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二极管激光器现在为全息术和光刻应用提供全波长解决方案，并提供紫外和可见波段的新波长。

全息术的实际应用范围从信用卡、钞票和护照上的全息图到医学成像和增强现实应用。

20世纪40年代后期，Dennis Gábor致力于提高电子显微镜分辨率的研究。 当时，他并没有意识到自己的工作会对未来产生如此重大的影响。 作为这项研究的结果，他发现了可以显示物体完整 3D 图像的全息术。 随着激光的发明和普及，全息术从实验室走向工业，转变为价值数十亿美元、应用多元化的产业。

目前，全息技术具有广泛的实际应用，从常见的信用卡、纸币和护照上的全息防伪标识，到医疗应用中的全息对比。 同时，使用全息术制造的透射或反射光栅等光学器件在激光或光谱仪等各种应用中也发挥着关键作用。

全息技术相关器件的微集成技术已经发展得相当成熟，如分布式反馈激光二极管（DFB）和分布式布拉格光栅激光二极管（DBR）或光纤布拉格光栅等。在不久的将来，作为增强现实技术（AR）逐渐进入消费市场，相关产业模块将迎来显着增长。

光学全息术的原理自诞生以来并没有发生明显的变化（见图1）。 激光束被分束器分成两条路径——照射物体的照明光和直接发送到记录介质（通常是照相底片）的参考光； 参考光与物体反射回来的照明光发生干涉而产生干涉条纹，条纹被记录在感光基板上。 采集并记录图像信息后，用相近波长的光源照射基板即可生成相应的3D物体图像。

虽然全息技术应用中最早广泛使用的激光器是气体激光器，但新一代瓦级半导体激光器正在逐步取代它，成为市场的领导者。 半导体激光器的主要优点是它们几乎可以覆盖所有可用的波长范围。 标准激光二极管涵盖从红外到可见光的广泛波长范围。 倍频技术的应用使波长范围进一步扩展到紫外波长。

图1

为了创建全息图，激光束被分成两部分：照明光用于照亮物体，物体反射的光入射到感光基板上，与第二部分的参考光发生干涉激光束，干涉条纹被记录在感光基板上。

图2显示了Toptica可调谐半导体激光器的输出光谱覆盖范围，直观地展示了半导体激光器可以覆盖的超宽光谱范围。 如图所示，光谱从深紫外（190nm）延伸到中红外（3500nm）波段，输出功率可达数瓦。 它包括可见光 (RGB) 波长，例如 457、532 和 647nm。 对于需要非常高功率的应用，可以使用光纤放大器代替锥形放大器 (TA) 半导体增益芯片。 例如，我们的 SodiumStar 激光系统可以在 589nm 发射 22W 的功率，为天文望远镜提供人造导星。

干涉条纹的分辨率对于光刻中越来越小的电子设备的制造非常重要，并且需要使用更短的波长来实现更高的分辨率。 从历史上看，气体激光器已广泛用于全息术和（非相干）光刻，因为它们提供紫外范围内的一些标准波长。 如今，由于半导体激光器波长范围的扩大，以及操作方便、光束质量好、运行成本低等优点，在一些以前由气体激光器占据主导地位的应用领域逐渐占据了自己的一席之地。 .

图 2

半导体激光器可以覆盖从 190nm 到 3500nm 的超宽波长范围。 小功率光源（DL）可放大（TA）倍频（SHG倍频，FHG四倍频）。 （图片由 Toptica Photonics 提供）

例如407nm的氪离子激光器，近年来已经被405nm的半导体激光器所取代。 这个波长可以直接用激光二极管实现； 如果需要瓦级功率，可以通过对高能稳定窄带红外IR激光器进行倍频来实现。 紫外波段可以通过增加一个倍频腔来实现。 半导体激光器在常用紫外波长266nm可提供300mW的相干激光输出，接近衍射极限（光束质量典型值M2<1.2）

推动全息技术发展的关键应用

特殊光学半导体器件的制造需要在材料中全息产生光栅结构。 实现该技术的典型波长为 244nm，一般由气体或半导体激光器倍频产生。 对于213nm的常用波长，通常采用五倍频脉冲Nd:YAG激光器来实现，现在使用半导体激光器可以在实现所有功能的前提下保证大功率连续输出。 对于较短的波长，另一个重要的发展是使用钾氟硼酸铍 (KBBF) 晶体作为倍频质量。 这使得半导体激光器能够替代准分子激光器为全息术提供193nm的光源。

微软的 Hololens 等增强现实设备 (AR) 代表了全息技术在新兴消费市场的应用。 AR 有可能彻底改变工作场所并取代智能手机。 另一个类似的大众市场应用是在汽车领域，其中重要的驾驶员信息，例如车辆的当前速度，可以使用平视显示器直接投射到“道路上”。 在列出的两个应用方向中，全息成像设备可以同时保证物体图像和周围环境的最佳亮度，让用户真正沉浸在增强现实体验中。

图 3

倍频（SHG）半导体激光系统的自动频率调谐，红色曲线是配备自动优化的系统的输出功率，黑色曲线显示没有自动优化。 可用调谐区域，即功率超过峰值功率90%的区域，在自动优化系统的帮助下扩大了五倍。

由于用于照明的 LED 或激光二极管的发射波长通常在设计波长附近的几纳米范围内，因此投影图像会显得非常暗淡甚至不可见。 这是由成像光源和全息图像写入装置光源之间的波长误差引起的。 在这里，半导体激光器的另一个优势出现了。 由于半导体激光波长的可调谐性，全息图写入激光可以被调谐以匹配投影设备的波长。

图 3 显示了以 480nm 为中心的宽达 14nm 的自动调谐操作的输出功率。 没有自动优化设置的激光器（黑色曲线）只有2nm的可用调谐范围，然后能量衰减到峰值能量的90%以下； 在激光器内调谐并保持超过 90% 的总能量可将激光器的可用调谐范围增加 5 倍。

图 4(a)

图 4(b)

自由运行激光系统在405nm处的残余波长漂移，可以看出400多个小时后漂移值远小于1pm； 通过多次优化调整（图中每条曲线代表一次优化测得的对应数据），激光器可以找到一个可靠的最佳工作波长，开始稳定运行。 在整个测量过程中没有观察到模式跳跃（测量过程见插图）。 激光系统的主动频率稳定机制是通过引入外部频率参考来实现的，例如使用吸收光谱气室（适用于 390.1 nm 或 397.5 nm）或波长计（适用于所有波长）。 在实际情况下，波长的稳定性受参考波长 (b) 的限制。

半导体激光系统在其物理特性方面具有很高的能效，一般功耗低于 100W。 与耗电量大的气体激光器相比，这可为用户节省数百万千瓦时的能源。 此外，半导体激光器不需要水冷，不仅简化了激光设备和激光操作，还进一步降低了相对较低的成本。 针对全息影像记录时对空气扰动或声学噪声的极度敏感（扰动可能使成像无法使用），半导体激光器可以避免使用空气冷却而采用被动冷却设置。 通过提供具有成本效益的现场可更换单元 (FRU) 来保证出色的可维护性，FRU 主要由紧凑型光学半导体器件组成。

相干维护

相干长度是全息光源的关键参数。 全息图像的写入过程需要与物体和成像介质的尺寸相称的相干长度。 原则上，相干长度必须至少等于照明光与参考光的光程差，才能保证其能在感光基板上形成干涉。

由于其单频特性，可调谐半导体激光器一般可以提供大于100m的相干长度。 另外，两路激光器可以通过激光器控制器的锁频模块进行锁相。 这样，参考光也可以由直接靠近成像介质的第二激光器提供。

在某些应用中，绝对波长和波长稳定性至关重要。 在没有额外干预的情况下，自由运行的半导体激光器在输出波长中表现出残余漂移。 内置气压补偿可以有效抑制这些漂移的发生（见图 4a）。 同时，由于没有使用水冷，高频的波长抖动也可以忽略不计。

如果需要绝对波长参考，可以将参考光谱模块连接到系统。 例如，已经实现了由铷原子气体 D 线提供的 390.1 nm 和 397.5 nm 的绝对参考系统（见图 4b）。 通过使用具有全数字锁频功能的波长计并替换参比池，可以将该原理推广到所有剩余波长。

如上所述，半导体激光器不仅可以在常用波长下满足全息成像和光刻应用的要求，还可以覆盖紫外和可见光范围。 此外，半导体激光系统除了其卓越的技术性能外，还具有许多相对于传统激光器的“非技术性”附加优势，特别是设置方便、操作简单、成本低廉。 这些特点使得半导体激光器在全息应用领域的优势非常明显。

参考

1. U. Eismann 等，“更短、更短、最短：深紫外半导体激光器” Laser FocusWorld, 52, 6, 39–44 (2016)； 看

2. B. Ernstberger 等人光纤光谱仪可以测单波长，“稳健可靠的远程泵浦钠原子激光源 - 高端激光雷达和导星应用”Proc。 SPIE,9641, 96410F (2015)。

3. M. Scholz 等人光纤光谱仪可以测单波长，Appl。 物理。 Lett., 103, 051114 (2013)。

4. U. Eismann 等，“高能紫光倍频半导体激光器的主动和被动稳频机制”CLEO 2016，JTu5A.65（2016）。

作者：UlrichEismann 是 Toptica Photonics 的非线性二极管激光系统产品经理； 公司网站： 。