專用高功率激光組合器促進全息技術的進步

Proc. SPIE. 11710-12, Practical Holography XXXV: Displays, Materials, and Applications (6 March 2021)

翻譯：上海星譜科技有限公司 info

摘要

激光全息成長為商業市場，用于全息光學元件(HOEs)的生產，用于虛擬現實(VR)和增強現實(AR)設備中的圖像投影，以及用于生成三維物體(如博物館文物)的超逼真的全彩復制品的白光模擬全息圖。這些快速發展的全息技術和基于全息技術的應用需要的光源要求：多個波長，同時在同一光路上穩定可靠。

商業化、極可靠的單頻或單縱模(SLM)激光滿足了全息拍攝的需求。這些激光在可見光譜中具有長相干長度、優異的波長穩定性和精度，以及穩定的高輸出功率。然而多波長系統中所必需的光學對準和光束合束，在技術上是具有挑戰性和耗時的。精細的組裝和持續的維護會浪費寶貴的時間和資源。提高全息圖和HOEs質量是我們所需的，從更基礎的工作中轉移出來，這便是目標，開發一種激光組合器，在曝光期間為每條激光線提供必要的性能，并具有強穩定性的對準光束，以及曝光之間的可重復性，這需要嚴格控制光機械組件設計和熱處理。

本文評估了一種激光組合器的性能。該組合器可集成4條以上的激光線，激光的光功率可高達1.5 W，共線對齊，具有高精度的位置重疊、角重疊、光束指向穩定性和長時間的可重復性。該激光組合器包括激光源、控制電子器件和光束合束光學器件，并被設計為易于運輸，提供了理想的激光合束解決方案，以促進全息技術的進步

關鍵詞：全息照相，激光泵浦，激光合束器，二極管泵浦激光器

1. 引言

借助激光的相干特性，全息和干涉測量技術被用于全息光學元件(HOEs)的開發和生產，用于虛擬現實(VR)和增強現實(AR)設備的圖像投影; 利用真彩全息技術制作珍貴文物的三維復制品，如光學克隆™ [1].

隨著虛擬現實(VR)和增強現實(AR)中圖像投影設備的市場發展，全息光學元件(HOE)受到越來越多的關注。HOEs的制造是利用可見光的干涉和衍射，將三維特征記錄到全息材料中。光學元件包括透鏡、反射鏡、衍射光柵和其他光束整形光學元件。全息工藝為輕量、靈活的光學元件提供了無限可能。[２]

光學克隆™，被用來展示無價的藝術作品，例如Fabergé蛋。這些復制品變得如此逼真，使得藝術愛好者在欣賞世界各地的巡回展覽的同時，也能小心翼翼地保存真正的文物。真彩色全息圖是由3種或3種以上不同波長的激光光源組合而成的，這就是所謂的“白光”全息圖。

商業生產復雜、高精度的HOEs和逼真的真彩全息圖通常需要多個高功率激光光源。這些激光源必須提供的TEM00光束，足夠優秀的波長和功率穩定性，長相干長度，必須能夠適應環境條件 [3]。這種激光器在商業上是可行的，但是多光源的光學對準和光束路徑管理困難且耗時。校準和組合激光光源的工作可能會分散人們對制作HOEs和全息圖這一本來就很有挑戰性的工作的注意力。為了使這些技術更加商業化，多色、共線性、高性能的激光組合器必須能夠適應各種環境條件。一種專用的高功率激光組合器提供了經過驗證的穩定性能，消除了這些困難，促進了HOEs制造工藝的開發和全息圖曝光優化。

2. 全息激光

相干性是激光的基本特性，它使全息照相和干涉測量成為可能。然而，要曝光高分辨率、穩定、均勻的全息圖，以及具有研究所需的精度和適應日益增長的商業應用的處理速度的全息透鏡，還需要進一步的性能。決定激光光源是否適合全息應用的關鍵性能參數是功率、功率穩定性、空間和時間相干性、光束形狀和質量、波長穩定性和光束指向穩定性。

現有的許多激光技術可以提供全息術所需的必要性能，包括頻率轉換光參量振蕩器[4]，頻率穩定二極管激光器[5]，光纖激光器[6]和二極管泵浦固體激光器[7]。本文將重點討論集成控制電子器件并且性能可靠的小型二極管泵浦激光器(DPLs)，[3]特別適用于全息專用的激光組合器中。

二極管泵浦激光器(DPLs)擁有的TEM00光束，提供高的光輸出功率，具有全息所需的單頻性能和光譜穩定性。DPLs通常由一個泵浦二極管、一個固態增益介質和一個非線性光學元件組成。非線性頻率轉換，如二次諧波、和頻和三次諧波產生，使得在整個可見范圍內(從457 nm到660 nm)產生離散波長的相干光成為可能。然而，僅僅獲得合適的波長是不夠的。為了提供足夠窄的頻譜，腔內縱模模抑制元件只允許一個模式傳播，從而產生穩定的單頻、單縱模激光。

圖1:用于全息的二極管泵浦固態激光器原理圖(上)和模式抑制原理圖(下)。 [3]

在達到必要的單頻性能后，激光器必須采用可重復的、可控的制造過程。HTCure技術制造的所有Cobolt激光器具有的可靠性和穩固性。腔體組件和光束整形選項使用高溫固化粘合劑固定在一個整體平臺上，整個光學組件是密封的，以確保組件對齊和無污染。選擇質量的組件，優化熱-機械相容性，主動控制關鍵組件的溫度，以及平臺本身，進一步穩定腔。此外，優化過程控制和驗證關鍵參數，確保激光器在預期壽命內將達到所需的性能。

3. 小體積且的全息激光器性能測試

基于已建立的性能穩定性和制造重復性[3]，并努力最小化外形，Cobolt 05系列激光器的控制電子已集成到激光頭。這些激光器被稱為Cobolt 05-iE，由于它們不需要輔助設備，因此非常適合集成到激光組合器中。

圖2:集成控制電子器件的Cobolt 05-iE激光器，用于OEM集成的電源和I/O連接或到CE/CDRH兼容的按鍵控制盒。

，改變封裝方式會潛在地影響穩定性，特別熱處理是一個關鍵因素。在集成到專用高功率激光合成器之前，必須對所有關鍵性能參數進行驗證，并證明其在操作環境變化時的穩定性。本研究演示和表征了波長為457 nm、532 nm和640 nm的Cobolt 05-iE激光器的。波長是專門選擇的，用于同軸白光全息術。全息生產的曝光時間和記錄速度取決于照明的強度，這使得合適的激光輸出功率成為全息生產過程中生產力的一個關鍵因素。根據波長的不同，所需的功率水平可以從幾十毫瓦到瓦不等。通常情況下，激光波長越長(越紅)，所需的功率就越大。

本研究中包括的所有激光器輸出功率均大于300mW，并已通過所有標準出廠驗收測試，包括功率穩定性、噪聲、單縱模性能、光束直徑和橢圓度。這里演示了在指定的環境溫度范圍內工作時的性能，使用溫度控制底板，從20℃到45℃循環，以模擬10℃到35℃的環境溫度。溫度循環測量的結果旨在表明，在實驗室環境和不那么嚴格的氣候控制的制造地點，集成電子器件沒有對預期性能產生負面影響。

3.1 功率穩定性

激光器的功率穩定性是許多應用的一個關鍵性能參數，因此需要在每一個激光器上都得到驗證。在圖3中，我們展示了1.5 W的Cobolt Samba 05-iE 532nm激光器的結果。激光是安裝在TEC溫控板上，當底板溫度從20℃ - 45℃變化時，檢測功率穩定性。前12小時,包含兩個6小時周期，緊隨其后的是一個附加的6小時溫度循環(下圖12-18小時)激光器的電源開關的時間為30分鐘和10分鐘。在整個溫度范圍內，包括在底板溫度循環的同時ON - OFF循環的一段時間內，功率穩定性始終優于2%。

圖3:Cobolt 05-iE溫度循環下的功率穩定性，激光功率測量為深藍色，底板溫度為藍綠色(左)，溫控激光舉例(右)

3.2 光束形狀和質量

如上所述，激光的強度也必須與曝光時間一致。此外，強度在空間中也應該是均勻的，理想情況下是一個高斯分布的TEM 00光束，m² < 1.1，無論任何方向，直徑都相等，橢圓度優于0.90:1。下圖是在35°C的恒定底板溫度下，用光束質量分析儀測量光束質量，用掃描狹縫光束輪廓儀測量光束形狀。

圖4:光束質量m² < 1.1(左)和近乎的高斯光束輪廓(右)。

3.3 波長準確性

為了驗證波長精度，將集成到激光組合器中的激光器安裝在一個溫度控制的底板上，溫度在20℃到50℃范圍內循環時，用高精度波長計以500毫秒的測量間隔測量波長。如圖5所示，本研究中使用的激光器，底板溫度從20℃到50℃，457 nm激光器的波長變化< 2 pm，532 nm激光<1pm,640nm激光< 6pm。640 nm激光在溫度循環中波長穩定性的表現并不體現在恒溫下的波長穩定性上。在恒溫條件下，三種激光器波長穩定性表現優良;均<1pm。

圖5:集成到激光組合器前， 457 nm、532 nm和640 nm 的Cobolt 05-iE激光器波長穩定性

3.4 單縱模性能

相干長度是決定激光是否適合全息應用的一個重要因素。具有腔內縱模抑制元件的二極管泵浦固體激光器的實際線寬<<1 MHz，對應超過100米的相干長度。通過對SLM性能的驗證，我們可以確保給定激光器的期望線寬和期望相干長度沒有偏差。為了確保SLM性能足夠強大，可以用于系統集成，激光器用掃描法布里-珀羅干涉儀測量，具有10 GHz的自由光譜范圍，給出約67 MHz的分辨率(相當于約1.4 m的相干長度，取決于相干長度的計算方式)，同時安裝在一個溫度控制的基板上。下面我們看到一個典型的結果，顯示出的單模性能，用綠色表示，在20℃到50℃的溫度范圍內，在額定功率周圍，下面結果顯示了532 nm 1.5 W激光發射情況。

圖6:SLM掃描窗口顯示了在整個環境溫度范圍內以及在標稱工作功率周圍的功率范圍內的單頻性能。

3.5 光束指向穩定性

激光器必須具有優良的光束指向穩定性，才能成為光束組合系統的候選產品。為了測量光束指向的穩定性，激光器被放置在一個溫度控制的底板上，該底板上有一個距離出光孔徑至少1米的相機。在20℃到50℃的溫度周期內連續測量光束質心的位置，為消除溫控底板彎曲和運動對激光束指向結果的影響，在溫控底板上反射額外的一束光束，并在測量的激光束指向穩定性中減去反射光束的指向穩定性。下面是來自Cobol 05-iE激光器的典型結果，<10 µrad /℃.

圖7:集成到激光組合器之前，Cobolt 05-iE激光器的光束指向穩定性。

4. 全息照相專用高功率激光組合器

多色或“白光”全息照相可能需要3種或更多不同的激光器。光學對準既麻煩又耗時。為了克服這個問題，激光組合器的開發為全息圖和全息光學元件的制造提供了一個緊湊和易于使用的界面。上述商用激光器的穩定性使它們可以被整合為一束共線的激光線，以允許在全息拍攝時擁有的靈活性，同時保持曝光參數的嚴格控制。這三種激光器組合安裝在一個金屬底板上，底板上還放置了合束和進一步處理光束傳輸的附件，如聲光調制器或電子快門。激光組合器分別由用于每個光束的垂直平移棱鏡和光束轉向鏡組成。所有激光器組合的發射都從一個共同的出光口發出。集成在組合器中的激光器的電氣接口和軟件控制接口也被整合進激光組合器外殼上的系統接口中。所有需要的激光安全特性也在激光組合器系統層面上得以實現，因此，激光組合器可以被視為一臺可以三(或更多不同)波長發射的激光器。

圖8:C-FLEX激光組合器之一，含457 nm、532 nm和640 nm三種Cobolt 05-iE激光器，紅色為可選聲光調制器，安裝在激光頭和組合器光學元件之間，可獨立用于衰減激光線，且不犧牲穩定性。［8］

光束重疊和位置穩定性對任何激光組合器都至關重要，全息專用的高功率激光組合器也不能例外。光束線是由三個或多個單獨的激光光束組成的，它們被制成共線，以方便多色全息曝光的實驗和生產，使用組合器的關鍵優勢是用戶不必在改變顏色時調整曝光位置。如上所述，激光性能是決定激光組合器是否適合全息應用的關鍵因素。激光組合器作為一個系統，其性能需要得到進一步控制，如光束位置重疊和角度重疊特性，在恒定的基板溫度下光束指向的穩定性，以及在溫度變化情況下光束指向的穩定性，這些都已經在C-FLEX上進行了評估，并將在下面的章節中進行討論。

4.1 激光組合器內的激光性能

演示激光組合器隨時間變化的波長穩定性對于全息應用特別有意義。激光組合器集成了輸出功率為1.5W的532 nm激光器，激光組合器安裝在25℃溫控的面包板上，用高精度波長計連續測量6天。結果顯示波長在6天周期內的不穩定性<1pm。

圖9:集成到激光組合器后的Cobolt 05-iE激光器的波長穩定性

4.2 激光組合器的光束位置重疊和角度重疊特性

在制造過程中對激光光束位置重疊和光束角度重疊進行優化，以實現裝運前的理想對準。激光組合器內部的雙針孔設計，讓基準光束從最遠的位置通過出光孔徑。然后在距孔徑約10厘米和距出光孔徑至少1米處測量每束光的質心位置。利用集成的光力學合束器，微調光束在孔徑處的位置，使光束重疊優于50μm，光束角度重疊優于150μrad。

4.3 在恒定的底板溫度下，光束指向的穩定性

為了顯示光束在固定環境條件下的指向穩定性，激光組合器被安裝在溫控面包板上，在整個測量過程中溫度恒定的25°C。在距離激光組合器出光孔徑1米處用光束相機測量光束質心位置，光束位置的變化(以μm為單位)除以組合器到相機的距離(以m為單位)，為光束指向穩定性(以μrad為單位)。

在圖10中，我們看到在16小時的測試中測量的光束指向穩定性，每束光的角偏都小于30 μrad。這相當于在1 m處目標質心束位置的位移小于30µm。值得注意的是，本研究中激光器光束直徑700 μm，457 nm和532 nm發散全角1.2 mrad，640nm發散全角1.4 mrad。在距離激光組合器出光孔徑1 m處，激光的光束直徑在1.4 ~ 1.5 mm之間，指向穩定性在光束全角的2%以內。

圖10:在底板恒溫情況下，組合器中每束激光光束指向穩定性

4.4 不同底板溫度下的光束指向穩定性

此外，還測量了激光組合器底板溫度對光束位置和角度偏差的影響。將水冷面包板設定在20 ~ 45℃范圍內的不同溫度，測量該范圍內，光束角隨溫度的變化。當底板溫度從一個設定值階躍到另一個設定值時，以連續的方式獲得光束質心位置。激光組合器基板從20℃處開始，以初始光束位置為基準測量相對角偏差歸一化結果。圖11中的光束角偏差代表了各光束的角偏差與激光組合器底板溫度的關系，而不是光束與光束角重疊的關系。

640 nm激光在離出光口最遠的位置，顯示出組合器的光束角偏差15.6 μrad/℃，這< 20 µrad/°C的標稱值。與直覺相反，結果顯示激光器在第二位置的光束角度偏差與溫度相關性最小。這可能是由于激光本身的指向穩定性，或者是由于中心的底板比兩邊更小的溫漂，還有待觀察。

圖11:不同底板溫度下，激光組合器光束指向穩定性。640nm激光器離出光口最遠。

5. 結論

通過在單一平臺上集成三個高功率單頻可見激光器，具有的TEM00光束和極穩定和可靠的光譜性能。精密對準共線“白光”激光組合器，能夠滿足全息領域日益增長的的重要性能要求。這種高功率激光組合器是可運輸的，包括所有的激光控制電子器件，結合光學和通信樞紐在一個單一的外殼，提供理想的激光光源，促進全息技術的進步。

參考文獻：

[1] Sarakinor, A., Lembessis, A., “Color Holography for the Documentation and Dissemination of Cultural

Heritage: OptoClones™ and Four Museums in Two Countries”, Journal of Imaging (15 June 2019)

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[3] McGovern, T., R?dmark, M., Elgcrona, G., Karlsson, H., “Ensuring reliable single-frequency laser performance

for holography and other interferometric techniques in production environments,” Proc. SPIE. 11306, Practical

Holography XXXIV: Displays, Materials, and Applications (21 February 2020)

[4] Hens, K., Sperling, J., Waasem, R., G?rtner, Elgcrona, G., “Widely tunable CW Optical Parametric

Oscillators:Mastering the challenges posed in quantum technology research,” Proceedings Volume 11269,

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[5] Hens, K., Sperlinga, J., Sherliker, B., Waasem, N., Ricks, A., Lewis, J., Elgcrona, G.," Lasers for holographic

applications: important performance parameters and relevant laser technologies," Proc. SPIE 10944, Practical

Holography XXXIII: Displays, Materials, and Applications, 1094408 (1 March 2019)

[6] “Fiber lasers holography”. https://azurlight-systems.com/portfolio_page/fiber-lasers-holography/

[7] “DPSS-Lasers”. https://hubner-

[8] “C-FLEX Laser Combiner”. https://hubner-/products/lasers/laser-combiners/c-flex/

原文鏈接

https://hubner-/wp-content/uploads/2021/09/11710-12-Facilitating-advancements-in-holographic-techniques-with-dedicated-high-power-laser-combiner_Ref.pdf

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