作者：E.K. Illy*, H. Karlsson & G. Elgcrona. Cobolt AB, a part of HüBNER Photonics, Vretenv?gen 13, 17154, Stockholm, Sweden

翻譯：上海星譜科技有限公司 info上海市普陀區(qū)中江路388弄國盛中心2號(hào)樓1506室

摘要

目前人們對(duì)全息技術(shù)和全息光學(xué)元件(HOEs，holographic optical elements)的興趣激增，與虛擬現(xiàn)實(shí)（VR，virtual reality）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR，augmented reality）應(yīng)用有關(guān)，這導(dǎo)致對(duì)新的激光技術(shù)的要求增加，需要新的波長(zhǎng)，更高的輸出功率，在某些情況下，改良控制這些參數(shù)是重要的 。

無論是對(duì)于全息圖的光學(xué)記錄，還是圖像顯示器用HOEs的生產(chǎn)，光源通常固定在RGB波長(zhǎng)中選擇激光器(457nm, 473nm, 491 nm, 515 nm, 532 nm, 561 nm，640 nm, 660 nm)或者選擇一個(gè)波長(zhǎng)可調(diào)諧的光源(450 nm - 650 nm)或組合。在所有情況下，激光器需要有很長(zhǎng)的相干長(zhǎng)度(<10 m)，優(yōu)秀的波長(zhǎng)穩(wěn)定性和精度以及非常好的功率穩(wěn)定性。此外，由于全息技術(shù)和HOEs的新應(yīng)用通常需要在工業(yè)環(huán)境中大量制造，因此對(duì)具有良好可靠性和長(zhǎng)工作壽命的激光源的要求越來越高。

在本文中，我們介紹了使用高平均功率、單頻(SF)或單縱模(SLM)激光器產(chǎn)生全息圖和HOEs時(shí)應(yīng)考慮的性能指標(biāo)，以及能夠提供這些性能指標(biāo)的一些激光技術(shù)。

關(guān)鍵詞:全息激光，SLM，激光性能，激光波長(zhǎng)

1. 引言

1971年，諾貝爾獎(jiǎng)授予了丹尼斯·加伯，以表彰他“發(fā)明和發(fā)展全息技術(shù)"。他因?yàn)樵?0世紀(jì)40年代所做的工作而獲獎(jiǎng)，那時(shí)候激光還未發(fā)明。自從1960年激光發(fā)明以來，全息攝影作為一種記錄方法和一種3D圖像顯示藝術(shù)形式開始騰飛。后來，全息技術(shù)也被應(yīng)用于防偽保護(hù)。在過去的五年中，更緊湊、成本更低的單縱模激光器(SLM)的出現(xiàn)，以及新一代敏感乳劑的發(fā)展和波長(zhǎng)可選擇的LED照明光源的出現(xiàn)，為全息技術(shù)開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。

例如，這些技術(shù)的改進(jìn)為抬頭顯示以及虛擬現(xiàn)實(shí)(VR)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)投影相關(guān)技術(shù)進(jìn)入大批量消費(fèi)市場(chǎng)鋪平了道路。雖然全息圖和HOEs的大批量復(fù)制已經(jīng)以壓印的形式在安防行業(yè)使用了幾十年，但抬頭顯示需要比壓印提供的分辨率更好的全息圖。這就意味著激光很可能會(huì)被用來寫入這種全息圖，而這很可能會(huì)以激光打印機(jī)的形式來完成，類似于現(xiàn)在的3D打印機(jī)。

激光技術(shù)、乳劑和光源的發(fā)展也驅(qū)動(dòng)了白光全息術(shù)的巨大進(jìn)步，這為與物體的超逼真3D復(fù)制相關(guān)的全息術(shù)開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域。

用于寫入單色或多色全息圖或HOEs的激光器的性能特性，無論是母版還是量產(chǎn)，都是至關(guān)重要的。

2.白光全息激光器

模擬全息是在2D全息干板上呈現(xiàn)物體的3D圖像，通過記錄相干光照射物體并將物體反射的光與來自同一相干光源的參考光束混合時(shí)發(fā)生的干涉圖樣來實(shí)現(xiàn)。全息圖是物體的3D呈現(xiàn)，因?yàn)楦缮鎴D樣包含反射光的相位信息。

在單色全息中，使用單個(gè)激光記錄全息圖。通過物體曝光，或者3D CAD文件記錄。理想情況下，單色光源照亮全息圖，以清晰度呈現(xiàn)物體的3D圖像。但是在現(xiàn)實(shí)中，全息圖往往是白光源照明，這通常導(dǎo)致圖像呈現(xiàn)不清晰，而且只有一種顏色。

與之相反，在白光全息術(shù)中，通常使用3種(最多5種)顏色來書寫全息圖;藍(lán)色，綠色和紅色。定制波長(zhǎng)的LEDs可以獲得非常接近寫入激光波長(zhǎng)的光，結(jié)合新的敏感乳劑，被照亮的全息圖可以達(dá)到的清晰度。白光全息術(shù)最近重新引起了人們的強(qiáng)烈興趣，因?yàn)樗蛔C明能夠?qū)崿F(xiàn)超逼真的3D復(fù)制。

到目前為止，寫入全息圖或HOEs的激光器最重要的性能要求是相干長(zhǎng)度。從技術(shù)上講，全息圖可以被描述為光場(chǎng)的照片，包含光場(chǎng)的相位。為了記錄光場(chǎng)的相位含量，光源需要是相干的。我們所說的相干是指所有光波在同步中傳播，即它們具有相同的周期和相位，這種特性在真正的單縱模(SLM)或單頻(SF)激光器中出現(xiàn)。光源的相干長(zhǎng)度與發(fā)射光的光譜帶寬(時(shí)間相干)和光束截面上相位波前的均勻性(空間相干)直接相關(guān)。產(chǎn)生干涉圖樣所需的光的相干距離由景深決定;景深越大，所需的相干長(zhǎng)度就越長(zhǎng)。一般來說，大于1m的相干長(zhǎng)度就夠了。

除了相干長(zhǎng)度，還有其他一些重要的參數(shù)需要考慮。如:輸出功率、波長(zhǎng)精度、穩(wěn)定性、可靠性。此外，還可以考慮激光是連續(xù)波還是脈沖。下表總結(jié)了這些性能特性如何影響全息圖的質(zhì)量。

表1. 寫入全息圖激光的重要性能特性

3. 固體激光之與全息技術(shù)

寫入全息圖或HOEs，基本有5種激光技術(shù)可以滿足長(zhǎng)相干長(zhǎng)度的要求。所有提供的波長(zhǎng)，無論是固定還是可調(diào)，輸出功率都是從十幾mW到幾W:

1.頻率轉(zhuǎn)換二極管泵浦的單頻激光器SLM（DPL or DPSS lasers）（產(chǎn)品鏈接：04系列DPSS，05系列DPSS，08系列DPL）

頻率轉(zhuǎn)換二極管泵浦單縱模(SLM)激光器是一種易于獲得的緊湊和廉價(jià)的選擇，從紫外到近紅外的固定波長(zhǎng)和相干長(zhǎng)度為一百多米。DPLs是固態(tài)激光器，比傳統(tǒng)使用的氣體激光器更高效，更緊湊，壽命更長(zhǎng)。在可見范圍內(nèi)，大量的固定波長(zhǎng)線在藍(lán)-綠-紅區(qū)域可用(457nm, 473nm, 491nm, 515 nm, 532 nm, 561 nm, 640 nm, 660 nm)與輸出功率的規(guī)模為0.5W，根據(jù)乳劑和照明源靈活選擇波長(zhǎng)。這些激光器提供了固有的優(yōu)秀的圓形TEM00光束(圖1)，精確的波長(zhǎng)和優(yōu)良的波長(zhǎng)穩(wěn)定性(圖2)。

圖1：典型的DPL SLM激光器TEM00光束剖面（來自Cobolt AB）

圖2：DPL SLM激光器的典型波長(zhǎng)和功率穩(wěn)定性（來自Cobolt AB）

2.波長(zhǎng)可調(diào)諧的CW OPOs(產(chǎn)品鏈接：C-WAVE)

基于頻率轉(zhuǎn)換OPO技術(shù)的可調(diào)諧連續(xù)波單頻激光光源，近年來成為一種可用于寫入全息圖和HOEs的長(zhǎng)相干長(zhǎng)度激光光源。

的設(shè)計(jì)意味著單個(gè)激光在450 - 650 nm范圍內(nèi)的任何波長(zhǎng)(泵浦波長(zhǎng)處有簡(jiǎn)并)可以獲得，功率高達(dá)半瓦。

波長(zhǎng)選擇的靈活性，允許定制的寫入波長(zhǎng)，使全息圖更難以復(fù)制，因此非常利于基于安全的應(yīng)用。

波長(zhǎng)的可調(diào)諧性還允許根據(jù)照明光源(如LEDs)的特定顏色來調(diào)整曝光波長(zhǎng)，從而提高全息圖或HOEs的質(zhì)量。

另外，這種波長(zhǎng)的靈活性可以作為補(bǔ)充的第4或5波長(zhǎng)在RGB托盤的固定波長(zhǎng)為創(chuàng)造最終復(fù)制白光全息圖，即文物文檔。這額外的第4或第5波長(zhǎng)可以用來突出文物的顏色。

3.單頻或穩(wěn)頻二極管激光器（產(chǎn)品鏈接：08系列NLD）

單頻或穩(wěn)頻激光二極管提供了一種可選擇的激光技術(shù)，可得到略有不同的波長(zhǎng)。在這些激光器中，使用窄線寬反射的衍射光柵元件(如體布拉格光柵，VBG元件)與二極管激光發(fā)射器一起實(shí)現(xiàn)窄線寬發(fā)射(對(duì)應(yīng)于較長(zhǎng)的相干長(zhǎng)度)，適合寫入全息圖或HOEs。這種激光解決方案的典型波長(zhǎng)為405 nm、488nm、633 nm和785 nm，功率級(jí)別為100 mW。通過鎖頻多橫模二極管激光器，也可以實(shí)現(xiàn)更高功率水平的窄線寬發(fā)射。通過放大窄線寬或單頻二極管激光器，并將它們與頻率轉(zhuǎn)換相結(jié)合，就有可能達(dá)到可見光光譜中適合全息照相的其他波長(zhǎng)。這種激光技術(shù)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是可以提供一定程度的波長(zhǎng)可調(diào)諧性，典型范圍是幾到十幾nm。

4.頻率轉(zhuǎn)換光纖激光器（產(chǎn)品鏈接：AZURLIGHT單頻光纖激光器）

一般來說，高功率光纖激光器通常不是SLM或SF，但通過放大單頻主振蕩器，可以實(shí)現(xiàn)SF性能光纖激光器。光纖激光器和放大器通常摻雜Yb，其發(fā)射波長(zhǎng)在1000-1100納米之間。這種發(fā)射反過來可以被外部頻率轉(zhuǎn)換為可見光譜范圍。典型的波長(zhǎng)是488nm, 515 nm和532 nm，輸出功率相當(dāng)高，大約幾瓦。其優(yōu)點(diǎn)是，頻率轉(zhuǎn)換輸出通常是從連接到激光器和驅(qū)動(dòng)電子器件通過光纖，這種小型激光頭散熱低，不需要安裝可能在全息圖記錄過程中引起干擾振動(dòng)的風(fēng)扇。

5.脈沖固體激光器（產(chǎn)品鏈接：Tor系列）

最后考慮了脈沖SLM激光器。個(gè)用于寫入全息圖的激光器是脈沖紅寶石激光器。短脈沖(ms)的優(yōu)點(diǎn)是全息圖可以在很短的時(shí)間內(nèi)寫入，原則上可以捕捉到運(yùn)動(dòng)物體的瞬間。雖然在1960年激光發(fā)明后的幾十年里，脈沖紅寶石激光器被連續(xù)波激光器取代，成為寫入全息圖的光源，但能夠在如此短的時(shí)間內(nèi)寫入全息圖的優(yōu)勢(shì)不可忽視，特別是考慮到批量生產(chǎn)。用單ns – 百ns長(zhǎng)脈沖寫入全息圖的可能性意味著可實(shí)時(shí)寫入HOEs，從而實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)。然而，根據(jù)定義，脈沖固體激光器不是典型的SLM，并且可能在脈沖能量較低的一端，使商業(yè)脈沖激光器的選擇相當(dāng)有限。盡管如此，結(jié)合感光乳劑薄膜，這可能是未來激光打印機(jī)和HOEs真正量產(chǎn)的一個(gè)考慮因素。

圖3:使用RGB DPL激光器書寫白光全息圖一個(gè)例子。(來自Proff. Hans Bjelkhagen)

4.總結(jié)

固定波長(zhǎng)或可調(diào)諧波長(zhǎng)激光器，無論是二極管泵浦激光器、倍頻opo激光器、穩(wěn)頻二極管激光器和變頻光纖激光器，無論是工作在連續(xù)波還是脈沖，都可以用于寫入全息圖和全息光學(xué)元件(HOEs)。最重要的性能特征是較長(zhǎng)的相干長(zhǎng)度，此外，良好的功率穩(wěn)定性，波長(zhǎng)精度和穩(wěn)定性，以及最重要的可靠性。

參考文獻(xiàn)

[1] "The Nobel Prize in Physics 1971". Nobelprize.org.

[2] Coboltlasers.com

[3] /products/laser-technology/tunable-lasers/

[4] /lasers/narrow-linewidth-lasers/

[5] http://azurlight-systems.com/applications/holography

[6] /wiki/Ruby_laser

原文鏈接：https://hubner-photonics.com/wp-content/uploads/2020/05/Publication-E.K.-Illy-et-al.-Lasers-for-holographic-applications-ISDH-2018.pdf

產(chǎn)品分類