摘要

本文介绍了一种由紧凑型外部布拉格光栅腔稳定的单脊波导激光器，其输出功率高达380mW，光束质量因子M2为1.3。对电流可调性、短期光学线宽和强度波动进行了表征。该器件在780nm处的波长调谐因子为0.5pm/mA，短期光学线宽为18KHz，低频相对强度噪声为-136dB/Hz。利用这些特性可以对Rb的 D2 线进行高分辨率吸收光谱分析。

在近红外光谱范围内工作的外腔半导体激光器（ECDLs）已经成为原子物理和生物医学应用领域的标准工具。这归功于其窄线宽，精确的频率可选性，高达100mW的高功率以及ECDLs的优秀边模抑制能力（50dB及以上）。它们被用于原子冷却和捕获，用于建立激光光学频率标准的高精度光谱学，量子信息和拉曼光谱学。然而，先进的应用需要低于 100 kHz 的窄线宽以及数百毫瓦的高输出功率。此外，传统ECDLs在Littrow和Littman/Metcalf配置中的应用受到振动、声学和温度变化等环境条件的影响。为了克服传统 ECDL 和分布式反馈 (DFB) 激光器存在的这些问题，人们选择了分布式布拉格反射 (DBR) 结构和体全息光栅 (VHG) 方法。

然而，由具有高损伤阈值的光热折射玻璃组成的 VHG 已被证明能够简化外腔配置。在激光二极管前放置反射式 VHG，光栅周期与光传播方向垂直，有助于最大限度地减小封装尺寸。这种基于 VHG 的外腔设计是稳定大功率宽面积或锥形二极管激光器阵列的一种便捷方法。这种高功率ECDL已经被应用于780nm处的Rb（Rb）激光泵浦和763.8nm处的单重态氧的光泵浦。尽管这些激光二极管阵列的输出功率很高，但它们很难用于原子和粒子的高精度控制，因为它们存在宽光谱线宽和非高斯、低亮度的光束轮廓以及较差的空间相干性。

本文研究了一种易于使用的、紧凑封装的VHG稳定单脊波导激光器，其输出光束接近衍射极限，输出功率高达380mW，工作波长为780nm。我们研究了输出功率以及与增益电流扫描相关的波长特性。此外，我们通过两个相同激光器的拍频测量确定了短期光学线宽。最后，我们通过对Rb蒸气进行高精度多普勒自由吸收光谱分析，证明了光谱的纯度。

ECDL设计在TO39封装中，包括热电冷却器（TEC）、激光芯片、准直透镜和VHG，如图1所示。TO39外壳的总长度为32mm，直径为10mm。使用的激光二极管芯片长3.9mm，焊接在AlN散热器上。该器件的垂直结构由掺杂的800nm Al0.4Ga0.6As波导层包围的GaAsP单量子阱活性区组成，这些波导层又被Al0.85Ga0.15As包层包围在顶部，底部是Al0.5Ga0.5As层。激光二极管的输出（前）端面被抗反射（AR）涂层涂覆，反射率为10-4，以使VHG反射的光以尽可能低的损耗进入二极管，同时抑制法布里-珀罗模式。相反，二极管的背面采用反射率高于 0.9 的高反射涂层，以最大限度地减少漏光。

图 1. 采用 TO39 封装的紧凑型 VHG 稳定 ECDL：整个腔体安装在一块金属板上，通过热电冷却器（TEC）进行温度稳定。激光二极管芯片发出的发散光束由一个快轴和一个慢轴准直透镜（FAC）、（SAC）准直，以便分别优化两个轴。输出强度的一部分从 VHG 内部反射回激光二极管。腔体总长度为 11mm。图片描述了在距离激光器 1.1m处测量到的横向输出光束轮廓。

激光器由自家开发的电流源驱动。通过位于TEC附近的热敏电阻读取激光头温度，并由自家PID控制器控制。没有VHG时，阈值电流为113mA，增益峰值最大处的波长为783nm。为了分别对快轴和慢轴进行准直，我们使用焦距为1mm和2.5mm的非球面柱面透镜。结果得到了一个几乎达到衍射极限的光束轮廓。通过光束传播分析仪评估了光束质量因子M2，得到M2 = 1.3 ± 0.1，适用于水平和垂直方向。

VHG以780.0nm的波长为中心，光谱带宽为0.1nm，将12%的入射强度反射回激光二极管。它由掺银、氟和铈的硅酸盐玻璃制成，长度为3mm。光栅通过紫外光曝光全息刻划，然后热固化。根据布拉格条件，光栅周期为260nm。VHG的端面被AR涂层覆盖，780nm处的残余反射率低于0.2%。

光束通过光隔离器后，由光功率计记录ECDL的绝对输出功率。结果如图2所示。可以看到插入VHG导致阈值电流下降35mA，降至78mA。对于高于阈值的电流，输出功率平均线性上升，斜率效率为0.8W/A。在电流为535mA时，获得了最大的380mW。如果增益电流进一步增加，TEC电流达到其1A的限制，因此系统的温度无法再被控制。因此，目前的限制是增益电流为535mA，但改善热传递将有助于在不久的将来提高输出功率。

图2中的功率斜率显示出小尖峰，并略有波动。这种行为可以归因于模式跳跃：假设激光器在1对纵向模式下发射光—1个来自内部腔体，由芯片本身给出，另一个来自外部腔体，由二极管的前端面和VHG的中部界定——当电流扫描时，激光二极管的光学长度被调谐。因此，内腔和外腔的激光模式会相距甚远，导致输出功率的波动，直到另一对模式变得更共振，发生模式跳跃。

图2中的插图a)显示了激光器在电流为400mA时的光谱特性。可以看出，激光器在单模下工作，自发辐射被抑制了50dB。在高于激光阈值的电流范围内，这种边模抑制比（SMSR）几乎保持不变，最大偏差为1dB。该模式波长的相应变化由波长计记录，如图 2 插图 b) 所示。图中是在空气中测量到的相对于 780 nm波长的波长变化与激光电流扫描提取值的对比图。0.5pm/mA的平行上升斜率说明了连续调谐范围。这些斜率由虚线连接，表示模式跳跃。最大的无跳模调谐范围为10.5pm，即5.2GHz。

图2的所有测量结果都在激光头温度为15°C时获得，以展示系统在RbD2线处的性能。但是，如果我们将温度上调，阈值电流会增加 1.2 mA/K，而斜率效率保持不变。因此，在增益电流值固定的情况下，输出功率会减小。此外，通过温度也可以调整光栅周期和激光波长。得到的波长调谐因子为10pm/K。获得的波长调整系数为 10 pm/K。这意味着通过将激光头温度调至 35 °C，可以在 780.033 nm 附近Rb吸收线上方 0.2 nm 的范围内进行调谐。温度调至 35 °C。在图2的插图b)中也可以观察到温度调谐的证据：平行上升斜率的下边缘偏移了6pm/100mA，这表明在该电流范围内，TEC和VHG之间的温差为0.6°C。这是因为二极管芯片对TEC和VHG的热耗散是不对称的，因为温度梯度不同。因此，通过增益电流进行的波长调节可以通过温度调节得到支持，从而扩大了可达到的波长范围。

图 2. ECDL 的光-电流特性：记录了注入电流向上波动时的总输出功率。 插图 a) 描述了在电流为 400 mA 时记录的光谱。它显示激光器为单模运行，边模抑制达 50 dB。插图 b) 描述了从扫描中提取的信息，其中波长 λ 是用波长计记录的。激光头温度稳定在 15 °C。

我们系统的功率和光谱性能归功于长激光芯片和VHG峰值反射率的精心选择。VHG 反射率越大，输出功率越低，内部谐振器与外部谐振器之间的耦合越强，反之亦然。因此，我们在选择 VHG 反射率时考虑了输出功率最大化和至少 50 dB 的 SMSR。对于类似的VHG稳定设备，得到了45.6dB和57dB的类似值。使用类似的 VHG 稳定装置，可获得45.6 dB [10] 和 57 dB [11] 的相似值。不过，由于芯片长度较长，我们的系统在 780 nm 波长的输出功率比后一种器件高出 3.15 倍。

我们通过两个结构相同的VHG稳定ECDLs的拍频来评估短期光线宽。它们的光束通过光束采样器组合并聚焦在光电探测器上。放大后的光电流用光谱分析仪进行评估。拍频和相应的洛伦兹拟合如图3所示。激光头的温度设定为15°C，增益电流分别调整为216.5mA和218.6mA，使它们的波长相差0.5GHz，每个激光器的功率为137mW，几乎相等。扫描时间为1ms/2MHz。根据文献 [22]，所产生的光电流的功率谱应符合洛伦兹形状，其半高宽（FWHM）等于每个激光器的光学线宽之和。假设它们是相同的，每个激光器的线宽可以通过将FWHM除以二得到。对数据进行洛伦兹拟合，得到FWHM为36KHz，标准误差为±1KHz，因此短期线宽为18KHz。为了判断系统的性能，我们将获得的数据与 [23] 中的线宽理论计算结果进行了比较。根据[24]计算了同类型的DBR激光器设置的固有线宽，即排除电流噪声的唯一激光线宽:发现固有线宽低至2KHz。这个值已经在类似的VHG稳定ECDLs [1 0 ]， [11 中得到了实验验证。因此，我们预计我们系统的固有线宽在同一范围内。该固有线宽与报告值 18 kHz 的偏差是由于残余增益电流噪声造成的，这是限制因素。然而，与最近用类似的 V H G 稳定结构[1 0 ]测 量的 值 相 比 ， 我 们 的 值 略 低 。 这是由于线宽与反模功率[23]-[25]成比例的关系。

图 3.实验得到了两个相同的VHG稳定ECDLs在780nm处的拍频和相应的洛伦兹拟合。3dB宽度相当于36KHz。根据理论[22]，其中一个激光器的光学线宽假定为一半，即 18 kHz。

为了确认窄线宽和波长调谐范围的性能，对Rb蒸汽进行了多普勒自由饱和光谱分析。实验装置如图4所示。ECDL在偏移电流210mA下工作。此外，还施加了一个振幅为10mA，频率为1KHz的交流电流。因此，发射波长连续调谐约5.2GHz。输出光束的直径首先通过扩束镜扩大到1cm。这样，大量的Rb蒸气被泵浦。同一束光在被反射回来后作为探测光束，并且偏振旋转90°。现在垂直偏振的透射信号通过偏振光束采样器导入到光电探测器，并显示在图5中。可以看到三个宽吸收峰，它们分别属于以下基态的跃迁：87Rb5S1/2Fg= 2，

85Rb5S1/2Fg= 3和85Rb5S1/2Fg= 2。最重要的是，在这三个吸收峰内都可以观察到超精细结构的兰姆凹陷。为了证实这一点，在图 5 的插图中对属于基态 85Rb5S1/2Fg= 3的跃迁凹点进行了高分辨率放大。由于我们系统的线宽窄，这些凹点的典型宽度在Rb (6.07 MHz[27])的自然线宽范围内，是清晰可见的。

图 4. 使用Rb原子蒸发池的双通道自由多普勒饱和光谱分析装置： 首先用扩束镜放大水平偏振激光束的直径。然后，光束泵浦Rb蒸气。同样的光束两次反射并通过 λ/4 波片，探测Rb原子，最后通过光电探测器观察传输的信号。

图5. Rb饱和吸收光谱。在三条多普勒展宽吸收谱线内，可以识别处Rb的超精细结构。

由于这种饱和光谱通常在直接检测而不是平衡检测中进行，因此良好的信噪比，即激光的低强度噪声，是必要的。因此，我们评估了 50 Hz 至 10 MHz 频率范围内的相对强度噪声 (RIN)，大多数微音共振都发生在这一频率范围内。我们用光电二极管检测激光信号，并用跨阻放大器放大光电流。由偏置器分离，交流电信号被导入光谱分析仪，而直流电信号则由万用表监测。交流电波动和直流电功率的比值，归一化到1Hz的分辨带宽，得到RIN。在激光器工作电流为90mA，温度为15°C时，得到的结果如图6所示。从图中可以看出，从 1 kHz 到 10 MHz 的频率范围内，RIN 保持在 -135 dB/Hz 到 -136 dB/Hz 的几乎恒定值，没有任何由于微音效应而产生的共振峰值。这个结果说明了当增益电流高于阈值时，RIN的上限。将增益电流调整到150 mA会使RIN降低15 dB。这些结果再次证明了该设计具有很高的机械稳定性。

转自：光电查

注：文章版权归原作者所有，本文仅供交流学习之用，如涉及版权等问题，请您告知，我们将及时处理。