本文作者寧永強(qiáng)，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(jī)械與物理研究所發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(diǎn)，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(jì)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(jī)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(shí)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(jì)，并增加了增益區(qū)域，以實(shí)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(shí)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(jì)９０年代的８．１ Ｗ 達(dá)到 ２９．５ Ｗ［１６］ 水 平，ｂａｒ 條 ＣＷ 輸 出 功 率 達(dá) 到１０１０ Ｗ［１７］水 平、脈沖輸出功率達(dá)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(jìn)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(shí)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(diǎn)。
實(shí)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(hù)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(hù) 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(jìn)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(jìn)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(jìn)行了概述。
２ 實(shí)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(shí)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(jià)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(jì)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(bào) 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(shí)驗(yàn)室利用 ＭＢＥ方法降低了閾值 電 流———低 至 ４５ Ａ／ｃｍ２，基本達(dá)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(jìn)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(tuán)公司第十三研究所報(bào)道了無鋁１ｍｍ 腔長的準(zhǔn)連續(xù)陣列輸出功率可達(dá)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(bào)道了無鋁有源區(qū)在２０Ａ 工作電流下，輸出功率達(dá)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(shí)驗(yàn)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?？梢酝ㄟ^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(kuò)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(bào)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(dá)６ Ｗ［３３］，２００９年實(shí)現(xiàn)了９８０ｎｍ 半導(dǎo)體激光，內(nèi)損耗僅有０．７８ｃｍ－１［３４］， ２０１０年，實(shí)現(xiàn)了９８０ｎｍ 半導(dǎo)體激光效率５８．４％［３５］。２０１３年，日 本 的 Ｍｏｒｉｔａ 等［３６］實(shí) 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(jì)了短腔結(jié)構(gòu)計(jì)算出 ＣＷ 輸出功率達(dá)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(yuǎn)場快軸光束發(fā)散角。
２００５年，德 國 的 Ｋｎａｕｅｒ等［３８］實(shí) 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(yuǎn) 場 發(fā) 散 角 為 １８°。２００６ 年，Ｂｏｏｋｈａｍ公司采 用ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料，設(shè)計(jì)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(shí) 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(jì) 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(dá)到１２ Ｗ，經(jīng)老化實(shí) 驗(yàn) 得 到 器 件 綜 合 成 品 率達(dá)到４０％。２０１９年，長春 理 工 大 學(xué) 的 喬 闖 等［４３］設(shè) 計(jì)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(shí)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(jìn)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(kuò)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(jìn)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(shí)驗(yàn)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(bào)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(qiáng)反應(yīng)磁控濺射沉積α－ＳｉＮｘ薄膜對９８０ｎｍ光子晶體激光器進(jìn) 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(hù)［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(shí)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?yàn)榧す馄鞯那幻媸蔷w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(kuò)散進(jìn)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(dāng)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?，?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(jìn)行一維或二維的光疊加或物理位置疊加，進(jìn)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(shí)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(dāng)前未實(shí)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(dāng)前實(shí)用化大功率半導(dǎo)體激光合束光源的主要實(shí)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(jìn)展進(jìn)行概述。
２．２．１ ＴＢＣ技術(shù)
常規(guī)合束技術(shù)基于標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(dāng) 前 實(shí) 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(jìn)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(shí) 現(xiàn)近場和遠(yuǎn)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(shí)現(xiàn)近場和遠(yuǎn)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(shí)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(shí)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(jìn)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(diǎn)，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(bào)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(jìn) 行 光 纖 耦 合，實(shí) 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(shí)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(dá)到線陣合束光源的性能指標(biāo)，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(dá)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(shí)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(jìn)３５μｍ 光纖［６１］。該 方法實(shí)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(dāng)前實(shí)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(shí)現(xiàn)譜寬窄至０．１ｎｍ、溫度漂移０．０１ｎｍ／℃的激光輸出?；谠摷夹g(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(dá)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(shí)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 ｍｍｍｒａｄ、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(shí)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(shí)現(xiàn)多束波長間隔低至０．１ｎｍ 的激光合束，進(jìn)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(bào)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(yán)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(yuǎn)場均重合，因此實(shí)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(bào) 道 了功 率 為 ３６０ Ｗ、２ 倍 衍 射 極 限［７０］、亮 度 達(dá) 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(dá) 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(shí)現(xiàn)了波長調(diào)制。利用該技術(shù)，進(jìn)一步結(jié)合光柵 技 術(shù)，在２００μｍ 芯徑的光纖中實(shí)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(shí)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(lán)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(lán) 光 激 光器芯片。據(jù) Ｎｉｃｈｉａ報(bào)道，條寬４５μｍ、腔長１．２ｍｍ的藍(lán)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(dá)到４８％以上［７６］。德國 ＯＳＲＡＭ 研制的激光線陣輸出功率達(dá)到１０７Ｗ［７７］，并研制出可滿足－４０℃～＋１２０ ℃工作 溫 度 的 藍(lán) 光 激 光 器［７８］?；?藍(lán) 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(bào)道了千瓦級的藍(lán)光激光器，用于銅的焊接、三維打印等。其中，美國 ＮＵＢＵＲＵ 報(bào)道芯徑１００μｍ 光纖輸出藍(lán)激光功率高達(dá)１．５ｋＷ。意大利Ｒｉｖａ等［８２］采用波長間隔４ｎｍ 的３種藍(lán)光模塊通過密集波長合束，從芯徑５０μｍ 光纖中實(shí)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(shí) 現(xiàn) 了 功 率 為 １８０ Ｗ，光 束 質(zhì) 量 僅 為１．２６ｍｍ·ｍｒａｄ×１．３１ｍｍ·ｍｒａｄ的藍(lán)激光［８３］，對 應(yīng)的亮度達(dá)到１．１ＧＷ／（ｃｍ２·ｓｒ），也是當(dāng)前報(bào)道的最高亮度的藍(lán)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(jìn)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(jìn)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(jì)升級轉(zhuǎn)型，有著重要科研、經(jīng)濟(jì)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(biāo)。對于工業(yè)加工而言，除了進(jìn)一步提升輸出功率以外，還需要對光束質(zhì)量和亮度進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化；針對不同的材料進(jìn)行加工時，還需要考慮吸收波段，采用不同波長的激光器進(jìn)行合束，這就需要對不同襯底材料體系的大功率激光進(jìn)行研發(fā)；為了進(jìn)一步提升合束功率，還要進(jìn)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(biāo)，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(jìn)行輸出光譜的調(diào)整和適當(dāng)?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(xì)化、多樣化。針對不同行業(yè)的應(yīng)用進(jìn)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。
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