В современной медицине и обработке материалов получили широкое применение многомодовые полупроводниковые лазеры с высокими показателями выходной оптической мощности - более 1 Вт. Используются они и для накачки твердотельных лазеров. Также используются стеки данных лазеров, имеющих высокую выходную мощность, достигающую показателей в десятки и даже сотни Ватт. Спрос на подобные лазеры очень велик и постоянно увеличивается.
Типовым показателем лазеров на основе полупроводников является один Ватт оптической мощности с площади эмиттера 100 x 1 мкм2. Но это далеко не предел. Есть лазеры, получающие до 4 Вт с той же площади эмиттера.
Но при эксплуатации полупроводниковых лазеров есть и свои проблемы. Одна из основных – трудности с контролем спектральных характеристик. Стандартный предел точности при установке рабочей волны составляет плюс/минус 3 нм. Полная ширина при полувысоте линии спектра составляет приблизительно те же 3 нм. При этом длина рабочей волны зависит от температуры. Температурный коэффициент равняется отношению dλ/dT и составляет 0.3 нм на 1 градус по Цельсию. Ещё одна проблема – постепенное смещение рабочих длин в длинноволновую часть спектра из-за чего срок эксплуатации оборудования ограничивается 10 тыс. часов. С учетом же достаточно высокой стоимости полупроводниковых лазеров достаточно актуальным является вопрос повышения их срока службы.
Одним из решений указанных выше проблем стала технология, разработанная американской компанией PD-LD, основанная на использовании патентованных объёмных голографических решеток Брэгга. Результатом её внедрения стало существенная оптимизация спектральных характеристик, достигнутая благодаря фиксации и уменьшению ширины рабочих длин волн полупроводниковых лазеров.
Применение Брэгговских решеток (Б. Р.) даёт возможность сужать полосу излучения многомодовых лазерных диодов и линеек лазеров, точно настраивать рабочую длину волн и значительно уменьшить зависимость от температурного воздействия. Мощные полупроводниковые лазеры с решетками Брэгга позволят достичь больших результатов при решении стоящих перед ними задач.
Большинство ныне используемых методик создания объемных дифракционных решеток базируется на применении бихромированного желатина, которому отводится роль светочувствительного материала. Есть и решения, основанные на применении фоторефрактивных полимеров или электрооптических кристаллов. В сравнении с ними объёмная Б. Р. имеет более стабильный голографический фильтр, как по физическим, так и по химическим параметрам. Причина – использование неорганических фоторефрактивных стекол с изменяемым преломлением под действием ультрафиолета. Диоксид кремния, являющийся основой стекла, намного более стабилен бихромированного желатина и др. используемых для создания дифракционных решеток материалов.
Исследования показали, что характеристики Брэгговских решеток остались стабильными при росте температуры до 200 °C. Основные физические параметры - химическая стабильность, твердость и предел оптического разрушения сходны с параметрами широко используемых оптических стекол, таких как например BK7. Помимо этого, часто применяются решетки с толщиной от 0.5 до 10 мм, что значительно превышает толщину желатиновых пленок, составляющую менее 0.05 мм.
Применение объемных Б. Р. даёт возможность создать луч с очень узкой спектральной линией при ширине от 0,05 до 0,5 нанометров. Благодаря возможности высокоточной настройки длины волны лазерного луча и её стабильности в течение всего периода эксплуатации использование решеток Брэгга влечет за собой и солидную финансовую выгоду. Увеличивается и оптическая мощность производственных лазеров с заданной длиной волны, что позволяет начать крупносерийный выпуск мощных полупроводниковых лазеров.
Объёмные Б. Р. могут применяться в мощных полупроводниковых лазерах и для корректировки спектра излучения. С их помощью можно «вынудить» лазер работать в определенном спектральном диапазоне, который задаётся характеристиками Б. Р. При этом рабочая длина волны объёмной решетки устанавливается с гораздо более высокой точностью, чем у луча полупроводникового лазера.
Данное решение, основанное на волоконных Б. Р., используется для стабилизации по длине волны лазера с рабочим параметром в 980 нм используемых для накачки оптоволоконных усилителей. Но основным условием здесь является стыковка лазера с оптоволокном и, соответственно, строгое использование одного лазера на одно волокно. Применение объёмных Б. Р. не требует стыковки лазера и оптоволокна, что позволяет одновременно стабилизировать по длине волны целую группу лазеров, используя одну решетку. Помимо этого объёмная Б. Р. даёт возможность сохранить оптическую мощность группы лазеров.
На современном рынке мощных полупроводниковых лазеров есть разработки, направленные на стабилизацию длины волны и сужение излучаемого спектра. Но в их основе лежит применение сложных оптических модулей, в конструкцию которых входят линзы, зеркала и дифракционные решетки. В отличии от них, Брегговская решетка позволяет достичь того же результата с помощью одного фоторефрактивного стекла и цилиндрической линзы. Последняя и без этого является важным компонентом стека полупроводниковых лазеров, и применение объёмных Б. Р. практически не изменило габариты системы. Благодаря максимальной простоте данной методики она является очень перспективной и коммерчески успешной.
Использование Брэгговской решетки для стабилизации полупроводниковых лазеров открывает новые перспективы по их использованию в новых направлениях. В частности – это расширение сферы использования в медицине, накачка твердотельных лазеров для исследований поверхности земли и в научных исследованиях.
