溫控體布拉格光柵外腔單管半導(dǎo)體激光器

李志永，王立新，譚榮清，黃 偉，徐 程，李 琳

(1．中國(guó)科學(xué)院電子學(xué)研究所高功率氣體激光技術(shù)部，北京100190;2．中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，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(dǎo)體激光器(VBL)具有波長(zhǎng)穩(wěn)定、線(xiàn)寬窄等優(yōu)點(diǎn)［1］，在半導(dǎo)體激光泵浦堿金屬激光器(diode pumped alkali laser，DPAL)中得到了廣泛的應(yīng)用［2］。堿金屬激光器的增益介質(zhì)主要為鉀(K)、銣(Rb)、銫(Cs)蒸氣，泵浦光波長(zhǎng)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(shù)對(duì)現(xiàn)有的普通商用半導(dǎo)體激光器進(jìn)行線(xiàn)寬壓窄。相對(duì)于平面光柵線(xiàn)寬壓窄技術(shù)，體布拉格光柵用于線(xiàn)寬壓窄時(shí)具有功率損失少、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是目前堿金屬激光器泵浦源獲得技術(shù)的主要發(fā)展方向之一［3－4］。為了實(shí)現(xiàn)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(xiàn)寬激光器是十分必要的。雖然由多個(gè)發(fā)光元組成的二維面陣半導(dǎo)體激光器可以實(shí)現(xiàn)千瓦以上的激光輸出，但是由于smile效應(yīng)、組裝工藝等因素的影響各個(gè)發(fā)光元的出射方向不盡相同［5］，將VBG置于快軸準(zhǔn)直鏡或慢軸準(zhǔn)直鏡后幾毫米處較難實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器光譜特性的最佳改善效果。針對(duì)不同衍射效率、帶寬等參數(shù)的VBG，需要利用單管半導(dǎo)體激光器通過(guò)實(shí)驗(yàn)的方法獲得光柵旋轉(zhuǎn)的角度容差［6］。根據(jù)獲得的角度容差，對(duì)疊陣半導(dǎo)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(xiàn)寬激光輸出。另一方面，進(jìn)行堿金屬蒸氣激光器的線(xiàn)寬匹配研究，需要充分考慮光功率密度、堿金屬蒸氣室內(nèi)的溫度梯度、調(diào)諧范圍等因素［7］。單管VBL較巴條VBL容易實(shí)現(xiàn)光功率密度的調(diào)節(jié)，且成本低，是理想的線(xiàn)寬匹配技術(shù)研究的激光源。

本文基于溫度控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了780 nm窄線(xiàn)寬可調(diào)諧單管半導(dǎo)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(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

2 實(shí)驗(yàn)裝置及基本原理

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

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig．1 schematic of experimental set-up

實(shí)驗(yàn)中，采用的單管半導(dǎo)體激光器在25℃時(shí)，中心波長(zhǎng)約為787 nm，線(xiàn)寬1．8 nm，發(fā)光區(qū)寬度150μm。LD的快軸方向經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直后，發(fā)散角為7．3 mrad。為了使VBG實(shí)現(xiàn)更好的線(xiàn)寬壓窄效果，將LD置于TEC控溫的鋁制底座上，利用半導(dǎo)體激光器中心波長(zhǎng)的溫度漂移特性，將LD的激光光譜的中心波長(zhǎng)調(diào)節(jié)至780 nm附近。由于半導(dǎo)體激光器的溫度漂移約為2～3 nm/℃，實(shí)驗(yàn)中LD的工作溫度在0～－8℃范圍內(nèi)。TEC是基于帕爾貼效應(yīng)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(jí)制冷技術(shù)實(shí)現(xiàn)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(tǒng)作為一級(jí)制冷，從而實(shí)現(xiàn)較低的平臺(tái)溫度。

與LD的溫度控制系統(tǒng)不同，VBG支承座采用了雙向控溫系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)(中心波長(zhǎng))隨溫度產(chǎn)生漂移［3］。因此，基于VBG的中心波長(zhǎng)漂移特性，可以實(shí)現(xiàn)VBL的調(diào)諧。溫度調(diào)節(jié)的范圍越大，VBL的調(diào)諧范圍也就越大。雙向控溫可以實(shí)現(xiàn)更寬的調(diào)諧范圍。實(shí)驗(yàn)中，VBG底座的溫度在微小TEC的控制下可在10～130℃內(nèi)調(diào)節(jié)，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(qū)動(dòng)電流(或電壓)不同時(shí)形變不同。由于VBG對(duì)光柵角度的調(diào)節(jié)要求較高，這種微小的形變會(huì)影響VBL的激光光譜，因此在本實(shí)驗(yàn)裝置中，兩套TEC溫控組件的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)分別置于圖1所示的部件3和部件5上，使TEC工作時(shí)引起的形變不致影響光柵的角度和位置。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3．1 線(xiàn)寬壓窄

將VBG置于六維調(diào)整臺(tái)上，調(diào)整VBG的角度以及其與LD出光面的距離，達(dá)到較好的線(xiàn)寬壓窄效果，并在高驅(qū)動(dòng)電流下較好地抑制內(nèi)腔腔模。驅(qū)動(dòng)電流2．0 A時(shí)，LD工作溫度－6℃時(shí)，加入FAC后的光譜以及線(xiàn)寬壓窄后的光譜如圖2所示。

圖2 準(zhǔn)直后的LD以及線(xiàn)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?zhàn)饔?，使得LD的線(xiàn)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?cè)鐾改ぃ魅趿薞BG的反饋?zhàn)饔?，同時(shí)增加了外腔結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性。在實(shí)驗(yàn)中，未加入FAC時(shí)，LD的光譜通常僅在主峰的一邊或兩邊出現(xiàn)肩膀或尾巴［9］，低溫工作并未改變LD的光譜展寬機(jī)制。加入FAC后，LD的激光光譜如圖2所示，多峰現(xiàn)象較為明顯，未鍍膜的FAC增加了LD激光光譜的不穩(wěn)定性［1］。另一方面，由于FAC未進(jìn)行鍍膜，VBG線(xiàn)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(xiàn)寬壓窄前后的功率電流曲線(xiàn)如圖3所示。驅(qū)動(dòng)電流 2．0 A時(shí)，LD輸出功率1．448W，線(xiàn)寬0．13 nm。

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

3．2 可調(diào)諧實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)中，調(diào)節(jié)VBG底座的溫度，在驅(qū)動(dòng)電流2 A時(shí)通過(guò)高分辨率光纖光譜儀測(cè)得的譜線(xiàn)中心波長(zhǎng)如圖4所示。VBL的激光波長(zhǎng)可從779．28 nm調(diào)諧至780．13 nm，調(diào)諧范圍達(dá)850 pm。VBL中心波長(zhǎng)隨VBG溫度的漂移率約為7．2 pm/℃，中心波長(zhǎng)隨溫度的變化呈線(xiàn)性關(guān)系。在調(diào)諧過(guò)程中，激光器的輸出光譜線(xiàn)寬基本不變。

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

4 結(jié)論與展望

基于TEC溫度控制技術(shù)，采用VBG外腔結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了780 nm的窄線(xiàn)寬單管半導(dǎo)體激光器，輸出功率1．448 W，線(xiàn)寬0．13 nm。采用雙向控溫使VBG的溫度調(diào)節(jié)范圍大幅加大，進(jìn)而使得該窄線(xiàn)寬VBL的調(diào)諧范圍達(dá)850 pm，覆蓋了銣D2吸收線(xiàn)，可作為銣蒸氣激光線(xiàn)寬匹配技術(shù)研究的激光源。

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