频率和厚度，可以优化VHG的性能。这三个独立的参数决定布拉格角、衍射效率、光栅的光谱和角度选择性。原则上，对于每种配置，这些VHG参数都必须分别优化。然而根据经验，对于大多数常用的半导体激光器bar条，VHG反射率约为20％。当然，与没有采用波长稳定方案的半导体bar条相比，对于给定的电流，采用波长稳定方案的bar条因为插入了一个VHG，将会导致输出功率有所下降。具有 更高反射率的VHG将增加锁定范围，代价是更高的功率损耗。这意味着波长稳定的优化始终需要在锁定范围和功率损耗间进行权衡。此外，重要的是要注意到最佳反射率的选取也视应用需求而定。对于某些应用，VHG需要优化以得到大的锁定范围，而对于固定工作条件的应用，则可能要求较低的损耗。

　　前面提到，最常见的外部波长稳定方案是将一个单独的块状VHG直接置于快轴准直透镜之后。这种布局的一个重要的缺点是对smile效应灵敏。由于smile效应，一些发射体不正好在光轴上，导致准直后产生偏转角，最终导致反射光相对于发射体的初始位置的偏移（见图2）。不在光轴上的发射体将接收到较少的光学反馈，如图2中的右图所示。

　　图2. Smile效应对采用体全息光栅波长稳定技术的半导体激光器bar条的光学反馈的影响
Off optical axis：偏离光轴
Onoptical axis：在光轴上
Diode bar with smile：具有smile效应的半导体激光器bar条
Reflected intensity：反射强度
Optical feedback by VHG：VHG的光学反馈
Optical axis：光轴

　　克服smile效应灵敏度的一种方法是将光栅结构集成到FAC中。[12]这样的元件对smile效应和非准直并不敏感。由于未经准直的光束具有更大的发散角，加之光栅的小角度选择性，因此只有一小部分光束被反射回半导体激光器腔内。在未准直或是存在smile效应的情况下，另外一部分光束将被反射用于提供反馈。与此相反，将光栅集成到FAC中，这种方案的一个理想情况是具备精确的准直且没有smile效应，此时几乎所有从VHG反射的光都被耦合至半导体激光器腔内。另一方面，这意味着要得到有效的波长锁定，VHG-FAC的反射率需要大幅提高到70％。

　　集成VHG的FAC的更大的优点是：只需要操作和调整一个独立的元件。VHG-FAC的一个缺点是基于石英的PTR材料相对较低的折射率（n＝1.45）。FAC通常是由S-TiH53 或 N-LAF21之类的高折射率材料制造的。如果使用折射率较低的材料，对于同样的焦距，使用较小的曲率半径，将会影响高数值孔径工作条件下的透镜像差。

参考文献：
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3. Friedrich Bachmann, Peter Loosen, Reinhart Poprawe ?High Power Diode Lasers“, pp.121-123, pp.162-174, Springer Series in Optical Sciences (2007)
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