什么是体积布拉格光栅（VBG）激光二极管？

体积布拉格光栅（VBG）激光二极管是一种激光二极管，它利用布拉格光栅实现高光谱纯度和波长稳定性。体积布拉格光栅是一种透明介质，其折射率呈周期性变化，能够为激光二极管提供窄的谱线宽度。它被用于泵浦某些固态激光器，其中激光晶体在狭窄的波长范围内表现出高效的泵浦吸收。体积布拉格光栅通常用于锁定高功率二极管激光器和固态激光器（如Nd:YAG激光器）的波长，使其保持在特定波长。

通过将激光二极管与VBG结合使用，可以稳定激光二极管的波长。当将VBG添加到激光二极管时，产生额外的光学反馈，从而使激光光束在窄的光学带宽内发射，有效地确定VBG的输出波长。如果没有反馈，波长可能会因温度变化和激光二极管的老化而发生偏移。通过这种方式，总光学带宽可以减少到几个纳米，这对于固态激光泵浦非常有用。

VBG激光二极管的结构

图1: VBG激光二极管的结构

VBG激光二极管的结构通常包括激光二极管、体积布拉格光栅和准直透镜。图1展示了VBG激光二极管的结构。

激光二极管通常包含激光增益介质，通常是如GaAs或InP等半导体材料，形成在两个镜子之间。泵浦源，特别是发出短于所需输出波长的高功率激光二极管，用于激励激光增益介质。VBG位于激光腔的一端，作为输出耦合器。VBG的端面经过光学抛光，并涂有抗反射涂层，以防止寄生反射，这种反射是激光中发生的非意图和不希望的振荡，导致噪声或不稳定性。此外，还有一个准直透镜用于准直激光束。

VBG激光二极管的工作原理

图2: VBG激光二极管的工作原理

当电流施加到激光二极管和泵浦源时，它激励激光增益介质并发出宽光谱的波长 λ₁、λ₂、…λ_N。激光光束通过激光腔传播，并使用准直透镜聚焦到位于腔一端的VBG上。这使得光栅作为输出耦合器，仅反射所需波长的激光光束回到腔内，同时允许其他所有波长通过。这种选择性反射是由于VBG的周期性折射率调制，作为波长选择性反射器。因此，VBG使激光自我种子化，产生窄光束，激光二极管被迫在布拉格光栅选择的特定波长下工作。因此，激光仅发出一个波长 λ₁。该激光光束通过透明的输出窗口退出激光腔，该窗口对所需的输出波长是透明的。VBG激光二极管的工作原理如图2所示。

VBG激光二极管的优点

• 改善的光谱稳定性
• 成本效益高，易于实施
• 较少的冷却需求
• 改善的发射特性
• 提高的泵浦效率
• 能够在高功率下工作
• 不一定需要将光源耦合到光纤中
• 在宽温度范围和驱动电流下保持一致的泵浦效率

VGB激光二极管的缺点

• 结构复杂
• 额外的腔光学元件增加了机械脆弱性

VBG激光二极管的应用

VBG激光二极管在许多不同领域具有广泛的潜在应用。它们用于材料加工和制造，需要高功率和高效激光来切割、焊接和退火各种材料。VBG激光二极管也可以用于医疗应用，如激光手术或光动力疗法，其光谱稳定性和高功率输出可以提高这些治疗的有效性和安全性。

这些激光二极管还可以用于电信领域，其光谱稳定性和高效率可以改善光通信系统的性能。它们还可以用于娱乐领域，如激光灯光秀，其产生高功率和稳定光束的能力可以创造出惊艳的视觉效果。