反射式体布拉格光栅的国产化之路

1 中国科学院上海光学精密机器研究所

2 杭州拓致光电科技有限公司

高性能半导体激光抽运源是各种高能固态、光纤和气体激光器的核心部件，但是半导体激光器存在一个紧张缺陷——光谱质量差，波长随着事情电流和热沉温度的变革导致漂移较大，光谱线宽较宽，很随意马虎造成半导体激光的中央波长与被抽运的增益材料接管峰失落配，极大地影响半导体激光抽运在高功率激光器的输出效率及可靠性，限定了其作为抽运光源在材料加工领域的进一步运用。

因此，半导体激光器波长锁定及线宽窄化是激光技能领域的一个主要研究方向。

为理解决这个问题，越来越多的研发采取光纤光栅或体光栅作为激光阵列外腔的核心器件进行有效锁波，达到了稳定波长输出的目的，但是反射式体布拉格光栅（R-VBG）（如图 1）相较于光纤光栅大幅降落了光栅对环境温度和震撼的敏感性，在高功率半导体激光的波长稳定和线宽压缩取得了显著效果[1-6]。
基于体布拉格光栅的角度和波长选择性，激光阵列外腔中每个单元发出的光波当选择反馈回相邻单元从而实现了激光器阵列外腔锁相，光谱宽度被压缩为原有的十分之一，对应的远场发散角在1.5 mrad以下，极大地提高了光束输出质量和稳定性，因而得到广泛运用。

图1 用 R-VBG 锁波的半导体激光泵源

目前，国际上能够供应商品化体光栅的公司紧张有OptiGrate、PD-LD、Ondax，全部为美国公司。
OptiGrate公司已经被美国有名激光器厂家IPG公司收购，ONDAX公司已被相关公司收购，PD-LD公司被Necsel公司收购，分别进行其在高功率激光器中的垂直化、一体化运营计策，进而对海内激光家当发展造成巨大竞争威胁。

同时，海内对高功率激光器的需求快速发展，对R-VBG的灵巧设计哀求也越来越高，长期购置国外R-VBG不利于推动海内高性能激光器的设计研发、新技能的拓展。
在这种背景下，中国科学院上海光学精密机器研究所率先将R-VBG从实验室研发推向了批量商品化。

R-VBG 的材料组成及其功能

R-VBG是一种在光热敏折变（PhotoThermo-Refractive，PTR）玻璃中通过利用全息曝光技能而得到的一种体布拉格光栅（VBG）。
个中，PTR玻璃是一种硅酸盐玻璃（Na2OZnO-Al2O3-SiO2），包含了少量氟（F）和溴（Br），添加铈（Ce）、银（Ag）、锑（Sb）、锡（Sn）等元素，通过紫外曝光和热处理的办法可以实现材料内部永久性的折射率改变。
与传统的全息记录材料比较，PTR 玻璃材料的独特上风是其折射率随温度的变革非常小（约为5×10-7K-1），可以看作绝热性光学材料，能够经受住高强度激光的辐射。
当光波沿着折射率调制周期的方向传输时，如果知足布拉格衍射条件就会发生选波长反射。
把它垂直于光束传输方向安置在半导体芯片的外部，构成一个外腔，经由外腔选波长发射，激光器的输出波长就被稳定在这一布拉格波长上。

经研究测试：在利用R-VBG进行锁波的10年期间，其各项参数均未创造有退化征象。
正常未锁波的情形下半导体激光的光谱特性随温度变革均匀 0.25 nm/℃，随电流变革4.5 nm/A，而通过R-VBG锁定波长后，光谱特性随温度变革均匀0.007 nm/℃。
这比较透射式体布拉格光栅（T-VBG），R-VBG具有更加精良的波长选择性，其波长选择性曲线的半高宽可窄到几pm 至几十pm。
在镀制增透膜后，其能量损耗可低于1%。
正是由于这样的优秀性能，R-VBG 现在已广泛用于激光器波长锁定、拉曼光谱仪、横纵模选取及掌握、激光芒宽压窄、目标指示激光器及提高激光器事情温度范围的运用领域中[1-12]。

R-VBG受关注的指标紧张有中央波长、半高宽、反射衍射效率、温漂系数和表面光洁度等。

R-VBG 研制和批量化技能打破点

R-VBG的指标研制和批量化分别面临着不同的技能难题，研制阶段实现光热敏折变玻璃的技能打破，批量化阶段更加看重材料制备的稳定性和光场稳定性及相应的检测能力。

PTR玻璃是一种分外的稀土掺杂氧卤化物硅酸盐玻璃，通过玻璃组分设计和稀土离子选择掺杂，实现特定光敏和热敏性能。
其紧张机理是利用Ce3+ 在300 nm-350 nm的接管特性，通过紫外曝光使得Ce3+发生价态变革，给出一个电子被Ag+接管，实现Ag+到Ag的变革，在一定温度热处理后形成Ag原子核团簇，之后进一步升高温度以掌握玻璃的勾引析晶，玻璃材料中的NaF即可环绕银胶团成长形成微晶，如图2所示。
末了在玻璃转变温度以下进行退火，稳定构造，开释应力。
由于NaF 晶体的折射率小于光热敏折变玻璃材料本身的折射率，从而引起相折半射率变革，形成相位型光栅，从而制备成光热性能稳定、衍射效率高、布拉格选择性可控的体光栅。

图2 体光栅的热定影事理示意图

中科院上海光机所借助特种玻璃组分设计、工艺制备和性能评估平台，经由三年的持续优化，成功开拓出了稳定的PTR玻璃，其基本物理性能参数已和美国同类水平相称，具有较好的热敏和光敏特性，图3为PTR玻璃在不同处理阶段的透过谱。
表1给出了上海光机所PTR玻璃性能参数。
目前可实现的制备口径大于50 mm，均匀性达到10-5级别，担保了后期多类型 VBG元件的制备。

图3 PTR 玻璃在不同处理阶段的透过谱

表1 光热敏折变玻璃性能参数表

全息光场及温场均匀性

针对市场多种中央波长R-VBG批量化的产品需求，杭州拓致光电科技有限公司（以下简称“杭州拓致光电”）基于分振幅干涉曝光技能研发出一套曝光角度调节便捷、角度掌握精度高、永劫光稳定性高和人机交互友好的高精度自动化光栅写入系统。
该系统通过综合考虑个中的光学系统、基板安装平台、条纹监视及锁定系统、自动掌握软件和隔振平台及支撑构造，极大地提升R-VBG的研制水平和生产效率。
该装置知足了最大尺寸50 mm×50 mm、中央波长在520 nm-2700 nm范围内可调的光栅构造写入需求，且其干涉曝光角掌握精度在6″范围内，光场不屈均性可掌握在±5%以内，这两个精度哀求担保了R-VBG中央波长准确性和衍射效率均匀性。

而R-VBG的衍射效率均匀性不仅仅与曝光场的均匀性干系。
由于经光栅写入后的PTR玻璃须要经由高温热显影才能在玻璃体内形成永久的光栅构造，因此高温热显影过程中的温度均匀性掌握对终极R-VBG的衍射效率均匀性有着重大影响。
杭州拓致光电进行了大量的工艺探索，外协开拓了高精度、高均匀体光栅专用热显影炉，实现R-VBG衍射效率均匀性掌握在±2%以内。

对付R-VBG性能参数的检测包含中央波长λc、反射效率η、半峰全宽FWHM、倾斜角θt等，杭州拓致光电发展了诸如频谱扫描法、角谱法以及超连续谱法对R-VBG以上的性能参数进行检测，三种丈量技能相互印证、相互补充。
个中频谱扫描法可以通过一次丈量得到个中心波长、反射效率以及光谱半峰全宽；角谱法可以丈量倾斜角、中央波长和效率；超连续谱法可以得到中央波长。
见图4。

图4 (a) 频谱扫描法 (b) 角谱法

对付R-VBG高功率激光浸染下的温度和中央波长温漂系数、锁波半宽、锁波输出效率等采取自行搭建的高功率锁波丈量系统进行丈量（图5）。
该设备包含半导体激光光源、准直镜、转台、功率计、高精度光谱仪和红外热像仪等组成。
对自产R-VBG进行丈量，创造在100 W辐照下R-VBG具有良好的锁波性能，百瓦温升 21℃，波长温漂系数10 pm/℃旁边（图6）。
锁波输出效率为利用R-VBG锁波状态下的输出功率与自由状态下半导体激光器输出功率的比值，对付不同反射效率的R-VBG，其锁波输出效率不同，也就决定了R-VBG的利用具有一定程度上的定制化特点。

图5 高功率锁波丈量系统

图6 R-VBG 高功率锁波丈量结果：（a）多片 R-VBG 锁波旗子暗记；（b）100 W 激光辐照下 R-VBG 温度为 49℃；（c）电流逐渐增加，R-VBG 温度上升曲线；（d）R-VBG 的温漂系数拟合曲线

R-VBG家当化及其展望

杭州拓致光电科技有限公司属于杭州光学精密机器研究所重点定向孵化公司，项目核心团队来自中科院上海光学精密机器研究所，与上海光学精密机器研究所形成一个科技资源共享的互助平台。
公司自2020年4月成立来，已完成从光热敏折变玻璃研发和制备、光栅写入、热显影处理到性能检测等硬件的培植，可支持大尺寸光热敏折变玻璃及多种波长R-VBG器件的开拓和生产。
已累计向海内多家行业头部激光器公司供应了包括8xx nm，976 nm，969 nm，981nm等多种波长、不同衍射效率和不同尺寸定制化的R-VBG产品达10万余片，成为海内涵光热敏折变玻璃及体光栅器件领域首家实现量产及规模化供应能力的公司。

通过从玻璃和光刻技能的优化提升，现阶段形成的体光栅器件实现的技能指标达到国外同等水平，详细如表2比拟。

表2 体光栅系列产品

杭州拓致光电目前已实现在976 nm锁波元器件的规模化运用，如表2，线宽0.5 nm，在100 W入射条件下（Bar条，19 个点），中央波长偏移量都在0.5 nm范围内，锁定后半高宽在300 pm水平，温升30℃以内，可用于海内高功率激光系统中。

9xx nm抽运技能由于其电光转化效率高、非线性效应低被认为是高功率光纤激光器发展的未来技能路线。
目前，9xx nm波长半导体激光器已基本实现国产化，包括北京凯普林、山东华光、长光华芯、江苏华兴激光、深圳星汉、江苏天元等多家公司。
随着9xx nmR-VBG器件（图7）的国产化，海内高功率光纤激光器将以更高速率发展。

图7 976 nm/968 nm/982 nm 谱线及样品展示

我国正在布局的十四五方案中，已明确要发展高端激光装备和高功率新型激光系统。
无论是透射式体布拉格光栅还是反射式体光栅，都是各系统的核心元件。
体光栅器件国产化之路将越走越宽。

参考文献

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. 王艳丽 . 反射式体光栅压窄线宽锁波长 785 nm激光器的利用 [J]. 科技传播 , 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. 冯傲，乐小云，张小富 . 用于目标指示器的激光器研究进展 [J]. 激光与光电子学进展 , 2019, 第56 卷 (1):29-37.

作者简介

晋云霞，中国科学院上海光学精密机器研究所研究员，长期从事各种微构造和高功率衍射光栅的研发事情。

何冬兵，中国科学院上海光学精密机器研究所正高等工程师，杭州拓致光电科技有限公司总经理，紧张从事激光与特种光功能玻璃材料的研究。

孔钒宇，中国科学院上海光学精密机器研究所副研究员，紧张从事衍射元件的研制及其性能提升研究。