体布拉格光栅外腔实现激光二极管阵列同相模输出

强激光与粒子束第２１卷
距厂＝９１ｐｍ，数值孔径ＮＡ２０．８的微透镜，表面镀上对波长８０８ｎｍ透过率为９９％的增透膜；变换透镜是焦距为３８ｍｍ的柱面透镜。

ＶＢＧ是ＰＤ－ＬＤ公司制造的对波长８０７．８１３．ｍ反射率为１５％的反射式ＶＢＧ，其厚度为０．６２Ｆｉｌｍ。

其入射光偏离布拉格角大小和衍射效率之问的函数关系模拟如图２所示。

测量仪器包括频谱仪、功率计。

ＤＩ．Ａ的阈值电流是２０Ａ，温度是１２℃。

Ｆｉｇ．ＩＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｅｔｕｐｏｆＶＢＧｅｘｔｅｒｎａｌｃａｖｉｔｙｐｈａｓｅｌｏｃｋｉｎｇ
图１ＶＢＧ外腔锁相实验装置图
Ｆｉｇ．ＺＤｅｐｅｎｄｅｎｃｅｏｆｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ
ｄｅｖｉａｔｉｏｎｆｒｏｍＢｒａｇｇａｎｇｌｅ
图２衍射效率和偏离布拉格角大小之间的关系
２实验方法及结果分析
初步实验中，ＤＩ，Ａ的出射光束首先沿快轴方向进行准直，快轴准直后的光束在慢轴方向上经变换透镜进行收敛变换后入射至反射式体布拉格光栅外腔上，其中阵列和ＶＢＧ外腔分别置于变换透镜一倍焦距的焦平面上。

ＤＬＡ出射的光束经快轴准直透镜和变换透镜变换后到达ＶＢＧ，其中大部分的光束将透过ＶＢＧ，而波长范围在（８０７．６＿－－４－０．２）ｎｍ内的光束有１５％被ＶＢＧ直接反馈回自身单元，这样便构成一个具有波长选择性质的外腔。

反馈回去的部分光将在阵列的后端面和ＶＢＧ之间形成稳定的振荡实现波长的锁定，称为自身单元反馈。

其中ＶＢＧ的角度选择性很窄，在很大程度上减少了由ＶＢＧ反馈回来的单频未准直光束的数量，模拟结果如图２所示，说明ＶＢＧ对于激光二极管起到了稳定波长以及压窄光谱的作用。

二极管激光阵列的波长通过体布拉格光栅锁定后，所有单元以相同波长输出，如图３所示，其峰值半宽由１．７ｒｉｍ压窄到０．２ｒｉｍ。

而慢轴方向上的功率为一系列峰值分布，每个峰对应于宽发光区激光二极管的一个发光单元，各单元是非相干的。

Ｆｉｇ．３ＯｕｔｐｕｔｓｐｅｃｔｒｕｍａｎｄｆａｒｆｉｅｌｄｉｎｔｅｎｓｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆＶＢＧ－ｌｏｃｋｅｄＤＬＡ
图３ＶＢＧ锁定后输出光谱和远场光强分布
我们在慢轴方向上使ＶＢＧ偏转一个非常小的角度。

使入射的光束以一个小的角度（约１．５。

）入射到ＶＢＧ上，同时保持ＶＢＧ在快轴的方向。

每个发光单元发出的光经过ＶＢＧ选择后反馈回到相邻单元．以相同的模式相互耦合，而其它模式的光则被滤掉，从而获得了中心波长在８０１．９ｎｍ的同相单瓣模的输出，即二极管众多横模中的一个模式满足了ＶＢＧ对角度空间和波矢空间的选择性，如图４所示。

实验中我们采用美国相干公司的ｂｅａｍｃｏｄｅ光束质量诊断仪测量了ＶＢＧ外腔锁定时远场光斑形状及能量分布情况，所采用的聚焦透镜是焦距为６５ｍｍ的平凸透镜，由图５可以观测到单瓣模输出远场图样，对应的远场发散角为１．４７ｍｒａｄ，旁瓣约为５ｍｒａｄ，与期望值基本相同。

光谱的峰值半宽为０．１７ｎｍ，对应同相单瓣模的输出功率为３．６７Ｗ。

线宽
采用ＡｖａＳｐｅｃ一２０４８型光纤光谱仪进行测量，功率计为北京光电技术研究所的Ｍ９２型功率计。

第１２期张雪等：体布拉格光栅外腔实现激光二极管阵列同相模输出１７６９
Ｆｉｇ．４Ｏｕｔｐｕｔｓｐｅｃｔｒｕｍａｎｄｆａｒｆｉｅｌｄ
ｉｎｔｅｎｓｉｔｙｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎｏｆｆｒｅｅｒｕｎｎｉｎｇａｎｄｓｌｏｐｅＶＢＧｐｈａｓ｝ｌｏｃｋｅｄＤＬＡ图４自由运转下和ＶＢＧ倾斜４、角度锁定后输出光谱和远场光强分布
经测量阵列的远场发散角比衍射极限略大（理论值大概为１．０ｍｒａｄ），表明并不是所有的发光单元都完全锁定。

在自由运转为１５ｗ的情况下，对应同相单瓣模的输出功率为３．６７Ｗ，如图６所示，说明其中的几个发光单元并没有被锁定，这和ＤＬＡ封装引起的ｓｍｉｌｅ效应，以及ＤＬＡ的热梯度有关，这些影响消减了相邻模式的耦合强度，限制了阵列的输出功率。

与文献［１０］相比，本文的优势在于获得了单瓣模的远场输出。

Ｆｉｇ．５ＳｐｏｔｓｈａｐｅｏｆｓｌｏｐｅｄＶＢＧｐｈａｓｅ－ｌｏｃｋｅｄＤＩ。

Ａ图５倾斜放置ＶＢＧ锁定后远场光斑形状Ｆｉｇ．６ＯｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒｏｆｓｌｏｐｅＶＢＧｌｏｃｋｅｄａｎｄｆｒｅｅｒｕｎｎｉｎｇＤＬＡ
图６ＤＬＡ自由运转和倾斜放置ＶＢＧ锁定后的功率对比
３结论
体布拉格光栅具有良好的波长选择性和角度选择性，对特定波长的一束光仅在某个特定角度上发生衍射。

采用体布拉格光栅（ＶＢＧ）作为二极管激光阵列外腔，利用其角度和波长选择性，通过使每个单元发出的光选择性反馈回相邻单元从而实现了二极管阵列外腔锁相。

在远场获得了高光束质量、窄带宽的稳定输出，其单瓣模输出功率为３．６７Ｗ，锁相后的光束远场发散角为１．４７ｍｒａｄ。

下一步工作将优化选择体布拉格光栅参数，降低ＶＢＧ的选择带宽，进一步提高同相模的锁相效率。

综上，采用ＶＢＧ外腔锁相技术可明显改善二极管激光器阵列的光束质量并获得同相模输出，这就为材料加工以及泵浦固体激光器提供了理想的激光光源。

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体布拉格光栅外腔实现激光二极管阵列同相模输出
作者：张雪， 李强， 刘波， 马建军
作者单位：北京工业大学,激光工程研究院,北京,100124
刊名：
强激光与粒子束
英文刊名：HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS
年，卷(期)：2009，21(12)
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1.学位论文刘波激光二极管阵列多波长光束组合技术研究2008
激光二极管阵列(LDA)以其体积小、效率高、成本低、寿命长等优点,广泛应用于材料加工、医疗、自旋交换光抽运、泵浦固体激光器和光纤激光器等领域。

但是LDA固有的光束质量差、相干性差的缺陷严重地限制了它的进一步应用。

大功率二极管激光阵列通过改善输出光的光束质量,获得近衍射极限的输出光束,可直接用做系统光源,其应用范围必将大大扩展。

改善LDA的输出光束光束质量,对LDA自身要求较低,不需要控制单元或阵列间的位相关系,实验装置简单、紧凑、调节精度低,更有可能获得高亮度的系统光源。

其次,基于光束组合技术,对闭环波长光束组合技术进行了理论分析,结合光束组合实验系统,对各元器件的作用进行分析阐明,并实验采用50W快慢轴准直阵列,获得输出功率19.9W、光束质量因子M2为32的光束组合输出光,可耦合进数值孔径0.22、芯径400um的多模光纤。

优化光束组合系统元器件参数,光束组合后的输出功率大于25W。

考虑到闭坏光束组合系统腔长太长,系统不太紧凑,进一步对开环波长光束组合改善光束质量的理论进行了分析,并采用体布拉格光栅(VBG)外腔获得中心波长为807.4nm,光谱宽度(FWHM)为0.4nm,且不随热沉温度和注入电流漂移的稳定光谱输出,输出功率为15.12W,VBG锁定效率接近于1。

实验采用λ-chirped VBG外腔对LDA锁定在光谱宽度15nm(800nm-815nm)的频谱范围上,锁定效率接近于1,实验采用慢轴未准直阵列,λ-chirped VBG外腔进行外腔开环波长光束组合实验研究,阵列光束组合输出功率为11.2W,光束质量因子M2约为6,组合频谱宽度为15nm。

通过拉长VBG外腔腔长,在VBG外腔和LDA中间插入平凸柱面透镜,采用偏转体布拉格光栅外腔进行外腔锁相研究,在注入电流35A时,获得稳定的同相单瓣模远场输出,波长锁定在802nm,中心主瓣峰值半宽(FWHM)压窄到0.2nm,对应的远场发散角为1.8mrad。

锁相效率为24.2％,阵列锁相时同相模的光束质量为17.4。

2.学位论文赵鹏飞外腔二极管激光阵列输出光束的模式选择和效率研究2007
二极管激光阵列以其体积小、效率高、寿命长等优点在材料加工、医疗、抽运固体激光器等许多领域有着广泛的应用。

但是二极管激光阵列的光束质量差、相干性差的固有缺陷严重地影响了它的进一步应用。

大功率二极管激光阵列通过改善输出光的光束质量，产生极小的发散角，高的相干性，大的CW输出功率，可直接作为系统光源，其应用范围必将大大扩展。

本文理论上分析了改善二极管激光阵列光束质量的途径并实验验证。

理论上分析了二极管激光阵列Talbot外腔锁相的模式选择，包括偏转外腔选模、相位补偿选模和幅度补偿选模。

数值计算了在相位补偿原件模式选择镜和相位型光栅外腔中各阶超模的复振幅分布和往返一周后的变化，证明了这两种相位补偿原件选择同相模的有效性。

采用振幅滤波的思想设计振幅补偿原件，匹配幅度补偿原件与同相模在Z<,r>/4腔内的分布，滤掉高阶超模增大高阶超模的损耗来选择同相模。

分析了Talbot腔内插入柱透镜反馈光相位的变化对单元间耦合效率的影响。

分析了体布拉格光栅对反馈光波长的选择性，及其注入锁定时输出光谱的变化。

实验上采用光阑验证了二极管激光器阵列单元自身的锁相，采用偏转外腔选模获得低噪声0.83W的同相单瓣模输出，输出光光谱峰值半宽由自由运转的1.7nm压缩为0.13nm。

采用振幅补偿锁相获得接近1W的同相单瓣模输出，光谱宽度为0.13nm。

在腔内插入柱透镜获得8.75W的多瓣模输出，光谱峰值半宽为0.16nm。

采用体布拉格光栅(VBG)外腔获得中心波长为807.4nm，光谱宽度为0.4nm不随热沉温度和注入电流漂移的稳定光谱输出，输出功率为15.12W，VBG锁定效率接近于1。

采用波长光束组合技术，获得2.3W的圆形光斑输出，其远场发散角为1.2mrad，光谱展宽为27nm。

本文链接：/Periodical_qjgylzs200912002.aspx
授权使用：中科院西安光学机械研究所(gxjxyjs)，授权号：7bc0ce07-f1c8-48a6-a317-9e57011e839f
下载时间：2010年12月25日。