全息激光器性能參數分析

作者：E.K. Illy*, H. Karlsson & G. Elgcrona. Cobolt AB, a part of HüBNER Photonics, Vretenv?gen 13, 17154, Stockholm, Sweden

翻譯：上海星譜科技有限公司 info上海市普陀區中江路388弄國盛中心2號樓1506室

摘要

目前人們對全息技術和全息光學元件(HOEs，holographic optical elements)的興趣激增，與虛擬現實（VR，virtual reality）和增強現實（AR，augmented reality）應用有關，這導致對新的激光技術的要求增加，需要新的波長，更高的輸出功率，在某些情況下，改良控制這些參數是重要的 。

無論是對于全息圖的光學記錄，還是圖像顯示器用HOEs的生產，光源通常固定在RGB波長中選擇激光器(457nm, 473nm, 491 nm, 515 nm, 532 nm, 561 nm，640 nm, 660 nm)或者選擇一個波長可調諧的光源(450 nm - 650 nm)或組合。在所有情況下，激光器需要有很長的相干長度(<10 m)，優秀的波長穩定性和精度以及非常好的功率穩定性。此外，由于全息技術和HOEs的新應用通常需要在工業環境中大量制造，因此對具有良好可靠性和長工作壽命的激光源的要求越來越高。

在本文中，我們介紹了使用高平均功率、單頻(SF)或單縱模(SLM)激光器產生全息圖和HOEs時應考慮的性能指標，以及能夠提供這些性能指標的一些激光技術。

關鍵詞:全息激光，SLM，激光性能，激光波長

1. 引言

1971年，諾貝爾獎授予了丹尼斯·加伯，以表彰他“發明和發展全息技術”。他因為在20世紀40年代所做的工作而獲獎，那時候激光還未發明。自從1960年激光發明以來，全息攝影作為一種記錄方法和一種3D圖像顯示藝術形式開始騰飛。后來，全息技術也被應用于防偽保護。在過去的五年中，更緊湊、成本更低的單縱模激光器(SLM)的出現，以及新一代敏感乳劑的發展和波長可選擇的LED照明光源的出現，為全息技術開辟了新的應用領域。

例如，這些技術的改進為抬頭顯示以及虛擬現實(VR)和增強現實(AR)投影相關技術進入大批量消費市場鋪平了道路。雖然全息圖和HOEs的大批量復制已經以壓印的形式在安防行業使用了幾十年，但抬頭顯示需要比壓印提供的分辨率更好的全息圖。這就意味著激光很可能會被用來寫入這種全息圖，而這很可能會以激光打印機的形式來完成，類似于現在的3D打印機。

激光技術、乳劑和光源的發展也驅動了白光全息術的巨大進步，這為與物體的超逼真3D復制相關的全息術開辟了新的應用領域。

用于寫入單色或多色全息圖或HOEs的激光器的性能特性，無論是母版還是量產，都是至關重要的。

2.白光全息激光器

模擬全息是在2D全息干板上呈現物體的3D圖像，通過記錄相干光照射物體并將物體反射的光與來自同一相干光源的參考光束混合時發生的干涉圖樣來實現。全息圖是物體的3D呈現，因為干涉圖樣包含反射光的相位信息。

在單色全息中，使用單個激光記錄全息圖。通過物體曝光，或者3D CAD文件記錄。理想情況下，單色光源照亮全息圖，以清晰度呈現物體的3D圖像。但是在現實中，全息圖往往是白光源照明，這通常導致圖像呈現不清晰，而且只有一種顏色。

與之相反，在白光全息術中，通常使用3種(最多5種)顏色來書寫全息圖;藍色，綠色和紅色。定制波長的LEDs可以獲得非常接近寫入激光波長的光，結合新的敏感乳劑，被照亮的全息圖可以達到的清晰度。白光全息術最近重新引起了人們的強烈興趣，因為它被證明能夠實現超逼真的3D復制。

到目前為止，寫入全息圖或HOEs的激光器最重要的性能要求是相干長度。從技術上講，全息圖可以被描述為光場的照片，包含光場的相位。為了記錄光場的相位含量，光源需要是相干的。我們所說的相干是指所有光波在同步中傳播，即它們具有相同的周期和相位，這種特性在真正的單縱模(SLM)或單頻(SF)激光器中出現。光源的相干長度與發射光的光譜帶寬(時間相干)和光束截面上相位波前的均勻性(空間相干)直接相關。產生干涉圖樣所需的光的相干距離由景深決定;景深越大，所需的相干長度就越長。一般來說，大于1m的相干長度就夠了。

除了相干長度，還有其他一些重要的參數需要考慮。如:輸出功率、波長精度、穩定性、可靠性。此外，還可以考慮激光是連續波還是脈沖。下表總結了這些性能特性如何影響全息圖的質量。

表1. 寫入全息圖激光的重要性能特性

3. 固體激光之與全息技術

寫入全息圖或HOEs，基本有5種激光技術可以滿足長相干長度的要求。所有提供的波長，無論是固定還是可調，輸出功率都是從十幾mW到幾W:

1.頻率轉換二極管泵浦的單頻激光器SLM（DPL or DPSS lasers）（產品鏈接：04系列DPSS，05系列DPSS，08系列DPL）

頻率轉換二極管泵浦單縱模(SLM)激光器是一種易于獲得的緊湊和廉價的選擇，從紫外到近紅外的固定波長和相干長度為一百多米。DPLs是固態激光器，比傳統使用的氣體激光器更高效，更緊湊，壽命更長。在可見范圍內，大量的固定波長線在藍-綠-紅區域可用(457nm, 473nm, 491nm, 515 nm, 532 nm, 561 nm, 640 nm, 660 nm)與輸出功率的規模為0.5W，根據乳劑和照明源靈活選擇波長。這些激光器提供了固有的優秀的圓形TEM00光束(圖1)，精確的波長和優良的波長穩定性(圖2)。

圖1：典型的DPL SLM激光器TEM00光束剖面（來自Cobolt AB）

圖2：DPL SLM激光器的典型波長和功率穩定性（來自Cobolt AB）

2.波長可調諧的CW OPOs(產品鏈接：C-WAVE)

基于頻率轉換OPO技術的可調諧連續波單頻激光光源，近年來成為一種可用于寫入全息圖和HOEs的長相干長度激光光源。

的設計意味著單個激光在450 - 650 nm范圍內的任何波長(泵浦波長處有簡并)可以獲得，功率高達半瓦。

波長選擇的靈活性，允許定制的寫入波長，使全息圖更難以復制，因此非常利于基于安全的應用。

波長的可調諧性還允許根據照明光源(如LEDs)的特定顏色來調整曝光波長，從而提高全息圖或HOEs的質量。

另外，這種波長的靈活性可以作為補充的第4或5波長在RGB托盤的固定波長為創造最終復制白光全息圖，即文物文檔。這額外的第4或第5波長可以用來突出文物的顏色。

3.單頻或穩頻二極管激光器（產品鏈接：08系列NLD）

單頻或穩頻激光二極管提供了一種可選擇的激光技術，可得到略有不同的波長。在這些激光器中，使用窄線寬反射的衍射光柵元件(如體布拉格光柵，VBG元件)與二極管激光發射器一起實現窄線寬發射(對應于較長的相干長度)，適合寫入全息圖或HOEs。這種激光解決方案的典型波長為405 nm、488nm、633 nm和785 nm，功率級別為100 mW。通過鎖頻多橫模二極管激光器，也可以實現更高功率水平的窄線寬發射。通過放大窄線寬或單頻二極管激光器，并將它們與頻率轉換相結合，就有可能達到可見光光譜中適合全息照相的其他波長。這種激光技術的一個優點是可以提供一定程度的波長可調諧性，典型范圍是幾到十幾nm。

4.頻率轉換光纖激光器（產品鏈接：AZURLIGHT單頻光纖激光器）

一般來說，高功率光纖激光器通常不是SLM或SF，但通過放大單頻主振蕩器，可以實現SF性能光纖激光器。光纖激光器和放大器通常摻雜Yb，其發射波長在1000-1100納米之間。這種發射反過來可以被外部頻率轉換為可見光譜范圍。典型的波長是488nm, 515 nm和532 nm，輸出功率相當高，大約幾瓦。其優點是，頻率轉換輸出通常是從連接到激光器和驅動電子器件通過光纖，這種小型激光頭散熱低，不需要安裝可能在全息圖記錄過程中引起干擾振動的風扇。

5.脈沖固體激光器（產品鏈接：Tor系列）

最后考慮了脈沖SLM激光器。個用于寫入全息圖的激光器是脈沖紅寶石激光器。短脈沖(ms)的優點是全息圖可以在很短的時間內寫入，原則上可以捕捉到運動物體的瞬間。雖然在1960年激光發明后的幾十年里，脈沖紅寶石激光器被連續波激光器取代，成為寫入全息圖的光源，但能夠在如此短的時間內寫入全息圖的優勢不可忽視，特別是考慮到批量生產。用單ns – 百ns長脈沖寫入全息圖的可能性意味著可實時寫入HOEs，從而實現量產。然而，根據定義，脈沖固體激光器不是典型的SLM，并且可能在脈沖能量較低的一端，使商業脈沖激光器的選擇相當有限。盡管如此，結合感光乳劑薄膜，這可能是未來激光打印機和HOEs真正量產的一個考慮因素。

圖3:使用RGB DPL激光器書寫白光全息圖一個例子。(來自Proff. Hans Bjelkhagen)

4.總結

固定波長或可調諧波長激光器，無論是二極管泵浦激光器、倍頻opo激光器、穩頻二極管激光器和變頻光纖激光器，無論是工作在連續波還是脈沖，都可以用于寫入全息圖和全息光學元件(HOEs)。最重要的性能特征是較長的相干長度，此外，良好的功率穩定性，波長精度和穩定性，以及最重要的可靠性。

參考文獻

[1] "The Nobel Prize in Physics 1971". Nobelprize.org.

[2] Coboltlasers.com

[3] /products/laser-technology/tunable-lasers/

[4] /lasers/narrow-linewidth-lasers/

[5] http://azurlight-systems.com/applications/holography

[6] /wiki/Ruby_laser

原文鏈接：https://hubner-photonics.com/wp-content/uploads/2020/05/Publication-E.K.-Illy-et-al.-Lasers-for-holographic-applications-ISDH-2018.pdf

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