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        溫控體布拉格光柵外腔單管半導(dǎo)體激光器

        2013-03-20 08:50:00李志永王立新譚榮清
        激光與紅外 2013年5期
        關(guān)鍵詞:線寬激光器光柵

        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)行線寬壓窄。相對(duì)于平面光柵線寬壓窄技術(shù),體布拉格光柵用于線寬壓窄時(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寬激光輸出。另一方面,進(jìn)行堿金屬蒸氣激光器的線寬匹配研究,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后的光譜以及線寬壓窄后的光譜如圖2所示。

        圖2 準(zhǔn)直后的LD以及線寬壓窄后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)饔茫沟肔D的線寬壓窄至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?,削弱了VBG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,線寬壓窄前后的功率電流曲線如圖3所示。驅(qū)動(dòng)電流 2.0 A時(shí),LD輸出功率1.448W,線寬0.13 nm。

        圖3 線寬壓窄前后的功率電流曲線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)隨溫度的變化呈線性關(guān)系。在調(diào)諧過(guò)程中,激光器的輸出光譜線寬基本不變。

        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的窄線寬單管半導(dǎo)體激光器,輸出功率1.448 W,線寬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)而使得該窄線寬VBL的調(diào)諧范圍達(dá)850 pm,覆蓋了銣D2吸收線,可作為銣蒸氣激光線寬匹配技術(shù)研究的激光源。

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