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，來自中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點實驗室，僅供行業(yè)交流學(xué)習(xí)之用，感謝分享！

１ 引言

半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、電光轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高和壽命長等優(yōu)點，在工業(yè)加工、生物醫(yī)療和國家防御等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用［１－１０］。１９６２年，美國科學(xué)家 成 功 研 制 出 了 第 一 代 ＧａＡｓ同 質(zhì) 結(jié)構(gòu)注入型半導(dǎo)體激 光 器［１１－１２］。１９６３年，前蘇聯(lián)科學(xué)院約飛物理研究所的 Ａｌｆｅｒｏｖ等［１３－１４］宣布成功研制了雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器。２０世紀８０年代以后，由于引入了能帶工程理論，同時涌現(xiàn)了晶體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(xué)氣相沉積（ＭＯＣＶＤ）等］，量子 阱 激 光 器 登 上 歷 史 舞臺，大大提升了器件性能，實現(xiàn)了高功率輸出。

大功率半導(dǎo)體激光器主要分為單管與 Ｂａｒ條兩種結(jié)構(gòu)［１５］，單管結(jié)構(gòu)多采用寬條大光腔的設(shè)計，并增加了增益區(qū)域，以實現(xiàn)高功率輸出，減少腔面災(zāi)變損傷；Ｂａｒ條結(jié)構(gòu)為多個單管激光器的并聯(lián)線陣，多個激光器同時工作，再經(jīng)過合束等手段實現(xiàn)高功率激光輸出。最初的大功率半導(dǎo)體激光器主要應(yīng)用于泵浦固體激光器和光纖激光器，波段主要為８０８ｎｍ和９８０ｎｍ。隨著近紅外波段高功率半 導(dǎo) 體 激 光 單元技術(shù)的成熟和成本的降低，使得以之為基礎(chǔ)的全固態(tài)激光器和光纖激光器性能不斷提升，單管連續(xù)波（ＣＷ）輸出功率從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、脈沖輸出功率達到 ２８００ Ｗ［１８］水 平，極大地推動了激光技術(shù)在加工領(lǐng)域的應(yīng)用進程。半導(dǎo)體激光器作為泵浦源的成本占固體激光器總成本的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(tài)激光器發(fā)展之快，大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展功不可沒。

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

實現(xiàn)大功率的半導(dǎo)體激光芯片，需要從材料、結(jié)構(gòu)和腔面保護這三個方面考慮：１）材料技 術(shù)?？?以 從 提 高 增 益 和 防 止 氧 化 兩方面入手，對應(yīng)的技術(shù)包括應(yīng)變量子阱技術(shù)和無鋁量子阱技術(shù)。２）結(jié)構(gòu)技術(shù)。為了防止芯片在高輸出功率下燒毀，通常采用非對稱波導(dǎo)技術(shù)和寬波導(dǎo)大光腔技術(shù)。３）腔面保 護 技 術(shù)。為了防止災(zāi)變光學(xué)鏡面損傷（ＣＯＭＤ），主要技術(shù)包括非吸收腔面技術(shù)、腔 面鈍化技術(shù)和鍍膜技術(shù)。

隨著各行各業(yè)的發(fā)展，無論是作為泵浦源，還是直接應(yīng)用，都對半導(dǎo)體激光光源提出了進一步的需求。在需求更高功率的情況下，為了保持高光束質(zhì)量，就必須進行激光合束。

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

２ 實現(xiàn)大功率激光的重要技術(shù)手段

２．１ 邊發(fā)射大功率半導(dǎo)體激光芯片技術(shù)

２．１．１ 材料技術(shù)

２．１．１．１ 應(yīng)變量子阱技術(shù)

量子阱作為半導(dǎo)體激光器最廣泛采用的有源區(qū)，其內(nèi)部表現(xiàn)出量子化的子帶和階梯狀態(tài)密度，將大大提高激光器的閾值電流密度和溫度穩(wěn)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(xiàn)激光器的可調(diào)諧特性，與傳統(tǒng)的雙異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器相比，可以有效地降低激光器的閾值電流，提高量子效率與微分增益。而在量子阱中引入應(yīng)變則會顯著地改變其本身的能帶結(jié)構(gòu)，通過調(diào)整價帶中的重、輕空穴帶的位置，從而增加芯片外延結(jié)構(gòu)的設(shè)計參數(shù)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(jié)構(gòu)中引入壓應(yīng)變，會加劇能帶函數(shù)的變化，從而降低激光器的閾值電流；而引入張應(yīng)變，則會平緩能帶函數(shù)，在一定程度上提高材料在大功率下工作狀態(tài)下的增益。應(yīng)變量子阱的出現(xiàn)使得通過調(diào)節(jié)應(yīng)變獲得所需能帶結(jié)構(gòu)并提高增益成為了可能［１９－２０］，使半導(dǎo)體激光器的性能出現(xiàn)了大的飛躍。

１９８４ 年，Ｌａｉｄｉｇ 等［２１］最 早 報 道 了 基 于 應(yīng) 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(yīng) 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(shù)

無鋁材料激光器相比有鋁材料激光器具有明顯的優(yōu)勢：１）無鋁材料比含鋁材料具有更高的 ＣＯＭＤ 功 率密度。有源區(qū)中的鋁容易氧化和產(chǎn)生暗線缺陷，致使 發(fā) 生 ＣＯＭＤ 時的 功 率 密 度 減 小，更 容 易 產(chǎn) 生ＣＯＭＤ，從而限制了激光器的功率和壽命。２）同時，相對于含鋁量子阱，無鋁量子阱的電阻更低、熱導(dǎo)率更高，因而表面復(fù)合速率低、表面溫升低、腔面退化速率慢，對暗線缺陷的攀移有抑制作用，且材料內(nèi)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 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面溫升比含鋁 的 ＡｌＧａＡｓ激光 器 低 得 多，并 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(xù)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，輸出功率大于１８５ Ｗ［２７］。２０１３年，山東大學(xué)報道了無鋁有源區(qū)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(dǎo)結(jié)構(gòu)技術(shù)

２．１．２．１ 非對稱波導(dǎo)技術(shù)

在大光腔結(jié)構(gòu)中，隨著波導(dǎo)尺寸的增加，器件的串聯(lián)電阻也 會 增 加。故 為 降 低 串 聯(lián) 電 阻，通 常 對 ｐ型限制層施以較高的摻雜。實驗研究發(fā)現(xiàn)，光吸收正比于摻雜區(qū)的摻雜濃度，并且在 ｐ型材料中被空穴吸收光子的損耗大于在ｎ型材料中被電子吸收光子的損耗［２９－３２］。這樣，在對稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，ｐ型高摻雜區(qū)載流子的光吸收是形成內(nèi)部損耗、導(dǎo)致效率降低的主要原因。可以通過ｐ型波導(dǎo)和ｎ型波導(dǎo)的厚度非對稱，折射率非對稱等調(diào)節(jié)方式，讓光場分布盡量限制在ｎ型區(qū)域內(nèi)擴展，從而降低串聯(lián)電阻和內(nèi)部損耗，獲得較高的效率。

２００７年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所報道了無鋁有源區(qū)非對稱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)激光器，波 長 為８０８ｎｍ，連 續(xù)工作條件下，輸出功率可達６ Ｗ［３３］，２００９年實現(xiàn)了９８０ｎｍ 半導(dǎo)體激光，內(nèi)損耗僅有０．７８ｃｍ－１［３４］， ２０１０年，實現(xiàn)了９８０ｎｍ 半導(dǎo)體激光效率５８．４％［３５］。２０１３年，日 本 的 Ｍｏｒｉｔａ 等［３６］實 現(xiàn) 了 條 寬 為 １００μｍ，腔長為４ｍｍ，ＣＷ 輸出功率為１９．８ Ｗ，２０ ℃溫 度下轉(zhuǎn)換效率６８％的半導(dǎo)體激光器。２０２０年，芬蘭 的 Ｒｙｖｋｉｎ等［３７］通過 對 分 對 稱 波 導(dǎo) 的 折 射 率、限 制因子、載流子濃度、內(nèi)部損耗等方面的模擬分析，最終設(shè)計了短腔結(jié)構(gòu)計算出 ＣＷ 輸出功率達４０ Ｗ 的 半導(dǎo)體激光器。

２．１．２．２ 大光腔技術(shù)

為了獲得高輸出功率，提高 ＣＯＭＤ 閾值，需 要降低有源區(qū)與限制層的光場能量密度。這就需要增大波導(dǎo)的尺度，增加光斑的尺寸，拓寬光場分布，這就是大光腔技術(shù)。在增加波導(dǎo)尺度的同時，可以優(yōu)化波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，降低激光器的遠場快軸光束發(fā)散角。

２００５年，德 國 的 Ｋｎａｕｅｒ等［３８］實 現(xiàn) 了 ８０８ｎｍ大光腔結(jié)構(gòu)，獲得了２５ ℃溫度下，ＣＷ 輸出 功 率 為１５ Ｗ，快軸 遠 場 發(fā) 散 角 為 １８°。２００６ 年，Ｂｏｏｋｈａｍ公司采 用ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料，設(shè)計了漸變折射率大光腔芯片，在溫度為１６ ℃、電流為２０Ａ 時，獲 得了大 于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(jié) 構(gòu)，實 現(xiàn) 了２５ ℃溫度 下 ＣＷ 輸 出功率為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(jié) 構(gòu)，得 到 了 ＣＷ 輸出 功 率 為２０ Ｗ的９７５ｎｍ 單 管 半 導(dǎo) 體 激 光 器，壽 命 大 于４０００ｈ。２０１５年，北京 工 業(yè) 大 學(xué) 凌 小 涵 等［４２］設(shè)計 了９８０ｎｍ大光腔單發(fā)光條大功率半導(dǎo)體激光器，其 ＣＷ 輸出功率達到１２ Ｗ，經(jīng)老化實 驗 得 到 器 件 綜 合 成 品 率達到４０％。２０１９年，長春 理 工 大 學(xué) 的 喬 闖 等［４３］設(shè) 計并制作了非對稱大光腔結(jié)構(gòu)，制備了８９０ｎｍ周期的分布式布拉格反射鏡（ＤＢＲ）光柵，最 終實現(xiàn)了輸出功率為１０．７ Ｗ，斜率效率為０．７３ Ｗ／Ａ 的激 光 輸出。

２．１．３ 腔面技術(shù)

２．１．３．１ 非吸收腔面技術(shù)

通過增大腔面附近量子阱帶隙寬度，使得腔面處對激射波長透明，這就是非吸收腔面技術(shù)。非吸收腔面可以減少因非輻射復(fù)合和光吸收產(chǎn)生的熱量及光生載流子的數(shù)量，是提高半導(dǎo)體激光器輸出功率和可靠性的有效方法。目前，非吸收腔面的制作方法主要包括：二次外延生長技術(shù)和量子阱混合技術(shù)。二次外延生長是通過刻蝕、再生長一種寬帶隙半導(dǎo)體材料。這種方法技術(shù)難度大、工藝復(fù)雜，難以保證結(jié)合界面的晶體質(zhì)量［４４］。量子阱混合技術(shù)通過在外延片上進行薄膜淀積或雜質(zhì)注入，再通過高溫快速退火，使各組成元素發(fā)生互擴散，導(dǎo)致阱、壘組分發(fā)生變化，從而增大帶隙結(jié)構(gòu)。這種方法操作相對簡單，成本低，效果較為明顯［４５］，但需要高溫條件下進行熱退火，可能會對器件造成一定的損傷。

１９８４年，英國電信研究實驗室利用選擇性外延生長技術(shù)制備出非吸收腔面的 ＡｌＧａＡｓ大光腔激光器，在脈沖輸出（脈寬為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(xué) 制 備 出 帶 有 非 吸 收 腔 面 的 ７８０ｎｍ ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ大功率 半 導(dǎo) 體 激 光 器，最 大 輸 出 功 率 是 傳 統(tǒng)激光器的３倍［４７］。２０００年，英國格拉斯哥大學(xué)制備了具 有 非 吸 收 腔 面 的 ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ半 導(dǎo) 體 激 光器，在發(fā)生ＣＯＭＤ時的最高輸出功率是普通激光器的２倍［４８］。２０１５年，濱松光電子股份有限公司制備了帶隙差為１００ ｍｅＶ 的非 吸 收 腔 面，９１５ｎｍ 波段ＩｎＧａＡｓ寬 條 半 導(dǎo) 體 激 光 器 的 連 續(xù) 輸 出 功 率 為２０ Ｗ，可靠工作時間在５０００ｈ以上，最大效率超過６５％［４９］。

２．１．３．２ 腔面鈍化技術(shù)

半導(dǎo)體激光器的自然解理面極容易被潮解和氧化，氧化物和沾污易成為非輻射復(fù)合中心，從而加劇腔面結(jié)溫升 高 的 急 劇 上 升，最 終 導(dǎo) 致 ＣＯＭＤ，使得器件失效。腔面鈍化能夠有效地去除半導(dǎo)體激光器腔面的沾污和氧化層等雜質(zhì)，降低腔面的表面態(tài)密度，從而有效提高器件的熱穩(wěn)定性、抑制 ＣＯＭＤ，最 終提升最大輸出功率并提高器件的可靠性，為高性能和穩(wěn)定工作提供保障。

１９８７年，貝爾 通 訊 研 究 公 司 的 Ｓａｎｄｒｏｆｆ等［５０］ 發(fā)明了腔面硫 化 處 理 技 術(shù)。采 用 Ｎａ２Ｓ·９Ｈ２Ｏ 溶 液將 ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ異質(zhì) 結(jié) 雙 極 晶 體 管（ＨＢＴｓ）腔 面鈍化，經(jīng)硫化處理后的 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(shù)，將９８０ｎｍＩｎＧａＡｓ半導(dǎo)體激光 器 腔 面 鈍 化，使 激 光 器 連 續(xù) 輸 出 功 率 提 高５０％ 。１９９７年，美國威斯康星大學(xué)的 Ｍａｗｓｔ等［５２］ 利用激光輔助化學(xué)氣相沉積法在ＩｎＧａＡｓ雙量子阱半導(dǎo)體 激 光 器 腔 面 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 面 鈍 化 無 鋁 有 源 區(qū) 大 功 率 半 導(dǎo) 體 激光器，在激光器的老化過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。２０１６ 年，北 京 工 業(yè) 大 學(xué) 利 用 離 子 銑 氮 鈍 化 處 理９８０ｎｍ半導(dǎo)體激光器腔面，得到了 ＣＷ 輸出功率為２２．５ Ｗ，器 件 輸 出 功 率 提 高 了 ３２．１４％［５４］。２０１９年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所采用射頻等離子體增強反應(yīng)磁控濺射沉積α－ＳｉＮｘ薄膜對９８０ｎｍ光子晶體激光器進 行 腔 面 鈍 化。通 過 優(yōu) 化 氮－氬混 合 等 離子體并采用 快 速 退 火 的 方 法，顯 著 抑 制 了 ＣＯＭＤ， 提高了器 件 的 性 能 和 激 光 系 統(tǒng) 的 穩(wěn) 定 性［５５］。２０１９年，中國科學(xué)院半導(dǎo)體所在真空中直接蒸鍍一層厚度為２５ｎｍ 的ＺｎＳｅ材料作為鈍化膜，利用 ＺｎＳｅ薄 膜材料大禁帶寬度的特性作為半導(dǎo)體激光器腔面鈍化膜，有效提高半導(dǎo)體激光器輸出功率和器件損傷閾值，提供腔面保護［５６］。

２．１．３．３ 鍍膜技術(shù)

腔面鍍膜技術(shù)是大功率激光器的關(guān)鍵工藝技術(shù)之一，其作用有兩個：１）覆蓋解理腔面，防止有源區(qū)氧化，提高可靠性和穩(wěn)定性；２）改變腔面膜反射率，使得激光器在保持性能的基礎(chǔ)上實現(xiàn)單面出光，提高激光器的輸出功率和激光的利用效率。因為激光器的腔面是晶體的自然解理面（１１０面），其反 射 率約為３１％，在激 光 器 工 作 時，由 于 激 光 器 前 后 腔 面反射率大小一樣，因而造成兩個腔面同時出光。通過腔面鍍膜在激光器的前后腔面分別制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(zhuǎn)換效率。

該技術(shù)主要內(nèi)容有兩個方面：一是膜系材料的選擇。首先要考慮鍍層材料的高純性、長期穩(wěn)定性、附著力、鍍層材料與自然解理面之間的熱匹配和應(yīng)力匹配、鍍層材料之間的晶格匹配等。同時還要易于蒸鍍，不會對激光器的自然解理面產(chǎn)生破壞，能夠防止環(huán)境氣氛擴散進入器件發(fā)光區(qū)。二是確定高反膜的反射率和增透膜的透射率，基本原則是：通過后腔面發(fā)射的光盡可能少，使激光盡可能由前腔面透過，同時又不引起明顯的腔面附加吸收和附加損耗。對于增透膜，膜系材料可以選擇折射率介于波導(dǎo)層有效折射 率 與 空 氣 折 射 率 之 間 的 材 料。通 常 選 擇Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２作為低折射率材料，ＺｒＯ２、ＴｉＯ２等作為高折射率材 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(dǎo)體激光合束技術(shù)

處于近 紅 外 波 段（７５０～１１００ｎｍ）的邊 發(fā) 射 結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器發(fā)展最為成熟，是當前用于泵浦和加工的大功率半導(dǎo)體激光源主要形式。根據(jù)激光單元數(shù)量，激光芯片可分為單管和線陣，前者為單個激光單元，可連續(xù)輸出幾瓦至數(shù)十瓦功率，后者為多個激光單元在水平方向的集成，可連續(xù)輸出幾十瓦至數(shù)百瓦功率。對于激光線陣，根據(jù)集成單元方向?qū)挾龋?分 為 寬 度 １０ ｍｍ 的 厘 米 線 陣 和 寬 度 小 于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(dǎo)致其整體光束質(zhì)量惡化。在提升功率時，如何獲得高光束質(zhì)量半導(dǎo)體激光成為關(guān)鍵。激光合束是實現(xiàn)大功率、高光束質(zhì)量半導(dǎo)體激光的有效技術(shù)途徑之一，它通過幾何或物理光學(xué)手段，將多個單元光束合成一束激光。根據(jù)合束激光單元的相干性，分為相干合束和非相干合束。相干合束要求精確控制合束單元的光譜、相位等特性，技術(shù)較復(fù)雜，且相干合束半導(dǎo)體激光源的性能優(yōu)勢并不明顯，當前未實用化。非相干合束無需考慮單元之間的相干性，技術(shù)相對簡單，是當前實用化大功率半導(dǎo)體激光合束光源的主要實現(xiàn)方式。非相干合束可分為傳統(tǒng)合束技術(shù)、密集波長合束和光譜合束。下面對非相干合束技術(shù)進展進行概述。

２．２．１ ＴＢＣ技術(shù)

常規(guī)合束技術(shù)基于標準的半導(dǎo)體激光芯片，在合束過程中，不影響激光單元腔內(nèi)諧振，僅通過外部光學(xué)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功率、改善整體光束質(zhì)量，是 當 前 實 現(xiàn) 大 功 率 半 導(dǎo) 體 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(zhì)量變差；偏振合束利用半導(dǎo)體激光的線偏振特性，將振動方向相互垂直的兩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(xiàn)近場和遠場重疊，功率提升近２倍的同時光束質(zhì)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），兩束光實現(xiàn)近場和遠場重疊，功率提升的同時光束質(zhì)量不變，通過采用不同的波長合束元件，可以實現(xiàn)多束不同波長（λ１，λ２，…，λｎ）的激光合束，考慮到半導(dǎo)體激光器自身譜寬、光譜受溫度及電流影響等因素，常規(guī)波長合束的相鄰波長間隔一般不低于２５ｎｍ。

根據(jù)不同封裝形式，基于常規(guī)合束技術(shù)，目前已發(fā)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(xiàn)了幾十瓦至數(shù)萬瓦級的直接輸出或光纖耦合輸出，應(yīng)用在光纖激光泵浦、激光加工等方面。

單管合束光源直接采用激光單管進行合束，由于熱源相對分散，熱流密度相對低，相同熱功率影響下可以采用更高電流驅(qū)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 后可從芯徑１００～２００μｍ 光 纖中輸出幾十瓦至千瓦的單波長激光，光束質(zhì)量為６～２０ｍｍ·ｍｒａｄ，具有亮度高、成本低及可靠性好等優(yōu)點，應(yīng)用在光纖激光泵浦、激光醫(yī)療、激光照明等領(lǐng)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(xiàn)了快速提升，而成本也大幅度下降。美國ｎＬｉｇｈｔ報道采用多個大功率、高光束質(zhì)量的９７５ｎｍ 激光單管，通過空 間 及 偏 振 合 束 后 進 行 光 纖 耦 合，實 現(xiàn) 芯 徑１０５μｍ 的光纖連續(xù)輸出功率３６３ Ｗ，芯徑２２０μｍ 的光纖連續(xù)輸出功率１０００Ｗ，可以用于光纖激光器的泵浦［５７］。北京凱普林光電科技有限公司采用１５６個波長被體布拉格光柵（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(shù)值孔徑０．２２的光纖實現(xiàn)輸出１０３７ Ｗ 的 穩(wěn)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(zhì)量相對較好的迷你線陣（５～１０個激光單元）或者填充因子較低的厘米線陣（填充因子＜２０％），單線陣功率為４０～８０ Ｗ， 合束后功率一般在幾百瓦至數(shù)千瓦，耦合光纖芯徑為２００～６００μｍ，光束質(zhì)量為２０～６０ｍｍ·ｍｒａｄ， 主要應(yīng)用在激光焊接等工業(yè)加工領(lǐng)域。由于單管合束光源性能的快速提升，通過多個單管合束光源的組合，已經(jīng)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高 填 充 因 子 結(jié) 構(gòu)，單 層 微 通 道 線 陣 輸 出 功率可達數(shù) 百 瓦，多層線陣垂直疊加后可輸出數(shù)千瓦至萬瓦 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(fā) 出 系 列 大 功 率 光纖耦 合 產(chǎn) 品，連 續(xù) 輸 出 功 率 從 １．５ｋＷ（芯 徑 ４００μｍ、數(shù)值孔徑０．１）到４５ｋＷ（芯徑２０００μｍ、數(shù)值孔徑０．２）［５９］。目 前，疊陣合束光源多用于激光熔覆、表面硬化等對 激 光 功 率 要 求 高、光 束 質(zhì) 量 要 求低的工業(yè)加工方面。

２．２．２ ＤＷＤＭ 技術(shù)

相對于常規(guī)合束相鄰波長間隔不低于 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(zhì)量條件下，數(shù)倍增加激光單元數(shù)量，可以提高合束光源功率和亮度。

密集波長合束關(guān)鍵器件：１）中心波長穩(wěn)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(diào)制光譜實現(xiàn)；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(shù)（ＩＬＴ）研究所采用內(nèi)置光柵方式，直接在集成５個激光單元的迷你線陣上刻蝕不同周期光柵，５個激光單元輸出中心波 長間隔為２．５ｎｍ 的５束不 同 波 長 激 光［６０］，再采 用４個二向分色鏡合束，最終耦合進３５μｍ 光纖［６１］。該 方法實現(xiàn)的窄線寬單元結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，但是芯片光柵工藝要求非常高，一旦某個單元的光譜和位置關(guān)系出現(xiàn)偏差，則合束效率急劇降低。

ＶＢＧ 外腔反饋是當前實現(xiàn)窄線寬激光輸出的主要方式，所采用的半導(dǎo)體激光芯片前腔面鍍增透膜，其后 腔 面 與 ＶＢＧ 構(gòu)成 諧 振 腔，利 用 ＶＢＧ 衍射光 作 為 種 子 光 調(diào) 控 起 振 光 譜，可實現(xiàn)譜寬窄至０．１ｎｍ、溫度漂移０．０１ｎｍ／℃的激光輸出。基于該技術(shù)，德國 ＤＩＬＡＳ公司從芯徑１００μｍ、數(shù)值孔徑０． ２的光纖中輸出功率達４１０ Ｗ［６２］。德國ＩＬＴ 研究所從芯徑１００μｍ、數(shù)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 作為合束元件，通過精密溫控和角度調(diào)節(jié)４片 ＶＢＧ，實現(xiàn)５個中心波 長 間 隔 １．５ ｎｍ 的 激 光 合 束［６４］。德 國 ＤｉｒｅｃｔＰｈｏｔｏｎｉｃｓＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓ 公 司也推出了功率為５００～２０００ Ｗ、光束 質(zhì) 量 為 ５ ｍｍｍｒａｄ、芯徑 為１００μｍ 的光纖 耦 合 半 導(dǎo) 體 激 光 源 產(chǎn) 品［６５］，應(yīng)用 在金 屬 切 割 領(lǐng) 域。密 集 光 譜 合 束 技 術(shù) 將 芯 徑 為１００μｍ光纖耦合半導(dǎo)體激光源的輸出功率提升到千瓦量級，相對于常規(guī)合束光源，功率和亮度提升了近１個數(shù)量級。

２．２．３ ＳＢＣ技術(shù)

相對于前面兩種采用多個合束元件實現(xiàn)多波長激光合束而言，光譜合束技術(shù)僅利用單個色散元件即可實現(xiàn)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(shù)量，在相同光束質(zhì)量下，增加了合束功率和亮度。

目前采用的光譜合束結(jié)構(gòu)基本構(gòu)架由美國麻省理工學(xué)院于２０００年最先報道，他們對推動該技術(shù)的發(fā)展做了很多工作［６６－６８］。該合束基本結(jié)構(gòu)由前腔面增透的半導(dǎo)體激光芯片、變換透鏡、光柵和外腔鏡構(gòu)成，激光芯片輸出的單元光束經(jīng)變換透鏡作用到光柵同一位置，然后經(jīng)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(nèi)諧振，部分光直接輸出。返回的種子光的起振波長嚴格滿足光柵方程，由于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(jīng)過外腔鏡輸出的激光在近場和遠場均重合，因此實現(xiàn)合束功率為所有單元之和、合束光束質(zhì)量與單個激光單元一致的激光 輸 出。經(jīng) 過 技 術(shù) 轉(zhuǎn) 化，美 國 Ｔｅｒａｄｉｏｄｅ公 司推出了功率為１ｋＷ（芯徑為５０μｍ）、２～１２ｋＷ（芯徑為１００μｍ）光纖 輸 出 系 列 產(chǎn) 品［６９］，并報 道 了功 率 為 ３６０ Ｗ、２ 倍 衍 射 極 限［７０］、亮 度 達 到１０ＧＷ／（ｃｍ２·ｓｒ）的半導(dǎo)體激光源，直接將大功率半導(dǎo)體激光的亮度提高２個數(shù)量級，為大功率、高亮度半導(dǎo)體激光器的發(fā)展指明新方向。

表１為１２ｋＷ 連續(xù)輸出功率下，基于光譜合束的半導(dǎo)體激光器與其他商用激光器的亮度對比，可以看出，半導(dǎo) 體 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(dǎo) 體 激 光 源 的 功 率 提 升 到 萬 瓦量級，相對于常規(guī)合束技術(shù)，其功率和亮度提升了近２個數(shù)量級。

德國 Ｔｒｕｍｐｆ提出一種將窄帶濾光片用于外腔反饋波長鎖 定 結(jié) 構(gòu)［７１］，通過 鍍 膜，使窄帶濾光片具有角度－波長篩選特性，只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(xiàn)了波長調(diào)制。利用該技術(shù)，進一步結(jié)合光柵 技 術(shù)，在２００μｍ 芯徑的光纖中實現(xiàn)輸出功率超過５ｋＷ［７２］。

激光合束技術(shù)除了應(yīng)用在上述近紅外波段外，在可見光、中紅外波段也實現(xiàn)了廣泛應(yīng)用。受激光顯示、汽車大燈及銅、金等金屬加工等應(yīng)用的驅(qū)動，基于 ＧａＮ 基的藍光激光器在近幾年出現(xiàn)了井 噴 式的 發(fā) 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(jù) Ｎｉｃｈｉａ報道，條寬４５μｍ、腔長１．２ｍｍ的藍光單管半導(dǎo)體激光器的連續(xù)功率超過６ Ｗ，在３Ａ 電流驅(qū)動 下，５．６７ Ｗ 功率 輸 出 時，電 光 轉(zhuǎn) 換 效率達到４８％以上［７６］。德國 ＯＳＲＡＭ 研制的激光線陣輸出功率達到１０７Ｗ［７７］，并研制出可滿足－４０℃～＋１２０ ℃工作 溫 度 的 藍 光 激 光 器［７８］?；?藍 光芯片，采用與近紅外波段相似的合束技術(shù)，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，用于銅的焊接、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，從芯徑５０μｍ 光纖中實現(xiàn)輸出功率超過１００ Ｗ。美國 Ｔｅｒａｄｉｏｄｅ公司利用光譜合束技術(shù)，實 現(xiàn) 了 功 率 為 １８０ Ｗ，光 束 質(zhì) 量 僅 為１．２６ｍｍ·ｍｒａｄ×１．３１ｍｍ·ｍｒａｄ的藍激光［８３］，對 應(yīng)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(jié)束語

本文針對大功率半導(dǎo)體激光的常用技術(shù)進行了總結(jié)介紹，主要包括邊大功率發(fā)射半導(dǎo)體激光芯片和大功率半導(dǎo)體激光合束技術(shù)。大功率半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍幾乎涵蓋了所有光電子領(lǐng)域。進一步發(fā)展大功率半導(dǎo)體激光技術(shù)對于推動我國光電子領(lǐng)域?qū)W科發(fā)展、推動我國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展、推動國民經(jīng)濟升級轉(zhuǎn)型，有著重要科研、經(jīng)濟以及戰(zhàn)略意義。

隨著各行各業(yè)對激光光源需求的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器對大功率的需求是永無止境的。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域的不同，大功率也不再是唯一的指標。對于工業(yè)加工而言，除了進一步提升輸出功率以外，還需要對光束質(zhì)量和亮度進行進一步優(yōu)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系的大功率激光進行研發(fā)；為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(shù)；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(yīng)用領(lǐng)域，保持單模特性，以方便單模光纖耦合為首要目標，在此基礎(chǔ)上盡可能提升輸出功率；在泵浦原子鐘、泵浦激光陀螺、泵浦堿金屬激光器、分離激光同位素、氣體監(jiān)測、光纖通信、衛(wèi)星激光通信等領(lǐng)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、固體激光器等在一定吸收波段具有高吸收效率的應(yīng)用場景而言，需要盡可能提升有用波段的功率，從而提高泵浦效率，降低廢熱，有必要在提高輸出功率的基礎(chǔ)上進行輸出光譜的調(diào)整和適當?shù)膬?yōu)化。

因此，大功率半導(dǎo)體激光器根據(jù)行業(yè)需求將變得精細化、多樣化。針對不同行業(yè)的應(yīng)用進行定制化生產(chǎn) 的 大 功 率 半 導(dǎo) 體 激 光 器，將 是 未 來 的 發(fā) 展方向。