雙體光柵外腔二極管激光器光譜特性研究

王軍陣, 朱 忠, 于新峰, 周 軍

(1.中國衛(wèi)星海上測控部，江陰 214431；2.南京先進激光技術研究院，南京 210038)

雙體光柵外腔二極管激光器光譜特性研究

王軍陣1, 朱 忠1, 于新峰1, 周 軍2

(1.中國衛(wèi)星海上測控部，江陰 214431；2.南京先進激光技術研究院，南京 210038)

為了研究雙體布喇格光柵外腔二極管激光器的衍射特性，采用一塊體布喇格光柵與一塊橫向啁啾體布喇格光柵組成雙體布喇格光柵，理論分析了組合前后體布喇格光柵的衍射特性，實驗研究了雙體布喇格光柵外腔二極管激光器的輸出光譜特性。結(jié)果表明，在雙體布喇格光柵外腔反饋的作用下，可以實現(xiàn)雙波長同時輸出，通過橫向移動橫向啁啾體布喇格光柵，可以在保持其中一個中心波長不變的情況下，使另外的一個波長在800nm～815nm的范圍內(nèi)線性調(diào)諧。此研究為基于雙體布喇格光柵實現(xiàn)雙波長輸出的大功率二極管激光器提供了實驗指導。

激光器；橫向啁啾體布喇格光柵；雙波長；波長調(diào)諧；外腔

引 言

多波長激光在激光光譜學、激光遙感遙測、光電對抗、激光顯示、非線性光學頻率變換以及激光醫(yī)學等領域具有廣泛的應用，實現(xiàn)雙波長激光輸出在光纖激光器、固體激光器和二極管激光器領域均有報道[1-5]。二極管激光器不僅具有較寬的波長范圍和較高的轉(zhuǎn)換效率，它在體積和重量方面也具有較為出色的表現(xiàn)，并且它的制作成本也相對較低。近年來，基于體布喇格光柵(volume Bragg grating,VBG)的外腔二極管激光器受到關注，它具有輸出波長穩(wěn)定、光譜線窄、結(jié)構(gòu)簡單等一系列優(yōu)點，這主要受益于一種新型的體布喇格光柵[6-8]，這種光柵使用了一種吸收系數(shù)非常小的光致熱敏材料，這種材料在大功率激光照射情況下仍具有很好的熱穩(wěn)定性和較高的可靠性，這種特性使它在高功率激光系統(tǒng)中被廣泛應用。另外，相移體布喇格光柵、多重體布喇格光柵、縱向啁啾體布喇格光柵和橫向啁啾體布喇格光柵(transversely chirped volume Bragg grating,TCVBG)等新型體布喇格光柵的特性正在逐步被拓展應用到新的領域[9-12]。其中，橫向啁啾體布喇格光柵的中心衍射波長可以根據(jù)橫向位置的變化實現(xiàn)線性的連續(xù)的調(diào)節(jié)，它不僅具有體布喇格光柵的優(yōu)點，如可以根據(jù)特定的需求設計衍射波長和衍射效率等，它還可以實現(xiàn)不同啁啾波長范圍的定制，并且僅僅通過調(diào)節(jié)光束在橫向啁啾體布喇格光柵上的照射位置，就能夠非常容易地獲取所需波長的衍射，這些優(yōu)良的特性使其在波長線性且連續(xù)可調(diào)的應用領域具有非常好的前景[13-16]。

為了研究雙體布喇格光柵外腔二極管激光器對輸出光譜的影響，作者提出使用橫向啁啾體布喇格光柵對其進行了實驗驗證，首先分析了體布喇格光柵及橫向啁啾體布喇格光柵的衍射特性；然后，使用基于光致熱敏材料的反射型體布喇格光柵和橫向啁啾體布喇格光柵共同外腔二極管激光器實現(xiàn)雙波長的輸出，通過橫向移動其中的一塊橫向啁啾體布喇格光柵，實驗研究橫向啁啾體布喇格光柵在不同橫向位置時，雙體布喇格光柵外腔二極管激光器的輸出光譜特性和功率穩(wěn)定情況。

1 光柵衍射特性分析

圖1中給出了體布喇格光柵與橫向啁啾體布喇格光柵的結(jié)構(gòu)示意圖及其對不同波長入射光的衍射特性，兩種光柵的折射率分布均可表示為[17]:

Fig.1 Diffraction scheme of gratings

體布喇格光柵的衍射效率可以通過KOGELNIK的理論[17]求解，當一束光以滿足布喇格條件入射時，它的衍射效率可表示為[18]:

式中，t是體布喇格光柵的厚度，f是體布喇格光柵的空間頻率，f=1/Λ，Δλ為入射光的波長與體布喇格光柵中心波長λ0的偏差。

當Δλ=0時，可得衍射效率的最大值[18]:

由于橫向啁啾體布喇格光柵的折射率調(diào)制周期和它的橫向位置有關，具有一定光斑大小和功率分布的光束照射到光柵表面，橫向啁啾體布喇格光柵對它的衍射效率應該是不同位置的衍射效率的積分[19]，它的衍射效率可表示為:

式中，A(x,y)和B(x,y)分別是在z=0平面上的入射光場分布和衍射光場分布。

對于體布喇格光柵與橫向啁啾體布喇格光柵組成的雙光柵而言，由于兩塊光柵的吸收系數(shù)非常小，可以忽略不計，且橫向啁啾體布喇格光柵與體布喇格光柵的距離及二者的參量很難滿足相移光柵的條件，因此，兩塊體布喇格光柵組成雙體光柵后的衍射效率可表示為:

η(λ)=ηVBG,1(λ)+

式中，ηVBG,1(λ)是體布喇格光柵的衍射效率，ηVBG,2(λ)是橫向啁啾體布喇格光柵的衍射效率。

使用波長為808nm的光束為例分析體布喇格光柵的光譜衍射特性，當光柵厚度為0.6mm、折射率調(diào)制幅值為229×10-6、調(diào)制周期為220nm時，體布喇格光柵的光譜衍射特性曲線如圖2所示。其峰值衍射效率約為17%，光譜選擇寬度為0.30nm。

Fig.2 Diffraction curves of volume Bragg grating with central wavelength of 808nm

使用波長啁啾系數(shù)為1.5nm/mm、啁啾波長位于799nm～817nm之間的橫向啁啾體布喇格光柵為研究對象分析橫向啁啾體布喇格光柵的衍射特性，當柵厚度為0.69mm、背景折射率為1.4891、折射率調(diào)制系數(shù)為165×10-6時，圖3中給出了它的橫向位置與中心波長的關系，圖4中給出了它在799nm～817nm之間的幾個衍射曲線。由理論計算可知，線性啁啾范圍內(nèi)的幾條衍射曲線特性幾乎沒有差別。

Fig.3 Relationship between lateral position and central wavelength of transverse volume Bragg grating

Fig.4 Relationship between diffraction efficiency and central wavelength of transverse chirp Bragg grating

假設體布喇格光柵和橫向啁啾體布喇格光柵組成雙光柵，通過橫向移動橫向啁啾體布喇格光柵，計算雙光柵在體布喇格光柵一側(cè)的衍射特性，其中，體布喇格光柵和橫向啁啾體布喇格光柵的峰值衍射效率均為17%，光譜選擇寬度均為0.3nm。當體布喇格光柵和橫向啁啾體布喇格光柵組成雙光柵后，通過橫向移動橫向啁啾體布喇格光柵，由(5)式所計算出的在體布喇格光柵一側(cè)的衍射效率如圖5所示。在圖5中，當兩塊光柵的衍射曲線的主瓣沒有重疊時，由(5)式可知，橫向啁啾體布喇格光柵的衍射特性基本沒有受體布喇格光柵的影響，它們的峰值衍射效率和光譜選擇寬度沒有變化，如圖5a和圖5d所示；當兩個光柵的主瓣存在重疊，且中心波長的差值大于它們的光譜寬度0.3nm時，衍射曲線是一個具有雙峰的光譜，如圖5b所示，它的光譜寬度大于0.3nm，隨著兩個中心波長的差值向0.3nm靠近，光譜寬度逐步減小，并且雙峰也會慢慢靠近并消失變?yōu)橐粋€峰值；當兩個光柵的中心波長差值小于它們的光譜寬度0.3nm時，衍射曲線變成了具有一個峰值的光譜，如圖5c所示，在光譜寬度減小的同時，單峰的衍射效率隨著中心波長差值的減小而升高，當它們的中心波長一樣時，峰值衍射效率達到了29%。

Fig.5 Relationship between diffraction efficiency and wavelength difference of dual volume Bragg gratings

2 實驗結(jié)構(gòu)及方法

由體布喇格光柵和橫向啁啾體布喇格光柵組成的雙體布喇格光柵外腔二極管激光器結(jié)構(gòu)包括：一塊由半導體致冷器(thermo electric cooler,TEC)進行致冷控溫的條寬為200μm且鍍有增透膜的二極管激光器(前腔面透過率大于95%)、直徑為120μm的圓柱形快軸準直透鏡(可將90%的能量集中于8mrad以內(nèi))、一塊尺寸為0.6mm×1.5mm×12mm的反射式體布喇格光柵(峰值衍射效率約為15%，光譜選擇寬度約為0.3nm)和一塊尺寸為1.6mm×1.5mm×12mm的橫向啁啾體布喇格光柵(啁啾系數(shù)為1.5nm/mm，起始啁啾波長為799nm，終止啁啾波長為817nm，峰值衍射效率約為17%，光譜選擇寬度約為0.3nm)，如圖6所示。其中，二極管激光器的封裝模式為C-Mount封裝。兩塊體布喇格光柵緊貼后體布喇格光柵一側(cè)緊靠二極管激光器，并垂直于輸出激光放置。使用兩塊體布喇格光柵同時反饋時，可同時輸出雙波長。當橫向移動啁啾體布喇格光柵時，可以實現(xiàn)其中一路波長的連續(xù)調(diào)諧。

Fig.6 Structure diagram of experimental setup

3 實驗結(jié)果及分析

圖7中給出了二極管激光器的溫度控制在25℃、驅(qū)動電流為3A時，雙體布喇格光柵外腔二極管激光器在不同情況下的光譜曲線。實驗中采用的光譜儀型號為Avaspec-3648,其分辨率優(yōu)于0.10nm。當移動橫向啁啾體布喇格光柵，使之光譜選擇的中心波長從800nm～815nm變化時，輸出波長中的一個波長保持808.6nm附近，另一個中心波長隨之從800nm～815nm變化。當橫向啁啾體布喇格光柵的光譜選擇中心波長為800.4nm時，輸出激光的光譜包含800.4nm和808.6nm兩個光譜，如圖7a所示，其中800.4nm的譜寬約為0.29nm，中心波長為808.6nm的譜寬約為0.28nm；移動橫向啁啾體布喇格光柵的中心波長，使之接近體布喇格光柵的中心波長時，輸出波長呈雙峰輸出，如圖7b所示，此時，由橫向啁啾體布喇格光柵穩(wěn)定的中心波長為807.7nm，由體布喇格光柵穩(wěn)定的中心波長為808.6nm，由于兩個光譜存在重疊部分，輸出譜寬較寬；繼續(xù)移動橫向啁啾體布喇格光柵，使之中心波長與體布喇格光柵的中心波長完全重合時，雙波長輸出變?yōu)閱尾ㄩL輸出，在中心波長為808.6nm處的輸出譜寬約為0.20nm，如圖7c所示，這主要是由于二者的布喇格波長一致時，增強了808.6nm的反饋強度；橫向啁啾體布喇格光柵的中心波長向長波長方向繼續(xù)移動到814.5nm時，中心波長為814.5nm的譜寬約為0.3nm，而由體布喇格光柵穩(wěn)定的中心波長為808.6nm，其譜寬保持在0.3nm，如圖7d所示。從圖中可以看出，雙體布喇格光柵二極管激光器中，在保持體布喇格光柵不動的情況下，橫向啁啾體布喇格光柵仍可以實現(xiàn)第2個中心波長的連續(xù)調(diào)諧，且在橫向啁啾體布喇格光柵的調(diào)諧過程中，并未對體布喇格光柵的中心波長和譜寬造成較大影響。

Fig.7 Relationship between intensity and wavelength difference of external cavity diode laser based on double volume Bragg gratings

值得說明的是，由于橫向啁啾體布喇格光柵的厚度(1.6mm)比體布喇格光柵的厚度(0.6mm)大，若將其放置在二極管激光器和體布喇格光柵之間時，加大了體布喇格光柵外腔的腔長，此時，不太容易實現(xiàn)體布喇格光柵對中心波長為808.6nm的光譜鎖定，需要多次調(diào)整兩塊光柵的角度，才能實現(xiàn)穩(wěn)定的雙波長輸出。另外，當驅(qū)動電流為3A時，雙體布喇格光柵外腔二極管激光器的輸出功率基本維持在1.9W以上，外腔效率約為75%以上，從圖7可以看出，二者的功率比基本控制一個較好的范圍內(nèi)，最差為中心波長分別為800.4nm和808.6nm時，功率比P(800.4nm)/P(808.6nm)≈0.945，但是在實驗中，降低驅(qū)動電流至2.5A，在移動橫向啁啾體布喇格光柵的過程中，功率比會出現(xiàn)相差很大的情況，繼續(xù)降低驅(qū)動電流，會出現(xiàn)雙波長不易被鎖定的情況。

4 結(jié) 論

利用一塊常規(guī)體布喇格光柵與一塊橫向啁啾體布喇格光柵共同作為反饋元件，研究了雙體布喇格光柵外腔二極管激光器的光譜特性，當移動橫向啁啾體布喇格光柵時，其中一個波長保持不變，而另一個波長可實現(xiàn)800nm～815nm線性可調(diào)。在需要同時輸出兩個波長時，可以采用兩塊橫向啁啾體布喇格光柵作為外腔來實現(xiàn)。

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StudyonspectralcharacteristicsofexternalcavitydiodelasersbasedondualvolumeBragggratings

WANGJunzhen1,ZHUZhong1,YUXinfeng1,ZHOUJun2

(1.China Satellite Maritime Tracking and Control Department, Jiangyin 214431, China;2.Nanjing Institute of Advanced Laser Technology, Nanjing 210038, China)

In order to study diffraction characteristics of an external cavity diode laser based on dual volume Bragg gratings, a Bragg grating and a transversely chirped Bragg grating were used to compose the dual volume Bragg gratings. The diffraction characteristics of the volume Bragg gratings before and after the combination were analyzed theoretically. The output spectral characteristics of the external cavity diode laser based on dual volume Bragg gratings were studied. The experimental results show that, under the action of the external cavity feedback of the dual volume Bragg gratings, the dual wavelengths can be output simultaneously. By moving the transversely chirped Bragg grating in the lateral direction, it is possible to keep the other one wavelength tuning linearly in the range of 800nm～815nm. This study provides experimental guidance for high-power diode lasers based on dual volume Bragg gratings for dual wavelength output.

lasers; transverse chirped Bragg grating; dual wavelength; tunable wavelength; external cavity

1001-3806(2018)01-0108-05

王軍陣(1984-)，男，助理工程師,主要研究方向為二極管激光器及微波光子技術等領域。

E-mail:qwjzh@126.com

2017-02-24；

2017-03-13

TN248.4

A

10.7510/jgjs.issn.1001-3806.2018.01.021