晉雲霞1，何冬兵1,2，孔釩宇1
1 中國科學院上海光學精密機械研究所
2 杭州拓致光電科技有限公司
高效能半導體鐳射抽運源是各類高能固態、光纖和氣體鐳射器的核心部件，但是半導體鐳射器存在一個主要缺點——光譜質量差，波長隨著工作電流和熱沉溫度的變化導致漂移較大，光譜線寬較寬，很容易造成半導體鐳射的中心波長與被抽運的增益材料吸收峰失配，極大地影響半導體鐳射抽運在高功率鐳射器的輸出效率及可靠性，限制了其作為抽運光源在材料加工領域的進一步應用。
因此，半導體鐳射器波長鎖定及線寬窄化是鐳射技術領域的一個重要研究方向。
為了解決這個問題，越來越多的研發採用光纖光柵或體光柵作為鐳射陣列外腔的核心器件進行有效鎖波，達到了穩定波長輸出的目的，但是反射式體布拉格光柵（R-VBG）（如圖 1）相較於光纖光柵大幅降低了光柵對環境溫度和震動的敏感性，在高功率半導體鐳射的波長穩定和線寬壓縮取得了顯著效果[1-6]。基於體布拉格光柵的角度和波長選擇性，鐳射陣列外腔中每個單元發出的光波被選擇反饋回相鄰單元從而實現了鐳射器陣列外腔鎖相，光譜寬度被壓縮為原有的十分之一，對應的遠場發散角在1.5 mrad以下，極大地提高了光束輸出質量和穩定性，因而得到廣泛應用。
圖1 用 R-VBG 鎖波的半導體鐳射泵源
目前，國際上能夠提供商品化體光柵的公司主要有OptiGrate、PD-LD、Ondax，全部為美國公司。OptiGrate公司已經被美國知名鐳射器廠家IPG公司收購，ONDAX公司已被相干公司收購，PD-LD公司被Necsel公司收購，分別進行其在高功率鐳射器中的垂直化、一體化運營戰略，進而對國內鐳射產業發展造成巨大競爭威脅。
同時，國內對高功率鐳射器的需求快速發展，對R-VBG的靈活設計要求也越來越高，長期購置國外R-VBG不利於推動國內高效能鐳射器的設計研發、新技術的拓展。在這種背景下，中國科學院上海光學精密機械研究所率先將R-VBG從實驗室研發推向了批次商品化。
R-VBG 的材料組成及其功能
R-VBG是一種在光熱敏折變（PhotoThermo-Refractive，PTR）玻璃中透過使用全息曝光技術而得到的一種體布拉格光柵（VBG）。其中，PTR玻璃是一種矽酸鹽玻璃（Na2OZnO-Al2O3-SiO2），包含了少量氟（F）和溴（Br），新增鈰（Ce）、銀（Ag）、銻（Sb）、錫（Sn）等元素，透過紫外曝光和熱處理的方式可以實現材料內部永久性的折射率改變。與傳統的全息記錄材料相比，PTR 玻璃材料的獨特優勢是其折射率隨溫度的變化非常小（約為5×10-7K-1），可以看作絕熱性光學材料，能夠經受住高強度鐳射的輻射。當光波沿著折射率調製週期的方向傳輸時，如果滿足布拉格衍射條件就會發生選波長反射。把它垂直於光束傳輸方向安置在半導體晶片的外部，構成一個外腔，經過外腔選波長髮射，鐳射器的輸出波長就被穩定在這一布拉格波長上。
經研究測試：在使用R-VBG進行鎖波的10年期間，其各項引數均未發現有退化現象。正常未鎖波的情況下半導體鐳射的光譜特性隨溫度變化平均 0.25 nm/℃，隨電流變化4.5 nm/A，而透過R-VBG鎖定波長後，光譜特性隨溫度變化平均0.007 nm/℃。這相比透射式體布拉格光柵（T-VBG），R-VBG具有更加優異的波長選擇性，其波長選擇性曲線的半高寬可窄到幾pm 至幾十pm。在鍍制增透膜後，其能量損耗可低於1%。正是由於這樣的優良效能，R-VBG 現在已廣泛用於鐳射器波長鎖定、拉曼光譜儀、橫縱模選取及控制、鐳射線寬壓窄、目標指示鐳射器及提高鐳射器工作溫度範圍的應用領域中[1-12]。
R-VBG受關注的指標主要有中心波長、半高寬、反射衍射效率、溫漂係數和表面光潔度等。
R-VBG 研製和批次化技術突破點
R-VBG的指標研製和批次化分別面臨著不同的技術難題，研製階段實現光熱敏折變玻璃的技術突破，批次化階段更加註重材料製備的穩定性和光場穩定性及相應的檢測能力。
- PTR玻璃技術
PTR玻璃是一種特殊的稀土摻雜氧鹵化物矽酸鹽玻璃，透過玻璃組分設計和稀土離子選擇摻雜，實現特定光敏和熱敏效能。其主要機理是利用Ce3+ 在300 nm-350 nm的吸收特性，透過紫外曝光使得Ce3+發生價態變化，給出一個電子被Ag+吸收，實現Ag+到Ag的變化，在一定溫度熱處理後形成Ag原子核團簇，之後進一步升高溫度以控制玻璃的誘導析晶，玻璃材料中的NaF即可圍繞銀膠團生長形成微晶，如圖2所示。最後在玻璃轉變溫度以下進行退火，穩定結構，釋放應力。由於NaF 晶體的折射率小於光熱敏折變玻璃材料本身的折射率，從而引起相對摺射率變化，形成相位型光柵，從而製備成光熱效能穩定、衍射效率高、布拉格選擇性可控的體光柵。
圖2 體光柵的熱定影原理示意圖
中科院上海光機所藉助特種玻璃組分設計、工藝製備和效能評估平臺，經過三年的持續最佳化，成功開發出了穩定的PTR玻璃，其基本物理效能引數已和美國同類水平相當，具有較好的熱敏和光敏特性，圖3為PTR玻璃在不同處理階段的透過譜。表1給出了上海光機所PTR玻璃效能引數。目前可實現的製備口徑大於50 mm，均勻性達到10-5級別，保證了後期多型別 VBG元件的製備。
圖3 PTR 玻璃在不同處理階段的透過譜
表1 光熱敏折變玻璃效能引數表
- 全息光場及溫場均勻性
針對市場多種中心波長R-VBG批次化的產品需求，杭州拓致光電科技有限公司（以下簡稱“杭州拓致光電”）基於分振幅干涉曝光技術研發出一套曝光角度調節便捷、角度控制精度高、長時間穩定性高和人機互動友好的高精度自動化光柵寫入系統。該系統透過綜合考慮其中的光學系統、基板安裝平臺、條紋監視及鎖定系統、自動控制軟體和隔振平臺及支撐結構，極大地提升R-VBG的研製水平和生產效率。該裝置滿足了最大尺寸50 mm×50 mm、中心波長在520 nm-2700 nm範圍內可調的光柵結構寫入需求，且其干涉曝光角控制精度在6″範圍內，光場不均勻性可控制在±5%以內，這兩個精度要求保證了R-VBG中心波長準確性和衍射效率均勻性。
而R-VBG的衍射效率均勻性不僅僅與曝光場的均勻性相關。因為經光柵寫入後的PTR玻璃需要經過高溫熱顯影才能在玻璃體內形成永久的光柵結構，因此高溫熱顯影過程中的溫度均勻性控制對最終R-VBG的衍射效率均勻性有著重大影響。杭州拓致光電進行了大量的工藝探索，外協開發了高精度、高均勻體光柵專用熱顯影爐，實現R-VBG衍射效率均勻性控制在±2%以內。
- 檢測技術
對於R-VBG效能引數的檢測包含中心波長λc、反射效率η、半峰全寬FWHM、傾斜角θt等，杭州拓致光電發展了諸如頻譜掃描法、角譜法以及超連續譜法對R-VBG以上的效能引數進行檢測，三種測量技術相互印證、相互補充。其中頻譜掃描法可以透過一次測量得到其中心波長、反射效率以及光譜半峰全寬；角譜法可以測量傾斜角、中心波長和效率；超連續譜法可以得到中心波長。見圖4。
圖4 (a) 頻譜掃描法 (b) 角譜法
對於R-VBG高功率鐳射作用下的溫度和中心波長溫漂係數、鎖波半寬、鎖波輸出效率等採用自行搭建的高功率鎖波測量系統進行測量（圖5）。該裝置包含半導體鐳射光源、準直鏡、轉檯、功率計、高精度光譜儀和紅外熱像儀等組成。對自產R-VBG進行測量，發現在100 W輻照下R-VBG具有良好的鎖波效能，百瓦溫升 21℃，波長溫漂係數10 pm/℃左右（圖6）。鎖波輸出效率為使用R-VBG鎖波狀態下的輸出功率與自由狀態下半導體鐳射器輸出功率的比值，對於不同反射效率的R-VBG，其鎖波輸出效率不同，也就決定了R-VBG的使用具有一定程度上的定製化特點。
圖5 高功率鎖波測量系統
圖6 R-VBG 高功率鎖波測量結果：（a）多片 R-VBG 鎖波訊號；（b）100 W 鐳射輻照下 R-VBG 溫度為 49℃；（c）電流逐漸增加，R-VBG 溫度上升曲線；（d）R-VBG 的溫漂係數擬合曲線
R-VBG產業化及其展望
杭州拓致光電科技有限公司屬於杭州光學精密機械研究所重點定向孵化公司，專案核心團隊來自中科院上海光學精密機械研究所，與上海光學精密機械研究所形成一個科技資源共享的合作平臺。公司自2020年4月成立來，已完成從光熱敏折變玻璃研發和製備、光柵寫入、熱顯影處理到效能檢測等硬體的建設，可支援大尺寸光熱敏折變玻璃及多種波長R-VBG器件的開發和生產。已累計向國內多家行業頭部鐳射器公司提供了包括8xx nm，976 nm，969 nm，981nm等多種波長、不同衍射效率和不同尺寸定製化的R-VBG產品達10萬餘片，成為國內在光熱敏折變玻璃及體光柵器件領域首家實現量產及規模化供應能力的公司。
透過從玻璃和光刻技術的最佳化提升，現階段形成的體光柵器件實現的技術指標達到國外同等水平，具體如表2對比。
表2 體光柵系列產品
杭州拓致光電目前已實現在976 nm鎖波元器件的規模化應用，如表2，線寬0.5 nm，在100 W入射條件下（Bar條，19 個點），中心波長偏移量都在0.5 nm範圍內，鎖定後半高寬在300 pm水平，溫升30℃以內，可用於國內高功率鐳射系統中。
9xx nm抽運技術由於其電光轉化效率高、非線性效應低被認為是高功率光纖鐳射器發展的未來技術路線。目前，9xx nm波長半導體鐳射器已基本實現國產化，包括北京凱普林、山東華光、長光華芯、江蘇華興鐳射、深圳星漢、江蘇天元等多家公司。隨著9xx nmR-VBG器件（圖7）的國產化，國內高功率光纖鐳射器將以更高速度發展。
圖7 976 nm/968 nm/982 nm 譜線及樣品展示
我國正在佈局的十四五規劃中，已明確要發展高階鐳射裝備和高功率新型鐳射系統。無論是透射式體布拉格光柵還是反射式體光柵，都是各系統的核心元件。體光柵器件國產化之路將越走越寬。
參考文獻
1. P.Mills. Single mode operation of 1.55 μm semi-conductor laser using a volume holographic grating [J]. Electron. Lett, 1985, 15:648-649.
2. B.L.Volodin, et al . Holographic volume Bragg gratings stabilize laser diode performance [J]. Photonic Spectra, 2003, 37(11):68-73.
3. G. Steckman, et al . Volume holographic g ra t i n g wavel e n g t h s t a b i l i z e d la s e r diodes[J]. J Sel Top Quantum Electron, 2007, 13(3):672-678.
4. L. Glebov, et al. High-brightness narrowline laser diode source with volume Bragggrating feedback[J]. Proceedings of the SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2005, Vol.5711(1):166-176.
5. M.H.Muendel High-power fiber laser studies at the Polaroid Corporation[C]. Part of the SPIE Conference on High-Power Lasers. SPIE 1998, 3264: 21~29
6. B.L.Volodin, et al . Holographic volume Bragg gratings stabilize laser diode performance [J]. Photonics Spectra, 2003, 37(11):68-73.
7. 王豔麗 . 反射式體光柵壓窄線寬鎖波長 785 nm鐳射器的使用 [J]. 科技傳播 , 2018(08) 93-95.
8. L.B.Glebov, et al . A n g l e S e l e c t i v e Enhancement of Beam Deflection in HighSpeed Electrooptic Switches [ J]. IEEE Photonics Technology Lett, 2007, Vol.19:701-703.
9. L.B.Glebov Photosensitive glass for phase hologram recording [J]. Glass Science and Technology, 1998, Vol.71C : 85-90.
10. L.B.Glebov Volume hologram recording in inorganic glasses [J]. Glass Science and Technology , 2002, Vol. 75 C1 : 73-90.
11. 馮傲，樂小云，張小富 . 用於目標指示器的鐳射器研究進展 [J]. 鐳射與光電子學進展 , 2019, 第56 卷 (1):29-37.
作者簡介
晉雲霞，中國科學院上海光學精密機械研究所研究員，長期從事各種微結構和高功率衍射光柵的研發工作。
何冬兵，中國科學院上海光學精密機械研究所正高階工程師，杭州拓致光電科技有限公司總經理，主要從事鐳射與特種光功能玻璃材料的研究。
孔釩宇，中國科學院上海光學精密機械研究所副研究員，主要從事衍射元件的研製及其效能提升研究。
