反射式体光栅压窄线宽锁波长785nm激光器的使用

王艳丽

摘 要 本文通过体光栅作为外腔反馈，实现线宽<0.1nm，波长785+/-0.5nm稳定输出的窄线宽半导体激光器。将LD光束经过FAC和SAC整形之后，采用反射式体光栅形成外谐振腔作为反馈，通过调节入射角度，就可以获得785+/-0.5nm窄线宽波长稳定输出，该激光器具有较高的功率稳定性（RMS<0.40%），长时间的波长稳定性及较高的信噪比>40dB。在经过聚焦透镜，耦合到光纤里面，实现光纤耦合输出。这款小型化激光器提供内置TEC，可保证在-20℃-50℃环境温度下正常工作，且该激光器蝶形封装可提供三种结构选择：自由空间、光纤耦合及模组。更为突出的优点是，激光器可靠性很高，寿命达20 000h以上。

关键词 LD；反射式体光栅RBG；压窄线宽；锁波长

中图分类号 O47 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2018）209-0093-03

一般来说，半导体激光器（Laser Diode 简称LD）由于光谱宽，波长随电流和温度都比较敏感，改善半导体激光器的光束特性通常使用光子注入锁定和外腔反馈技术两种。外腔反馈常用通常采用标准具、光纤光栅、闪耀光栅等光学元件进行选模。当采用标准具作为选模元件时，单个标准具存在周期性的通带，往往由于二极管激光器的增益谱线很宽，再加上标准具的厚度不能做到很薄，（例如厚度为0.27nm的标准具的FSR大概在0.8nm左右，厚度为0.27mm的标准具制作上工艺上也很有难度），所以一般情况下会选定很多分立的发射波长，一般需要两个或多个标准具由不同自由光谱区不互相重叠实现窄线宽的输出，这样工艺较为复杂，且锁波效果不理想；采用薄膜滤光片也可以实现单个通带输出，但由于镀膜工艺的限制压窄线宽输出往往不理想，通带的半高宽较大而不能满足实际需求；利用闪耀光栅的1级衍射来实现窄线宽的输出，闪耀光栅的缺点就是效率比较低，且大功率下光栅容易发生变形而导致效率降低。

另外就是直接DFB半导体激光器和DBR半导体激光器，尽管这两种激光器可以做到比较窄的线宽，因为光栅直接在半导体激光器的腔体内，生长工艺复杂，且功率相对低，目前的成本总体很高。本文采用光纤和柱透镜作为准直光斑光学元件，利用反射式体光栅作为外腔反馈的共同作用来压窄线宽，工艺简单，损耗低，成本相对较低，并容易实现长期稳定的窄线宽的激光输出。

1 腔外结构及工作原理

体光栅分为反射式体光栅，透射式光栅和啁啾式光栅。而反射式体光栅是比较常用的压一种窄线宽的光学元件。在1998年，Glebov等人设计制作了一种光热折变（photo-thermo-refractive，PTR）无极玻璃[1-4]，这种玻璃在紫外波段具有较好的光敏特性，并且在近红外和可见波段具有较高的透射率，由PTR制作的体光栅衍射效率几乎不受温度的影响。PTR玻璃的主要特性：PTR玻璃经过紫外激光的光刻，热处理后由于析出纳米NaF晶相能够产生永久折射率调制，所以PTR十分适合制作体光栅。

体光栅是一种折射率呈周期Λ变化的双折射晶体，其折射率可表示为：n（z）=n0+n1f（z）式中，f（z）是周期Λ的函数，n0为VBG的平均折射率，n1为折射调制振幅。体光栅的反射波长有布拉格条件决定：

Λn0cosθ=mλ

其中，m为衍射级次，θ为折射角。当具有一定带宽的光束以一定的角度进入体光栅时，其中只有一个特定波长λ会被反射。

2 器件的制作

图1是压窄线宽锁波长激光器的结构示意图。

实验中我们使用的LD是采用了美国Axcel 公司的Q-Mount封装1.5W的785nm波长输出的二极管激光器简称LD，芯片发光1um*100um，芯片长度2mm，为了能够更好使用体光栅锁波，需对LD出来光整形，首先LD出光经过FAC（fast axis collimator）和SAC（slow axis collimator）系统得到的我们所需要的光斑，反射式光栅简称RBG是从美国Optigrating公司购买的。

在蝶形封装（14PIN脚）内，放置内置TEC：TEC上面放置陶瓷板及LD对应的陶瓷板，TEC和蝶形封装，TEC和陶瓷板，陶瓷板和LD陶瓷板及LD和陶瓷板，都是经过过焊接的工艺来实现的。然后图1这套设计系统，放置在陶瓷板上，进行后续的各个工艺制作。

图中LD，快轴和慢轴的发散角是不同的，快轴方向的发散角約为38°，慢轴发散角约为10°。光斑经过一个光学系统即使用FAC作为快轴准直，然后使用SAC进行慢轴准直后得到近似准直的光斑，然后调试光栅RBG进而实现锁波。

LD焊接好后，通过特殊的工艺把FAC安装在LD上，FAC作用是快轴准直FAC（ Fast axis collimator）， FAC可以镀膜也可以不镀膜，然后就是调节SAC，SAC的作用是把LD的慢轴压缩到光斑最小，再进行关键的一步，开始调试光栅，LD芯片的前后的高反射膜面及反射式光栅部分反馈形成的一个稳定的复合腔，达到锁定波长压窄线宽的作用。调试光栅需要五维调节，从半高宽为2nm的调试到半高宽小于0.1nm，边模抑制比大于40dB。波长锁定后，如果需要自由空间输出，直接就可以满足要求。如果需要光纤耦合输出，就需要Lens，把光会聚，然后经过特殊的工艺，耦合的多模光纤里面，最后进行密封封盖，老化及最终的参数测试。当然，如果想把电源省去，我们也可以加匹配的电路板，直接使用。

3 器件的参数与性能

图2是LD经过光学系统后未加体光栅RGB及加体光栅RGB得到的激光光谱特性对比，激光器光谱测量采用ANDO AQ6317光谱分析仪，精度0.01nm。

从图2可以看出，未锁波和使用RGB锁波，差异较大。正常未锁波的情况下，LD的光谱特性，随温度变化平均0.25nm/℃，随电流变化4.5nm/A。通过RBG锁定波长后，光谱特性随温度变化平均0.007nm/℃，图3是不同温度下波长。激光器的光谱线是一个非常窄的激光光谱特性，线宽小于0.1nm（FHWM），满足在拉曼光谱仪上使用。

如圖3所示，该器件在工作温度下，2.5小时的波长稳定性如下：2.5小时波长的最大变化量仅有0.016nm，长时间下，输出波长非常稳定，这一特性，非常适合拉曼光谱仪上的食品安全检测等。图4模拟环境温度在-20℃到50℃，波长的变化如下：从下面的数据来看，随环境-20-到50℃的变化，对于同一产品，波长变化最大值0.056nm，测试5个产品，在-20℃到50℃这70℃的温度带宽中，70℃的温度变化仅引起波长的平均变化0.03nm，这说明波长随环境温度变化较小，锁波性能很稳定。这对于环境的要求特别低，基本可以覆盖应用的各种环境。

图5是激光经过RGB锁波且耦合到光纤里面的输出，典型的P-I曲线。

4 结论

本文介绍了使用体光栅作为外腔反馈来实现激光器的线宽压窄。半导体激光器即LD经过FAC、SAC来进行光斑整形，使用反射式光栅作为外腔反馈的锁波元件，获得了一种<0.1nm线宽波长在785+/-0.5nm窄线宽锁波长激光器。该激光器具有较高的功率稳定性（RMS<0.40%），长时间的波长稳定性及较高的信噪比>40dB。并从实验上证明了该激光器在很宽的温度范围内可以实现波长的锁定。这款激光器都有内置TEC，可保证在-20℃-50℃环境温度下正常工作，这一性能对环境温度要求较低，基本可以使用各种环境。为了适应不同客户需求，我们还研制开发不同的封装结构。该激光器蝶形封装可提供3种结构选择：自由空间、光纤耦合及模组。更为突出的优点：激光器可靠性很高，特别是寿命达20 000h以上。

参考文献

[1]L.B.Glebov， A. Sugama， V. Smirnov， S. Aoki，V. Rotar， M. Lee， and L. Glebov. IEEE Photonics Technology Lett. 19 （2007） 701-703.

[2]L.B. Glebov Volume Bragg Gratings in PTR glass –New Optical B.Elements for Laser Design

[3]L.B. Glebov. Photosensitive glass for phase hologram recording. Glass Science and Technology， 71C （1998） 85-90.

[4]L.B. Glebov. Volume hologram recording in inorganic glasses. Glass Science and Technology 75 C1 （2002） 73-90.