全電流波長鎖定——長光華芯878.6nm光纖耦合模塊
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【摘要】：
近幾年，激光行業的發展如日中天，越來越多的傳統行業加入到激光加工的洪流，激光加工市場的需求增長十分顯著，其中，固體激光器以其脈寬窄，輸出能量大，峰值功率高，材料吸收好等特點，在精細微加工和特殊材料加工領域表現出色，受到市場的廣泛好評與認可。
在《長光華芯泵浦源助推固體激光器發展》一文中，我們談到了固體激光的應用發展，并簡單介紹了長光華芯的固體激光器泵浦源產品，文中提到，長光華芯固體激光泵浦源產品具有輸出能量平頂分布、全電流波長鎖定（鎖波長產品）的特點，那么這些特點對激光器的工作特性有什么影響？能帶來哪些益處呢？本文將圍繞這兩個問題進行詳細的介紹說明。
全電流波長鎖定
長光華芯固體泵浦源模塊承諾在客戶端的全應用電流下實現波長鎖定，鎖定效果（pib）＞95%。
前文中已提到，Nd:YVO4在878.6波段光泵浦下量子效率高，產生的熱量小。這個特性尤其對高功率固體激光器意義重大。但是，Nd:YVO4晶體在該波段的吸收譜寬較窄，TEC控溫已無法滿足對波長的控制需求。這就需要對泵浦源進行波長鎖定以減小溫度對波長的影響。
但是，受限于布拉格光柵的鎖定譜寬大小。泵浦源本證波長隨著電流增加而不斷升高，這就限制了波長鎖定的電流點數量。
圖1 Nd:YVO4晶體的吸收曲線
長光華芯憑借自主芯片生產及封裝工藝的優勢，滿足芯片波長自由組合、低熱阻及高可靠性等波長全電流鎖定的關鍵需求。
目前，長光華芯可實現模塊在閾值電流到工作電流下的全波長鎖定，鎖定后波長電流漂移系數為0.015-0.02nm/A，光譜寬度＜1nm。該鎖定特性保證了在設備啟動和調試過程中，半導體激光器泵源的中心波長及線寬保持不變，產品不受環境溫度的影響，為應用帶來了諸多的優勢。
由于在閾值電流附近長光華芯模塊就能完成良好的波長鎖定，在雙端泵浦固體激光器應用中，避免了常見的在開機或低電流工作條件下由于波長未鎖定未被晶體吸收造成的前后兩向泵浦源模塊對打引起的不可逆損壞問題，這為大功率固體激光器提供了良好的雙端泵浦解決方案。同時，也由于全波長鎖定特性，長光華芯模塊可以在波長保持鎖定的狀態下實現零到滿功率的連續調節，對終端精密加工應用來說提供更多的便利。
以長光華芯878.6-120W產品為例，工作電流10A，鎖定效果如下：
圖2 878.6nm 120W模塊全電流鎖定實測數據
實測數據顯示，長光華芯878.6nm 120W模塊在閾值電流到工作電流范圍內波長鎖定，FMWH＜0.5nm，PIB＞99.5%。
輸出能量平頂分布
光束平頂分布就是一類光強分布方式，是指激光光束在圓形區域內光通量幾乎一致，光斑內能量密度趨于均勻，光斑狀態如圖3。目前有關泵浦光對激光器工作特性的研究及實際應用表明，泵浦光的光強分布是對激光器的泵浦閾值、斜率效率、輸出功率等泵浦效果的一個不可忽略的影響因素。
圖3 光斑狀態
現有理論研究成果表明：平頂光束配合光斑尺寸的調節，可對激光器的泵浦閾值、斜率效率等產生積極的影響，同時在提高吸收效率、降低工作物質熱效應等方面起到積極作用。
平頂分布的泵源光束耦合到摻雜晶體內部時，泵源能量在截面方向被晶體均勻吸收。相比于高斯光束光束能量集中在中心區域，平頂分布泵浦下晶體內的熱分布比較均勻，熱梯度較小，從而降低固體激光器的熱透鏡效應，改善固體激光器的輸出光束質量，提高光光轉換效率。另外，有理論研究成果表明平頂光束配合光斑尺寸的調節，可對激光器的泵浦閾值、斜率效率等產生積極的影響。
長光華芯用于固體激光器泵浦的光纖耦合模塊通過光學系統組合及光路的優化調整可實現近乎平頂分布的光束輸出，同時其他各項產品指標已達同類先進水平，具備該特性的長光華芯固體泵浦源模塊在客戶端的實際應用中已取得優異的效果反饋。
圖5 長光華芯產品實測輸出光斑能量分布情況
長光華芯的808nm與878.6nm光纖耦合固體激光器泵浦源基于長光華芯自主研發并實現量產的單管芯片，通過精密的光學封裝和嚴苛的工藝過程控制，實現穩定可靠的光纖耦合輸出：
（1）808nm 400μm芯徑輸出功率25W-40W，光譜寬度＜3nm，波長偏差控制在±2.5nm；
（2）878.6nm 200/400/600μm芯徑輸出功率40W-175W，光譜寬度＜0.5nm，并可實現±0.5nm波長鎖定（VBG）；
以上產品均具有長壽命，轉換效率高，體積小，性能穩定等特點，經過近兩年在客戶處的使用示范驗證，產品性能穩定可靠，光光轉換效率高，采用自主研發并量產的單管芯片，波長控制優異，具有高性價比的明顯優勢，是固體激光器和固體皮秒激光器的理想泵浦源。
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