田景玉， 張 俊， 彭航宇， 雷宇鑫， 王立軍

(1. 中國(guó)科學(xué)院 長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所， 吉林 長(zhǎng)春 130033；2. 中國(guó)科學(xué)院大學(xué)， 北京 100049)

1 引 言

堿金屬蒸汽激光器是以堿金屬原子飽和蒸汽作為增益介質(zhì)、利用其外層價(jià)電子能級(jí)躍遷實(shí)現(xiàn)激光作用的典型的三能級(jí)氣體激光器。利用半導(dǎo)體激光泵浦堿金屬蒸汽激光器(DPAL)兼具固體和氣體激光的優(yōu)勢(shì)，具有量子效率高、氣體介質(zhì)可循環(huán)流動(dòng)散熱、近紅外原子譜線大氣透過性好、全電操作、結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)，可克服大功率氣體激光器體積重量龐大、固體激光器熱效應(yīng)嚴(yán)重、半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量較差等問題[1-5]。近年來，DPAL受到越來越多的關(guān)注和研究，有望發(fā)展成為新一代高能激光光源，已被明確作為“兆瓦級(jí)高能激光器的首選方案”[6]。目前高功率半導(dǎo)體激光器覆蓋的波長(zhǎng)范圍為750～1 100 nm，主要針對(duì)鉀K(766.3 nm)、銣Rb(780.0 nm)和銫Cs(852.2 nm)蒸汽激光器展開研究[7]。

為了獲得好的泵浦效果，泵浦光譜與堿金屬蒸汽的吸收光譜需嚴(yán)格匹配，即中心波長(zhǎng)和譜寬均嚴(yán)格要求。根據(jù)能帶躍遷原理，堿金屬原子的吸收譜寬非常窄，為pm量級(jí)，即使在充入高壓緩沖氣體后，吸收譜寬也僅為數(shù)十GHz(0.05 nm量級(jí))；而自由運(yùn)轉(zhuǎn)的半導(dǎo)體激光器線寬較寬(通常3～5 nm)，且隨溫度變化大(～0.3 nm/℃)。因此必須壓窄半導(dǎo)體激光輸出線寬，且穩(wěn)定中心波長(zhǎng)。

反射式體布拉格光柵(RVBG)外腔反饋是目前實(shí)現(xiàn)該種光源的主要方案[8]，通常采用“快軸準(zhǔn)直鏡-慢軸準(zhǔn)直鏡-反射式體布拉格光柵(FAC-SAC-RVBG)”的結(jié)構(gòu)，即前腔面鍍?cè)鐾改さ陌雽?dǎo)體激光線陣，經(jīng)快軸準(zhǔn)直鏡(FAC)和慢軸準(zhǔn)直鏡(SAC)準(zhǔn)直后，由RVBG反饋，只有滿足RVBG光柵條件并能夠返回到原激光單元的光才能形成有效諧振。2013年，中科院電子所李志永等基于該方法實(shí)現(xiàn)了40 W功率0.14 nm線寬的780 nm激光輸出[9]。2014年，德國(guó)Dilas用15個(gè)激光單元合束實(shí)現(xiàn)了在譜寬為0.072 nm條件下獲得600 W的780 nm激光輸出，在輸出功率為1 000 W時(shí)，其輸出光譜寬度為0.083 nm[10]。2016年，德國(guó)Dilas采用7個(gè)光纖模塊實(shí)現(xiàn)了3 000 W功率0.06 nm線寬的766 nm激光輸出[11]。但該方法存在如下問題：(1)激光線陣快慢軸準(zhǔn)直后，其慢軸發(fā)散角達(dá)數(shù)十毫弧度，而RVBG的有效接收角為毫弧度量級(jí)，有效反饋率低，對(duì)此要求所選RVBG的反射率高，造成整體光光轉(zhuǎn)換效率偏低；(2)激光線陣的Smile要求高，Smile直接決定RVBG的反饋光是否能返回到激光單元，據(jù)分析，當(dāng)Smile大于0.5wf(wf為發(fā)光區(qū)快軸尺寸)時(shí)，不能形成有效反饋，激光波長(zhǎng)鎖定困難[12]。

本文提出“快軸準(zhǔn)直鏡-光束變換器-慢軸準(zhǔn)直鏡-反射式體布拉格光柵(FAC-BTS-SAC-RVBG)”的結(jié)構(gòu)，壓縮入射到RVBG的激光發(fā)散角，提高RVBG的有效反饋率，同時(shí)BTS將快慢軸方向進(jìn)行光束變換，結(jié)合外腔反饋可降低對(duì)激光線陣封裝的smile要求[13-14]。相對(duì)于常規(guī)的“FAC+SAC+RVBG”的方式，光譜鎖定效果更優(yōu)?；谠摲绞綄?shí)現(xiàn)了780 nm的窄線寬激光器，輸出功率達(dá)到47.2 W，通過對(duì)RVBG溫控，可將中心波長(zhǎng)穩(wěn)定在780.00 nm。聚焦光譜窄化激光，采用單模光纖探測(cè)，輸出光譜寬度為0.064 nm(FWHM)，溫漂系數(shù)為0.001 2 nm/℃，電流漂移系數(shù)為0.001 3 nm/A，光譜穩(wěn)定性良好，可用于堿金屬蒸汽激光器泵浦。

2 外腔反饋實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果分析

2.1 “FAC+BTS+SAC+RVBG”結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

采用的外腔反饋結(jié)構(gòu)如圖1所示，由半導(dǎo)體激光線陣(LDA)、后腔面(Rear facet)與RVBG構(gòu)成諧振腔，前腔面鍍?cè)鐾改?AR coating)的LDA輸出光束經(jīng)過快軸準(zhǔn)直鏡(FAC)、光束整形器(BTS)和慢軸準(zhǔn)直鏡(SAC)后，以發(fā)散角為毫弧度量級(jí)的光入射到具有一定反射率的反射式體布拉格光柵(RVBG)上，滿足光柵布拉格反射條件并能夠沿著原光路回到LDA原發(fā)光區(qū)的光束能形成有效起振，不滿足反饋條件的光直接輸出。利用RVBG的光譜選擇特性，外腔激光器能夠輸出光譜窄化、中心波長(zhǎng)穩(wěn)定的激光。圖1(a)ZX面視圖為L(zhǎng)DA快軸出光面，經(jīng)過FAC快軸準(zhǔn)直到毫弧度發(fā)散角后，再由BTS將每個(gè)激光單元旋轉(zhuǎn)90°，則ZX面變成激光束的慢軸面，此時(shí)采用SAC對(duì)慢軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直，降低快慢軸方向發(fā)散角至毫弧度量級(jí)；圖1(b)ZY面視圖為L(zhǎng)DA慢軸出光面，為19個(gè)激光單元在慢軸方向的排列，F(xiàn)AC不對(duì)該方向光束發(fā)散角產(chǎn)生影響，由BTS光束變換后，ZY面變成激光束的快軸面，為19個(gè)激光單元在快軸方向的排列，發(fā)散角為毫弧度量級(jí)，SAC不影響該方向的發(fā)散角。由分析可知LDA快慢軸兩個(gè)方向的準(zhǔn)直都是發(fā)生在ZX面。

圖1 基于“FAC+BTS+SAC+RVBG”結(jié)構(gòu)的外腔反饋結(jié)構(gòu)圖。(a)ZX面視圖；(b)ZY面視圖。

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

2.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及反饋模擬分析

采用Zemax分別對(duì)“FAC+BTS+SAC+RVBG”和“FAC+SAC+RVBG”兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行反饋模擬分析。根據(jù)腔內(nèi)諧振過程，不考慮FAC、BTS和SAC口徑及透過率對(duì)反饋光影響前提下，重點(diǎn)考慮RVBG口徑篩選、RVBG角度篩選、激光芯片LD口徑篩選和LD角度篩選對(duì)外腔激光諧振的影響。輸入條件如下：

(1)激光源(LD)：選用激光陣列(LDA)中的一個(gè)激光單元進(jìn)行模擬，前腔面增透(反射率為0)，快軸(X)條寬d～1 μm，慢軸(Y)條寬W～150 μm，發(fā)散角θx×θy為60°×8°；

(2)RVBG：有效口徑為1.2 mm(X)×1 mm(Y)，反饋角度為1°±0.5°[4]，假設(shè)反射率為100%，激光光軸與反射面垂直；

(3)聚焦鏡(Focus)：焦距為5 mm的高階非球面透鏡，減小像差對(duì)模擬結(jié)果的影響；

(4)FAC+BTS+SAC結(jié)構(gòu)：FAC和BTS選用LIMO公司透鏡庫，F(xiàn)AC焦距為0.365 mm，SAC選用焦距為16.7 mm的柱透鏡；

(5)FAC+SAC結(jié)構(gòu)：FAC和SAC均選用Ingeneric公司透鏡庫，分別為0.9 mm焦距的高階非球面柱透鏡和2.86 mm的柱透鏡陣列(500 μm周期)；

(6)RVBG口徑篩選(RVBG aperture filter)：僅允許1.2 mm×1 mm口徑內(nèi)的光通過，其余光被吸收；

(7)RVBG角度篩選(RVBG divergence filter)：僅允許發(fā)散角在1°±0.5°內(nèi)的光能夠反射回腔內(nèi)，通過定焦透鏡結(jié)合焦點(diǎn)處的額定光闌口徑實(shí)現(xiàn)；

(8)LD口徑篩選(LD aperture filter)：僅允許與LD出光口徑內(nèi)的光通過(1 μm×150 μm)，其余光被吸收；

(9)LD接收角度(LD acceptance angle)：僅接收角度在60°×8°內(nèi)的反饋光。

輸出條件為追跡有效反饋光，是指經(jīng)過RVBG有效口徑和可反饋角度并進(jìn)入激光單元口徑和可接收角內(nèi)的光，追跡后接收屏上的有效反饋光越多，說明經(jīng)過外腔反饋后的有效反饋率越高，有助于提高外腔反饋光譜鎖定能力。

圖2為“FAC+SAC+RVBG”結(jié)構(gòu)模型及其模擬結(jié)果。經(jīng)過快慢軸準(zhǔn)直后的光斑尺寸為0.9 mm×0.5 mm，發(fā)散角為1 mrad×52 mrad，其光斑均在RVBG的有效口徑內(nèi)，但慢軸方向的發(fā)散角過大(受激光單元周期限制，慢軸準(zhǔn)直鏡焦距小)，僅有1/3能夠被反饋，再經(jīng)過LD的口徑過濾和有效接收角度后，整體有效反饋率為21.0%。

圖3為“FAC+BTS+SAC+RVBG”結(jié)構(gòu)模型及其模擬結(jié)果。對(duì)于“FAC+BTS+SAC+RVBG”結(jié)構(gòu)，輸出光束經(jīng)過快軸準(zhǔn)直后，由BTS進(jìn)行快慢軸翻轉(zhuǎn)(X和Y方向的光場(chǎng)分布顛倒)，慢軸準(zhǔn)直鏡可以選用更大焦距。在該模型中，輸出光斑為2.3 mm×0.45 mm，發(fā)散角為9 mrad×3 mrad，因此其發(fā)散角均在RVBG接受角度范圍內(nèi)，但光斑在X方向約有1/2被截止，再經(jīng)過LD的口徑過濾和有效接收角度后，整體有效反饋率為58.7%。

圖2 “FAC+SAC+RVBG”結(jié)構(gòu)模型及模擬結(jié)果。(a)ZX面視圖；(b)ZY面視圖。

圖3 “FAC+BTS+SAC+RVBG”結(jié)構(gòu)模型及模擬結(jié)果。(a)ZX面視圖；(b)ZY面視圖。

從兩個(gè)反饋模型反饋結(jié)果來看，“FAC+BTS+SAC+RVBG”結(jié)構(gòu)具有更高的有效反饋率，是“FAC+SAC+RVBG”結(jié)構(gòu)的近3倍。因此，在相同RVBG反饋率條件下，鎖定的光譜更加穩(wěn)定；對(duì)于需要相同反饋率的結(jié)構(gòu)，RVBG所需反射率更低，外腔激光器可以實(shí)現(xiàn)更高的功率輸出。

3 光譜鎖定實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

試驗(yàn)采用條寬150 μm、周期500 μm、19個(gè)激光單元組成的780 nm半導(dǎo)體激光線陣進(jìn)行光譜鎖定實(shí)驗(yàn)，該線陣前腔面鍍?cè)鐾改?R<1%)，RVBG選用PD-LD公司產(chǎn)品，反饋中心波長(zhǎng)在779.8 nm，有效口徑為1.5 mm×12 mm，厚度為4 mm，衍射效率為15%，其余元器件與上述模型一致，分別進(jìn)行“FAC+SAC+RVBG”和“FAC+BTS+SAC+RVBG”鎖定試驗(yàn)。

圖4為單激光線陣在自由運(yùn)行、“FAC+BTS+SAC+RVBG”和“FAC+SAC+RVBG”3種情況下的輸出光譜，輸出激光經(jīng)聚焦鏡耦合，單模光纖采集分光，由Ando AQ6317B光纖光譜儀測(cè)試。其中“FAC+BTS+SAC+RVBG”和“FAC+SAC+RVBG”均對(duì)波長(zhǎng)有鎖定效果，但“FAC+SAC+RVBG”結(jié)構(gòu)中的自激射未能被完全壓制，存在一定的自激射情況，相比之下，“FAC+BTS+SAC+RVBG”結(jié)構(gòu)將自激射幾乎完全壓制，具有更好的鎖定效果。

圖4 單激光線陣在自由運(yùn)行、“FAC+BTS+SAC+RVBG”和“FAC+SAC+RVBG”結(jié)構(gòu)的光譜對(duì)比。

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

圖5為“FAC+BTS+SAC+RVBG”結(jié)構(gòu)下，輸出激光功率效率曲線。在熱沉25 ℃條件下，采用Ophir FL500A功率探測(cè)頭測(cè)得在50 A條件下，未鎖定時(shí)功率為50.5 W，鎖定后輸出為47.2 W，電-光轉(zhuǎn)換效率為50.7%，光-光轉(zhuǎn)換效率為93.4%。

根據(jù)RVBG的溫度波長(zhǎng)漂移特性，溫漂系數(shù)為0.008 nm/℃[4]，通過對(duì)RVBG進(jìn)行溫度控制，調(diào)節(jié)鎖定波長(zhǎng)至780 nm，以匹配泵浦波長(zhǎng)。在本實(shí)驗(yàn)中，RVBG采用獨(dú)立溫度控制，加熱到48 ℃，溫度波動(dòng)±0.2 ℃，激光器工作電流50 A時(shí)，25 ℃水冷溫度下的激光光譜測(cè)試結(jié)果如圖6所示，中心波長(zhǎng)為780.000 nm，光譜寬度(FWHM)為0.064 nm。

不改變RVBG的溫度，50 A電流驅(qū)動(dòng)下，調(diào)節(jié)水冷溫度，測(cè)試在15，20，25 ℃下的輸出光譜，如圖7所示。在15 ℃時(shí)峰值波長(zhǎng)為779.988 nm，在25 ℃下為780.000 nm，對(duì)應(yīng)的溫度漂移系數(shù)為0.001 2 nm/℃。

圖5 “FAC+BTS+SAC+RVBG”結(jié)構(gòu)下的輸出激光功率效率曲線

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

圖6 RVBG溫度48 ℃、激光器工作電流50 A、激光器溫度25 ℃下的激光光譜。

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

圖7 50 A驅(qū)動(dòng)電流不同水冷溫度下的輸出光譜

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

不改變RVBG的溫度，在25 ℃水冷溫度下，調(diào)節(jié)電流驅(qū)動(dòng)，測(cè)試10，20，30，40，50 A的輸出光譜，如圖8所示。在20 A時(shí)峰值波長(zhǎng)為779.969 nm，在40 A時(shí)峰值波長(zhǎng)為779.995 nm，對(duì)應(yīng)的電流漂移系數(shù)為0.001 3 nm/A。

圖8 25 ℃水冷溫度下不同電流驅(qū)動(dòng)的輸出光譜

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

4 結(jié) 論

提出了“FAC-BTS-SAC-RVBG”的外腔反饋光譜鎖定結(jié)構(gòu)，通過壓縮RVBG的入射激光發(fā)散角，提高了RVBG的有效反饋率，相對(duì)于“FAC-SAC-RVBG”結(jié)構(gòu)，有效壓制了自激射，獲得了光譜窄化的激光輸出。基于半導(dǎo)體激光線陣，采用該結(jié)構(gòu)研制出譜寬0.064 nm(FWHM)、中心波長(zhǎng)780.00 nm、功率47.2 W的窄線寬激光器。下一步工作主要是進(jìn)行功率擴(kuò)展，基于該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)功率百瓦及千瓦高功率窄線寬激光輸出，以此為核心的光源將作為Rb蒸汽激光器的泵浦光源。