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专用高功率激光组合器促进全息技术的进步

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

翻译:上海星谱科技有限公司  010-83503853 info@star-spectrum.com

 

摘要

激光全息成长为商业市场,用于全息光学元件(HOEs)的生产,用于虚拟现实(VR)和增强现实(AR)设备中的图像投影,以及用于生成三维物体(如博物馆文物)的超逼真的全彩复制品的白光模拟全息图。这些快速发展的全息技术和基于全息技术的应用需要的光源要求:多个波长,同时在同一光路上稳定可靠。

商业化、极可靠的单频或单纵模(SLM)激光满足了全息拍摄的需求。这些激光在可见光谱中具有长相干长度、优异的波长稳定性和精度,以及稳定的高输出功率。然而多波长系统中所必需的光学对准和光束合束,在技术上是具有挑战性和耗时的。精细的组装和持续的维护会浪费宝贵的时间和资源。提高全息图和HOEs质量是我们所需的,从更基础的工作中转移出来,这便是目标,开发一种激光组合器,在曝光期间为每条激光线提供必要的性能,并具有强稳定性的对准光束,以及曝光之间的可重复性,这需要严格控制光机械组件设计和热处理。

本文评估了一种激光组合器的性能。该组合器可集成4条以上的激光线,激光的光功率可高达1.5 W,共线对齐,具有高精度的位置重叠、角重叠、光束指向稳定性和长时间的可重复性。该激光组合器包括激光源、控制电子器件和光束合束光学器件,并被设计为易于运输,提供了理想的激光合束解决方案,以促进全息技术的进步

关键词:全息照相,激光泵浦,激光合束器,二极管泵浦激光器

 

1. 引言

借助激光的相干特性,全息和干涉测量技术被用于全息光学元件(HOEs)的开发和生产,用于虚拟现实(VR)和增强现实(AR)设备的图像投影; 利用真彩全息技术制作珍贵文物的三维复制品,如光学克隆™ [1].

随着虚拟现实(VR)和增强现实(AR)中图像投影设备的市场发展,全息光学元件(HOE)受到越来越多的关注。HOEs的制造是利用可见光的干涉和衍射,将三维特征记录到全息材料中。光学元件包括透镜、反射镜、衍射光栅和其他光束整形光学元件。全息工艺为轻量、灵活的光学元件提供了无限可能。[2]

光学克隆™,被用来展示无价的艺术作品,例如Fabergé蛋。这些复制品变得如此逼真,使得艺术爱好者在欣赏世界各地的巡回展览的同时,也能小心翼翼地保存真正的文物。真彩色全息图是由3种或3种以上不同波长的激光光源组合而成的,这就是所谓的“白光”全息图。

专用高功率激光组合器促进全息技术的进步插图商业生产复杂、高精度的HOEs和逼真的真彩全息图通常需要多个高功率激光光源。这些激光源必须提供完美的TEM00光束,足够优秀的波长和功率稳定性,长相干长度,必须能够适应环境条件 [3]。这种激光器在商业上是可行的,但是多光源的光学对准和光束路径管理困难且耗时。校准和组合激光光源的工作可能会分散人们对制作HOEs和全息图这一本来就很有挑战性的工作的注意力。为了使这些技术更加商业化,多色、共线性、高性能的激光组合器必须能够适应各种环境条件。一种专用的高功率激光组合器提供了经过验证的稳定性能,消除了这些困难,促进了HOEs制造工艺的开发和全息图曝光优化。

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测量成为可能。然而,要曝光高分辨率、稳定、均匀的全息图,以及具有研究所需的精度和适应日益增长的商业应用的处理速度的全息透镜,还需要进一步的性能。决定激光光源是否适合全息应用的关键性能参数是功率、功率稳定性、空间和时间相干性、光束形状和质量、波长稳定性和光束指向稳定性。

现有的许多激光技术可以提供全息术所需的必要性能,包括频率转换光参量振荡器[4],频率稳定二极管激光器[5],光纤激光器[6]和二极管泵浦固体激光器[7]。本文将重点讨论集成控制电子器件并且性能可靠的小型二极管泵浦激光器(DPLs),[3]特别适用于全息专用的激光组合器中。

二极管泵浦激光器(DPLs)拥有完美的TEM00光束,提供高的光输出功率,具有全息所需的单频性能和光谱稳定性。DPLs通常由一个泵浦二极管、一个固态增益介质和一个非线性光学元件组成。非线性频率转换,如二次谐波、和频和三次谐波产生,使得在整个可见范围内(从457 nm到660 nm)产生离散波长的相干光成为可能。然而,仅仅获得合适的波长是不够的。为了提供足够窄的频谱,腔内纵模模抑制元件只允许一个模式传播,从而产生稳定的单频、单纵模激光。

专用高功率激光组合器促进全息技术的进步插图1

专用高功率激光组合器促进全息技术的进步插图2图1:用于全息的二极管泵浦固态激光器原理图(上)和模式抑制原理图(下)。 [3]

在达到必要的单频性能后,激光器必须采用可重复的、可控的制造过程。HTCure技术制造的所有Cobolt激光器具有极高的可靠性和稳固性。腔体组件和光束整形选项使用高温固化粘合剂固定在一个整体平台上,整个光学组件是密封的,以确保组件永久对齐和无污染。选择最高质量的组件,优化热-机械相容性,主动控制关键组件的温度,以及平台本身,进一步稳定腔。此外,优化过程控制和验证关键参数,确保激光器在预期寿命内将达到所需的性能。

3. 小体积且性能卓越的全息激光器性能测试

基于已建立的性能稳定性和制造重复性[3],并努力最小化外形,Cobolt 05系列激光器的控制电子已完全集成到激光头。这些激光器被称为Cobolt 05-iE,由于它们不需要辅助设备,因此非常适合集成到激光组合器中。

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图2:完全集成控制电子器件的Cobolt 05-iE激光器,用于OEM集成的电源和I/O连接或到CE/CDRH兼容的按键控制盒。

众所周知,改变封装方式会潜在地影响稳定性,特别热处理是一个关键因素。在集成到专用高功率激光合成器之前,必须对所有关键性能参数进行验证,并证明其在操作环境变化时的稳定性。本研究演示和表征了波长为457 nm、532 nm和640 nm的Cobolt 05-iE激光器的。波长是专门选择的,用于同轴白光全息术。全息生产的曝光时间和记录速度取决于照明的强度,这使得合适的激光输出功率成为全息生产过程中生产力的一个关键因素。根据波长的不同,所需的功率水平可以从几十毫瓦到瓦不等。通常情况下,激光波长越长(越红),所需的功率就越大。

本研究中包括的所有激光器输出功率均大于300mW,并已通过所有标准出厂验收测试,包括功率稳定性、噪声、单纵模性能、光束直径和椭圆度。这里演示了在指定的环境温度范围内工作时的性能,使用温度控制底板,从20℃到45℃循环,以模拟10℃到35℃的环境温度。温度循环测量的结果旨在表明,在实验室环境和不那么严格的气候控制的制造地点,集成电子器件没有对预期性能产生负面影响。

3.1 功率稳定性

激光器的功率稳定性是许多应用的一个关键性能参数,因此需要在每一个激光器上都得到验证。在图3中,我们展示了1.5 W的Cobolt Samba 05-iE 532nm激光器的结果。激光是安装在TEC温控板上,当底板温度从20℃ - 45℃变化时,检测功率稳定性。前12小时,包含两个6小时周期,紧随其后的是一个附加的6小时温度循环(下图12-18小时)激光器的电源开关的时间为30分钟和10分钟。在整个温度范围内,包括在底板温度循环的同时ON - OFF循环的一段时间内,功率稳定性始终优于2%。

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图3:Cobolt 05-iE温度循环下的功率稳定性,激光功率测量为深蓝色,底板温度为蓝绿色(左),温控激光举例(右)

3.2 光束形状和质量

如上所述,激光的强度也必须与曝光时间一致。此外,强度在空间中也应该是均匀的,理想情况下是一个完美高斯分布的TEM 00光束,m2 < 1.1,无论任何方向,直径都相等,椭圆度优于0.90:1。下图是在35°C的恒定底板温度下,用光束质量分析仪测量光束质量,用扫描狭缝光束轮廓仪测量光束形状。

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图4:光束质量m2 < 1.1(左)和近乎完美的高斯光束轮廓(右)。

3.3 波长准确性

为了验证波长精度,将集成到激光组合器中的激光器安装在一个温度控制的底板上,温度在20℃到50℃范围内循环时,用高精度波长计以500毫秒的测量间隔测量波长。如图5所示,本研究中使用的激光器,底板温度从20℃到50℃,457 nm激光器的波长变化< 2 pm,532 nm激光<1pm,640nm激光< 6pm。640 nm激光在温度循环中波长稳定性的表现并不体现在恒温下的波长稳定性上。在恒温条件下,三种激光器波长稳定性表现优良;均<1pm。

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图5:集成到激光组合器前, 457 nm、532 nm和640 nm 的Cobolt 05-iE激光器波长稳定性

3.4 单纵模性能

相干长度是决定激光是否适合全息应用的一个重要因素。具有腔内纵模抑制元件的二极管泵浦固体激光器的实际线宽<<1 MHz,对应超过100米的相干长度。通过对SLM性能的验证,我们可以确保给定激光器的期望线宽和期望相干长度没有偏差。为了确保SLM性能足够强大,可以用于系统集成,激光器用扫描法布里-珀罗干涉仪测量,具有10 GHz的自由光谱范围,给出约67 MHz的分辨率(相当于约1.4 m的相干长度,取决于相干长度的计算方式),同时安装在一个温度控制的基板上。下面我们看到一个典型的结果,显示出完美的单模性能,用绿色表示,在20℃到50℃的温度范围内,在额定功率周围,下面结果显示了532 nm 1.5 W激光发射情况。

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图6:SLM扫描窗口显示了在整个环境温度范围内以及在标称工作功率周围的功率范围内的单频性能。

3.5 光束指向稳定性

激光器必须具有优良的光束指向稳定性,才能成为光束组合系统的候选产品。为了测量光束指向的稳定性,激光器被放置在一个温度控制的底板上,该底板上有一个距离出光孔径至少1米的相机。在20℃到50℃的温度周期内连续测量光束质心的位置,为消除温控底板弯曲和运动对激光束指向结果的影响,在温控底板上反射额外的一束光束,并在测量的激光束指向稳定性中减去反射光束的指向稳定性。下面是来自Cobol 05-iE激光器的典型结果,<10 µrad /℃.

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图7:集成到激光组合器之前,Cobolt 05-iE激光器的光束指向稳定性。

4. 全息照相专用高功率激光组合器

多色或“白光”全息照相可能需要3种或更多不同的激光器。光学对准既麻烦又耗时。为了克服这个问题,激光组合器的开发为全息图和全息光学元件的制造提供了一个紧凑和易于使用的界面。上述商用激光器的稳定性使它们可以被整合为一束共线的激光线,以允许在全息拍摄时拥有最大的灵活性,同时保持曝光参数的严格控制。这三种激光器组合安装在一个金属底板上,底板上还放置了合束和进一步处理光束传输的附件,如声光调制器或电子快门。激光组合器分别由用于每个光束的垂直平移棱镜和光束转向镜组成。所有激光器组合的发射都从一个共同的出光口发出。集成在组合器中的激光器的电气接口和软件控制接口也被整合进激光组合器外壳上的系统接口中。所有需要的激光安全特性也在激光组合器系统层面上得以实现,因此,激光组合器可以被视为一台可以三(或更多不同)波长发射的激光器。

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图8:C-FLEX激光组合器之一,含457 nm、532 nm和640 nm三种Cobolt 05-iE激光器,红色为可选声光调制器,安装在激光头和组合器光学元件之间,可独立用于衰减激光线,且不牺牲稳定性。[8]

光束重叠和位置稳定性对任何激光组合器都至关重要,全息专用的高功率激光组合器也不能例外。光束线是由三个或多个单独的激光光束组成的,它们被制成共线,以方便多色全息曝光的实验和生产,使用组合器的关键优势是用户不必在改变颜色时调整曝光位置。如上所述,激光性能是决定激光组合器是否适合全息应用的关键因素。激光组合器作为一个系统,其性能需要得到进一步控制,如光束位置重叠和角度重叠特性,在恒定的基板温度下光束指向的稳定性,以及在温度变化情况下光束指向的稳定性,这些都已经在C-FLEX上进行了评估,并将在下面的章节中进行讨论。

4.1 激光组合器内的激光性能

演示激光组合器随时间变化的极致波长稳定性对于全息应用特别有意义。激光组合器集成了输出功率为1.5W的532 nm激光器,激光组合器安装在25℃温控的面包板上,用高精度波长计连续测量6天。结果显示波长在6天周期内的不稳定性<1pm。

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图9:集成到激光组合器后的Cobolt 05-iE激光器的波长稳定性

4.2 激光组合器的光束位置重叠和角度重叠特性

在制造过程中对激光光束位置重叠和光束角度重叠进行优化,以实现装运前的理想对准。激光组合器内部的双针孔设计,让基准光束从最远的位置通过出光孔径。然后在距孔径约10厘米和距出光孔径至少1米处测量每束光的质心位置。利用集成的光力学合束器,微调光束在孔径处的位置,使光束重叠优于50μm,光束角度重叠优于150μrad。

4.3 在恒定的底板温度下,光束指向的稳定性

为了显示光束在固定环境条件下的指向稳定性,激光组合器被安装在温控面包板上,在整个测量过程中温度恒定的25°C。在距离激光组合器出光孔径1米处用光束相机测量光束质心位置,光束位置的变化(以μm为单位)除以组合器到相机的距离(以m为单位),为光束指向稳定性(以μrad为单位)。

在图10中,我们看到在16小时的测试中测量的光束指向稳定性,每束光的角偏都小于30 μrad。这相当于在1 m处目标质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径700 μm,457 nm和532 nm发散全角1.2 mrad,640nm发散全角1.4 mrad。在距离激光组合器出光孔径1 m处,激光的光束直径在1.4 ~ 1.5 mm之间,指向稳定性在光束全角的2%以内。

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图10:在底板恒温情况下,组合器中每束激光光束指向稳定性

4.4 不同底板温度下的光束指向稳定性

此外,还测量了激光组合器底板温度对光束位置和角度偏差的影响。将水冷面包板设定在20 ~ 45℃范围内的不同温度,测量该范围内,光束角随温度的变化。当底板温度从一个设定值阶跃到另一个设定值时,以连续的方式获得光束质心位置。激光组合器基板从20℃处开始,以初始光束位置为基准测量相对角偏差归一化结果。图11中的光束角偏差代表了各光束的角偏差与激光组合器底板温度的关系,而不是光束与光束角重叠的关系。

640 nm激光在离出光口最远的位置,显示出组合器最大的光束角偏差15.6 μrad/℃,这完全< 20 µrad/°C的标称值。与直觉相反,结果显示激光器在第二位置的光束角度偏差与温度相关性最小。这可能是由于激光本身极致的指向稳定性,或者是由于中心的底板比两边更小的温漂,还有待观察。

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图11:不同底板温度下,激光组合器光束指向稳定性。640nm激光器离出光口最远。

5. 结论

通过在单一平台上集成三个高功率单频可见激光器,具有完美的TEM00光束和极稳定和可靠的光谱性能。精密对准共线“白光”激光组合器,能够满足全息领域日益增长的的重要性能要求。这种高功率激光组合器是可运输的,包括所有的激光控制电子器件,结合光学和通信枢纽在一个单一的外壳,提供理想的激光光源,促进全息技术的进步。

 

参考文献:

[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)

[2] Kim, N., Piao, Y.L., Piao, and Wu, H.Y., Holographic Optical Elements and Applications, Holographic

materials and Optical Systems, Intech Open, (2017)

[3] McGovern, T., Rådmark, 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., Gärtner, Elgcrona, G., “Widely tunable CW Optical Parametric

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

Synthesis and Photonics of Nanoscale Materials XVII; 112690S (2 March 2020)

[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-photonics.com

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

 

原文链接

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

 

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