全息激光器性能参数分析
作者：E.K. Illy*, H. Karlsson & G. Elgcrona. Cobolt AB, a part of HÜBNER Photonics, Vretenvägen 13, 17154, Stockholm, Sweden
翻译：上海星谱科技有限公司 010-80102555 info@star-spectrum.com上海市普陀区中江路388弄国盛中心2号楼1506室
摘要
目前人们对全息技术和全息光学元件(HOEs，holographic optical elements)的兴趣激增，与虚拟现实（VR，virtual reality）和增强现实（AR，augmented reality）应用有关，这导致对新的激光技术的要求增加，需要新的波长，更高的输出功率，在某些情况下，改良控制这些参数是重要的 。
无论是对于全息图的光学记录，还是图像显示器用HOEs的生产，光源通常固定在RGB波长中选择激光器(457nm, 473nm, 491 nm, 515 nm, 532 nm, 561 nm，640 nm, 660 nm)或者选择一个波长可调谐的光源(450 nm – 650 nm)或组合。在所有情况下，激光器需要有很长的相干长度(<10 m)，优秀的波长稳定性和精度以及非常好的功率稳定性。此外，由于全息技术和HOEs的新应用通常需要在工业环境中大量制造，因此对具有良好可靠性和长工作寿命的激光源的要求越来越高。
在本文中，我们介绍了使用高平均功率、单频(SF)或单纵模(SLM)激光器产生全息图和HOEs时应考虑的性能指标，以及能够提供这些性能指标的一些激光技术。
关键词:全息激光，SLM，激光性能，激光波长
1. 引言
1971年，诺贝尔奖授予了丹尼斯·加伯，以表彰他“发明和发展全息技术”。他因为在20世纪40年代所做的工作而获奖，那时候激光还未发明。自从1960年激光发明以来，全息摄影作为一种记录方法和一种3D图像显示艺术形式开始腾飞。后来，全息技术也被应用于防伪保护。在过去的五年中，更紧凑、成本更低的单纵模激光器(SLM)的出现，以及新一代敏感乳剂的发展和波长可选择的LED照明光源的出现，为全息技术开辟了新的应用领域。
例如，这些技术的改进为抬头显示以及虚拟现实(VR)和增强现实(AR)投影相关技术进入大批量消费市场铺平了道路。虽然全息图和HOEs的大批量复制已经以压印的形式在安防行业使用了几十年，但抬头显示需要比压印提供的分辨率更好的全息图。这就意味着激光很可能会被用来写入这种全息图，而这很可能会以激光打印机的形式来完成，类似于现在的3D打印机。
激光技术、乳剂和光源的发展也驱动了白光全息术的巨大进步，这为与物体的超逼真3D复制相关的全息术开辟了新的应用领域。
用于写入单色或多色全息图或HOEs的激光器的性能特性，无论是母版还是量产，都是至关重要的。
2.白光全息激光器
模拟全息是在2D全息干板上呈现物体的3D图像，通过记录相干光照射物体并将物体反射的光与来自同一相干光源的参考光束混合时发生的干涉图样来实现。全息图是物体的3D呈现，因为干涉图样包含反射光的相位信息。
在单色全息中，使用单个激光记录全息图。通过物体曝光，或者3D CAD文件记录。理想情况下，单色光源照亮全息图，以最高清晰度呈现物体的3D图像。但是在现实中，全息图往往是白光源照明，这通常导致图像呈现不清晰，而且只有一种颜色。
与之相反，在白光全息术中，通常使用3种(最多5种)颜色来书写全息图;蓝色，绿色和红色。定制波长的LEDs可以获得非常接近写入激光波长的光，结合新的敏感乳剂，被照亮的全息图可以达到最大的清晰度。白光全息术最近重新引起了人们的强烈兴趣，因为它被证明能够实现超逼真的3D复制。
到目前为止，写入全息图或HOEs的激光器最重要的性能要求是相干长度。从技术上讲，全息图可以被描述为光场的照片，包含光场的相位。为了记录光场的相位含量，光源需要是相干的。我们所说的相干是指所有光波在同步中传播，即它们具有相同的周期和相位，这种特性在真正的单纵模(SLM)或单频(SF)激光器中出现。光源的相干长度与发射光的光谱带宽(时间相干)和光束截面上相位波前的均匀性(空间相干)直接相关。产生干涉图样所需的光的相干距离由景深决定;景深越大，所需的相干长度就越长。一般来说，大于1m的相干长度就够了。
除了相干长度，还有其他一些重要的参数需要考虑。如:输出功率、波长精度、稳定性、可靠性。此外，还可以考虑激光是连续波还是脉冲。下表总结了这些性能特性如何影响全息图的质量。
| 激光性能参数 | 影响 |
| 相干长度 | 到目前为止，这是写全息图或HOEs时要考虑的最重要的性能特征。相干长度>1 m通常足以书写全息图。具有长(时间)相干长度(>100 m)的激光器的线宽小于1 MHz，被称为单纵模(SLM)或单频(SF)。 |
| 波长 | 对于白光全息图的书写，通常3-5个波长由可见光谱的蓝色(457nm, 473nm, 491 nm)，绿色(515 nm, 532 nm, 561 nm)和红色(640 nm, 660 nm)部分组合而成。可调谐激光可以用来突出一种特定的颜色，或调谐到精确的照明光谱。 |
| 输出功率&功率稳定性 | 典型的激光输出功率范围从大约十几mW的紫外光，到几W的红光。输出功率越高，全息图或HOEs的写入速度就越快。在考虑批量生产系统时，这一点很重要。良好的功率稳定性确保全息图的质量在相同的曝光时间内是可重复的。 |
| 波长精准性&波长稳定性 | 理想情况下，激光波长在不同激光器之间的变化很小(<±0.3 nm)，以确保全息图和HOEs保持其视觉质量。 此外，这个波长的稳定性在曝光和记录全息图期间必须保持非常固定，以不破坏分辨率。 |
| 光束质量 | 一个光滑的圆形轮廓(TEM00光束)意味着在曝光期间照明是均匀的，光源具有良好的空间相干性。 |
| 可靠性 | 在批量生产中，可靠性变得重要，因为所有的停机时间都要花钱。选择一个信誉良好的品牌，得到验证的可靠性。 |
| 连续或脉冲 | 这取决于写全息图所需的时间。连续波激光器的输出功率越大，所需的曝光时间越短。脉冲激光器可以在一定的脉冲长度内写入，但需要具有高脉冲能量的SLM激光器。 |
表1. 写入全息图激光的重要性能特性
3. 固体激光之与全息技术
写入全息图或HOEs，基本有5种激光技术可以满足长相干长度的要求。所有提供独特的波长，无论是固定还是可调，输出功率都是从十几mW到几W:
1.频率转换二极管泵浦的单频激光器SLM（DPL or DPSS lasers）（产品链接：04系列DPSS，05系列DPSS，08系列DPL）
频率转换二极管泵浦单纵模(SLM)激光器是一种易于获得的紧凑和廉价的选择，从紫外到近红外的固定波长和相干长度为一百多米。DPLs是固态激光器，比传统使用的气体激光器更高效，更紧凑，寿命更长。在可见范围内，大量的固定波长线在蓝-绿-红区域可用(457nm, 473nm, 491nm, 515 nm, 532 nm, 561 nm, 640 nm, 660 nm)与输出功率的规模为0.5W，根据乳剂和照明源灵活选择最优波长。这些激光器提供了固有的优秀的圆形TEM00光束(图1)，精确的波长和优良的波长稳定性(图2)。
图1：典型的DPL SLM激光器TEM00光束剖面（来自Cobolt AB）
图2：DPL SLM激光器的典型波长和功率稳定性（来自Cobolt AB）
2.波长可调谐的CW OPOs(产品链接：C-WAVE)
基于频率转换OPO技术的可调谐连续波单频激光光源，近年来成为一种可用于写入全息图和HOEs的长相干长度激光光源。
独特的设计意味着单个激光在450 – 650 nm范围内的任何波长(泵浦波长处有简并)可以获得，功率高达半瓦。
波长选择的灵活性，允许完全定制的写入波长，使全息图更难以复制，因此非常利于基于安全的应用。
波长的可调谐性还允许根据照明光源(如LEDs)的特定颜色来调整曝光波长，从而提高全息图或HOEs的质量。
另外，这种波长的灵活性可以作为补充的第4或5波长在RGB托盘的固定波长为创造最终复制白光全息图，即文物文档。这额外的第4或第5波长可以用来突出文物独特的颜色。
3.单频或稳频二极管激光器（产品链接：08系列NLD）
单频或稳频激光二极管提供了一种可选择的激光技术，可得到略有不同的波长。在这些激光器中，使用窄线宽反射的衍射光栅元件(如体布拉格光栅，VBG元件)与二极管激光发射器一起实现窄线宽发射(对应于较长的相干长度)，适合写入全息图或HOEs。这种激光解决方案的典型波长为405 nm、488nm、633 nm和785 nm，功率级别为100 mW。通过锁频多横模二极管激光器，也可以实现更高功率水平的窄线宽发射。通过放大窄线宽或单频二极管激光器，并将它们与频率转换相结合，就有可能达到可见光光谱中适合全息照相的其他波长。这种激光技术的一个优点是可以提供一定程度的波长可调谐性，典型范围是几到十几nm。
4.频率转换光纤激光器（产品链接：AZURLIGHT单频光纤激光器）
一般来说，高功率光纤激光器通常不是SLM或SF，但通过放大单频主振荡器，可以实现SF性能光纤激光器。光纤激光器和放大器通常掺杂Yb，其发射波长在1000-1100纳米之间。这种发射反过来可以被外部频率转换为可见光谱范围。典型的波长是488nm, 515 nm和532 nm，输出功率相当高，大约几瓦。其优点是，频率转换输出通常是从连接到激光器和驱动电子器件通过光纤，这种小型激光头散热低，不需要安装可能在全息图记录过程中引起干扰振动的风扇。
5.脉冲固体激光器（产品链接：Tor系列）
最后考虑了脉冲SLM激光器。第一个用于写入全息图的激光器是脉冲红宝石激光器。短脉冲(ms)的优点是全息图可以在很短的时间内写入，原则上可以捕捉到运动物体的瞬间。虽然在1960年激光发明后的几十年里，脉冲红宝石激光器被连续波激光器取代，成为写入全息图的首选光源，但能够在如此短的时间内写入全息图的优势不可忽视，特别是考虑到批量生产。用单ns – 百ns长脉冲写入全息图的可能性意味着可实时写入HOEs，从而实现量产。然而，根据定义，脉冲固体激光器不是典型的SLM，并且可能在脉冲能量较低的一端，使商业脉冲激光器的选择相当有限。尽管如此，结合感光乳剂薄膜，这可能是未来激光打印机和HOEs真正量产的一个考虑因素。
图3:使用RGB DPL激光器书写白光全息图一个例子。(来自Proff. Hans Bjelkhagen)
4.总结
固定波长或可调谐波长激光器，无论是二极管泵浦激光器、倍频opo激光器、稳频二极管激光器和变频光纤激光器，无论是工作在连续波还是脉冲，都可以用于写入全息图和全息光学元件(HOEs)。最重要的性能特征是较长的相干长度，此外，良好的功率稳定性，波长精度和稳定性，以及最重要的可靠性。
参考文献
[1] “The Nobel Prize in Physics 1971”. Nobelprize.org.
[2] Coboltlasers.com
[3] https://www.hubner-photonics.com/products/laser-technology/tunable-lasers/
[4] https://www.coboltlasers.com/lasers/narrow-linewidth-lasers/
[5] http://azurlight-systems.com/applications/holography
[6] https://en.wikipedia.org/wiki/Ruby_laser
原文链接：https://hubner-photonics.com/wp-content/uploads/2020/05/Publication-E.K.-Illy-et-al.-Lasers-for-holographic-applications-ISDH-2018.pdf
Argolight是一家法国的公司，专注于成像质量的控制，公司最初是为了解决NASA提出的请求，帮助他们保障国际空间站上的显微镜的准确性和可靠性，以达到验证显微镜质量且可以重复实验结果的目的。经过几年的努力，多代产品的更新，最终得到了NASA的认可，也亲眼见证了Argolight的产品搭乘着SpaceX的火箭，同宇航员一同进入了国际空间站。
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使用 RCM1 技术以 60x 1.4 放大倍率获取的示例图像（2×2 拼接图像）。COS-7 细胞中的微管蛋白丝。 Andreas Kurz，德国维尔茨堡大学
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