反射式体布拉格光栅的国产化之路

晋云霞¹，何冬兵^1,2，孔钒宇¹

1 中国科学院上海光学精密机械研究所

高性能半导体激光抽运源是各类高能固态、光纤和气体激光器的核心部件，但是半导体激光器存在一个主要缺点——光谱质量差，波长随着工作电流和热沉温度的变化导致漂移较大，光谱线宽较宽，很容易造成半导体激光的中心波长与被抽运的增益材料吸收峰失配，极大地影响半导体激光抽运在高功率激光器的输出效率及可靠性，限制了其作为抽运光源在材料加工领域的进一步应用。

因此，半导体激光器波长锁定及线宽窄化是激光技术领域的一个重要研究方向。

为了解决这个问题，越来越多的研发采用光纤光栅或体光栅作为激光阵列外腔的核心器件进行有效锁波，达到了稳定波长输出的目的，但是反射式体布拉格光栅（R-VBG）（如图 1）相较于光纤光栅大幅降低了光栅对环境温度和震动的敏感性，在高功率半导体激光的波长稳定和线宽压缩取得了显著效果^[1-6]。基于体布拉格光栅的角度和波长选择性，激光阵列外腔中每个单元发出的光波被选择反馈回相邻单元从而实现了激光器阵列外腔锁相，光谱宽度被压缩为原有的十分之一，对应的远场发散角在1.5 mrad以下，极大地提高了光束输出质量和稳定性，因而得到广泛应用。

目前，国际上能够提供商品化体光栅的公司主要有OptiGrate、PD-LD、Ondax，全部为美国公司。OptiGrate公司已经被美国知名激光器厂家IPG公司收购，ONDAX公司已被相干公司收购，PD-LD公司被Necsel公司收购，分别进行其在高功率激光器中的垂直化、一体化运营战略，进而对国内激光产业发展造成巨大竞争威胁。

同时，国内对高功率激光器的需求快速发展，对R-VBG的灵活设计要求也越来越高，长期购置国外R-VBG不利于推动国内高性能激光器的设计研发、新技术的拓展。在这种背景下，中国科学院上海光学精密机械研究所率先将R-VBG从实验室研发推向了批量商品化。

R-VBG是一种在光热敏折变（PhotoThermo-Refractive，PTR）玻璃中通过使用全息曝光技术而得到的一种体布拉格光栅（VBG）。其中，PTR玻璃是一种硅酸盐玻璃（Na₂OZnO-Al₂O₃-SiO₂），包含了少量氟（F）和溴（Br），添加铈（Ce）、银（Ag）、锑（Sb）、锡（Sn）等元素，通过紫外曝光和热处理的方式可以实现材料内部永久性的折射率改变。与传统的全息记录材料相比，PTR 玻璃材料的独特优势是其折射率随温度的变化非常小（约为5×10^-7K^-1），可以看作绝热性光学材料，能够经受住高强度激光的辐射。当光波沿着折射率调制周期的方向传输时，如果满足布拉格衍射条件就会发生选波长反射。把它垂直于光束传输方向安置在半导体芯片的外部，构成一个外腔，经过外腔选波长发射，激光器的输出波长就被稳定在这一布拉格波长上。

经研究测试：在使用R-VBG进行锁波的10年期间，其各项参数均未发现有退化现象。正常未锁波的情况下半导体激光的光谱特性随温度变化平均 0.25 nm/℃，随电流变化4.5 nm/A，而通过R-VBG锁定波长后，光谱特性随温度变化平均0.007 nm/℃。这相比透射式体布拉格光栅（T-VBG），R-VBG具有更加优异的波长选择性，其波长选择性曲线的半高宽可窄到几pm 至几十pm。在镀制增透膜后，其能量损耗可低于1%。正是由于这样的优良性能，R-VBG 现在已广泛用于激光器波长锁定、拉曼光谱仪、横纵模选取及控制、激光线宽压窄、目标指示激光器及提高激光器工作温度范围的应用领域中^[1-12]。

R-VBG受关注的指标主要有中心波长、半高宽、反射衍射效率、温漂系数和表面光洁度等。

R-VBG的指标研制和批量化分别面临着不同的技术难题，研制阶段实现光热敏折变玻璃的技术突破，批量化阶段更加注重材料制备的稳定性和光场稳定性及相应的检测能力。

• PTR玻璃技术

PTR玻璃是一种特殊的稀土掺杂氧卤化物硅酸盐玻璃，通过玻璃组分设计和稀土离子选择掺杂，实现特定光敏和热敏性能。其主要机理是利用Ce³⁺ 在300 nm-350 nm的吸收特性，通过紫外曝光使得Ce³⁺发生价态变化，给出一个电子被Ag⁺吸收，实现Ag⁺到Ag的变化，在一定温度热处理后形成Ag原子核团簇，之后进一步升高温度以控制玻璃的诱导析晶，玻璃材料中的NaF即可围绕银胶团生长形成微晶，如图2所示。最后在玻璃转变温度以下进行退火，稳定结构，释放应力。由于NaF 晶体的折射率小于光热敏折变玻璃材料本身的折射率，从而引起相对折射率变化，形成相位型光栅，从而制备成光热性能稳定、衍射效率高、布拉格选择性可控的体光栅。

中科院上海光机所借助特种玻璃组分设计、工艺制备和性能评估平台，经过三年的持续优化，成功开发出了稳定的PTR玻璃，其基本物理性能参数已和美国同类水平相当，具有较好的热敏和光敏特性，图3为PTR玻璃在不同处理阶段的透过谱。表1给出了上海光机所PTR玻璃性能参数。目前可实现的制备口径大于50 mm，均匀性达到10^-5级别，保证了后期多类型 VBG元件的制备。

表1 光热敏折变玻璃性能参数表

• 全息光场及温场均匀性

针对市场多种中心波长R-VBG批量化的产品需求，杭州拓致光电科技有限公司（以下简称“杭州拓致光电”）基于分振幅干涉曝光技术研发出一套曝光角度调节便捷、角度控制精度高、长时间稳定性高和人机交互友好的高精度自动化光栅写入系统。该系统通过综合考虑其中的光学系统、基板安装平台、条纹监视及锁定系统、自动控制软件和隔振平台及支撑结构，极大地提升R-VBG的研制水平和生产效率。该装置满足了最大尺寸50 mm×50 mm、中心波长在520 nm-2700 nm范围内可调的光栅结构写入需求，且其干涉曝光角控制精度在6″范围内，光场不均匀性可控制在±5%以内，这两个精度要求保证了R-VBG中心波长准确性和衍射效率均匀性。

而R-VBG的衍射效率均匀性不仅仅与曝光场的均匀性相关。因为经光栅写入后的PTR玻璃需要经过高温热显影才能在玻璃体内形成永久的光栅结构，因此高温热显影过程中的温度均匀性控制对最终R-VBG的衍射效率均匀性有着重大影响。杭州拓致光电进行了大量的工艺探索，外协开发了高精度、高均匀体光栅专用热显影炉，实现R-VBG衍射效率均匀性控制在±2%以内。

• 检测技术

对于R-VBG性能参数的检测包含中心波长λ_c、反射效率η、半峰全宽FWHM、倾斜角θ_t等，杭州拓致光电发展了诸如频谱扫描法、角谱法以及超连续谱法对R-VBG以上的性能参数进行检测，三种测量技术相互印证、相互补充。其中频谱扫描法可以通过一次测量得到其中心波长、反射效率以及光谱半峰全宽；角谱法可以测量倾斜角、中心波长和效率；超连续谱法可以得到中心波长。见图4。

对于R-VBG高功率激光作用下的温度和中心波长温漂系数、锁波半宽、锁波输出效率等采用自行搭建的高功率锁波测量系统进行测量（图5）。该设备包含半导体激光光源、准直镜、转台、功率计、高精度光谱仪和红外热像仪等组成。对自产R-VBG进行测量，发现在100 W辐照下R-VBG具有良好的锁波性能，百瓦温升 21℃，波长温漂系数10 pm/℃左右（图6）。锁波输出效率为使用R-VBG锁波状态下的输出功率与自由状态下半导体激光器输出功率的比值，对于不同反射效率的R-VBG，其锁波输出效率不同，也就决定了R-VBG的使用具有一定程度上的定制化特点。

图6 R-VBG 高功率锁波测量结果：（a）多片 R-VBG 锁波信号；（b）100 W 激光辐照下 R-VBG 温度为 49℃；（c）电流逐渐增加，R-VBG 温度上升曲线；（d）R-VBG 的温漂系数拟合曲线

杭州拓致光电科技有限公司属于杭州光学精密机械研究所重点定向孵化公司，项目核心团队来自中科院上海光学精密机械研究所，与上海光学精密机械研究所形成一个科技资源共享的合作平台。公司自2020年4月成立来，已完成从光热敏折变玻璃研发和制备、光栅写入、热显影处理到性能检测等硬件的建设，可支持大尺寸光热敏折变玻璃及多种波长R-VBG器件的开发和生产。已累计向国内多家行业头部激光器公司提供了包括8xx nm，976 nm，969 nm，981nm等多种波长、不同衍射效率和不同尺寸定制化的R-VBG产品达10万余片，成为国内在光热敏折变玻璃及体光栅器件领域首家实现量产及规模化供应能力的公司。

通过从玻璃和光刻技术的优化提升，现阶段形成的体光栅器件实现的技术指标达到国外同等水平，具体如表2对比。

表2 体光栅系列产品

杭州拓致光电目前已实现在976 nm锁波元器件的规模化应用，如表2，线宽0.5 nm，在100 W入射条件下（Bar条，19 个点），中心波长偏移量都在0.5 nm范围内，锁定后半高宽在300 pm水平，温升30℃以内，可用于国内高功率激光系统中。

9xx nm抽运技术由于其电光转化效率高、非线性效应低被认为是高功率光纤激光器发展的未来技术路线。目前，9xx nm波长半导体激光器已基本实现国产化，包括北京凯普林、山东华光、长光华芯、江苏华兴激光、深圳星汉、江苏天元等多家公司。随着9xx nmR-VBG器件（图7）的国产化，国内高功率光纤激光器将以更高速度发展。

我国正在布局的十四五规划中，已明确要发展高端激光装备和高功率新型激光系统。无论是透射式体布拉格光栅还是反射式体光栅，都是各系统的核心元件。体光栅器件国产化之路将越走越宽。

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