Полупроводниковые лазеры, стабилизированные по длинам волн с помощью объемных голографических Брэгговских решеток

Мощные многомодовые полупроводниковые лазеры (Laser Diodes, LD), с выходными оптическими мощностями > 1 Вт, а также стеки полупроводниковых лазеров, с выходными мощностями в десятки, или даже сотни Вт, применяются в таких применениях как медицина, обработка материалов, а также для накачки твердотельных лазеров. Спрос на мощные полупроводниковые лазеры велик и постоянно растет.

Полупроводниковые лазеры обычно позволяют получить 1 Вт оптической мощности с области эмиттера с площадью 100 x 1 мкм², хотя некоторые полупроводниковые лазеры позволяют получить излучение с мощностью до 4 Вт с той же площади. Однако спектральные характеристики излучения полупроводниковых лазеров обычно не контролируются. Допуск выставления рабочей длины волны излучения типичного полупроводникового лазера равен ±3 нм, а полная ширина на полувысоте спектральной линии составляет величину ~ 3 нм.

Рабочая длина волны типового полупроводникового лазера сильно зависит от температуры, температурный коэффициент составляет величину dλ/dT = 0.3 нм/°C. Кроме того, рабочие длины волн мощных полупроводниковых лазеров смещаются со временем (смещение в длинноволновую область спектра), ограничивая срок службы полупроводниковых лазеров 10 000 часами эксплуатации.

Учитывая, что стоимость полупроводниковых лазеров может превышать 10$ за 1 Вт оптической мощности при большой потребности (например для производства линеек полупроводниковых лазеров для накачки твердотельных лазеров Nd:YAG), и сотни долларов за 1 Вт оптической мощности при штучных потребностях, небольшой срок службы полупроводниковых лазеров крайне нежелателен.

Корпорация PD-LD (Пеннингтон, Нью-Джерси, США) недавно продемонстрировала технологию, позволяющую значительно улучшить спектральные характеристики мощных полупроводниковых лазеров. Технология основана на использовании запатентованных объемных голографических Брэгговских решеток «LuxxMaster», позволяющих зафиксировать и сузить рабочие длины волн лазеров (см. табл. 1).

Использование объемных голографических Брэгговских решеток (VBG®-Volume Bragg Grating) позволяет преобразовать многомодовые лазерные диоды или линейки полупроводниковых лазеров в очень узкополосные источники излучения с прецизионно выставленными рабочими длинами волн и очень низкими чувствительностями к колебаниям температуры. Полупроводниковые лазеры с такими характеристиками позволят достичь значительного прогресса в приложениях, в которых используются полупроводниковые лазеры.

Большинство технологий получения объемных дифракционных решеток основаны на использовании бихромированного желатина в качестве фоточувствительного материала, однако существуют работы, в которых использовались фоторефрактивные полимеры или электрооптические кристаллы. В отличие от этих технологий изготовление объемных Брэгговских решеток основано на использовании неорганических фоторефрактивных стекол, чей коэффициент преломления изменяется при облучении УФ излучением. Так как стекло выполнено на основе диоксида кремния, получающиеся голографические фильтры являются физически и химически стабильными, по сравнению с голографическими фильтрами, записанными на бихромированном желатине, фоторефрактивных полимерах или на кристаллах с невысокими стабильностями размеров, а также низкими порогами оптического разрушения, которые не обеспечивают долгосрочного хранения записанных голограмм.

Свойства объемных Брэгговских решеток оставались неизменными после цикла нагрева до 200 °C. Значения физических параметров, таких как химическая стабильность, твердость и порог оптического разрушения подобны значениям распространенных оптических стекол, например BK7. Кроме того, обычно используются объемные Брэгговские решетки с толщинами от 0.5 до 10 мм, что намного больше толщин бихромированных желатиновых пленок, которые обычно составляют <0.05 мм. Зависимость ширины спектральной линии Δλ от толщины объемной Брегговской решетки описывается выражением:

∆λ/ λ = λ/2nd = Λ/d = 1/N (1),

Где λ- резонансная длина волны (Bragg wavelength), n- коэффициент преломления решетки, Λ- период объемной Брэгговской решетки, N- количество плоскостей объемной Брэгговской решетки, укладывающееся на толщине объемной Брэгговской решетки

Из выражения 1 следует, что использование объемных Брэгговских решеток, позволяет достичь очень узких спектральных линий с ширинами от 0.05 до 0.5 нм.

Возможность точно выставить рабочие длины волн лазеров, а также возможность сохранить выставленную длину волны на всем протяжении срока службы, обеспечивают значительную экономию средств. Так как технология объемных Брэгговских решеток позволяет точно задать рабочие длины волн мощных полупроводниковых лазеров, производственный выход мощных полупроводниковых лазеров с заданной длиной волны увеличивается, что позволяет выпускать мощные полупроводниковые лазеры с точно заданными длинами волн в больших количествах.

Объемные Брэгговские решетки могут использоваться для управления спектром излучения мощных полупроводниковых лазеров (рис. 1). Излучение полупроводникового лазера со спектральной шириной линией от 0.1 до 0.5 нм отражается обратно в лазерную среду, в то время как излучение с другими длинами волн проходит через объемную Брегговскую решетку. Таким образом объемная Брэгговская решетка подавляет оптическое усиление на пропускаемых длинах волн и вынуждает лазер работать в определенном спектральном диапазоне, определяемом параметрами объемной Брэгговской решетки. Рабочая длина волны объемной Брэгговской решетки может задаваться с намного большей точностью, чем рабочая длина волны мощных полупроводниковых лазеров.

Рисунок 1. Объемная Брэгговская решетка, размещенная перед чипом полупроводникового лазера, между которыми располагается коллимирующая линза. Объемная Брэгговская решетка подавляет оптическое усиление на пропускаемых длинах волн и вынуждает лазер работать в определенном спектральном диапазоне, определяемом параметрами объемной Брэгговской решетки

Подобный подход, который заключается в использовании волоконных Брэгговских решеток, применяется для стабилизации по длинам волн лазеров, с рабочей длиной волны 980 нм, которые используются для накачки волоконно-оптических усилителей на оптических волокнах, легированных ионами эрбия (Erbium Doped Fiber Amplifier-EDFA).

Однако, для реализации такого подхода необходимо, чтобы лазер накачки был состыкован с оптоволокном, что не позволяет использовать больше одного лазера на одно оптоволокно. Преимущество объемных Брэгговских решеток в том, что лазер не должен быть состыкован с оптоволокном, поэтому становится возможной одновременная стабилизация по длинам волн целого стека многомодовых полупроводниковых лазеров с помощью одной объемной Брэгговской решетки. Кроме того, объемная Брэгговская решетка позволяет сохранить оптическую мощность стека полупроводниковых лазеров.

В качестве иллюстрации технологии объемных Брэгговских решеток, используемых для стабилизации рабочих длин волн мощных полупроводниковых лазеров, использовались многомодовые полупроводниковые лазеры и стеки полупроводниковых лазеров в корпусах ТО и C-mount, излучающих на длине волны 808 нм, длине волны накачки твердотельного лазера Nd:YAG (рисунок 2).

Рисунок 2. Лазеры в корпусах C-mount, ТО-5, ТО-3, а также стек полупроводниковых лазеров, стабилизированные по длинам волн с помощью цилиндрических линз и объемных Брэгговских решеток «LuxxMaster», размещенных перед ними.

На рисунке 3 представлены спектры излучения стека полупроводниковых лазеров с общей оптической мощностью 40 Вт с и без использования стабилизации рабочей длины волны с помощью объемных Брэгговских решеток, при различных рабочих токах и температурах оснований корпусов. Из рисунка видно, что спектр излучения стека полупроводниковых лазеров при использовании стабилизации рабочей длины волны с помощью объемной Брэгговской решетки в 3-10 раз уже спектра стека полупроводниковых лазеров без использования стабилизации рабочей длины волны с помощью объемной Брэгговской решетки. Кроме того, из рисунка видно, что рабочая длина волны стека полупроводниковых лазеров в случае с использованием стабилизации рабочей длины волны с помощью объемной Брэгговской решетки, жестко привязана к резонансной длине волны решетки.

Рисунок 3. Спектры излучения стека полупроводниковых лазеров с общей оптической мощностью 40 Вт с и без использования стабилизации рабочей длины волны с помощью объемных Брэгговских решеток, при различных рабочих токах. На вставке представлены соответствующие зависимости сдвига длины волны с температурой. Следует отметить, что объемная Брэгговская решетка не была прикреплена к стеку полупроводниковых лазеров.

На рисунке 4 представлены зависимости выходных оптических мощностей от рабочего тока для стека полупроводниковых лазеров с общей оптической мощностью 40 Вт с и без использования стабилизации рабочей длины волны с помощью объемных Брэгговских решеток. Из рисунка 4 видно, что использование стабилизации рабочей длины волны с помощью объемных Брэгговских решеток лишь незначительно уменьшает выходную оптическую мощность. Большая часть выходной оптической мощности сосредоточена в узкой спектральной области, с шириной 0.2 нм.

Рисунок 4. Зависимость общей выходной оптической мощности от рабочего тока стека полупроводниковых лазеров с и без использования стабилизации рабочей длины волны с помощью объемных Брэгговских решеток

Узкая спектральная ширина линии полупроводниковых лазеров накачки и стабильность их рабочих длин волн очень важны (Рисунок 5). В случае с длиной волны 808.7 нм (излучение с такой длиной волны используется для накачки твердотельного лазера Nd:YAG), сужение спектрального диапазона излучения полупроводниковых лазеров накачки существенно повышает эффективность оптической накачки, что повышает точность выставления рабочей длины волны и стабильность выходной оптической мощности твердотельного лазера. Это достигается благодаря использованию стабилизации рабочей длины волны полупроводниковых лазеров накачки с помощью технологии объемных Брэгговских решеток.

Рисунок 5. С использованием полупроводниковых лазеров накачки, стабилизированных по длинам волн с помощью объемных Брэгговских решеток, эффективность накачки твердотельного лазера Nd:YAG может быть увеличена. При этом эффективность накачки остается неизменной в широком диапазоне температур и рабочих токов.

На рынке полупроводниковых лазеров существуют решения по стабилизации и сужению спектров излучения мощных полупроводниковых лазеров и стеков полупроводниковых лазеров, но эти решения требуют сложных многокомпонентных оптических модулей, включающих дифракционные решетки, линзы, а также зеркала, расположенные перед полупроводниковыми лазерами. Технология объемных Брэгговских решеток позволяет достичь тех же результатов с помощью размещения всего одного плоского куска стекла и цилиндрической линзы, которая, к слову, и так является неотъемлемой частью стеков полупроводниковых лазеров и используется для других целей. Таким образом, габариты мощных полупроводниковых лазеров, с использованием технологии объемных Брэгговских решеток, практически не изменяются. Простота этого метода делает его перспективным и коммерчески жизнеспособным.

Улучшенные характеристики лазерного излучения мощных полупроводниковых лазеров, стабилизированных с помощью объемных Брэгговских решеток приведут к возможности использования мощных полупроводниковых лазеров в новых для них применениях. Мощные полупроводниковые лазеры, стабилизированные с помощью объемных Брэгговских решеток могут найти применение в медицине, например для оптической накачки с обменом спином (spin-exchange optical pumping, SEOP) для гиперполяризации благородных газов в магнитно-резонансной томографии легких, так как для такой накачки требуется мощное узкоспектральное излучение с точно заданной длиной волны. Кроме того, новая технология может найти применение для накачки твердотельных лазеров, для зондирования земной поверхности, а также для научных исследований.