半导体激光器密集波长合束技术研究进展梳理
高功率半导体激光器凭借自身众多的优点，应用于多个学科领域，作为直接光源应用在国防、工业加工、显示等领域；作为间接光源泵浦固态、碱金属蒸汽、光纤等激光器。随着应用范围的拓宽，对半导体激光器的功率和光束质量也提出了更高的要求，激光合束技术是实现高功率、高亮度半导体激光器的主要方式，根据合束激光单元的相干性可以划分为相干合束和非相干合束，在目前的实际应用中，主要是采用后者作为合束方式。密集波长合束作为非相干合束方式之一，利用激光单元的光场分布、偏振及光谱特性进行合束，将合束波长间隔缩小至几纳米，在不改变光束质量的情况下，可以数倍地增加激光单元数量，进而达到提升合束功率的目的。
20世纪 90年代，美国林肯实验室利用准直透镜对 11 个波长为 2.05 μm 的 GaInAsSb/AlGaAsSb 量子阱激光光束进行准直，再由焦距 120 mm 的转换透镜将光束聚焦到刻线数为 600 lines/mm 的光栅上，经反射率为 10% 的外腔镜输出，如图 1所示。实验获得了 4 W 输出功率、M2 = 20、光谱展宽 25 nm 的激光，合束效率为 50%，该实验验证了合束后的输出激光光束质量与单个发光单元的光束质量近似。自此，国内外的相关研究人员对半导体激光器密集波长合束展开了一系列的研究。
1 基于半导体激光巴条的密集波长合束研究现状
2004 年，Hamilton 等人采用施密特外腔结构将7个半导体激光阵列进行密集波长合束，这种结构消除了传输透镜引入的各种像差，最终获得了M2 =3~4，最大输出功率 26 W，输出光谱线宽为 24 nm。
2006年，Jechow等人提出了一种“离轴”系统作为新的外腔结构，如图2。该系统提高了每个发光单元的光束质量，整体的光束质量和亮度都有了提升。但是由于引入了这种结构，使得合束效率有所降低。
2010 年，Deepak Vijayakumar 等人使用 12 个锥形半导体激光巴条进行密集波长合束，如图3。
在电流 30 A 时，其输出功率为 9.3 W，合束效率为 63%，在慢轴方向 M2为 5.3，这与同电流下单个光源的 M2值相近，波长间距为 4.0 nm，光谱总宽度为44 nm。
2014年，Stefan Hengesbach 等人采用了体布拉格光栅对 5个半导体激光 bar进行密集波长合束，如 图4。输出功率达200 W，光谱间距为1.5 nm，激光合束后的效率范围在85%（M2 = 45）~97%（M2 ≈ 1）。
2015 年，M HAAS 等人采用超窄带薄膜滤波器对一个具有 45个发光单元的巴条进行光谱锁定，如 图5。在电流300 A时，获得了216 W的输出功率，光谱宽度为6.44 nm，没有出现发光单元串扰的现象。
同年，Andreas Unger 等人使用 3 组 Tailored-bar激光偏振合束模块进行密集波长合束，用 3 个体布拉格光栅将波长分别稳定在 972 nm、976 nm、980 nm，如图 6 所示。耦合进芯径 100 μm、NA0.2的光纤中，获得了 400 W 的输出功率。
2017 年 ，M Haas 等 人 又 利 用 体 布 拉 格 光 栅与后反馈镜的组合结构对 10 个半导体激光器巴条 进 行 密 集 波 长 合 束 ，如 图 7。在 180 A 电 流时 ，获 得 1.1 kW 的输出功率，谱宽 43 nm，BPP 为 6mm·mrad。
2018年，中国工程物理研究院采用无输出耦合镜的方式对两个含有 6个阵列的半导体激光器堆栈进行叠阵后合束，这种结构能够充分利用光栅的0 级衍射光，如图 8。在电流 70 A 时，输出功率为578 W，输出光谱宽度为 10.26 nm，输出光束的快慢轴 M2因子为 23.6×19.3。
2018 年，上海光机所提出了一种新的波长扩展压缩技术，如图9所示。通过使用平行于光栅的反射器实现单光栅的双通道传播，获得了26.1 W的输出功率，光谱宽度从原始光谱的14.2 nm压缩至6.3 nm，合束效率为 63.7%。
2 基于多单管半导体激光器的密集波长合束技术研究进展
2013 年，Stefan Heinemann 等人对 12 路单管激光器进行快慢轴准直和空间合束后，利用体布拉格光栅将波长锁定至小于 1 nm，采用二向色镜作为四路光源的密集波长合束器件，最后耦合进芯径 100 μm、NA0.2 的光纤中，获得了 450 W 的输出功率，光束质量为 7.5 mm·mrad，最终光谱宽度为12 nm，如图 10所示。
2016 年，Stefan Hengesbach 等人利用体布拉格光栅与后反馈镜的组合方式对 5 个单管半导体激光 器 进 行 密 集 波 长 合 束 ，合 束 后 的 输 出 功 率 为25.7 W，体布拉格光栅的散射与吸收损耗占比为5%，系统的合束效率为 86%。图 11 是该激光器光路结构图。该结构一个很重要的特点是五个通道的光程相同，这样可以保证每束激光的束腰均可汇聚在聚焦镜处。
2016 年，河北工业大学采用 6 个 975 nm 的单管半导体激光器作为合束光源，如图 12 所示。利用 透 射 式 光 栅 进 行 波 长 锁 定 ，优 化 后 的 聚 焦 透镜 可 以 使 快 轴 方 向 达 到 衍 射 极 限 ，同 时 减 小 像差 对 外腔反馈的影响，合束后的激光耦合进芯径105 μm、NA0.17 的光纤中，获得 40.85 W 的功率输出，19.58 MW/（cm2·sr）的亮度。
2018年，长春光机所提出了一种基于离轴反馈的 V形外腔反馈合束（VSBC）方法，如图 13所示。
在电流 30 A 时，其快慢轴 M2为 2.31×3.76，输出功率为 18.7 W，亮度为 122 MW/（sr·cm2）。该方法与传统的光谱合束方法相比，有着结构简单、无输出耦合镜、可调节功率和光束质量超过单管等优点。
3 结 论
半导体激光器正朝着高功率、高亮度、高光束质量的方向发展，密集波长合束技术不仅需要稳定的中心波长窄线宽激光光源，又要有小间隔波长的合束元件。采用单管半导体激光器作为光源，热源相对分散，巴条整体功率较高，二者作为密集波长合束光源各有优点。随着各个领域对高功率半导体激光器的需求加大，对激光器参数也会提出更高的要求，同时，为了适应各个领域的需求，其研究侧重点也将会有所不同，发展更加多元化。
以上内容来自《光电技术应用》，江苏激光联盟陈长军转载