直接和频率转换的半导体激光器为全息照相提供全部波长

二极管激光器现在满足了在所有已建立的波长下以及在紫外和可见光范围内的新波长下执行全息和光刻应用的技术要求。

全息照相的实际应用包括从信用卡，钞票和护照上的安全全息图到医学成像和增强现实。

当DennisGábor在20世纪40年代末试图提高电子显微镜分辨率时，他可能没有意识到他的工作会产生什么影响。他发现了能够显示物体的完整三维（3D）图像的全息方法。结合激光器的发明，全息技术离开了研究实验室，并转化为数十亿美元的业务，并拥有众多的应用。

今天的全息照相的实际应用范围从知名的信用卡，钞票和护照上的安全全息图到医学全息照相。诸如透射或反射光栅等光学元件在激光或光谱仪中有很多应用（见上图）。

这些组件的微集成已经取得了很大进展，例如分布式反馈（DFB）和分布式布拉格反射器（DBR）激光二极管或光纤布拉格光栅。在不久的将来，预计增强现实设备市场将出现大幅增长。

自从第一次发明以来，光学全息术的原理没有发生重大变化（见图1）。分束器用于将激光束分成两部分 - 照射物体的照明光束和直接发送到记录介质（通常是照相印版）的参考光束。参考光束干涉由物体反射的照明光，并且所得到的干涉图案被记录在光敏基底中。在此过程之后，可以照亮基板以产生物体的3D图像。

图1.要创建全息图，激光束分为两部分：照明光束照射物体，来自物体（物体光束）的反射光入射到感光板上，在此与干涉第二部分激光束（参考光束）捕捉它们的干涉图案。

气体激光器是第一批广泛使用全息激光器的激光器，而新一代瓦特级二极管激光器现在可用来取代这些光源。二极管激光器的主要优点是几乎可以在所有波长上使用。标准激光二极管覆盖从红外（IR）到可见（VIS）光的广泛范围。通过采用频率转换技术，覆盖范围可以扩展到紫外（UV）波长以上。 1

图2.二极管激光器可以覆盖从190nm到3500nm的超宽波长范围; 低功率（DL）源可以被放大（TA）和倍频（SHG）或频率四倍（FHG）。 （由Toptica P hotonics提供）

图2说明了这种扩展的光谱覆盖范围，它显示了输出功率与Toptica可调谐二极管激光器的发射波长的函数关系。光谱从深紫外（190 nm）到中红外（3500 nm）波长范围，输出功率高达几瓦。它包括大约457,532和647 nm的红 - 绿 - 蓝（RGB）波长（见表格）。对于功耗非常大的应用，锥形放大器（TA）半导体增益芯片可以用一个光纤放大器来代替，例如我们的钠星激光器中使用的光纤放大器，该放大器在589 nm提供22 W输出功率，为望远镜创造人造导星。 2

干涉图案的分辨率对塑造电子设备中使用的更小的光刻特征非常重要。这反过来需要更短的激光波长。直接进入紫外线，气体激光器设置了几个标准波长，广泛应用于全息和非相干光刻。因此，由于二极管激光器的操作简单，光束参数优良，运行成本较低，因此可以应用到以前由气体激光器控制的应用中。

例如，407纳米发射的氪离子激光器现在已经被405纳米二极管激光器取代了数年。这种替换可以通过使用直接二极管来实现，或者如果需要Watt级功率，则可以通过倍频功能强大，稳定和窄带的IR激光器来实现。通过增加另一个频率转换级达到UV范围。受欢迎的266 nm波长应用由激光器提供，提供300 mW的相干输出功率，光束质量接近衍射极限（通常M 2 <1.2）。

推动全息技术的应用

专用光学半导体的制造过程需要在材料内部全息生成光栅。这通常使用频率转换的气体或二极管激光器在244纳米处完成。从五分之一倍频脉冲Nd：YAG激光器中流行的213纳米波长可以用二极管激光器的高功率连续波操作提供，包括这里介绍的所有功能。

对更短波长的进一步重要进步是使用氟硼酸铍（KBBF）晶体作为倍频介质。这些可以在流行的193纳米波长下用二极管激光器代替准分子激光器进行全息照相。 3

Toptica在流行的全息波长下的可用输出功率
激光波长	输出功率
193纳米	0.1毫瓦
213纳米	10毫瓦
266纳米	300毫瓦
405纳米	800毫瓦
457-462纳米*	500毫瓦
525-535纳米*	500毫瓦
633纳米	500毫瓦
645-655nm *	500毫瓦
*调整选项可用

像微软Hololens这样的增强现实（AR）设备就是新兴的消费者全息应用的例子。 AR有可能彻底改变工作场所的步伐，并有可能取代智能手机。类似的大众市场应用在汽车领域，其中重要的驾驶员信息，例如当前的车辆速度可以使用平视显示器直接“在路上”投射。在这两种应用中，全息成像设备都具有环境光和投影图像的最佳同时亮度。因此，用户体验到真实的沉浸在他们的增强现实中。

由于照明LED或激光二极管具有围绕设计波长散射数纳米的发射波长，所以图像投影结果可能非常暗或甚至不可见。在这里，二极管激光器的另一个优势就是起作用，这就是可以将写入激光器调谐到所选择的发射波长。在写全息图之前，这就解决了设备照明源的缺陷。

图3.使用（红色）和无（黑色）自动优化激光输出功率自动调谐SHG二极管激光系统; 由90％峰值功率标准给出的有用调谐范围通过自动优化例程增加5倍。

图3显示了这种调谐曲线的一个示例，其中演示了在480 nm附近自动调谐的14 nm。未优化的二极管激光器在功率下降至峰值功率的90％以下之前，在整个设定波长上调谐超过2 nm。自动优化的二极管激光器在达到90％的标准之前调谐超过11 nm，这导致有用调谐范围增加了5倍。

这些二极管激光器系统本质上是高效的，通常消耗<100W的电功率。这意味着与更耗电的气体激光器相比，可节省数十万千瓦时。另外，它们在没有水冷的情况下运行，这不仅简化了激光器的设置和操作，而且降低了已经显着降低的拥有成本。由于全息实验室的热量吸收是一个关键因素，空气湍流或声学噪音可能使全息记录无法使用，因此可以使二极管激光器以被动冷却和无风扇运行。

可用性由经济高效的现场可更换单元（FRU）提供，其中FRU主要由紧凑型光学半导体子部件组成。

保持一致

相干长度是全息光源的关键参数。原则上，相干长度必须至少等于照明光束和参考光束之间的路径长度差，以使它们能够在照相印版上干涉。

在单频工作下，可调二极管激光器可以在标准配置下提供超过100米的相干长度。另外，锁定电子装置可以允许同相锁定两个激光器。这样，参考光束也可以使用第二激光器在介质上直接产生。

在某些应用中，绝对波长和稳定性至关重要。如果没有额外的安排，自由运行二极管激光器的输出波长会显示残余漂移。使用内置的气压补偿可以强烈抑制这些漂移（参见图 4a）。由于缺少冷却水，高频波长抖动的数量可以忽略不计。

图4. （a）在405nm处自由运行的激光器的剩余波长漂移，其中漂移在超过400小时内保持在1pm以下; 在重复运行优化程序（每条曲线对应于单次运行后的数据集）之后，自激式激光器可以可靠地找到稳定运行的最佳波长。整个测量没有观察到模式跳变（插图）。（b）激光系统的主动波长稳定，其中激光可以稳定到外部参考 - 例如光谱单元（390.1 nm或397.5 nm目标波长）或波长计（所有波长）。在实际情况下，波长稳定性受到参考的限制。

如果需要绝对波长参考，则可以将光谱模块连接到系统。例如，已经实现了由铷原子气体的D线提供的在390.1nm和397.5nm处的绝对参考系统（参见图 4b）。该原理可以通过用具有全数字波长锁定功能的波长计代替参比气室来传输到所有波长。

如上所述，二极管激光器满足不仅在既定波长下而且在紫外和可见光范围内的所有波长下执行全息和光刻应用的技术要求。与传统激光器相比，结合非技术优势，特别是在处理，操作和拥有成本方面，二极管激光器显然是非常有吸引力的全息激光光源。