Диодные лазеры сегодня отвечают техническим требованиям для выполнения задач голографии и литографии на всех существующих длинах волн, а также на новых длинах волн в ультрафиолетовом и видимом диапазонах.
Когда в конце 1940-х годов Деннис Габор пытался повысить разрешающую способность электронного микроскопа, он, вероятно, и не подозревал, какое влияние окажет его работа. Он открыл голографический метод, позволяющий отображать полное трехмерное (3D) изображение объекта. В сочетании с изобретением лазера голография вышла из исследовательских лабораторий и превратилась в миллиардный бизнес с множеством применений. Сегодня практическое применение голографии простирается от хорошо известных голограмм безопасности на кредитных картах, банковских купюрах и паспортах до медицинской голографии. Оптические компоненты, такие как пропускающие или отражающие решетки, находят множество применений в лазерах или спектрометрах (см. изображение ниже). Микро интеграция этих компонентов продвинулась очень далеко, примерами могут служить лазерные диоды с распределенной обратной связью (DFB) и распределенным брэгговским отражателем (DBR), а также волоконные брэгговские решетки. В ближайшем будущем ожидается значительный рост сектора за счет вывода на рынок устройств дополненной реальности. Принципы оптической голографии не претерпели существенных изменений с тех пор, как она была впервые изобретена (см. рис. 1).
Для создания голограммы лазерный луч разделяется на две части: осветительный луч облучает объект, а отраженный от него свет (объектный луч) попадает на фотопластинку, где интерферирует со второй частью лазерного луча (опорным лучом), фиксируя их интерференционную картину. Например, криптоновые ионные лазеры, излучающие на длине волны 407 нм, уже несколько лет заменяются диодными лазерами на длине волны 405 нм. Эта замена достигается либо прямым использованием диодов, либо, если требуется мощность ваттного класса, удвоением частоты мощных, стабильных и узкополосных ИК-лазеров. Ультрафиолетовый диапазон достигается путем добавления еще одной ступени преобразования частоты. Для популярных применений на длине волны 266 нм используются лазеры, обеспечивающие когерентную выходную мощность 300 мВт с качеством луча, близким к дифракционно-ограниченному (обычно M2 < 1,2).
Ведущие области применения голографии.
Процесс производства специальных оптических полупроводников требует голографической генерации решеток внутри материала. Обычно для этого используются газовые или диодные лазеры с преобразованием частоты на длине волны 244 нм. Популярная длина волны 213 нм от импульсных Nd:YAG-лазеров с квинтиллированной частотой может быть обеспечена мощными непрерывными волнами от диодных лазеров, включая все функциональные возможности, представленные здесь.
Практические применения голографии простираются от защитных голограмм на кредитных картах, банковских купюрах и паспортах до медицинской визуализации и дополненной реальности. Если первыми лазерами, нашедшими широкое применение в голографии, были газовые лазеры, то теперь на смену им пришло новое поколение диодных лазеров ваттного класса. Основным преимуществом диодных лазеров является их доступность практически для всех длин волн. Стандартные лазерные диоды охватывают широкий диапазон от инфракрасного (IR) до видимого (VIS) света. Этот диапазон может быть расширен до ультрафиолетовых (УФ) длин волн за счет использования методов преобразования частоты.
Рисунок 2 иллюстрирует этот расширенный спектральный охват, на котором показана выходная мощность в зависимости от длины волны излучения перестраиваемых диодных лазеров Toptica. Спектр охватывает диапазон длин волн от глубокого ультрафиолета (190 нм) до среднего ИК-диапазона (3500 нм) с выходной мощностью до нескольких ватт. Он включает в себя красно-зелено-синие (RGB) длины волн 457, 532 и 647 нм (см. таблицу). Для особо требовательных к мощности приложений полупроводниковая микросхема усиления с ленточным усилителем (TA) может быть заменена волоконным усилителем, как в нашем лазере SodiumStar, который обеспечивает выходную мощность 22 Вт на длине волны 589 нм, создавая искусственные путеводные звезды для телескопов.2 Разрешение интерференционной картины важно для формирования все более мелких литографических элементов, используемых в электронных устройствах. Это, в свою очередь, требует все более коротких длин волн.
Еще одним важным шагом на пути к еще более коротким длинам волн является использование кристаллов бериллиевого фторобората калия (KBBF) в качестве среды удвоения частоты. Они позволяют проводить голографию на популярной длине волны 193 нм с помощью диодных лазеров, а не эксимерных лазеров.
Устройства дополненной реальности (AR), такие как Hololens от Microsoft, являются примерами нового потребительского применения голографии. AR может полностью изменить темп работы на рабочем месте и в перспективе заменить смартфоны. Аналогичное массовое применение находит и в автомобильном секторе, где важная информация для водителя, например текущая скорость автомобиля, может проецироваться прямо "на дорогу" с помощью головного дисплея. В обоих случаях голографические устройства визуализации отличаются наилучшей одновременной яркостью как окружающего света, так и проецируемого изображения. Поэтому пользователи испытывают настоящее погружение в дополненную реальность. Поскольку светодиоды подсветки или лазерные диоды имеют длину волны излучения, которая рассеивается на несколько нанометров вокруг расчетной длины волны, результат проецирования изображения может быть очень тусклым или даже невидимым. Здесь проявляется еще одно преимущество диодных лазеров - возможность настроить пишущий лазер на нужную длину волны излучения. Это позволяет учесть недостатки источника освещения устройства перед записью голограммы.
На рисунке 3 показан пример кривой настройки, где продемонстрирована автоматическая настройка на 14 нм в районе 480 нм. Неоптимизированный диодный лазер перестраивается более чем на 2 нм в пределах заданной длины волны, прежде чем мощность падает ниже 90% от пиковой мощности. Автоматически оптимизированный диодный лазер перестраивается более чем на 11 нм до достижения критерия 90%, что приводит к пятикратному увеличению полезного диапазона перестройки.
Эти диодные лазерные системы изначально эффективны, обычно потребляя <100 Вт электроэнергии. Это означает экономию в сотни тысяч киловатт-часов по сравнению с более энергоемкими газовыми лазерами. Кроме того, они работают без водяного охлаждения, что не только упрощает настройку и эксплуатацию лазера, но и снижает и без того значительно сниженную стоимость владения. Поскольку теплоотвод в голографической лаборатории является важнейшим элементом, а воздушные завихрения или акустический шум могут сделать голографическую запись непригодной для использования, диодные лазеры могут работать с пассивным охлаждением и без вентиляторов. Удобство обслуживания обеспечивается экономичными полевыми сменными блоками (FRU), которые в основном состоят из компактных оптических полупроводниковых субкомпонентов.
Длина когерентности - важнейший параметр источника света для голографии. В принципе, длина когерентности должна быть как минимум равна разнице длин пути между осветительным и опорным пучками, чтобы обеспечить их интерференцию на фотопластинке. Перестраиваемые диодные лазеры, работающие на одной частоте, в стандартной конфигурации могут обеспечивать длину когерентности более 100 м. Кроме того, блокирующая электроника может обеспечить блокировку двух лазеров в фазе. Таким образом, опорный луч может быть сгенерирован непосредственно в среде с помощью второго лазера.
Рис. 4.
(a) Остаточный дрейф длины волны свободно работающего лазера на длине волны 405 нм, где дрейф остается значительно меньше 1 пм в течение более 400 часов; после многократных запусков процедуры оптимизации (каждая кривая соответствует набору данных, полученных после одного запуска) свободно работающий лазер надежно находит оптимальную длину волны для стабильной работы. За все время измерений не наблюдалось скачков мод (вставка).
(b) Активная стабилизация длины волны лазерной системы, когда лазер может быть стабилизирован к внешнему эталону - например, спектроскопической ячейке (для целевой длины волны 390,1 нм или 397,5 нм) или измерителю длины волны (для всех длин волн). В практических случаях стабильность длины волны ограничивается эталоном.
В некоторых приложениях абсолютная длина волны и стабильность являются критически важными. Без дополнительных приспособлений выходная длина волны свободно работающего диодного лазера имеет остаточные дрейфы. Эти дрейфы можно сильно подавить с помощью встроенной компенсации давления воздуха (см. рис. 4a). Из-за отсутствия охлаждающей воды высокочастотное дрожание длины волны пренебрежимо мало. Если требуется абсолютная привязка к длине волны, к системе может быть подключен модуль спектроскопии. Например, были реализованы системы с абсолютным референсом на 390,1 нм и 397,5 нм, обеспечиваемые D-линиями газа атомов рубидия (см. рис. 4б). Этот принцип можно перенести на все длины волн, заменив ячейку с эталонным газом на измеритель длины волны с полностью цифровой функцией фиксации длины волны. Как было показано выше, диодные лазеры удовлетворяют техническим требованиям для выполнения приложений голографии и литографии не только на установленных длинах волн, но и на всех длинах волн в ультрафиолетовом и видимом диапазоне. В сочетании с нетехническими преимуществами по сравнению с традиционными лазерами, особенно в обращении, эксплуатации и стоимости владения, диодные лазеры, несомненно, являются очень привлекательным источником лазерного излучения для голографии.
Ульрих Айсманн и Тим Пааш-Кольберг.
