摘要

本文介紹了一種由緊湊型外部布拉格光柵腔穩(wěn)定的單脊波導(dǎo)激光器，其輸出功率高達(dá)380mW，光束質(zhì)量因子M2為1.3。對(duì)電流可調(diào)性、短期光學(xué)線寬和強(qiáng)度波動(dòng)進(jìn)行了表征。該器件在780nm處的波長(zhǎng)調(diào)諧因子為0.5pm/mA，短期光學(xué)線寬為18KHz，低頻相對(duì)強(qiáng)度噪聲為-136dB/Hz。利用這些特性可以對(duì)Rb的 D2 線進(jìn)行高分辨率吸收光譜分析。

在近紅外光譜范圍內(nèi)工作的外腔半導(dǎo)體激光器（ECDLs）已經(jīng)成為原子物理和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)工具。這歸功于其窄線寬，精確的頻率可選性，高達(dá)100mW的高功率以及ECDLs的優(yōu)秀邊模抑制能力（50dB及以上）。它們被用于原子冷卻和捕獲，用于建立激光光學(xué)頻率標(biāo)準(zhǔn)的高精度光譜學(xué)，量子信息和拉曼光譜學(xué)。然而，先進(jìn)的應(yīng)用需要低于 100 kHz 的窄線寬以及數(shù)百毫瓦的高輸出功率。此外，傳統(tǒng)ECDLs在Littrow和Littman/Metcalf配置中的應(yīng)用受到振動(dòng)、聲學(xué)和溫度變化等環(huán)境條件的影響。為了克服傳統(tǒng) ECDL 和分布式反饋 (DFB) 激光器存在的這些問(wèn)題，人們選擇了分布式布拉格反射 (DBR) 結(jié)構(gòu)和體全息光柵 (VHG) 方法。

然而，由具有高損傷閾值的光熱折射玻璃組成的 VHG 已被證明能夠簡(jiǎn)化外腔配置。在激光二極管前放置反射式 VHG，光柵周期與光傳播方向垂直，有助于最大限度地減小封裝尺寸。這種基于 VHG 的外腔設(shè)計(jì)是穩(wěn)定大功率寬面積或錐形二極管激光器陣列的一種便捷方法。這種高功率ECDL已經(jīng)被應(yīng)用于780nm處的Rb（Rb）激光泵浦和763.8nm處的單重態(tài)氧的光泵浦。盡管這些激光二極管陣列的輸出功率很高，但它們很難用于原子和粒子的高精度控制，因?yàn)樗鼈兇嬖趯捁庾V線寬和非高斯、低亮度的光束輪廓以及較差的空間相干性。

本文研究了一種易于使用的、緊湊封裝的VHG穩(wěn)定單脊波導(dǎo)激光器，其輸出光束接近衍射極限，輸出功率高達(dá)380mW，工作波長(zhǎng)為780nm。我們研究了輸出功率以及與增益電流掃描相關(guān)的波長(zhǎng)特性。此外，我們通過(guò)兩個(gè)相同激光器的拍頻測(cè)量確定了短期光學(xué)線寬。最后，我們通過(guò)對(duì)Rb蒸氣進(jìn)行高精度多普勒自由吸收光譜分析，證明了光譜的純度。

ECDL設(shè)計(jì)在TO39封裝中，包括熱電冷卻器（TEC）、激光芯片、準(zhǔn)直透鏡和VHG，如圖1所示。TO39外殼的總長(zhǎng)度為32mm，直徑為10mm。使用的激光二極管芯片長(zhǎng)3.9mm，焊接在AlN散熱器上。該器件的垂直結(jié)構(gòu)由摻雜的800nm Al0.4Ga0.6As波導(dǎo)層包圍的GaAsP單量子阱活性區(qū)組成，這些波導(dǎo)層又被Al0.85Ga0.15As包層包圍在頂部，底部是Al0.5Ga0.5As層。激光二極管的輸出（前）端面被抗反射（AR）涂層涂覆，反射率為10-4，以使VHG反射的光以盡可能低的損耗進(jìn)入二極管，同時(shí)抑制法布里-珀羅模式。相反，二極管的背面采用反射率高于 0.9 的高反射涂層，以最大限度地減少漏光。

圖 1. 采用 TO39 封裝的緊湊型 VHG 穩(wěn)定 ECDL：整個(gè)腔體安裝在一塊金屬板上，通過(guò)熱電冷卻器（TEC）進(jìn)行溫度穩(wěn)定。激光二極管芯片發(fā)出的發(fā)散光束由一個(gè)快軸和一個(gè)慢軸準(zhǔn)直透鏡（FAC）、（SAC）準(zhǔn)直，以便分別優(yōu)化兩個(gè)軸。輸出強(qiáng)度的一部分從 VHG 內(nèi)部反射回激光二極管。腔體總長(zhǎng)度為 11mm。圖片描述了在距離激光器 1.1m處測(cè)量到的橫向輸出光束輪廓。

激光器由自家開(kāi)發(fā)的電流源驅(qū)動(dòng)。通過(guò)位于TEC附近的熱敏電阻讀取激光頭溫度，并由自家PID控制器控制。沒(méi)有VHG時(shí)，閾值電流為113mA，增益峰值最大處的波長(zhǎng)為783nm。為了分別對(duì)快軸和慢軸進(jìn)行準(zhǔn)直，我們使用焦距為1mm和2.5mm的非球面柱面透鏡。結(jié)果得到了一個(gè)幾乎達(dá)到衍射極限的光束輪廓。通過(guò)光束傳播分析儀評(píng)估了光束質(zhì)量因子M2，得到M2 = 1.3 ± 0.1，適用于水平和垂直方向。

VHG以780.0nm的波長(zhǎng)為中心，光譜帶寬為0.1nm，將12%的入射強(qiáng)度反射回激光二極管。它由摻銀、氟和鈰的硅酸鹽玻璃制成，長(zhǎng)度為3mm。光柵通過(guò)紫外光曝光全息刻劃，然后熱固化。根據(jù)布拉格條件，光柵周期為260nm。VHG的端面被AR涂層覆蓋，780nm處的殘余反射率低于0.2%。

光束通過(guò)光隔離器后，由光功率計(jì)記錄ECDL的絕對(duì)輸出功率。結(jié)果如圖2所示�？梢钥吹讲迦隫HG導(dǎo)致閾值電流下降35mA，降至78mA。對(duì)于高于閾值的電流，輸出功率平均線性上升，斜率效率為0.8W/A。在電流為535mA時(shí)，獲得了最大的380mW。如果增益電流進(jìn)一步增加，TEC電流達(dá)到其1A的限制，因此系統(tǒng)的溫度無(wú)法再被控制。因此，目前的限制是增益電流為535mA，但改善熱傳遞將有助于在不久的將來(lái)提高輸出功率。

圖2中的功率斜率顯示出小尖峰，并略有波動(dòng)。這種行為可以歸因于模式跳躍：假設(shè)激光器在1對(duì)縱向模式下發(fā)射光—1個(gè)來(lái)自內(nèi)部腔體，由芯片本身給出，另一個(gè)來(lái)自外部腔體，由二極管的前端面和VHG的中部界定——當(dāng)電流掃描時(shí)，激光二極管的光學(xué)長(zhǎng)度被調(diào)諧。因此，內(nèi)腔和外腔的激光模式會(huì)相距甚遠(yuǎn)，導(dǎo)致輸出功率的波動(dòng)，直到另一對(duì)模式變得更共振，發(fā)生模式跳躍。

圖2中的插圖a)顯示了激光器在電流為400mA時(shí)的光譜特性。可以看出，激光器在單模下工作，自發(fā)輻射被抑制了50dB。在高于激光閾值的電流范圍內(nèi)，這種邊模抑制比（SMSR）幾乎保持不變，最大偏差為1dB。該模式波長(zhǎng)的相應(yīng)變化由波長(zhǎng)計(jì)記錄，如圖 2 插圖 b) 所示。圖中是在空氣中測(cè)量到的相對(duì)于 780 nm波長(zhǎng)的波長(zhǎng)變化與激光電流掃描提取值的對(duì)比圖。0.5pm/mA的平行上升斜率說(shuō)明了連續(xù)調(diào)諧范圍。這些斜率由虛線連接，表示模式跳躍。最大的無(wú)跳模調(diào)諧范圍為10.5pm，即5.2GHz。

圖2的所有測(cè)量結(jié)果都在激光頭溫度為15°C時(shí)獲得，以展示系統(tǒng)在RbD2線處的性能。但是，如果我們將溫度上調(diào)，閾值電流會(huì)增加 1.2 mA/K，而斜率效率保持不變。因此，在增益電流值固定的情況下，輸出功率會(huì)減小。此外，通過(guò)溫度也可以調(diào)整光柵周期和激光波長(zhǎng)。得到的波長(zhǎng)調(diào)諧因子為10pm/K。獲得的波長(zhǎng)調(diào)整系數(shù)為 10 pm/K。這意味著通過(guò)將激光頭溫度調(diào)至 35 °C，可以在 780.033 nm 附近Rb吸收線上方 0.2 nm 的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)諧。溫度調(diào)至 35 °C。在圖2的插圖b)中也可以觀察到溫度調(diào)諧的證據(jù)：平行上升斜率的下邊緣偏移了6pm/100mA，這表明在該電流范圍內(nèi)，TEC和VHG之間的溫差為0.6°C。這是因?yàn)槎�極管芯片對(duì)TEC和VHG的熱耗散是不對(duì)稱的，因?yàn)闇囟忍荻炔煌�。因此，通過(guò)增益電流進(jìn)行的波長(zhǎng)調(diào)節(jié)可以通過(guò)溫度調(diào)節(jié)得到支持，從而擴(kuò)大了可達(dá)到的波長(zhǎng)范圍。

圖 2. ECDL 的光-電流特性：記錄了注入電流向上波動(dòng)時(shí)的總輸出功率。 插圖 a) 描述了在電流為 400 mA 時(shí)記錄的光譜。它顯示激光器為單模運(yùn)行，邊模抑制達(dá) 50 dB。插圖 b) 描述了從掃描中提取的信息，其中波長(zhǎng) λ 是用波長(zhǎng)計(jì)記錄的。激光頭溫度穩(wěn)定在 15 °C。

我們系統(tǒng)的功率和光譜性能歸功于長(zhǎng)激光芯片和VHG峰值反射率的精心選擇。VHG 反射率越大，輸出功率越低，內(nèi)部諧振器與外部諧振器之間的耦合越強(qiáng)，反之亦然。因此，我們?cè)谶x擇 VHG 反射率時(shí)考慮了輸出功率最大化和至少 50 dB 的 SMSR。對(duì)于類似的VHG穩(wěn)定設(shè)備，得到了45.6dB和57dB的類似值。使用類似的 VHG 穩(wěn)定裝置，可獲得45.6 dB [10] 和 57 dB [11] 的相似值。不過(guò)，由于芯片長(zhǎng)度較長(zhǎng)，我們的系統(tǒng)在 780 nm 波長(zhǎng)的輸出功率比后一種器件高出 3.15 倍。

我們通過(guò)兩個(gè)結(jié)構(gòu)相同的VHG穩(wěn)定ECDLs的拍頻來(lái)評(píng)估短期光線寬。它們的光束通過(guò)光束采樣器組合并聚焦在光電探測(cè)器上。放大后的光電流用光譜分析儀進(jìn)行評(píng)估。拍頻和相應(yīng)的洛倫茲擬合如圖3所示。激光頭的溫度設(shè)定為15°C，增益電流分別調(diào)整為216.5mA和218.6mA，使它們的波長(zhǎng)相差0.5GHz，每個(gè)激光器的功率為137mW，幾乎相等。掃描時(shí)間為1ms/2MHz。根據(jù)文獻(xiàn) [22]，所產(chǎn)生的光電流的功率譜應(yīng)符合洛倫茲形狀，其半高寬（FWHM）等于每個(gè)激光器的光學(xué)線寬之和。假設(shè)它們是相同的，每個(gè)激光器的線寬可以通過(guò)將FWHM除以二得到。對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行洛倫茲擬合，得到FWHM為36KHz，標(biāo)準(zhǔn)誤差為±1KHz，因此短期線寬為18KHz。為了判斷系統(tǒng)的性能，我們將獲得的數(shù)據(jù)與 [23] 中的線寬理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。根據(jù)[24]計(jì)算了同類型的DBR激光器設(shè)置的固有線寬，即排除電流噪聲的唯一激光線寬:發(fā)現(xiàn)固有線寬低至2KHz。這個(gè)值已經(jīng)在類似的VHG穩(wěn)定ECDLs [1 0 ]， [11 中得到了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。因此，我們預(yù)計(jì)我們系統(tǒng)的固有線寬在同一范圍內(nèi)。該固有線寬與報(bào)告值 18 kHz 的偏差是由于殘余增益電流噪聲造成的，這是限制因素。然而，與最近用類似的 V H G 穩(wěn)定結(jié)構(gòu)[1 0 ]測(cè) 量的 值 相 比 ， 我 們 的 值 略 低 。 這是由于線寬與反模功率[23]-[25]成比例的關(guān)系。

圖 3.實(shí)驗(yàn)得到了兩個(gè)相同的VHG穩(wěn)定ECDLs在780nm處的拍頻和相應(yīng)的洛倫茲擬合。3dB寬度相當(dāng)于36KHz。根據(jù)理論[22]，其中一個(gè)激光器的光學(xué)線寬假定為一半，即 18 kHz。

為了確認(rèn)窄線寬和波長(zhǎng)調(diào)諧范圍的性能，對(duì)Rb蒸汽進(jìn)行了多普勒自由飽和光譜分析。實(shí)驗(yàn)裝置如圖4所示。ECDL在偏移電流210mA下工作。此外，還施加了一個(gè)振幅為10mA，頻率為1KHz的交流電流。因此，發(fā)射波長(zhǎng)連續(xù)調(diào)諧約5.2GHz。輸出光束的直徑首先通過(guò)擴(kuò)束鏡擴(kuò)大到1cm。這樣，大量的Rb蒸氣被泵浦。同一束光在被反射回來(lái)后作為探測(cè)光束，并且偏振旋轉(zhuǎn)90°�，F(xiàn)在垂直偏振的透射信號(hào)通過(guò)偏振光束采樣器導(dǎo)入到光電探測(cè)器，并顯示在圖5中�？梢钥吹饺齻�(gè)寬吸收峰，它們分別屬于以下基態(tài)的躍遷：87Rb5S1/2Fg= 2，

85Rb5S1/2Fg= 3和85Rb5S1/2Fg= 2。最重要的是，在這三個(gè)吸收峰內(nèi)都可以觀察到超精細(xì)結(jié)構(gòu)的蘭姆凹陷。為了證實(shí)這一點(diǎn)，在圖 5 的插圖中對(duì)屬于基態(tài) 85Rb5S1/2Fg= 3的躍遷凹點(diǎn)進(jìn)行了高分辨率放大。由于我們系統(tǒng)的線寬窄，這些凹點(diǎn)的典型寬度在Rb (6.07 MHz[27])的自然線寬范圍內(nèi)，是清晰可見(jiàn)的。

圖 4. 使用Rb原子蒸發(fā)池的雙通道自由多普勒飽和光譜分析裝置： 首先用擴(kuò)束鏡放大水平偏振激光束的直徑。然后，光束泵浦Rb蒸氣。同樣的光束兩次反射并通過(guò) λ/4 波片，探測(cè)Rb原子，最后通過(guò)光電探測(cè)器觀察傳輸?shù)男盘?hào)。

圖5. Rb飽和吸收光譜。在三條多普勒展寬吸收譜線內(nèi)，可以識(shí)別處Rb的超精細(xì)結(jié)構(gòu)。

由于這種飽和光譜通常在直接檢測(cè)而不是平衡檢測(cè)中進(jìn)行，因此良好的信噪比，即激光的低強(qiáng)度噪聲，是必要的。因此，我們?cè)u(píng)估了 50 Hz 至 10 MHz 頻率范圍內(nèi)的相對(duì)強(qiáng)度噪聲 (RIN)，大多數(shù)微音共振都發(fā)生在這一頻率范圍內(nèi)。我們用光電二極管檢測(cè)激光信號(hào)，并用跨阻放大器放大光電流。由偏置器分離，交流電信號(hào)被導(dǎo)入光譜分析儀，而直流電信號(hào)則由萬(wàn)用表監(jiān)測(cè)。交流電波動(dòng)和直流電功率的比值，歸一化到1Hz的分辨帶寬，得到RIN。在激光器工作電流為90mA，溫度為15°C時(shí)，得到的結(jié)果如圖6所示。從圖中可以看出，從 1 kHz 到 10 MHz 的頻率范圍內(nèi)，RIN 保持在 -135 dB/Hz 到 -136 dB/Hz 的幾乎恒定值，沒(méi)有任何由于微音效應(yīng)而產(chǎn)生的共振峰值。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明了當(dāng)增益電流高于閾值時(shí)，RIN的上限。將增益電流調(diào)整到150 mA會(huì)使RIN降低15 dB。這些結(jié)果再次證明了該設(shè)計(jì)具有很高的機(jī)械穩(wěn)定性。

轉(zhuǎn)自：光電查

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