（西華大學(xué)理學(xué)院，四川 成都 610039）

高功率半導(dǎo)體激光器具有輕量化、免維護等優(yōu)勢，在智能裝備制造和光電對抗等民用和軍用領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。然而，半導(dǎo)體激光器的特殊原理及結(jié)構(gòu)決定了它在追求高功率的同時，其光束質(zhì)量會退化，進而限制其應(yīng)用。因此，如何獲得具有高功率和高光束質(zhì)量的半導(dǎo)體激光光源成為國際上亟待解決的問題。美國和德國將其列入國家重大專項攻克相關(guān)技術(shù)，我國也將高功率高光束質(zhì)量半導(dǎo)體激光器作為國防項目開展技術(shù)研究。其中，將多個半導(dǎo)體激光子單元封裝為激光陣列或疊陣，再利用譜合束技術(shù)實現(xiàn)單光束輸出被證明是解決該問題的關(guān)鍵技術(shù)之一。譜合束技術(shù)主要利用色散光學(xué)元件將多束具有不同波長和不同入射角的光束以同方向出射的方式實現(xiàn)光束合成，其可在高功率直接輸出的同時保持良好的光束質(zhì)量[3-5]，且結(jié)構(gòu)簡單易控制，這些優(yōu)勢促使其成為激光技術(shù)領(lǐng)域的研究熱點。

1 半導(dǎo)體激光陣列

從1962 年美國科學(xué)家宣布成功研制出第一代半導(dǎo)體激光器以來，半導(dǎo)體激光器便在全世界引起廣泛關(guān)注[6]。1983 年，波長800 nm 輸出功率為100 mW的單管半導(dǎo)體激光器研制成功。1989 年，0.1 mm條寬的LD(laser diode)獲到3.7 W 的連續(xù)光輸出，1 cm 線陣LD 達到76 W 輸出，轉(zhuǎn)換效率為39%。1992 年，美國實現(xiàn)1 cm 線陣LD 121W 的連續(xù)光輸出，轉(zhuǎn)換效率提高至45%，隨后輸出功率120 W、1.5 kW、3 kW 等諸多高功率LD 逐漸面世。在努力提高半導(dǎo)體激光器輸出功率的歷程中，總結(jié)起來，主要有2 種方式：其一為提高芯片單管功率，這涉及到有源區(qū)結(jié)構(gòu)設(shè)計、芯片生長以及封裝散熱等關(guān)鍵技術(shù)[6-8]。由于熱效應(yīng)[9-10]、增益飽和效應(yīng)、非線性效應(yīng)[11]等因素，單管激光器的功率具有一定的限制；其二則是增加半導(dǎo)體激光器的發(fā)光單管數(shù)量，從而達到進一步提高輸出功率的目的。增加發(fā)光單管數(shù)量通常將幾十個芯片集成封裝成靶條，且為了進一步增加單管數(shù)量，再將多個靶條堆疊形成二維疊陣，以求達到增加功率的目的，圖1為半導(dǎo)體激光陣列和激光疊陣示意圖。

圖1 半導(dǎo)體激光陣列(a)和激光疊陣(b)

雖然半導(dǎo)體激光陣列、激光疊陣的出現(xiàn)極大地促進了使用半導(dǎo)體激光器作為泵浦源的全固化激光器的發(fā)展，但由于芯片外延生長技術(shù)和芯片封裝技術(shù)等限制，直接由陣列或疊陣出射的激光性能很差。光束質(zhì)量差、空間亮度低[3]和中心波長易溫漂[12]等劣勢限制了高功率半導(dǎo)體激光陣列和疊陣的應(yīng)用。為解決該問題，譜合束技術(shù)開始登上歷史舞臺，該技術(shù)利用光柵的逆色散原理將半導(dǎo)體激光陣列/疊陣發(fā)出的多束光非相干疊加，實現(xiàn)高功率高光束質(zhì)量單光束輸出。

2 光柵外腔法譜合束技術(shù)

2.1 光柵類型的選擇

光柵外腔譜合束技術(shù)最初是由美國麻省理工學(xué)院Cook 等[13]于1999 年提出的。外腔法譜合束技術(shù)采用外諧振腔結(jié)構(gòu)，通過光柵將空間中不同激光子單元發(fā)出的具有不同波長和不同入射角的光束以相同的衍射角輸出?；诠鈻磐馇坏淖V合束技術(shù)將激光器內(nèi)部振蕩和外腔反饋相結(jié)合，即光源內(nèi)腔和光柵外腔相互耦合形成復(fù)合腔使得子單元諧振波長與光柵色散以及反饋光束相互匹配，保證合成光束在近場和遠場空間重疊。部分光束被外腔反饋回激光陣列面，在一定程度上降低了由于模式失配引起的損耗，保證光束質(zhì)量。常用于外腔反饋方法的光柵有光纖光柵、閃耀光柵、體光柵和多層介質(zhì)膜光柵[14]等，其中光纖光柵只能針對小功率激光陣列[15-16]。圖2 給出了閃耀光柵、體光柵[17]和多層介質(zhì)膜光柵的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2(a)為理想閃耀光柵，其剖面為三角形，但實際刻槽傾角有誤差，光柵剖面為梯形。

閃耀光柵的兩束入射光的入射角和波長滿足一定的條件時可以以相同的方向衍射輸出，實現(xiàn)空間疊加。當(dāng)入射角和閃耀角相等，在衍射角方向可得到最大強度。麻省理工學(xué)院林肯實驗室Daneu等[18]就采用的閃耀光柵實現(xiàn)譜合束[18]。圖2(b)為體布拉格光柵，波長λ1的光束入射到布拉格光柵上經(jīng)折射后不符合布拉格條件，直接從光柵另一側(cè)衍射輸出，而波長λ2的光束入射到體布拉格光柵上經(jīng)折射后剛好滿足布拉格條件，因而大部分光束被反射輸出并與波長λ1的光束重合，從而實現(xiàn)兩束光空間疊加。2008 年，美國Central Florida 大學(xué)Sevian 等[19]利用透射型布拉格光柵實現(xiàn)了五路光纖激光的光譜合成，在實驗上獲得了功率大于750 W的近衍射極限連續(xù)光輸出，合束效率大于93%，光束質(zhì)量M2因子為1.16，但是該實驗中，周圍環(huán)境對光纖激光器的波長穩(wěn)定性影響較大，一旦某束光波長有所改變，其他每路光均需重新調(diào)整。為了解決這一問題，2008 年，同一研究機構(gòu)的Oleksiy Andrusyak 等[20]設(shè)計了基于體布拉格光柵的外腔式譜合成系統(tǒng)(圖3)，利用體布拉格光柵成功實現(xiàn)波長鎖定和譜寬壓窄。盡管閃耀光柵和體光柵皆能成功實現(xiàn)譜合束，但由于二者的損傷閾值和衍射效率不夠理想，較難獲得高亮度合成光束。于是，科學(xué)家們開始尋求一種損傷閾值高、衍射效率佳的光柵應(yīng)用于譜合束系統(tǒng)中。

圖2 光柵(a)閃耀光柵；(b)體布拉格光柵；(c)多層介質(zhì)膜光柵

圖3 體布拉格光柵外腔鎖定波長的譜合成系統(tǒng)

2007 年，Neauport 等[21]測試了3 片介質(zhì)膜光柵，發(fā)現(xiàn)在特定波長和入射角下最高損傷閾值達5 J/cm2，而同等輻照條件下金屬光柵的損傷閾值僅為0.67 J/cm2。自此，介質(zhì)膜光柵的耐損傷特性受到科研人員重視。由于多層介質(zhì)膜光柵對光能吸收較低、衍射效率高、介質(zhì)膜損傷閾值高于金屬膜數(shù)十倍，再加上其制作工藝日趨成熟，逐步被運用于譜合成系統(tǒng)中[22]。如圖2(c)所示，介質(zhì)膜光柵由基底、介質(zhì)膜系和周期性浮雕組成。譜合束系統(tǒng)充分利用了介質(zhì)膜系的高反/高透特性和浮雕結(jié)構(gòu)的衍射特性。光束受到周期性浮雕的相位調(diào)制，可將電磁波按單色平面波展開，即在一個周期上將介電常數(shù)ε展開為傅里葉級數(shù)，再利用增強透射矩陣法求出介質(zhì)膜光柵的反射/透射振幅系數(shù)。

2.2 光柵外腔譜合束原理

圖4 為介質(zhì)膜光柵外腔譜合束示意圖。子光束在外腔中傳輸過程為：子單元→自由空間→變換透鏡→自由空間→衍射光柵→自由空間→輸出耦合鏡。激光陣列和光柵分別位于變換透鏡的前、后焦面。變換透鏡的作用是將不同位置列陣單元發(fā)出的光變換成不同角度入射到光柵上，每個單元的發(fā)光波長由該陣列單元的位置和光柵方程嚴格確定。光柵的作用就是將不同波長不同入射角的光以相同的出射角衍射，從而使得從輸出耦合鏡輸出一束在近場和遠場均保持重疊的光束。

圖4 光柵外腔譜合束系統(tǒng)示意圖

2.3 基于不同光柵的譜合束比較

閃耀光柵作為金屬基底的原刻光柵，金屬易吸收光能，熱效應(yīng)易使光柵發(fā)生形變，導(dǎo)致系統(tǒng)合束效率降低和光束質(zhì)量劣化。譜合束系統(tǒng)的合束功率達kW 級別，如果光柵變形嚴重可能導(dǎo)致系統(tǒng)無法正常工作。體布拉格光柵有較好的熱穩(wěn)定性、機械穩(wěn)定性和光學(xué)穩(wěn)定性。但是，體布拉格光柵對光束的入射角度和波長穩(wěn)定性要求較高，合束單元中的任何一束光束的波長或入射角度發(fā)生輕微改變，則需要對整個系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)。并且基于體布拉格光柵的外腔式譜合成系統(tǒng)所需光柵數(shù)目和子單元數(shù)目相同，耦合空間受限。較之閃耀光柵和體光柵，多層介質(zhì)膜光柵由于可以自由設(shè)計膜系反射率(可達99%)，且具有波長范圍廣、高熱穩(wěn)定性等優(yōu)勢，逐漸成為高功率半導(dǎo)體激光陣列譜合束技術(shù)的理想色散元件。

3 光柵外腔半導(dǎo)體激光陣列譜合束技術(shù)研究現(xiàn)狀

針對光柵外腔譜合束技術(shù)，Huang 等[23-25]敏銳地意識到譜合束技術(shù)將是未來實現(xiàn)高亮度半導(dǎo)體激光器的有效手段，成立了TeraDiode 公司對其進行深入開發(fā)。隨后，德國Trumpf 公司[26]、美國Coherent 公司[27]、德國DirectPhotonics 公司[28]、丹麥技術(shù)大學(xué)[29]等研究機構(gòu)針對譜合束技術(shù)相繼開展了許多研究。國內(nèi)中國工程物理研究院[30-32]、長春光機所[33-35]、中科院半導(dǎo)體所[36]、上海光機所[37-39]、北京工業(yè)大學(xué)[40-42]、空軍工程大學(xué)[43-44]、四川大學(xué)[45]等單位也做了許多理論計算和實驗驗證工作，為我國譜合束技術(shù)的發(fā)展做出了重要貢獻。表1 總結(jié)了國內(nèi)外半導(dǎo)體激光器譜合束的研究現(xiàn)狀，其中最具代表性的研究機構(gòu)是TeraDiode公司，其推出了功率8 kW和光束質(zhì)量為6 mm·mrad 的光纖耦合半導(dǎo)體激光產(chǎn)品，該產(chǎn)品在金屬厚板切割、遠程激光焊接等方面已達到工業(yè)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)[25]。TeraDiode 公司認為，半導(dǎo)體激光譜合束技術(shù)將是未來實現(xiàn)超高功率高光束質(zhì)量激光光源的最佳手段之一，并稱其已完成100 kW 級高亮度高效率直接半導(dǎo)體激光光源設(shè)計，但未詳細報道具體方案。德國Trumpf 公司也已推出功率500～5 000 W 的光纖耦合半導(dǎo)體激光產(chǎn)品[46-47]。較之國外，國內(nèi)半導(dǎo)體芯片技術(shù)與合束技術(shù)起步較晚。長春光機所提出基于透射光柵的譜合束結(jié)構(gòu)，獲得連續(xù)輸出功率為200 W，光束質(zhì)量為4.27 mm·mrad的光束[48]。中物院建立的半導(dǎo)體激光光柵外腔譜合束模型，實現(xiàn)輸出功率為710 W，光束質(zhì)量為7.3 mm·mrad 的光束輸出，其還可實現(xiàn)超過1 kW 的合束輸出[30]。

目前，國內(nèi)半導(dǎo)體激光譜合束技術(shù)仍處于實驗室探索階段，未實現(xiàn)產(chǎn)品化，與國際水平存在很大的差距。巨大的差距迫使我們必須盡快研制開發(fā)實用性高功率高光束質(zhì)量半導(dǎo)體激光直接光源，趕上國際先進水平，實現(xiàn)產(chǎn)品實用化，為我國國民經(jīng)濟建設(shè)和現(xiàn)代國防建設(shè)提供助力。

表1 國內(nèi)外半導(dǎo)體激光器譜合束現(xiàn)狀

4 合成光束劣化的因素分析

在理想譜合束系統(tǒng)中，合成光束的光束質(zhì)量可保持與子單元光束質(zhì)量相當(dāng)，合成光束強度為各子光束的強度疊加。但是，在實際應(yīng)用中，輸出光束易出現(xiàn)高階旁瓣、主瓣效率降低、光譜次峰等問題。因此，目前亟需解決的關(guān)鍵問題是明確譜合束系統(tǒng)中光束質(zhì)量劣化和輸出功率損耗的根本原因，并提出適當(dāng)?shù)挠行Ы鉀Q方案。分析其原因可能為：1）子單元常采用寬發(fā)射面結(jié)構(gòu)，受波導(dǎo)結(jié)構(gòu)和封裝限制，光束不能達到衍射極限輸出[49]；2）各子單元準(zhǔn)直非一致性即存在smile 工藝誤差[50]；3）轉(zhuǎn)換透鏡、光柵等元件參數(shù)選取不合理且存在制作誤差；4）高功率激光輻照下光學(xué)元件表面熱形變或熱損傷[51]。這些因素導(dǎo)致子單元間光束串?dāng)_，進而引起子單元內(nèi)腔自激振蕩和耦合振蕩等現(xiàn)象。而且，外腔對串?dāng)_光束亦存在反饋放大作用，致使發(fā)光單元間的耦合振蕩模式與原有諧振模式競爭，最終導(dǎo)致輸出光束遠場出現(xiàn)高階旁瓣，光譜出現(xiàn)次峰，合束效率降低，光束質(zhì)量劣化。

5 總結(jié)和展望

本文針對基于光柵外腔的譜合束技術(shù)，闡述分析了作為合束源的半導(dǎo)體激光陣列/疊陣和3 類色散元件，總結(jié)概括了半導(dǎo)體激光陣列譜合束研究現(xiàn)狀，分析了可能導(dǎo)致合成光束質(zhì)量劣化和功率損耗的因素。圍繞輸出功率和光束質(zhì)量這兩大關(guān)鍵指標(biāo)的退化機制，譜合束技術(shù)還有許多技術(shù)障礙有待突破。

1）多層介質(zhì)膜光柵由于其具有高衍射效率、高損傷閾值和可大尺寸制作等優(yōu)點，可作為脈沖壓縮光柵應(yīng)用于大功率脈沖壓縮系統(tǒng)(慣性約束核聚變等)，美國等國將其列入對華出口限制名單。目前，如何制作高質(zhì)量(衍射效率高、制作誤差小)的介質(zhì)膜光柵是發(fā)展譜合束技術(shù)的瓶頸之一。

2）提高半導(dǎo)體激光器封裝技術(shù)，發(fā)展光束質(zhì)量好、輸出功率高的半導(dǎo)體激光器芯片是提高譜合束功率的另一瓶頸。目前，常用的半導(dǎo)體激光器為寬發(fā)射界面芯片，很難獲得近衍射極限的單光輸出。

3）譜合成光束的譜寬正比于激光陣列單元寬度，如果譜寬超過激光器增益帶寬，易導(dǎo)致合束效率劣化明顯。高性能譜合束系統(tǒng)要求合束源為窄帶寬激光器。

針對高功率半導(dǎo)體激光產(chǎn)品，我們不僅面對巨大的國內(nèi)外差距，還面對嚴苛的技術(shù)封鎖。我國亟需努力自主研制高功率高光束質(zhì)量半導(dǎo)體激光直接光源，推動半導(dǎo)體激光器作為千瓦、萬瓦級光源直接應(yīng)用于材料加工和國防等領(lǐng)域。