本文作者寧永強，陳泳屹，張俊，宋悅，雷宇鑫，邱橙，梁磊，賈鵬，秦莉，王立軍(jun) ，來自中國科學院長春光學精密機械與(yu) 物理研究所發光學及應用國家重點實驗室，僅(jin) 供行業(ye) 交流學習(xi) 之用，感謝分享！

１ 引言

半導體(ti) 激光器具有體(ti) 積小、重量輕、電光轉換效率高、可靠性高和壽命長等優(you) 點，在工業(ye) 加工、生物醫療和國家防禦等領域具有重要的應用［１－１０］。１９６２年，美國科學家 成 功 研 製 出 了 第 一 代 ＧａＡｓ同 質 結構注入型半導體(ti) 激 光 器［１１－１２］。１９６３年，前蘇聯科學院約飛物理研究所的 Ａｌｆｅｒｏｖ等［１３－１４］宣布成功研製了雙異質結半導體(ti) 激光器。２０世紀８０年代以後，由於(yu) 引入了能帶工程理論，同時湧現了晶體(ti) 外延材料生長新工藝［如分子束外延（ＭＢＥ）和金屬有機化合物化學氣相沉積（ＭＯＣＶＤ）等］，量子 阱 激 光 器 登 上 曆 史 舞台，大大提升了器件性能，實現了高功率輸出。

大功率半導體(ti) 激光器主要分為(wei) 單管與(yu) Ｂａｒ條兩(liang) 種結構［１５］，單管結構多采用寬條大光腔的設計，並增加了增益區域，以實現高功率輸出，減少腔麵災變損傷(shang) ；Ｂａｒ條結構為(wei) 多個(ge) 單管激光器的並聯線陣，多個(ge) 激光器同時工作，再經過合束等手段實現高功率激光輸出。最初的大功率半導體(ti) 激光器主要應用於(yu) 泵浦固體(ti) 激光器和光纖激光器，波段主要為(wei) ８０８ｎｍ和９８０ｎｍ。隨著近紅外波段高功率半 導 體(ti) 激 光 單元技術的成熟和成本的降低，使得以之為(wei) 基礎的全固態激光器和光纖激光器性能不斷提升，單管連續波（ＣＷ）輸出功率從(cong) ２０世紀９０年代的８．１ Ｗ 達到 ２９．５ Ｗ［１６］ 水 平，ｂａｒ 條 ＣＷ 輸 出 功 率 達 到１０１０ Ｗ［１７］水 平、脈衝(chong) 輸出功率達到 ２８００ Ｗ［１８］水 平，極大地推動了激光技術在加工領域的應用進程。半導體(ti) 激光器作為(wei) 泵浦源的成本占固體(ti) 激光器總成本的１／３～１／２，占光纖激光器 的１／２～２／３。因 此，光纖激光器和全固態激光器發展之快，大功率半導體(ti) 激光器的發展功不可沒。

隨著半導體(ti) 激光器性能的不斷提高、成本的不斷降低，其應用範圍也越來越廣。如何實現大功率的半導體(ti) 激光器一直以來都是研究的前沿和熱點。

實現大功率的半導體(ti) 激光芯片，需要從(cong) 材料、結構和腔麵保護這三個(ge) 方麵考慮：１）材料技 術。可 以 從(cong) 提 高 增 益 和 防 止 氧 化 兩(liang) 方麵入手，對應的技術包括應變量子阱技術和無鋁量子阱技術。２）結構技術。為(wei) 了防止芯片在高輸出功率下燒毀，通常采用非對稱波導技術和寬波導大光腔技術。３）腔麵保 護 技 術。為(wei) 了防止災變光學鏡麵損傷(shang) （ＣＯＭＤ），主要技術包括非吸收腔麵技術、腔 麵鈍化技術和鍍膜技術。

隨著各行各業(ye) 的發展，無論是作為(wei) 泵浦源，還是直接應用，都對半導體(ti) 激光光源提出了進一步的需求。在需求更高功率的情況下，為(wei) 了保持高光束質量，就必須進行激光合束。

半導 體(ti) 激 光 合 束 技 術 主 要 包 括：常 規 合 束（ＴＢＣ）、密 集 波 長 合 束 （ＤＷＤＭ）技 術、光 譜 合 束（ＳＢＣ）技術、相 幹 合 束（ＣＢＣ）技術 等。本 文 主 要 對上述技術進行了概述。

２ 實現大功率激光的重要技術手段

２．１ 邊發射大功率半導體(ti) 激光芯片技術

２．１．１ 材料技術

２．１．１．１ 應變量子阱技術

量子阱作為(wei) 半導體(ti) 激光器最廣泛采用的有源區，其內(nei) 部表現出量子化的子帶和階梯狀態密度，將大大提高激光器的閾值電流密度和溫度穩定性；通過改變勢阱寬度和勢壘高度，可以改變量子化的能量間隔，實現激光器的可調諧特性，與(yu) 傳(chuan) 統的雙異質結半導體(ti) 激光器相比，可以有效地降低激光器的閾值電流，提高量子效率與(yu) 微分增益。而在量子阱中引入應變則會(hui) 顯著地改變其本身的能帶結構，通過調整價(jia) 帶中的重、輕空穴帶的位置，從(cong) 而增加芯片外延結構的設計參數和自由度。一 般 來 說，在ＩＩＩ－Ｖ族三元和四元材料組成的量子阱外延結構中引入壓應變，會(hui) 加劇能帶函數的變化，從(cong) 而降低激光器的閾值電流；而引入張應變，則會(hui) 平緩能帶函數，在一定程度上提高材料在大功率下工作狀態下的增益。應變量子阱的出現使得通過調節應變獲得所需能帶結構並提高增益成為(wei) 了可能［１９－２０］，使半導體(ti) 激光器的性能出現了大的飛躍。

１９８４ 年，Ｌａｉｄｉｇ 等［２１］最 早 報 道 了 基 於(yu) 應 變ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子阱的激光器，在較高的閾值電流密度（１．１ｋＡ／ｃｍ２）下獲 得 了 波 長 為(wei) １μｍ 的 激 光，通過完善工藝將閾值電流密度降低到４６５Ａ／ｃｍ２［２２］。１９９１年 ＡＴ ＆ ＴＢｅｌｌ實驗室利用 ＭＢＥ方法降低了閾值 電 流———低 至 ４５ Ａ／ｃｍ２，基本達到理論極限［２３］。１９９３年 ７ 月，日本 的 Ｈａｙａｋａｗａ等［２４］利用 ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ張 應 變 量 子 阱 得 到 了 輸 出 波 長 在７８０ｎｍ 的橫磁（ＴＭ）模 ＣＷ 激光器。

２．１．１．２ 無鋁量子阱技術

無鋁材料激光器相比有鋁材料激光器具有明顯的優(you) 勢：１）無鋁材料比含鋁材料具有更高的 ＣＯＭＤ 功 率密度。有源區中的鋁容易氧化和產(chan) 生暗線缺陷，致使 發 生 ＣＯＭＤ 時的 功 率 密 度 減 小，更 容 易 產(chan) 生ＣＯＭＤ，從(cong) 而限製了激光器的功率和壽命。２）同時，相對於(yu) 含鋁量子阱，無鋁量子阱的電阻更低、熱導率更高，因而表麵複合速率低、表麵溫升低、腔麵退化速率慢，對暗線缺陷的攀移有抑製作用，且材料內(nei) 部退化速率慢。

在１９９８年，美國 的 Ｐｅｎｄｓｅ等［２５］最初 提 出，無鋁量子阱激光器具有更高的可靠性。１９９９年，美國的 Ｍａｗｓｉ等［２６］對與(yu) ＧａＡｓ晶格匹配的ＩｎＧａＡｓＰ單 量子阱激光器的可靠性進行了研究，證明了無鋁器件的端麵溫升比含鋁 的 ＡｌＧａＡｓ激光 器 低 得 多，並 在１０ ℃工作溫 度 下，獲 得 了３．２ Ｗ 的最 大 輸 出 功率。２００８年，中國電子科技集團公司第十三研究所報道了無鋁１ｍｍ 腔長的準連續陣列輸出功率可達４０ Ｗ，無鋁１ｃｍ 長的 鍍 膜 ｂａｒ條在１８０Ａ 工作 電流下，輸出功率大於(yu) １８５ Ｗ［２７］。２０１３年，山東(dong) 大學報道了無鋁有源區在２０Ａ 工作電流下，輸出功率達２０．８６ Ｗ 的激光器［２８］。

２．１．２ 波導結構技術

２．１．２．１ 非對稱波導技術

在大光腔結構中，隨著波導尺寸的增加，器件的串聯電阻也 會(hui) 增 加。故 為(wei) 降 低 串 聯 電 阻，通 常 對 ｐ型限製層施以較高的摻雜。實驗研究發現，光吸收正比於(yu) 摻雜區的摻雜濃度，並且在 ｐ型材料中被空穴吸收光子的損耗大於(yu) 在ｎ型材料中被電子吸收光子的損耗［２９－３２］。這樣，在對稱波導結構中，ｐ型高摻雜區載流子的光吸收是形成內(nei) 部損耗、導致效率降低的主要原因。可以通過ｐ型波導和ｎ型波導的厚度非對稱，折射率非對稱等調節方式，讓光場分布盡量限製在ｎ型區域內(nei) 擴展，從(cong) 而降低串聯電阻和內(nei) 部損耗，獲得較高的效率。

２００７年，中國科學院半導體(ti) 研究所報道了無鋁有源區非對稱波導結構激光器，波 長 為(wei) ８０８ｎｍ，連 續工作條件下，輸出功率可達６ Ｗ［３３］，２００９年實現了９８０ｎｍ 半導體(ti) 激光，內(nei) 損耗僅(jin) 有０．７８ｃｍ－１［３４］， ２０１０年，實現了９８０ｎｍ 半導體(ti) 激光效率５８．４％［３５］。２０１３年，日 本 的 Ｍｏｒｉｔａ 等［３６］實 現 了 條 寬 為(wei) １００μｍ，腔長為(wei) ４ｍｍ，ＣＷ 輸出功率為(wei) １９．８ Ｗ，２０ ℃溫 度下轉換效率６８％的半導體(ti) 激光器。２０２０年，芬蘭(lan) 的 Ｒｙｖｋｉｎ等［３７］通過 對 分 對 稱 波 導 的 折 射 率、限 製因子、載流子濃度、內(nei) 部損耗等方麵的模擬分析，最終設計了短腔結構計算出 ＣＷ 輸出功率達４０ Ｗ 的 半導體(ti) 激光器。

２．１．２．２ 大光腔技術

為(wei) 了獲得高輸出功率，提高 ＣＯＭＤ 閾值，需 要降低有源區與(yu) 限製層的光場能量密度。這就需要增大波導的尺度，增加光斑的尺寸，拓寬光場分布，這就是大光腔技術。在增加波導尺度的同時，可以優(you) 化波導結構，降低激光器的遠場快軸光束發散角。

２００５年，德 國 的 Ｋｎａｕｅｒ等［３８］實 現 了 ８０８ｎｍ大光腔結構，獲得了２５ ℃溫度下，ＣＷ 輸出 功 率 為(wei) １５ Ｗ，快軸 遠 場 發 散 角 為(wei) １８°。２００６ 年，Ｂｏｏｋｈａｍ公司采 用ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料，設計了漸變折射率大光腔芯片，在溫度為(wei) １６ ℃、電流為(wei) ２０Ａ 時，獲 得了大 於(yu) １７ Ｗ 的 ＣＷ 輸出 功 率［３９］。２００８ 年，Ｘｕ等［４０］采用ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ材料的漸變折射率新型大光 腔 結 構，實 現 了２５ ℃溫度 下 ＣＷ 輸 出功率為(wei) ２３ Ｗ 的９１５ｎｍ 激光 器。２００９年，德國 的 Ｃｒｕｍｐ等［４１］采用ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ材料和芯徑２． ５μｍ 的大光腔 結 構，得 到 了 ＣＷ 輸出 功 率 為(wei) ２０ Ｗ的９７５ｎｍ 單 管 半 導 體(ti) 激 光 器，壽 命 大 於(yu) ４０００ｈ。２０１５年，北京 工 業(ye) 大 學 淩 小 涵 等［４２］設計 了９８０ｎｍ大光腔單發光條大功率半導體(ti) 激光器，其 ＣＷ 輸出功率達到１２ Ｗ，經老化實 驗 得 到 器 件 綜 合 成 品 率達到４０％。２０１９年，長春 理 工 大 學 的 喬(qiao) 闖 等［４３］設 計並製作了非對稱大光腔結構，製備了８９０ｎｍ周期的分布式布拉格反射鏡（ＤＢＲ）光柵，最 終實現了輸出功率為(wei) １０．７ Ｗ，斜率效率為(wei) ０．７３ Ｗ／Ａ 的激 光 輸出。

２．１．３ 腔麵技術

２．１．３．１ 非吸收腔麵技術

通過增大腔麵附近量子阱帶隙寬度，使得腔麵處對激射波長透明，這就是非吸收腔麵技術。非吸收腔麵可以減少因非輻射複合和光吸收產(chan) 生的熱量及光生載流子的數量，是提高半導體(ti) 激光器輸出功率和可靠性的有效方法。目前，非吸收腔麵的製作方法主要包括：二次外延生長技術和量子阱混合技術。二次外延生長是通過刻蝕、再生長一種寬帶隙半導體(ti) 材料。這種方法技術難度大、工藝複雜，難以保證結合界麵的晶體(ti) 質量［４４］。量子阱混合技術通過在外延片上進行薄膜澱積或雜質注入，再通過高溫快速退火，使各組成元素發生互擴散，導致阱、壘組分發生變化，從(cong) 而增大帶隙結構。這種方法操作相對簡單，成本低，效果較為(wei) 明顯［４５］，但需要高溫條件下進行熱退火，可能會(hui) 對器件造成一定的損傷(shang) 。

１９８４年，英國電信研究實驗室利用選擇性外延生長技術製備出非吸收腔麵的 ＡｌＧａＡｓ大光腔激光器，在脈衝(chong) 輸出（脈寬為(wei) １００ｎｓ）時，得到 的 輸 出 功率是普通激光器的２～３倍［４６］。１９９９年，日本京都大學 製 備 出 帶 有 非 吸 收 腔 麵 的 ７８０ｎｍ ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ大功率 半 導 體(ti) 激 光 器，最 大 輸 出 功 率 是 傳(chuan) 統激光器的３倍［４７］。２０００年，英國格拉斯哥大學製備了具 有 非 吸 收 腔 麵 的 ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ半 導 體(ti) 激 光器，在發生ＣＯＭＤ時的最高輸出功率是普通激光器的２倍［４８］。２０１５年，濱鬆光電子股份有限公司製備了帶隙差為(wei) １００ ｍｅＶ 的非 吸 收 腔 麵，９１５ｎｍ 波段ＩｎＧａＡｓ寬 條 半 導 體(ti) 激 光 器 的 連 續 輸 出 功 率 為(wei) ２０ Ｗ，可靠工作時間在５０００ｈ以上，最大效率超過６５％［４９］。

２．１．３．２ 腔麵鈍化技術

半導體(ti) 激光器的自然解理麵極容易被潮解和氧化，氧化物和沾汙易成為(wei) 非輻射複合中心，從(cong) 而加劇腔麵結溫升 高 的 急 劇 上 升，最 終 導 致 ＣＯＭＤ，使得器件失效。腔麵鈍化能夠有效地去除半導體(ti) 激光器腔麵的沾汙和氧化層等雜質，降低腔麵的表麵態密度，從(cong) 而有效提高器件的熱穩定性、抑製 ＣＯＭＤ，最 終提升最大輸出功率並提高器件的可靠性，為(wei) 高性能和穩定工作提供保障。

１９８７年，貝爾 通 訊 研 究 公 司 的 Ｓａｎｄｒｏｆｆ等［５０］ 發明了腔麵硫 化 處 理 技 術。采 用 Ｎａ２Ｓ·９Ｈ２Ｏ 溶 液將 ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ異質 結 雙 極 晶 體(ti) 管（ＨＢＴｓ）腔 麵鈍化，經硫化處理後的 ＨＢＴ 電流增 益 提 高 了６０ 多倍。１９９６年，Ｓｙｒｂｕ等［５１］在蒸 鍍 高 反／增 透 膜 前利用原位生長 ＺｎＳｅ技術，將９８０ｎｍＩｎＧａＡｓ半導體(ti) 激光 器 腔 麵 鈍 化，使 激 光 器 連 續 輸 出 功 率 提 高５０％ 。１９９７年，美國威斯康星大學的 Ｍａｗｓｔ等［５２］ 利用激光輔助化學氣相沉積法在ＩｎＧａＡｓ雙量子阱半導體(ti) 激 光 器 腔 麵 處 形 成 ＺｎＳｅ 鈍 化 層，將 器 件ＣＯＤ 閾 值 提 高 了 ５０％。２００５ 年，德 國 的 Ｒｅｓｓｅｌ等［５３］報道了腔 麵 鈍 化 無 鋁 有 源 區 大 功 率 半 導 體(ti) 激光器，在激光器的老化過程中表現出優(you) 異的性能。２０１６ 年，北 京 工 業(ye) 大 學 利 用 離 子 銑 氮 鈍 化 處 理９８０ｎｍ半導體(ti) 激光器腔麵，得到了 ＣＷ 輸出功率為(wei) ２２．５ Ｗ，器 件 輸 出 功 率 提 高 了 ３２．１４％［５４］。２０１９年，中國科學院半導體(ti) 研究所采用射頻等離子體(ti) 增強反應磁控濺射沉積α－ＳｉＮｘ薄膜對９８０ｎｍ光子晶體(ti) 激光器進 行 腔 麵 鈍 化。通 過 優(you) 化 氮－氬混 合 等 離子體(ti) 並采用 快 速 退 火 的 方 法，顯 著 抑 製 了 ＣＯＭＤ， 提高了器 件 的 性 能 和 激 光 係 統 的 穩 定 性［５５］。２０１９年，中國科學院半導體(ti) 所在真空中直接蒸鍍一層厚度為(wei) ２５ｎｍ 的ＺｎＳｅ材料作為(wei) 鈍化膜，利用 ＺｎＳｅ薄 膜材料大禁帶寬度的特性作為(wei) 半導體(ti) 激光器腔麵鈍化膜，有效提高半導體(ti) 激光器輸出功率和器件損傷(shang) 閾值，提供腔麵保護［５６］。

２．１．３．３ 鍍膜技術

腔麵鍍膜技術是大功率激光器的關(guan) 鍵工藝技術之一，其作用有兩(liang) 個(ge) ：１）覆蓋解理腔麵，防止有源區氧化，提高可靠性和穩定性；２）改變腔麵膜反射率，使得激光器在保持性能的基礎上實現單麵出光，提高激光器的輸出功率和激光的利用效率。因為(wei) 激光器的腔麵是晶體(ti) 的自然解理麵（１１０麵），其反 射 率約為(wei) ３１％，在激 光 器 工 作 時，由 於(yu) 激 光 器 前 後 腔 麵反射率大小一樣，因而造成兩(liang) 個(ge) 腔麵同時出光。通過腔麵鍍膜在激光器的前後腔麵分別製備增透膜和高反射膜，高反膜降低了閾值電流，而增透膜提高了器件的量子效率和電－光轉換效率。

該技術主要內(nei) 容有兩(liang) 個(ge) 方麵：一是膜係材料的選擇。首先要考慮鍍層材料的高純性、長期穩定性、附著力、鍍層材料與(yu) 自然解理麵之間的熱匹配和應力匹配、鍍層材料之間的晶格匹配等。同時還要易於(yu) 蒸鍍，不會(hui) 對激光器的自然解理麵產(chan) 生破壞，能夠防止環境氣氛擴散進入器件發光區。二是確定高反膜的反射率和增透膜的透射率，基本原則是：通過後腔麵發射的光盡可能少，使激光盡可能由前腔麵透過，同時又不引起明顯的腔麵附加吸收和附加損耗。對於(yu) 增透膜，膜係材料可以選擇折射率介於(yu) 波導層有效折射 率 與(yu) 空 氣 折 射 率 之 間 的 材 料。通 常 選 擇Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２作為(wei) 低折射率材料，ＺｒＯ２、ＴｉＯ２等作為(wei) 高折射率材 料。高 反 膜 的 反 射 率 一 般 采 用９５％～９８％，增透膜的反射率一般采用１％～５％ 。

２．２ 大功率半導體(ti) 激光合束技術

處於(yu) 近 紅 外 波 段（７５０～１１００ｎｍ）的邊 發 射 結構半導體(ti) 激光器發展最為(wei) 成熟，是當前用於(yu) 泵浦和加工的大功率半導體(ti) 激光源主要形式。根據激光單元數量，激光芯片可分為(wei) 單管和線陣，前者為(wei) 單個(ge) 激光單元，可連續輸出幾瓦至數十瓦功率，後者為(wei) 多個(ge) 激光單元在水平方向的集成，可連續輸出幾十瓦至數百瓦功率。對於(yu) 激光線陣，根據集成單元方向寬度，可 分 為(wei) 寬 度 １０ ｍｍ 的 厘 米 線 陣 和 寬 度 小 於(yu) １０ｍｍ的迷你線陣。將激光芯片在水平或垂直方向進行一維或二維的光疊加或物理位置疊加，進一步提高輸出功率，如采用微通道封裝的激光線陣在垂直方向物理疊加成疊陣，可輸出上千瓦功率，但也導致其整體(ti) 光束質量惡化。在提升功率時，如何獲得高光束質量半導體(ti) 激光成為(wei) 關(guan) 鍵。激光合束是實現大功率、高光束質量半導體(ti) 激光的有效技術途徑之一，它通過幾何或物理光學手段，將多個(ge) 單元光束合成一束激光。根據合束激光單元的相幹性，分為(wei) 相幹合束和非相幹合束。相幹合束要求精確控製合束單元的光譜、相位等特性，技術較複雜，且相幹合束半導體(ti) 激光源的性能優(you) 勢並不明顯，當前未實用化。非相幹合束無需考慮單元之間的相幹性，技術相對簡單，是當前實用化大功率半導體(ti) 激光合束光源的主要實現方式。非相幹合束可分為(wei) 傳(chuan) 統合束技術、密集波長合束和光譜合束。下麵對非相幹合束技術進展進行概述。

２．２．１ ＴＢＣ技術

常規合束技術基於(yu) 標準的半導體(ti) 激光芯片，在合束過程中，不影響激光單元腔內(nei) 諧振，僅(jin) 通過外部光學元件對激光芯片輸出光束進行整形、空間合束、偏振合束和波長合束來提升整體(ti) 功率、改善整體(ti) 光束質量，是 當 前 實 現 大 功 率 半 導 體(ti) 激 光 源 的 主 要方式。

其中，空間合束是利用折射或反射，將多束光在空間上進行一維或二維堆疊，增加功率的同時光束質量變差；偏振合束利用半導體(ti) 激光的線偏振特性，將振動方向相互垂直的兩(liang) 束線偏振光通過偏振合束元件，其中 Ｐ偏振光透射、Ｓ偏振光 反 射，光 場 實 現近場和遠場重疊，功率提升近２倍的同時光束質量不變；波長合束是利用激光波長特性，通過波長合束元件，其中波長λ１的光透過（反射），波長λ２光反 射（透過），兩(liang) 束光實現近場和遠場重疊，功率提升的同時光束質量不變，通過采用不同的波長合束元件，可以實現多束不同波長（λ１，λ２，…，λｎ）的激光合束，考慮到半導體(ti) 激光器自身譜寬、光譜受溫度及電流影響等因素，常規波長合束的相鄰波長間隔一般不低於(yu) ２５ｎｍ。

根據不同封裝形式，基於(yu) 常規合束技術，目前已發展出激光單管合束光源、線陣合束光源和疊陣合束光源，實現了幾十瓦至數萬(wan) 瓦級的直接輸出或光纖耦合輸出，應用在光纖激光泵浦、激光加工等方麵。

單管合束光源直接采用激光單管進行合束，由於(yu) 熱源相對分散，熱流密度相對低，相同熱功率影響下可以采用更高電流驅動，激光單元可輸出超過十瓦的功率及１ ＭＷ／（ｃｍ２·ｓｒ）量級的 亮 度，合 束 後可從(cong) 芯徑１００～２００μｍ 光 纖中輸出幾十瓦至千瓦的單波長激光，光束質量為(wei) ６～２０ｍｍ·ｍｒａｄ，具有亮度高、成本低及可靠性好等優(you) 點，應用在光纖激光泵浦、激光醫療、激光照明等領域。尤其是在光纖激光器泵浦需求牽引下，單管合束光源的性能出現了快速提升，而成本也大幅度下降。美國ｎＬｉｇｈｔ報道采用多個(ge) 大功率、高光束質量的９７５ｎｍ 激光單管，通過空 間 及 偏 振 合 束 後 進 行 光 纖 耦 合，實 現 芯 徑１０５μｍ 的光纖連續輸出功率３６３ Ｗ，芯徑２２０μｍ 的光纖連續輸出功率１０００Ｗ，可以用於(yu) 光纖激光器的泵浦［５７］。北京凱普林光電科技有限公司采用１５６個(ge) 波長被體(ti) 布拉格光柵（ＶＢＧ）鎖定至９７５．５ｎｍ 的 激光 單 管，通 過 空 間 疊 加 和 偏 振 合 束，使 得 芯 徑２００μｍ、數值孔徑０．２２的光纖實現輸出１０３７ Ｗ 的 穩波 長、窄 線 寬 激 光［５８］，以 增 加 光 纖 激 光 器 泵 浦效率。

線陣合束光源多采用光束質量相對較好的迷你線陣（５～１０個(ge) 激光單元）或者填充因子較低的厘米線陣（填充因子＜２０％），單線陣功率為(wei) ４０～８０ Ｗ， 合束後功率一般在幾百瓦至數千瓦，耦合光纖芯徑為(wei) ２００～６００μｍ，光束質量為(wei) ２０～６０ｍｍ·ｍｒａｄ， 主要應用在激光焊接等工業(ye) 加工領域。由於(yu) 單管合束光源性能的快速提升，通過多個(ge) 單管合束光源的組合，已經能夠達到線陣合束光源的性能指標，考慮到單管合束光源的成本及可靠性等因素，線陣合束光源已有被單管合束光源取代的趨勢。

疊陣合束光源 采 用 微 通 道 封 裝 的 激 光 線 陣 合束，借助微通道熱沉的高效散熱能力以及激光芯片多為(wei) 高 填 充 因 子 結 構，單 層 微 通 道 線 陣 輸 出 功率可達數 百 瓦，多層線陣垂直疊加後可輸出數千瓦至萬(wan) 瓦 級 功 率，通過波長合束可以將功率提升到更高水平。德國 Ｌａｓｅｒｌｉｎｅ研發 出 係 列 大 功 率 光纖耦 合 產(chan) 品，連 續 輸 出 功 率 從(cong) １．５ｋＷ（芯 徑 ４００μｍ、數值孔徑０．１）到４５ｋＷ（芯徑２０００μｍ、數值孔徑０．２）［５９］。目 前，疊陣合束光源多用於(yu) 激光熔覆、表麵硬化等對 激 光 功 率 要 求 高、光 束 質 量 要 求低的工業(ye) 加工方麵。

２．２．２ ＤＷＤＭ 技術

相對於(yu) 常規合束相鄰波長間隔不低於(yu) ２５ｎｍ而言，密集波長合束可將波長間隔縮小至納米量級，在不改變光束質量條件下，數倍增加激光單元數量，可以提高合束光源功率和亮度。

密集波長合束關(guan) 鍵器件：１）中心波長穩定的窄線寬激光單元，可以通過直接在芯片刻蝕光柵或者通過 ＶＢＧ 外腔反饋調製光譜實現；２）波 長 間 隔 較小的合束元件，如高波長陡度的二向分色元件、合束ＶＢＧ 等。

德國弗勞恩霍夫激光技術（ＩＬＴ）研究所采用內(nei) 置光柵方式，直接在集成５個(ge) 激光單元的迷你線陣上刻蝕不同周期光柵，５個(ge) 激光單元輸出中心波 長間隔為(wei) ２．５ｎｍ 的５束不 同 波 長 激 光［６０］，再采 用４個(ge) 二向分色鏡合束，最終耦合進３５μｍ 光纖［６１］。該 方法實現的窄線寬單元結構穩定，但是芯片光柵工藝要求非常高，一旦某個(ge) 單元的光譜和位置關(guan) 係出現偏差，則合束效率急劇降低。

ＶＢＧ 外腔反饋是當前實現窄線寬激光輸出的主要方式，所采用的半導體(ti) 激光芯片前腔麵鍍增透膜，其後 腔 麵 與(yu) ＶＢＧ 構成 諧 振 腔，利 用 ＶＢＧ 衍射光 作 為(wei) 種 子 光 調 控 起 振 光 譜，可實現譜寬窄至０．１ｎｍ、溫度漂移０．０１ｎｍ／℃的激光輸出。基於(yu) 該技術，德國 ＤＩＬＡＳ公司從(cong) 芯徑１００μｍ、數值孔徑０． ２的光纖中輸出功率達４１０ Ｗ［６２］。德國ＩＬＴ 研究所從(cong) 芯徑１００μｍ、數值孔徑０．１７的光纖 中 輸 出 功 率超過８００ Ｗ［６３］；該研究所也以 ＶＢＧ 作為(wei) 合束元件，通過精密溫控和角度調節４片 ＶＢＧ，實現５個(ge) 中心波 長 間 隔 １．５ ｎｍ 的 激 光 合 束［６４］。德 國 ＤｉｒｅｃｔＰｈｏｔｏｎｉｃｓＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓ 公 司也推出了功率為(wei) ５００～２０００ Ｗ、光束 質 量 為(wei) ５ ｍｍｍｒａｄ、芯徑 為(wei) １００μｍ 的光纖 耦 合 半 導 體(ti) 激 光 源 產(chan) 品［６５］，應用 在金 屬 切 割 領 域。密 集 光 譜 合 束 技 術 將 芯 徑 為(wei) １００μｍ光纖耦合半導體(ti) 激光源的輸出功率提升到千瓦量級，相對於(yu) 常規合束光源，功率和亮度提升了近１個(ge) 數量級。

２．２．３ ＳＢＣ技術

相對於(yu) 前麵兩(liang) 種采用多個(ge) 合束元件實現多波長激光合束而言，光譜合束技術僅(jin) 利用單個(ge) 色散元件即可實現多束波長間隔低至０．１ｎｍ 的激光合束，進一步提高了合束單元的數量，在相同光束質量下，增加了合束功率和亮度。

目前采用的光譜合束結構基本構架由美國麻省理工學院於(yu) ２０００年最先報道，他們(men) 對推動該技術的發展做了很多工作［６６－６８］。該合束基本結構由前腔麵增透的半導體(ti) 激光芯片、變換透鏡、光柵和外腔鏡構成，激光芯片輸出的單元光束經變換透鏡作用到光柵同一位置，然後經光柵和外腔鏡的共同作用，部分光沿原路返回形成種子光，輔助腔內(nei) 諧振，部分光直接輸出。返回的種子光的起振波長嚴(yan) 格滿足光柵方程，由於(yu) 各子光束的光柵入射角不同而衍射角相同，使得各激光單元起振在不同的波長，經過外腔鏡輸出的激光在近場和遠場均重合，因此實現合束功率為(wei) 所有單元之和、合束光束質量與(yu) 單個(ge) 激光單元一致的激光 輸 出。經 過 技 術 轉 化，美 國 Ｔｅｒａｄｉｏｄｅ公 司推出了功率為(wei) １ｋＷ（芯徑為(wei) ５０μｍ）、２～１２ｋＷ（芯徑為(wei) １００μｍ）光纖 輸 出 係 列 產(chan) 品［６９］，並報 道 了功 率 為(wei) ３６０ Ｗ、２ 倍 衍 射 極 限［７０］、亮 度 達 到１０ＧＷ／（ｃｍ２·ｓｒ）的半導體(ti) 激光源，直接將大功率半導體(ti) 激光的亮度提高２個(ge) 數量級，為(wei) 大功率、高亮度半導體(ti) 激光器的發展指明新方向。

表１為(wei) １２ｋＷ 連續輸出功率下，基於(yu) 光譜合束的半導體(ti) 激光器與(yu) 其他商用激光器的亮度對比，可以看出，半導 體(ti) 激 光 器 超 過 了 ＣＯ２激光 器、達 到 了Ｄｉｓｋ 激 光 器 的 水 平。同 時 光 譜 合 束 也 將 芯 徑１００μｍ光纖耦合 半 導 體(ti) 激 光 源 的 功 率 提 升 到 萬(wan) 瓦量級，相對於(yu) 常規合束技術，其功率和亮度提升了近２個(ge) 數量級。

德國 Ｔｒｕｍｐｆ提出一種將窄帶濾光片用於(yu) 外腔反饋波長鎖 定 結 構［７１］，通過 鍍 膜，使窄帶濾光片具有角度－波長篩選特性，隻有同時滿足入射角和波長條件的光才能透過濾光片，這使得激光芯片上不同位置的激光單元起振在不同的波長，實現了波長調製。利用該技術，進一步結合光柵 技 術，在２００μｍ 芯徑的光纖中實現輸出功率超過５ｋＷ［７２］。

激光合束技術除了應用在上述近紅外波段外，在可見光、中紅外波段也實現了廣泛應用。受激光顯示、汽車大燈及銅、金等金屬加工等應用的驅動，基於(yu) ＧａＮ 基的藍光激光器在近幾年出現了井 噴 式的 發 展。日 本 Ｎｉｃｈｉａ［７３］、德 國 ＯＳＲＡＭ［７４］、日 本 Ｐａｎａｓｏｎｉｃ［７５］等公司相繼推出了 大 功 率 的 藍 光 激 光器芯片。據 Ｎｉｃｈｉａ報道，條寬４５μｍ、腔長１．２ｍｍ的藍光單管半導體(ti) 激光器的連續功率超過６ Ｗ，在３Ａ 電流驅動 下，５．６７ Ｗ 功率 輸 出 時，電 光 轉 換 效率達到４８％以上［７６］。德國 ＯＳＲＡＭ 研製的激光線陣輸出功率達到１０７Ｗ［７７］，並研製出可滿足－４０℃～＋１２０ ℃工作 溫 度 的 藍 光 激 光 器［７８］。基於(yu) 藍 光芯片，采用與(yu) 近紅外波段相似的合束技術，德 國Ｌａｓｅｒｌｉｎｅ［７９］、美國Ｃｏｈｅｒｅｎｔ［８０］和美國 ＮＵＢＵＲＵ［８１］ 等公司相繼報道了千瓦級的藍光激光器，用於(yu) 銅的焊接、三維打印等。其中，美國 ＮＵＢＵＲＵ 報道芯徑１００μｍ 光纖輸出藍激光功率高達１．５ｋＷ。意大利Ｒｉｖａ等［８２］采用波長間隔４ｎｍ 的３種藍光模塊通過密集波長合束，從(cong) 芯徑５０μｍ 光纖中實現輸出功率超過１００ Ｗ。美國 Ｔｅｒａｄｉｏｄｅ公司利用光譜合束技術，實 現 了 功 率 為(wei) １８０ Ｗ，光 束 質 量 僅(jin) 為(wei) １．２６ｍｍ·ｍｒａｄ×１．３１ｍｍ·ｍｒａｄ的藍激光［８３］，對 應的亮度達到１．１ＧＷ／（ｃｍ２·ｓｒ），也是當前報道的最高亮度的藍光激光器。

３ 結束語

本文針對大功率半導體(ti) 激光的常用技術進行了總結介紹，主要包括邊大功率發射半導體(ti) 激光芯片和大功率半導體(ti) 激光合束技術。大功率半導體(ti) 激光器的應用範圍幾乎涵蓋了所有光電子領域。進一步發展大功率半導體(ti) 激光技術對於(yu) 推動我國光電子領域學科發展、推動我國激光產(chan) 業(ye) 發展、推動國民經濟升級轉型，有著重要科研、經濟以及戰略意義(yi) 。

隨著各行各業(ye) 對激光光源需求的發展，半導體(ti) 激光器對大功率的需求是永無止境的。根據應用領域的不同，大功率也不再是唯一的指標。對於(yu) 工業(ye) 加工而言，除了進一步提升輸出功率以外，還需要對光束質量和亮度進行進一步優(you) 化；針對不同的材料進行加工時，還需要考慮吸收波段，采用不同波長的激光器進行合束，這就需要對不同襯底材料體(ti) 係的大功率激光進行研發；為(wei) 了進一步提升合束功率，還要進一步增加合束的光譜密度，研究新的合束技術；針對泵浦單模光纖放大器或者通過耦合單模光纖輸出的應用領域，保持單模特性，以方便單模光纖耦合為(wei) 首要目標，在此基礎上盡可能提升輸出功率；在泵浦原子鍾、泵浦激光陀螺、泵浦堿金屬激光器、分離激光同位素、氣體(ti) 監測、光纖通信、衛星激光通信等領域，需要在維持單波長或窄線寬的情況下盡可能提升輸出功率；對泵浦光纖激光器、固體(ti) 激光器等在一定吸收波段具有高吸收效率的應用場景而言，需要盡可能提升有用波段的功率，從(cong) 而提高泵浦效率，降低廢熱，有必要在提高輸出功率的基礎上進行輸出光譜的調整和適當的優(you) 化。

因此，大功率半導體(ti) 激光器根據行業(ye) 需求將變得精細化、多樣化。針對不同行業(ye) 的應用進行定製化生產(chan) 的 大 功 率 半 導 體(ti) 激 光 器，將 是 未 來 的 發 展方向。