一直以来，由于较大的吸收截面、宽吸收线宽、以及主控晶体良好的温度特性，在工业加工中大量应用的DPSS激光器采用808nm泵浦Nd:YAG激光。欠缺的是，此系统的性能由于808nm泵浦激光与1064nm激光散射的高量子亏损，造成了热透镜效应，以及对应的不理想的空间光束质量。此外，YAG晶体的单折射性导致随机偏振输出，降低了谐波振荡过程的效率。显然，对于新一代DPSS 系统，必须利用替代材料系统和泵浦方法来增加输出功率，提升光光转换效率，并且提升新一代DPSS 系统的光束质量。

 

Nd:YVO4（掺钕钒酸钇晶体）晶体因其激发截面大、吸收系数高、激光破坏阈值高以及线性偏振输出，在新一代DPSS 系统中得到了越来越多的应用。此外，正因为降低了30%左右的量子亏损以及相对应减少的热负荷/热透镜效应，就可以通过以878nm进行Nd:YVO4固态激光器的高能态泵浦来实现更高的功率能级与效率。

 

通过使用钒酸钇晶体所实现的输出功率、光束质量与偏振输出的改进需要更高规格的半导体激光器泵浦，是由于钒酸钇晶体具有天然双折射性，高能态吸收线宽较窄，且严重依赖偏振。严格的规格要求是指高功率半导体激光泵浦源的光谱宽度和发射波长在不同工作温度和电流下的稳定性。因此只有通过波长稳定的泵浦源才能充分利用此材料系统提供的性能。此外，半导体泵浦的亮度和空间特性对DPSS系统的输出功率、光束亮度和效率有着显著影响。我们将讨论高能态泵浦的优势，以及针对光纤耦合、波长锁定二极管所需的优化。本文量化了在实施 VBG 解决方案时就成本、功率、效率和动态范围的系统层级平衡。

 

VBG解决方案的优势

 

量子阱半导体激光器的激光光谱与有源区域的光学增益光谱紧密相关。这个光学增益光谱非常依赖半导体激光器的驱动电流和温度。标准宽域半导体激光器不采用波长可选的反馈机构，导致任何以及所有模式激光发射在有源区的光谱增益带宽中得到充分的往返增益。因此，激光发射模式的总光谱宽度主要取决于光学增益的光谱宽度，而此项增益本身则与发射波长的平方成比例关系。由于半导体激光器带隙以及相应光学增益光谱随温度和工作电流而变化，非稳波长半导体激光器设备的激光光谱会以约0.3 nm/°C速率漂移。换言之，光谱宽度与中心波长会随着激光器工作条件的变化而变化，并且在特定材料系统中不能直接通过外界工程改造改变。

 

半导体激光器的波长稳定性通常是通过波长选择反馈机制实现的，该机制会将激光器锁定到一个（或几个）纵向模式。半导体激光器最常见的两种波长稳定方法是内部反馈机制和外部反馈机制，内部反馈机制是通过在激光器的有源区包含蚀刻的分布式布拉格光栅（DBR和DFB激光器），外部反馈机制则是通过体全息光栅 (VBG) 等外部光学器件实现 。通过外部VBG实现的波长锁定相比DFB或DBR锁定装置有多项优势。

 

 

图 1：性能比较表，自由运行、内部布拉格光栅稳定以及VBG 锁定半导体激光器的中心波长、光谱线宽以及峰值二极管效率变化的测量值。VBG锁定装置在中心波长变化上变化最小，光谱线宽最低，并且在电光转换效率并无损失。

 

首先，外部VBG锁定将二极管自身发热与反馈结构的波长解谐分离开来，进一步改进了锁定二极管的温度稳定性，从而可通过VBG器件的独立温度控制实现波长可调谐的激光发射。DFB或DBR激光器等包含内部光栅的设备会随温度产生0.07nm/°C 波长漂移，从而在工作功率上产生2nm的激光波长漂移。相比之下，VBG的低光学吸收率可使产品在工作范围内的波长漂移 小于0.2nm。

 

其次，因为纵向激光模式通过外部光学器件选择，此方法在波长上提供了更大的灵活性。发射线宽可以根据应用定制 - 在非常窄的线宽要求 (<0.05nm) 情况下，可以直接将 VBG做得更厚。例如，nLIGHT展示了在整个工作范围内光谱线宽 <10pm的780nm波长稳定装置。

 

第三，通过去除p-DBR，可以大大降低电插入装置的电压损伤，从而使这些设备的插接效率有所增加。外延器件可以单独为高功率和高效率进行优化，而无需影响到埋入光栅工艺所需光学模式的良好光栅耦合设计。光栅本身较低的内部损耗可以实现设计优化，相对于非锁定设计在功率和效率上并无损失。埋入光栅工艺通常采用复杂的外延生长方法，采用外部锁定则不再有此需要。与采用和透镜领域相一致的完善开发的技术，非锁定和锁定产品都可以用同一晶圆的芯片制造。

 

最后，近来在量产能力方面的提升以及竞争性的价格压力让光学器件的成本降低，从而使该解决方案的整体成本下降。光学器件的安装采用了快轴准直透镜方面开发完善且性价比高的技术。

 

此前其他机构的研究表明在采用VBG实现外部波长锁定后，半导体激光器出现了~10%到~20%的显著效率下降。为了解决此局限性，nLIGHT开发了能在宽幅温度范围内维持良好锁定性能的锁定技术，且对激光器功率与效率几乎没有改变。此技术已被应用到多种工作在800nm到1900nm波段的高功率高效率半导体激光器上。nLIGHT已经将这些技术加入到88xnm光纤耦合PearlTM模块中，可以支持极窄光谱线宽的设备以及高于55%的光纤耦合电光转换效率，如下方图2所示。这些结果展示了nLIGHT独有的外腔激光器制造能力，可以实现极低光学损耗、波长稳定性和极窄光谱线宽并支持钒酸钇晶体 DPSS 激光器高能态泵浦关键参数。

 

 

图 2：（左）耦合到400μm、0.22NA 光纤的Pearl 模块（波长稳定，10 个芯片串联）的功率、电压、效率与电流的曲线图。工作功率与效率分别为50W 和 >55%。（右）模块在工作电流的光谱特征。光谱线宽 < 0.4nm，漂移在整个工作范围内 < 0.2nm。

 

低成本光纤耦合激光器模块的到来显著提升了SSL泵浦架构。多模光纤决定了泵浦光的空间特征，提供了与SSL信号具有良好空间叠加的圆形输出光束。其次，泵浦可以与SSL晶体分别封装，从而简化了对系统冷却的要求。nLIGHT同时探索了泵浦光的消偏振与光纤数值孔径输出均质化的方法。此技术大大消除了激光的偏振现象，同时提升了光纤耦合泵浦模块的稳定性和可维护性。最后，通过近场和远场光束的均质化，泵浦模块特征与SSL 基础模式特征更加吻合，从而提升了光光转换效率与可实现的衍射极限输出功率。

 

有一些客户使用波长稳定光纤匀化泵浦源以878.6nm波长泵浦Nd:YVO4固体激光器。在进行808nm与878nm半导体泵浦的对比性研究时发现，a轴与c轴偏振光吸收曲线的差异对激光器性能有着显著影响。

 

在878.6nm进行泵浦时，这些客户经常发现原先在808nm泵浦的装置在最大输出功率上有了巨大提升。然而，a轴和c轴吸收情况的差异对泵浦波长和光谱宽度以及两者的平衡提出了更高要求，许多客户发现泵浦Nd:YVO4的最佳波长是878.6nm，同时光谱宽度和中心激光波长的容差极小。通过在878.6nm泵浦，a轴和c轴的吸收情况得到了平衡，从而在极小热透镜效应的情况下实现了高输出功率。光谱线宽必须足够窄（约0.5 nm，FWHM）以便使a轴和c轴吸收值在泵浦的光谱宽度内不会大量变化。

 

 

 

图 3：Nd:YVO4 的a 偏振光与 c 偏振光的吸收曲线。在 878nm 波段泵浦时，a 轴与 c 轴偏振光的吸收差异可能会对激光器性能有着巨大影响。

 

在将泵浦解谐到878.1nm时，低a轴光吸收情况会导致性能不良。较大的光谱宽度（约 1nm）由于a轴吸收的迅速减少会大大削减性能，导致以短波长泵浦的近衍射极限光束质量下降。通过将泵浦调谐到879.1nm以上的波长，强c轴吸收搭配弱a轴吸收会导致低光光转换效率以及很强的热透镜效应。光谱线宽的进一步增加会导致DPSS性能降低。

 

通过维持窄光谱线宽、优质的中心波长稳定性、激光输出的偏振消除以及良好的光学匀质性，我们可以同时在a轴和c轴优化吸收，同时减轻热透镜效应，从而在输出功率和斜率效率上相比808nm泵浦有了显著提升。凭借VBG稳定泵浦模块的设计与多年的生产经验，nLIGHT开发出了具有严格中心波长和光谱线宽性能设备的制造能力，见图4。

 

 

 

图 4：柱状图显示了 878.6 nm 半导体激光器的中心波长（左）和光谱宽度（右）。泵浦二极管集中输出波长和收窄光谱宽度的能力可大大提升 Nd:YVO4 激光设备的输出功率和光束质量。

 

878.6nm泵浦的Nd:YVO4激光器在更高功率和线性偏振输出性能的提升直接带来了固体激光器谐波振荡的改善。根据多个客户反馈，在878.6nm 泵浦设备可以得到的提升在808nm泵浦设备的TEM00输出功率上带来了>60%的提升效果，直接对应的是通过一次和二次谐波振荡可实现输出功率级别的显著提升。nLIGHT生产的878.6nm波长稳定的泵浦具有最高的效率、最严格的中心波长稳定性、窄光谱线宽，属于Nd:YVO4的最佳泵浦，可以提升DPSSL输出功率和稳定性以及DPSSL性能在生产线上的重现性。