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高功率半导体激光器的波长稳定技术

导读: 高功率半导体激光器系统作为发展成熟的激光光源,在材料加工和固体激光器泵浦领域具有广泛应用。

  高功率半导体激光器系统作为发展成熟的激光光源,在材料加工和固体激光器泵浦领域具有广泛应用。尽管高功率半导体具备转换效率高、功率高、可靠性强、寿命长、体积小以及成本低等诸多优点,但是光谱亮度相对较差则是一个不容忽视的缺点。半导体激光器bar条典型的光谱带宽大约是3~6nm,而且峰值波长会受工作电流和工作温度的影响而发生漂移。

  通常,掺钕固体晶体是对其相对较宽的808nm吸收带进行泵浦,标准的半导体激光器系统能很容易地满足808nm泵浦的光谱要。但是在过去几年里,随着半导体激光器bar条的工作电流和功率的不断提高,导致在从阈值电流上升到工作电流的过程中产生了更大的波长漂移。为了确保在整个工作范围内实现稳定、有效的泵浦,需要控制泵浦半导体激光器的光谱,使其光谱带宽始终与激活激光介质的吸收带宽相匹配。

  另一方面,光纤激光器的迅速发展,也增加了对其他波长的泵浦源的需求。例如,泵浦波长为1080nm左右的标准掺镱光纤激光器,就需要915nm、940nm和980nm的光纤耦合半导体激光器系统,特别是980nm泵浦区尤为重要,因为掺镱材料在该泵浦区具有较高的吸收系数和较窄的吸收带宽。

  半导体激光器系统亮度的进一步增强是通过偏振耦合和波长复用实现的。偏振耦合仅能将亮度提高一个单位系数的两倍,而波长复用技术受可用波长数量n的限制。 事实上,波长复用进行功率扩展是以牺牲光谱亮度为代价。

  标准半导体激光器光源的波长复用,以及基于非介质膜的波长耦合器,需要大约30nm的光谱宽度。通过使用具有稳定的窄带发射光谱的半导体激光源和体全息光栅作为组合单元,光谱距离可以显著缩减到3nm。结果,对于给定的光谱范围,能够被复用的半导体激光器bar条的数量增加,进而使亮度增强。

  光谱稳定的半导体激光器模块更大的优点是其对工作温度和工作电流的敏感性降低,从而使冷却系统更加简便。另外,其对于芯片材料的规格要求也降低了,提高了生产中的晶圆利用率;而且还消除了随着半导体激光器工作时间增加而引起的波长变化(“红移”)。然而,应该指出的是,所有这些优点的获得要取决于体全息光栅的锁定范围。
 

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