1.引言
高功率半導體雷射器系統作為發展成熟的雷射光源，在材料加工和固體雷射器泵浦領域具有廣泛應用。儘管高功率半導體具備轉換效率高、功率高、可靠性強、壽命長、體積小以及成本低等諸多優點，但是光譜亮度相對較差則是一個不容忽視的缺點。半導體雷射器bar條典型的光譜帶寬大約是3～6nm，而且峰值波長會受工作電流和工作溫度的影響而發生漂移。
通常，摻釹固體晶體是對其相對較寬的808nm吸收帶進行泵浦，標準的半導體雷射器系統能很容易地滿足808nm泵浦的光譜要。但是在過去幾年裡，隨著半導體雷射器bar條的工作電流和功率的不斷提高，導致在從閾值電流上升到工作電流的過程中產生了更大的波長漂移。為了確保在整個工作範圍內實現穩定、有效的泵浦，需要控制泵浦半導體雷射器的光譜，使其光譜帶寬始終與激活雷射介質的吸收帶寬相匹配。
另一方面，光纖雷射器的迅速發展，也增加了對其他波長的泵浦源的需求。例如，泵浦波長為1080nm左右的標準摻鐿光纖雷射器，就需要915nm、940nm和980nm的光纖耦合半導體雷射器系統，特別是980nm泵浦區尤為重要，因為摻鐿材料在該泵浦區具有較高的吸收係數和較窄的吸收帶寬。
另一個新的泵浦波長是在888nm泵浦Nd：YVO4，與808nm泵浦相比，888nm泵浦的優勢在於該波長處於各向同性吸收區，即在所有偏振方向上具有相同的吸收係數，並且量子虧損小。[1]
對於光譜線寬要求最高的應用之一是鹼金屬蒸汽雷射器（如銣或銫）的光泵浦，這類應用需要的線寬大約為10GHz。對於這些應用，要實現有效泵浦，控制半導體雷射器泵浦源的光譜。[2]
由多個半導體雷射器bar條構成的高功率半導體雷射器系統的另一缺點在於相對較差的光束質量和亮度B，公式（1）是B的定義。半導體雷射器光束的亮度由雷射功率P以及慢軸和快軸方向上的光束參數乘積（BPP）a所確定。[3]
普通大面積半導體雷射器bar條的輸出光束是由對於光束尺寸和發散角高度非對稱的參數來表徵的。快軸方向上的光束質量約為1mm•mrad，接近衍射極限；然而，標準10mm大面積半導體雷射器bar條慢軸方向上的光束質量在400～500mm•mrad之間，遠遠超過了衍射極限。
最近幾年中，通過增加每個發射體的輸出功率和減小慢軸發散角，半導體雷射器bar條的亮度已經得到了顯著提高。這些進展帶來了發射體數量減少、發射體間距增加的新型半導體雷射器設計。這些迷你bar條比傳統的10mm大面積半導體雷射器bar條更具優勢。[4]
半導體雷射器系統亮度的進一步增強是通過偏振耦合和波長復用實現的。偏振耦合僅能將亮度提高一個單位係數的兩倍，而波長復用技術受可用波長數量n的限制。 事實上，波長復用進行功率擴展是以犧牲光譜亮度為代價。
標準半導體雷射器光源的波長復用，以及基於非介質膜的波長耦合器，需要大約30nm的光譜寬度。通過使用具有穩定的窄帶發射光譜的半導體雷射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]結果，對於給定的光譜範圍，能夠被復用的半導體雷射器bar條的數量增加，進而使亮度增強。
光譜穩定的半導體雷射器模塊更大的優點是其對工作溫度和工作電流的敏感性降低，從而使冷卻系統更加簡便。另外，其對於晶片材料的規格要求也降低了，提高了生產中的晶圓利用率；而且還消除了隨著半導體雷射器工作時間增加而引起的波長變化（「紅移」）。然而，應該指出的是，所有這些優點的獲得要取決於體全息光柵的鎖定範圍。
下面將介紹不同的波長穩定技術。
2.波長穩定的基本概念
2.1波長穩定的方法
在過去，為了改善半導體雷射器bar條的光譜亮度，研究人員探討了一些不同的方法。這些方法可分為雷射器內部和外部解決方案。內部解決方案將波長穩定結構集成到半導體雷射器bar條內部，而外部解決方案則是將體全息光柵與布拉格光柵分開，以穩定波長。
分布式反饋半導體雷射器（DFB）是採用內部波長穩定解決方案的一個典型例子，用於選擇性光譜反饋的光柵被集成在雷射器bar條的激活區結構中。這樣，波長隨溫度的漂移指標將減少到大約0.08nm/K，光譜帶寬將減少到小於1nm。[6,7,8]很明顯，這種DFB-半導體雷射器的製造過程更為複雜，導致成本增加。這種雷射器的另一個缺點是效率降低。
除了內部波長穩定方案，研究人員還探討了通過外部元件實現波長穩定的解決方案。外部波長穩定元件的一個例子是基於光熱折變（PTR）無機玻璃的厚體光柵。這種光柵通過紫外光照射下折射率的周期性變化，實現在這種感光玻璃內記錄高效布拉格光柵。市場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]，或是體布拉格光柵雷射器（VOBLA）[11]。
與內部解決方案相反，外部波長穩定不需要對晶片結構做任何修改，也就是說，通過外部體全息光柵就能夠對標準大面積半導體雷射器bar條進行波長穩定。這是外部解決方案的一個重要優勢。此外，與內部解決方案相比，外部波長穩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，光譜寬度減小到小於0.3 nm。然而，外部波長穩定方案的一個重要缺點是需要敏感和高度對準的VHG。
圖1所示的是採用外部波長穩定方案的半導體雷射器bar條的典型組成。VHG的角度敏感性有利於減少半導體雷射器bar條的發散，特別是在快軸方向上利用快軸準直透鏡（FAC）來準直光束。VHG將顯著提高光學反饋。VHG直接置於FAC之後。圖1中的表格所示的是有效波長穩定所需的典型對準公差。
圖1：採用波長穩定方案的半導體雷射器bar條的典型組成，VHG直接置於快軸準直透鏡（FAC）之後。表中給出了圖中所示組成的典型對準公差。
Typical tolerances for rotation：典型旋轉公差
x-axis：x軸；y-axis：y軸；z-axis：z軸
2.2 半導體雷射器參數對外部波長穩定性能的影響
為了獲得有效、穩定的波長穩定方案，必須對半導體雷射器bar條的相關參數進行仔細控制，這些參數包括輸出面增透膜的反射率、發射體結構、腔長、smile效應、角度發射特性以及安裝技術等，這些參數將影響波長隨工作電流和工作溫度的漂移。
通過折射率調製、改變空間頻率和厚度，可以優化VHG的性能。這三個獨立的參數決定布拉格角、衍射效率、光柵的光譜和角度選擇性。原則上，對於每種配置，這些VHG參數都必須分別優化。然而根據經驗，對於大多數常用的半導體雷射器bar條，VHG反射率約為20％。當然，與沒有採用波長穩定方案的半導體bar條相比，對於給定的電流，採用波長穩定方案的bar條因為插入了一個VHG，將會導致輸出功率有所下降。具有