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

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摘要

激光全息成長(zhǎng)為商業(yè)市場(chǎng)，用于全息光學(xué)元件(HOEs)的生產(chǎn)，用于虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)設(shè)備中的圖像投影，以及用于生成三維物體(如博物館文物)的超逼真的全彩復(fù)制品的白光模擬全息圖。這些快速發(fā)展的全息技術(shù)和基于全息技術(shù)的應(yīng)用需要的光源要求：多個(gè)波長(zhǎng)，同時(shí)在同一光路上穩(wěn)定可靠。

商業(yè)化、極可靠的單頻或單縱模(SLM)激光滿足了全息拍攝的需求。這些激光在可見(jiàn)光譜中具有長(zhǎng)相干長(zhǎng)度、優(yōu)異的波長(zhǎng)穩(wěn)定性和精度，以及穩(wěn)定的高輸出功率。然而多波長(zhǎng)系統(tǒng)中所必需的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)和光束合束，在技術(shù)上是具有挑戰(zhàn)性和耗時(shí)的。精細(xì)的組裝和持續(xù)的維護(hù)會(huì)浪費(fèi)寶貴的時(shí)間和資源。提高全息圖和HOEs質(zhì)量是我們所需的，從更基礎(chǔ)的工作中轉(zhuǎn)移出來(lái)，這便是目標(biāo)，開(kāi)發(fā)一種激光組合器，在曝光期間為每條激光線提供必要的性能，并具有強(qiáng)穩(wěn)定性的對(duì)準(zhǔn)光束，以及曝光之間的可重復(fù)性，這需要嚴(yán)格控制光機(jī)械組件設(shè)計(jì)和熱處理。

本文評(píng)估了一種激光組合器的性能。該組合器可集成4條以上的激光線，激光的光功率可高達(dá)1.5 W，共線對(duì)齊，具有高精度的位置重疊、角重疊、光束指向穩(wěn)定性和長(zhǎng)時(shí)間的可重復(fù)性。該激光組合器包括激光源、控制電子器件和光束合束光學(xué)器件，并被設(shè)計(jì)為易于運(yùn)輸，提供了理想的激光合束解決方案，以促進(jìn)全息技術(shù)的進(jìn)步

關(guān)鍵詞：全息照相，激光泵浦，激光合束器，二極管泵浦激光器

1. 引言

借助激光的相干特性，全息和干涉測(cè)量技術(shù)被用于全息光學(xué)元件(HOEs)的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)，用于虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)設(shè)備的圖像投影; 利用真彩全息技術(shù)制作珍貴文物的三維復(fù)制品，如光學(xué)克隆™ [1].

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)中圖像投影設(shè)備的市場(chǎng)發(fā)展，全息光學(xué)元件(HOE)受到越來(lái)越多的關(guān)注。HOEs的制造是利用可見(jiàn)光的干涉和衍射，將三維特征記錄到全息材料中。光學(xué)元件包括透鏡、反射鏡、衍射光柵和其他光束整形光學(xué)元件。全息工藝為輕量、靈活的光學(xué)元件提供了無(wú)限可能。[２]

光學(xué)克隆™，被用來(lái)展示無(wú)價(jià)的藝術(shù)作品，例如Fabergé蛋。這些復(fù)制品變得如此逼真，使得藝術(shù)愛(ài)好者在欣賞世界各地的巡回展覽的同時(shí)，也能小心翼翼地保存真正的文物。真彩色全息圖是由3種或3種以上不同波長(zhǎng)的激光光源組合而成的，這就是所謂的“白光"全息圖。

商業(yè)生產(chǎn)復(fù)雜、高精度的HOEs和逼真的真彩全息圖通常需要多個(gè)高功率激光光源。這些激光源必須提供的TEM00光束，足夠優(yōu)秀的波長(zhǎng)和功率穩(wěn)定性，長(zhǎng)相干長(zhǎng)度，必須能夠適應(yīng)環(huán)境條件 [3]。這種激光器在商業(yè)上是可行的，但是多光源的光學(xué)對(duì)準(zhǔn)和光束路徑管理困難且耗時(shí)。校準(zhǔn)和組合激光光源的工作可能會(huì)分散人們對(duì)制作HOEs和全息圖這一本來(lái)就很有挑戰(zhàn)性的工作的注意力。為了使這些技術(shù)更加商業(yè)化，多色、共線性、高性能的激光組合器必須能夠適應(yīng)各種環(huán)境條件。一種專用的高功率激光組合器提供了經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的穩(wěn)定性能，消除了這些困難，促進(jìn)了HOEs制造工藝的開(kāi)發(fā)和全息圖曝光優(yōu)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測(cè)量成為可能。然而，要曝光高分辨率、穩(wěn)定、均勻的全息圖，以及具有研究所需的精度和適應(yīng)日益增長(zhǎng)的商業(yè)應(yīng)用的處理速度的全息透鏡，還需要進(jìn)一步的性能。決定激光光源是否適合全息應(yīng)用的關(guān)鍵性能參數(shù)是功率、功率穩(wěn)定性、空間和時(shí)間相干性、光束形狀和質(zhì)量、波長(zhǎng)穩(wěn)定性和光束指向穩(wěn)定性。

現(xiàn)有的許多激光技術(shù)可以提供全息術(shù)所需的必要性能，包括頻率轉(zhuǎn)換光參量振蕩器[4]，頻率穩(wěn)定二極管激光器[5]，光纖激光器[6]和二極管泵浦固體激光器[7]。本文將重點(diǎn)討論集成控制電子器件并且性能可靠的小型二極管泵浦激光器(DPLs)，[3]特別適用于全息專用的激光組合器中。

二極管泵浦激光器(DPLs)擁有的TEM00光束，提供高的光輸出功率，具有全息所需的單頻性能和光譜穩(wěn)定性。DPLs通常由一個(gè)泵浦二極管、一個(gè)固態(tài)增益介質(zhì)和一個(gè)非線性光學(xué)元件組成。非線性頻率轉(zhuǎn)換，如二次諧波、和頻和三次諧波產(chǎn)生，使得在整個(gè)可見(jiàn)范圍內(nèi)(從457 nm到660 nm)產(chǎn)生離散波長(zhǎng)的相干光成為可能。然而，僅僅獲得合適的波長(zhǎng)是不夠的。為了提供足夠窄的頻譜，腔內(nèi)縱模模抑制元件只允許一個(gè)模式傳播，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的單頻、單縱模激光。

圖1:用于全息的二極管泵浦固態(tài)激光器原理圖(上)和模式抑制原理圖(下)。 [3]

在達(dá)到必要的單頻性能后，激光器必須采用可重復(fù)的、可控的制造過(guò)程。HTCure技術(shù)制造的所有Cobolt激光器具有的可靠性和穩(wěn)固性。腔體組件和光束整形選項(xiàng)使用高溫固化粘合劑固定在一個(gè)整體平臺(tái)上，整個(gè)光學(xué)組件是密封的，以確保組件對(duì)齊和無(wú)污染。選擇質(zhì)量的組件，優(yōu)化熱-機(jī)械相容性，主動(dòng)控制關(guān)鍵組件的溫度，以及平臺(tái)本身，進(jìn)一步穩(wěn)定腔。此外，優(yōu)化過(guò)程控制和驗(yàn)證關(guān)鍵參數(shù)，確保激光器在預(yù)期壽命內(nèi)將達(dá)到所需的性能。

3. 小體積且的全息激光器性能測(cè)試

基于已建立的性能穩(wěn)定性和制造重復(fù)性[3]，并努力最小化外形，Cobolt 05系列激光器的控制電子已集成到激光頭。這些激光器被稱為Cobolt 05-iE，由于它們不需要輔助設(shè)備，因此非常適合集成到激光組合器中。

圖2:集成控制電子器件的Cobolt 05-iE激光器，用于OEM集成的電源和I/O連接或到CE/CDRH兼容的按鍵控制盒。

，改變封裝方式會(huì)潛在地影響穩(wěn)定性，特別熱處理是一個(gè)關(guān)鍵因素。在集成到專用高功率激光合成器之前，必須對(duì)所有關(guān)鍵性能參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證，并證明其在操作環(huán)境變化時(shí)的穩(wěn)定性。本研究演示和表征了波長(zhǎng)為457 nm、532 nm和640 nm的Cobolt 05-iE激光器的。波長(zhǎng)是專門(mén)選擇的，用于同軸白光全息術(shù)。全息生產(chǎn)的曝光時(shí)間和記錄速度取決于照明的強(qiáng)度，這使得合適的激光輸出功率成為全息生產(chǎn)過(guò)程中生產(chǎn)力的一個(gè)關(guān)鍵因素。根據(jù)波長(zhǎng)的不同，所需的功率水平可以從幾十毫瓦到瓦不等。通常情況下，激光波長(zhǎng)越長(zhǎng)(越紅)，所需的功率就越大。

本研究中包括的所有激光器輸出功率均大于300mW，并已通過(guò)所有標(biāo)準(zhǔn)出廠驗(yàn)收測(cè)試，包括功率穩(wěn)定性、噪聲、單縱模性能、光束直徑和橢圓度。這里演示了在指定的環(huán)境溫度范圍內(nèi)工作時(shí)的性能，使用溫度控制底板，從20℃到45℃循環(huán)，以模擬10℃到35℃的環(huán)境溫度。溫度循環(huán)測(cè)量的結(jié)果旨在表明，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境和不那么嚴(yán)格的氣候控制的制造地點(diǎn)，集成電子器件沒(méi)有對(duì)預(yù)期性能產(chǎn)生負(fù)面影響。

3.1 功率穩(wěn)定性

激光器的功率穩(wěn)定性是許多應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵性能參數(shù)，因此需要在每一個(gè)激光器上都得到驗(yàn)證。在圖3中，我們展示了1.5 W的Cobolt Samba 05-iE 532nm激光器的結(jié)果。激光是安裝在TEC溫控板上，當(dāng)?shù)装鍦囟葟?0℃ - 45℃變化時(shí)，檢測(cè)功率穩(wěn)定性。前12小時(shí),包含兩個(gè)6小時(shí)周期，緊隨其后的是一個(gè)附加的6小時(shí)溫度循環(huán)(下圖12-18小時(shí))激光器的電源開(kāi)關(guān)的時(shí)間為30分鐘和10分鐘。在整個(gè)溫度范圍內(nèi)，包括在底板溫度循環(huán)的同時(shí)ON - OFF循環(huán)的一段時(shí)間內(nèi)，功率穩(wěn)定性始終優(yōu)于2%。

圖3:Cobolt 05-iE溫度循環(huán)下的功率穩(wěn)定性，激光功率測(cè)量為深藍(lán)色，底板溫度為藍(lán)綠色(左)，溫控激光舉例(右)

3.2 光束形狀和質(zhì)量

如上所述，激光的強(qiáng)度也必須與曝光時(shí)間一致。此外，強(qiáng)度在空間中也應(yīng)該是均勻的，理想情況下是一個(gè)高斯分布的TEM 00光束，m² < 1.1，無(wú)論任何方向，直徑都相等，橢圓度優(yōu)于0.90:1。下圖是在35°C的恒定底板溫度下，用光束質(zhì)量分析儀測(cè)量光束質(zhì)量，用掃描狹縫光束輪廓儀測(cè)量光束形狀。

圖4:光束質(zhì)量m² < 1.1(左)和近乎的高斯光束輪廓(右)。

3.3 波長(zhǎng)準(zhǔn)確性

為了驗(yàn)證波長(zhǎng)精度，將集成到激光組合器中的激光器安裝在一個(gè)溫度控制的底板上，溫度在20℃到50℃范圍內(nèi)循環(huán)時(shí)，用高精度波長(zhǎng)計(jì)以500毫秒的測(cè)量間隔測(cè)量波長(zhǎng)。如圖5所示，本研究中使用的激光器，底板溫度從20℃到50℃，457 nm激光器的波長(zhǎng)變化< 2 pm，532 nm激光<1pm,640nm激光< 6pm。640 nm激光在溫度循環(huán)中波長(zhǎng)穩(wěn)定性的表現(xiàn)并不體現(xiàn)在恒溫下的波長(zhǎng)穩(wěn)定性上。在恒溫條件下，三種激光器波長(zhǎng)穩(wěn)定性表現(xiàn)優(yōu)良;均<1pm。

圖5:集成到激光組合器前， 457 nm、532 nm和640 nm 的Cobolt 05-iE激光器波長(zhǎng)穩(wěn)定性

3.4 單縱模性能

相干長(zhǎng)度是決定激光是否適合全息應(yīng)用的一個(gè)重要因素。具有腔內(nèi)縱模抑制元件的二極管泵浦固體激光器的實(shí)際線寬<<1 MHz，對(duì)應(yīng)超過(guò)100米的相干長(zhǎng)度。通過(guò)對(duì)SLM性能的驗(yàn)證，我們可以確保給定激光器的期望線寬和期望相干長(zhǎng)度沒(méi)有偏差。為了確保SLM性能足夠*，可以用于系統(tǒng)集成，激光器用掃描法布里-珀羅干涉儀測(cè)量，具有10 GHz的自由光譜范圍，給出約67 MHz的分辨率(相當(dāng)于約1.4 m的相干長(zhǎng)度，取決于相干長(zhǎng)度的計(jì)算方式)，同時(shí)安裝在一個(gè)溫度控制的基板上。下面我們看到一個(gè)典型的結(jié)果，顯示出的單模性能，用綠色表示，在20℃到50℃的溫度范圍內(nèi)，在額定功率周?chē)?，下面結(jié)果顯示了532 nm 1.5 W激光發(fā)射情況。

圖6:SLM掃描窗口顯示了在整個(gè)環(huán)境溫度范圍內(nèi)以及在標(biāo)稱工作功率周?chē)墓β史秶鷥?nèi)的單頻性能。

3.5 光束指向穩(wěn)定性

激光器必須具有優(yōu)良的光束指向穩(wěn)定性，才能成為光束組合系統(tǒng)的候選產(chǎn)品。為了測(cè)量光束指向的穩(wěn)定性，激光器被放置在一個(gè)溫度控制的底板上，該底板上有一個(gè)距離出光孔徑至少1米的相機(jī)。在20℃到50℃的溫度周期內(nèi)連續(xù)測(cè)量光束質(zhì)心的位置，為消除溫控底板彎曲和運(yùn)動(dòng)對(duì)激光束指向結(jié)果的影響，在溫控底板上反射額外的一束光束，并在測(cè)量的激光束指向穩(wěn)定性中減去反射光束的指向穩(wěn)定性。下面是來(lái)自Cobol 05-iE激光器的典型結(jié)果，<10 µrad /℃.

圖7:集成到激光組合器之前，Cobolt 05-iE激光器的光束指向穩(wěn)定性。

4. 全息照相專用高功率激光組合器

多色或“白光"全息照相可能需要3種或更多不同的激光器。光學(xué)對(duì)準(zhǔn)既麻煩又耗時(shí)。為了克服這個(gè)問(wèn)題，激光組合器的開(kāi)發(fā)為全息圖和全息光學(xué)元件的制造提供了一個(gè)緊湊和易于使用的界面。上述商用激光器的穩(wěn)定性使它們可以被整合為一束共線的激光線，以允許在全息拍攝時(shí)擁有的靈活性，同時(shí)保持曝光參數(shù)的嚴(yán)格控制。這三種激光器組合安裝在一個(gè)金屬底板上，底板上還放置了合束和進(jìn)一步處理光束傳輸?shù)母郊?，如聲光調(diào)制器或電子快門(mén)。激光組合器分別由用于每個(gè)光束的垂直平移棱鏡和光束轉(zhuǎn)向鏡組成。所有激光器組合的發(fā)射都從一個(gè)共同的出光口發(fā)出。集成在組合器中的激光器的電氣接口和軟件控制接口也被整合進(jìn)激光組合器外殼上的系統(tǒng)接口中。所有需要的激光安全特性也在激光組合器系統(tǒng)層面上得以實(shí)現(xiàn)，因此，激光組合器可以被視為一臺(tái)可以三(或更多不同)波長(zhǎng)發(fā)射的激光器。

圖8:C-FLEX激光組合器之一，含457 nm、532 nm和640 nm三種Cobolt 05-iE激光器，紅色為可選聲光調(diào)制器，安裝在激光頭和組合器光學(xué)元件之間，可獨(dú)立用于衰減激光線，且不犧牲穩(wěn)定性。［8］

光束重疊和位置穩(wěn)定性對(duì)任何激光組合器都至關(guān)重要，全息專用的高功率激光組合器也不能例外。光束線是由三個(gè)或多個(gè)單獨(dú)的激光光束組成的，它們被制成共線，以方便多色全息曝光的實(shí)驗(yàn)和生產(chǎn)，使用組合器的關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是用戶不必在改變顏色時(shí)調(diào)整曝光位置。如上所述，激光性能是決定激光組合器是否適合全息應(yīng)用的關(guān)鍵因素。激光組合器作為一個(gè)系統(tǒng)，其性能需要得到進(jìn)一步控制，如光束位置重疊和角度重疊特性，在恒定的基板溫度下光束指向的穩(wěn)定性，以及在溫度變化情況下光束指向的穩(wěn)定性，這些都已經(jīng)在C-FLEX上進(jìn)行了評(píng)估，并將在下面的章節(jié)中進(jìn)行討論。

4.1 激光組合器內(nèi)的激光性能

演示激光組合器隨時(shí)間變化的波長(zhǎng)穩(wěn)定性對(duì)于全息應(yīng)用特別有意義。激光組合器集成了輸出功率為1.5W的532 nm激光器，激光組合器安裝在25℃溫控的面包板上，用高精度波長(zhǎng)計(jì)連續(xù)測(cè)量6天。結(jié)果顯示波長(zhǎng)在6天周期內(nèi)的不穩(wěn)定性<1pm。

圖9:集成到激光組合器后的Cobolt 05-iE激光器的波長(zhǎng)穩(wěn)定性

4.2 激光組合器的光束位置重疊和角度重疊特性

在制造過(guò)程中對(duì)激光光束位置重疊和光束角度重疊進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)裝運(yùn)前的理想對(duì)準(zhǔn)。激光組合器內(nèi)部的雙針孔設(shè)計(jì)，讓基準(zhǔn)光束從最遠(yuǎn)的位置通過(guò)出光孔徑。然后在距孔徑約10厘米和距出光孔徑至少1米處測(cè)量每束光的質(zhì)心位置。利用集成的光力學(xué)合束器，微調(diào)光束在孔徑處的位置，使光束重疊優(yōu)于50μm，光束角度重疊優(yōu)于150μrad。

4.3 在恒定的底板溫度下，光束指向的穩(wěn)定性

為了顯示光束在固定環(huán)境條件下的指向穩(wěn)定性，激光組合器被安裝在溫控面包板上，在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中溫度恒定的25°C。在距離激光組合器出光孔徑1米處用光束相機(jī)測(cè)量光束質(zhì)心位置，光束位置的變化(以μm為單位)除以組合器到相機(jī)的距離(以m為單位)，為光束指向穩(wěn)定性(以μrad為單位)。

在圖10中，我們看到在16小時(shí)的測(cè)試中測(cè)量的光束指向穩(wěn)定性，每束光的角偏都小于30 μrad。這相當(dāng)于在1 m處目標(biāo)質(zhì)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徑700 μm，457 nm和532 nm發(fā)散全角1.2 mrad，640nm發(fā)散全角1.4 mrad。在距離激光組合器出光孔徑1 m處，激光的光束直徑在1.4 ~ 1.5 mm之間，指向穩(wěn)定性在光束全角的2%以內(nèi)。

圖10:在底板恒溫情況下，組合器中每束激光光束指向穩(wěn)定性

4.4 不同底板溫度下的光束指向穩(wěn)定性

此外，還測(cè)量了激光組合器底板溫度對(duì)光束位置和角度偏差的影響。將水冷面包板設(shè)定在20 ~ 45℃范圍內(nèi)的不同溫度，測(cè)量該范圍內(nèi)，光束角隨溫度的變化。當(dāng)?shù)装鍦囟葟囊粋€(gè)設(shè)定值階躍到另一個(gè)設(shè)定值時(shí)，以連續(xù)的方式獲得光束質(zhì)心位置。激光組合器基板從20℃處開(kāi)始，以初始光束位置為基準(zhǔn)測(cè)量相對(duì)角偏差歸一化結(jié)果。圖11中的光束角偏差代表了各光束的角偏差與激光組合器底板溫度的關(guān)系，而不是光束與光束角重疊的關(guān)系。

640 nm激光在離出光口最遠(yuǎn)的位置，顯示出組合器的光束角偏差15.6 μrad/℃，這< 20 µrad/°C的標(biāo)稱值。與直覺(jué)相反，結(jié)果顯示激光器在第二位置的光束角度偏差與溫度相關(guān)性最小。這可能是由于激光本身的指向穩(wěn)定性，或者是由于中心的底板比兩邊更小的溫漂，還有待觀察。

圖11:不同底板溫度下，激光組合器光束指向穩(wěn)定性。640nm激光器離出光口最遠(yuǎn)。

5. 結(jié)論

通過(guò)在單一平臺(tái)上集成三個(gè)高功率單頻可見(jiàn)激光器，具有的TEM00光束和極穩(wěn)定和可靠的光譜性能。精密對(duì)準(zhǔn)共線“白光"激光組合器，能夠滿足全息領(lǐng)域日益增長(zhǎng)的的重要性能要求。這種高功率激光組合器是可運(yùn)輸?shù)?，包括所有的激光控制電子器件，結(jié)合光學(xué)和通信樞紐在一個(gè)單一的外殼，提供理想的激光光源，促進(jìn)全息技術(shù)的進(jìn)步。

參考文獻(xiàn)：

[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., R?dmark, 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., G?rtner, 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-

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

原文鏈接

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

全息激光產(chǎn)品鏈接