高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)作為發(fā)展成熟的激光光源,，在材料加工和固體激光器泵浦領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用,。盡管高功率半導(dǎo)體具備轉(zhuǎn)換效率高,、功率高,、可靠性強(qiáng)、壽命長(zhǎng),、體積小以及成本低等諸多優(yōu)點(diǎn)，但是光譜亮度相對(duì)較差則是一個(gè)不容忽視的缺點(diǎn),。半導(dǎo)體激光器bar條典型的光譜帶寬大約是3～6nm,，而且峰值波長(zhǎng)會(huì)受工作電流和工作溫度的影響而發(fā)生漂移?！?br/>

　　通常,，摻釹固體晶體是對(duì)其相對(duì)較寬的808nm吸收帶進(jìn)行泵浦，標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)能很容易地滿足808nm泵浦的光譜要,。但是在過去幾年里,，隨著半導(dǎo)體激光器bar條的工作電流和功率的不斷提高，導(dǎo)致在從閾值電流上升到工作電流的過程中產(chǎn)生了更大的波長(zhǎng)漂移,。為了確保在整個(gè)工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定,、有效的泵浦，需要控制泵浦半導(dǎo)體激光器的光譜,，使其光譜帶寬始終與激活激光介質(zhì)的吸收帶寬相匹配,。

　　另一方面，光纖激光器的迅速發(fā)展,，也增加了對(duì)其他波長(zhǎng)的泵浦源的需求,。例如，泵浦波長(zhǎng)為1080nm左右的標(biāo)準(zhǔn)摻鐿光纖激光器,，就需要915nm,、940nm和980nm的光纖耦合半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)，特別是980nm泵浦區(qū)尤為重要,，因?yàn)閾借O材料在該泵浦區(qū)具有較高的吸收系數(shù)和較窄的吸收帶寬,。

　　另一個(gè)新的泵浦波長(zhǎng)是在888nm泵浦Nd：YVO4，與808nm泵浦相比，888nm泵浦的優(yōu)勢(shì)在于該波長(zhǎng)處于各向同性吸收區(qū),，即在所有偏振方向上具有相同的吸收系數(shù),，并且量子虧損小。[1]

　　對(duì)于光譜線寬要求最高的應(yīng)用之一是堿金屬蒸汽激光器(如銣或銫)的光泵浦,，這類應(yīng)用需要的線寬大約為10GHz,。對(duì)于這些應(yīng)用，要實(shí)現(xiàn)有效泵浦,，控制半導(dǎo)體激光器泵浦源的光譜,。[2]

　　由多個(gè)半導(dǎo)體激光器bar條構(gòu)成的高功率半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的另一缺點(diǎn)在于相對(duì)較差的光束質(zhì)量和亮度B，公式(1)是B的定義,。半導(dǎo)體激光器光束的亮度由激光功率P以及慢軸和快軸方向上的光束參數(shù)乘積(BPP)a所確定,。

　　普通大面積半導(dǎo)體激光器bar條的輸出光束是由對(duì)于光束尺寸和發(fā)散角高度非對(duì)稱的參數(shù)來表征的?？燧S方向上的光束質(zhì)量約為1mm,，接近衍射極限;然而，標(biāo)準(zhǔn)10mm大面積半導(dǎo)體激光器bar條慢軸方向上的光束質(zhì)量在400～500mm之間,，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了衍射極限,。

　　最近幾年中，通過增加每個(gè)發(fā)射體的輸出功率和減小慢軸發(fā)散角,，半導(dǎo)體激光器bar條的亮度已經(jīng)得到了顯著提高,。這些進(jìn)展帶來了發(fā)射體數(shù)量減少、發(fā)射體間距增加的新型半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì),。這些迷你bar條比傳統(tǒng)的10mm大面積半導(dǎo)體激光器bar條更具優(yōu)勢(shì),。[4]

　　半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)亮度的進(jìn)一步增強(qiáng)是通過偏振耦合和波長(zhǎng)復(fù)用實(shí)現(xiàn)的。偏振耦合僅能將亮度提高一個(gè)單位系數(shù)的兩倍,，而波長(zhǎng)復(fù)用技術(shù)受可用波長(zhǎng)數(shù)量n的限制,。 事實(shí)上，波長(zhǎng)復(fù)用進(jìn)行功率擴(kuò)展是以犧牲光譜亮度為代價(jià),。

　　標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體激光器光源的波長(zhǎng)復(fù)用,，以及基于非介質(zhì)膜的波長(zhǎng)耦合器，需要大約30nm的光譜寬度,。通過使用具有穩(wěn)定的窄帶發(fā)射光譜的半導(dǎo)體激光源和體全息光柵作為組合單元,，光譜距離可以顯著縮減到3nm。[5]結(jié)果,，對(duì)于給定的光譜范圍,，能夠被復(fù)用的半導(dǎo)體激光器bar條的數(shù)量增加，進(jìn)而使亮度增強(qiáng),。

　　光譜穩(wěn)定的半導(dǎo)體激光器模塊更大的優(yōu)點(diǎn)是其對(duì)工作溫度和工作電流的敏感性降低,，從而使冷卻系統(tǒng)更加簡(jiǎn)便,。另外，其對(duì)于芯片材料的規(guī)格要求也降低了,，提高了生產(chǎn)中的晶圓利用率;而且還消除了隨著半導(dǎo)體激光器工作時(shí)間增加而引起的波長(zhǎng)變化(紅移),。然而，應(yīng)該指出的是,，所有這些優(yōu)點(diǎn)的獲得要取決于體全息光柵的鎖定范圍,。

　　下面將介紹不同的波長(zhǎng)穩(wěn)定技術(shù)。

　　2. 波長(zhǎng)穩(wěn)定的基本概念

　　2.1波長(zhǎng)穩(wěn)定的方法

　　在過去,，為了改善半導(dǎo)體激光器bar條的光譜亮度,，研究人員探討了一些不同的方法。這些方法可分為激光器內(nèi)部和外部解決方案,。內(nèi)部解決方案將波長(zhǎng)穩(wěn)定結(jié)構(gòu)集成到半導(dǎo)體激光器bar條內(nèi)部,，而外部解決方案則是將體全息光柵與布拉格光柵分開，以穩(wěn)定波長(zhǎng),。

　　分布式反饋半導(dǎo)體激光器(DFB)是采用內(nèi)部波長(zhǎng)穩(wěn)定解決方案的一個(gè)典型例子,，用于選擇性光譜反饋的光柵被集成在激光器bar條的激活區(qū)結(jié)構(gòu)中。這樣,，波長(zhǎng)隨溫度的漂移指標(biāo)將減少到大約0.08nm/K,，光譜帶寬將減少到小于1nm。[6,7,8]很明顯,，這種DFB-半導(dǎo)體激光器的制造過程更為復(fù)雜，導(dǎo)致成本增加,。這種激光器的另一個(gè)缺點(diǎn)是效率降低,。

　　除了內(nèi)部波長(zhǎng)穩(wěn)定方案，研究人員還探討了通過外部元件實(shí)現(xiàn)波長(zhǎng)穩(wěn)定的解決方案,。外部波長(zhǎng)穩(wěn)定元件的一個(gè)例子是基于光熱折變(PTR)無機(jī)玻璃的厚體光柵,。這種光柵通過紫外光照射下折射率的周期性變化，實(shí)現(xiàn)在這種感光玻璃內(nèi)記錄高效布拉格光柵,。市場(chǎng)上有不同廠商出售這種體衍射光柵,，只是名字稍有不同，如體布拉格光柵(VBG)[9],、體全息光柵(VHG)[10],，或是體布拉格光柵激光器(VOBLA)[11]。

　　與內(nèi)部解決方案相反,，外部波長(zhǎng)穩(wěn)定不需要對(duì)芯片結(jié)構(gòu)做任何修改,，也就是說，通過外部體全息光柵就能夠?qū)?biāo)準(zhǔn)大面積半導(dǎo)體激光器bar條進(jìn)行波長(zhǎng)穩(wěn)定,。這是外部解決方案的一個(gè)重要優(yōu)勢(shì),。此外,，與內(nèi)部解決方案相比，外部波長(zhǎng)穩(wěn)定方案能獲得更小的溫度漂移和光譜帶寬：溫度漂移能減少到約0.01nm/K,，光譜寬度減小到小于0.3 nm,。然而，外部波長(zhǎng)穩(wěn)定方案的一個(gè)重要缺點(diǎn)是需要敏感和高度對(duì)準(zhǔn)的VHG,。

　　圖1所示的是采用外部波長(zhǎng)穩(wěn)定方案的半導(dǎo)體激光器bar條的典型組成,。VHG的角度敏感性有利于減少半導(dǎo)體激光器bar條的發(fā)散，特別是在快軸方向上利用快軸準(zhǔn)直透鏡(FAC)來準(zhǔn)直光束,。VHG將顯著提高光學(xué)反饋,。VHG直接置于FAC之后。圖1中的表格所示的是有效波長(zhǎng)穩(wěn)定所需的典型對(duì)準(zhǔn)公差,。