本文作者宁永强，陈泳屹，张俊，宋悦，雷宇鑫，邱橙，梁磊，贾鹏，秦莉，王立军，来自中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室，仅供行业交流学习之用，感谢分享！

１ 引言

半导体激光器具有体积小、重量轻、电光转换效率高、可靠性高和寿命长等优点，在工业加工、生物医疗和国家防御等领域具有重要的应用［１－１０］。１９６２年，美国科学家 成 功 研 制 出 了 第 一 代 ＧａＡｓ同 质 结构注入型半导体激 光 器［１１－１２］。１９６３年，前苏联科学院约飞物理研究所的 Ａｌｆｅｒｏｖ等［１３－１４］宣布成功研制了双异质结半导体激光器。２０世纪８０年代以后，由于引入了能带工程理论，同时涌现了晶体外延材料生长新工艺［如分子束外延（ＭＢＥ）和金属有机化合物化学气相沉积（ＭＯＣＶＤ）等］，量子 阱 激 光 器 登 上 历 史 舞台，大大提升了器件性能，实现了高功率输出。

大功率半导体激光器主要分为单管与 Ｂａｒ条两种结构［１５］，单管结构多采用宽条大光腔的设计，并增加了增益区域，以实现高功率输出，减少腔面灾变损伤；Ｂａｒ条结构为多个单管激光器的并联线阵，多个激光器同时工作，再经过合束等手段实现高功率激光输出。最初的大功率半导体激光器主要应用于泵浦固体激光器和光纤激光器，波段主要为８０８ｎｍ和９８０ｎｍ。随着近红外波段高功率半 导 体 激 光 单元技术的成熟和成本的降低，使得以之为基础的全固态激光器和光纤激光器性能不断提升，单管连续波（ＣＷ）输出功率从２０世纪９０年代的８．１ Ｗ 达到 ２９．５ Ｗ［１６］ 水 平，ｂａｒ 条 ＣＷ 输 出 功 率 达 到１０１０ Ｗ［１７］水 平、脉冲输出功率达到 ２８００ Ｗ［１８］水 平，极大地推动了激光技术在加工领域的应用进程。半导体激光器作为泵浦源的成本占固体激光器总成本的１／３～１／２，占光纤激光器 的１／２～２／３。因 此，光纤激光器和全固态激光器发展之快，大功率半导体激光器的发展功不可没。

随着半导体激光器性能的不断提高、成本的不断降低，其应用范围也越来越广。如何实现大功率的半导体激光器一直以来都是研究的前沿和热点。

实现大功率的半导体激光芯片，需要从材料、结构和腔面保护这三个方面考虑：１）材料技 术。可 以 从 提 高 增 益 和 防 止 氧 化 两方面入手，对应的技术包括应变量子阱技术和无铝量子阱技术。２）结构技术。为了防止芯片在高输出功率下烧毁，通常采用非对称波导技术和宽波导大光腔技术。３）腔面保 护 技 术。为了防止灾变光学镜面损伤（ＣＯＭＤ），主要技术包括非吸收腔面技术、腔 面钝化技术和镀膜技术。

随着各行各业的发展，无论是作为泵浦源，还是直接应用，都对半导体激光光源提出了进一步的需求。在需求更高功率的情况下，为了保持高光束质量，就必须进行激光合束。

半导 体 激 光 合 束 技 术 主 要 包 括：常 规 合 束（ＴＢＣ）、密 集 波 长 合 束 （ＤＷＤＭ）技 术、光 谱 合 束（ＳＢＣ）技术、相 干 合 束（ＣＢＣ）技术 等。本 文 主 要 对上述技术进行了概述。

２ 实现大功率激光的重要技术手段

２．１ 边发射大功率半导体激光芯片技术

２．１．１ 材料技术

２．１．１．１ 应变量子阱技术

量子阱作为半导体激光器最广泛采用的有源区，其内部表现出量子化的子带和阶梯状态密度，将大大提高激光器的阈值电流密度和温度稳定性；通过改变势阱宽度和势垒高度，可以改变量子化的能量间隔，实现激光器的可调谐特性，与传统的双异质结半导体激光器相比，可以有效地降低激光器的阈值电流，提高量子效率与微分增益。而在量子阱中引入应变则会显著地改变其本身的能带结构，通过调整价带中的重、轻空穴带的位置，从而增加芯片外延结构的设计参数和自由度。一 般 来 说，在ＩＩＩ－Ｖ族三元和四元材料组成的量子阱外延结构中引入压应变，会加剧能带函数的变化，从而降低激光器的阈值电流；而引入张应变，则会平缓能带函数，在一定程度上提高材料在大功率下工作状态下的增益。应变量子阱的出现使得通过调节应变获得所需能带结构并提高增益成为了可能［１９－２０］，使半导体激光器的性能出现了大的飞跃。

１９８４ 年，Ｌａｉｄｉｇ 等［２１］最 早 报 道 了 基 于 应 变ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓ量子阱的激光器，在较高的阈值电流密度（１．１ｋＡ／ｃｍ２）下获 得 了 波 长 为１μｍ 的 激 光，通过完善工艺将阈值电流密度降低到４６５Ａ／ｃｍ２［２２］。１９９１年 ＡＴ ＆ ＴＢｅｌｌ实验室利用 ＭＢＥ方法降低了阈值 电 流———低 至 ４５ Ａ／ｃｍ２，基本达到理论极限［２３］。１９９３年 ７ 月，日本 的 Ｈａｙａｋａｗａ等［２４］利用 ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ张 应 变 量 子 阱 得 到 了 输 出 波 长 在７８０ｎｍ 的横磁（ＴＭ）模 ＣＷ 激光器。

２．１．１．２ 无铝量子阱技术

无铝材料激光器相比有铝材料激光器具有明显的优势：１）无铝材料比含铝材料具有更高的 ＣＯＭＤ 功 率密度。有源区中的铝容易氧化和产生暗线缺陷，致使 发 生 ＣＯＭＤ 时的 功 率 密 度 减 小，更 容 易 产 生ＣＯＭＤ，从而限制了激光器的功率和寿命。２）同时，相对于含铝量子阱，无铝量子阱的电阻更低、热导率更高，因而表面复合速率低、表面温升低、腔面退化速率慢，对暗线缺陷的攀移有抑制作用，且材料内部退化速率慢。

在１９９８年，美国 的 Ｐｅｎｄｓｅ等［２５］最初 提 出，无铝量子阱激光器具有更高的可靠性。１９９９年，美国的 Ｍａｗｓｉ等［２６］对与 ＧａＡｓ晶格匹配的ＩｎＧａＡｓＰ单 量子阱激光器的可靠性进行了研究，证明了无铝器件的端面温升比含铝 的 ＡｌＧａＡｓ激光 器 低 得 多，并 在１０ ℃工作温 度 下，获 得 了３．２ Ｗ 的最 大 输 出 功率。２００８年，中国电子科技集团公司第十三研究所报道了无铝１ｍｍ 腔长的准连续阵列输出功率可达４０ Ｗ，无铝１ｃｍ 长的 镀 膜 ｂａｒ条在１８０Ａ 工作 电流下，输出功率大于１８５ Ｗ［２７］。２０１３年，山东大学报道了无铝有源区在２０Ａ 工作电流下，输出功率达２０．８６ Ｗ 的激光器［２８］。

２．１．２ 波导结构技术

２．１．２．１ 非对称波导技术

在大光腔结构中，随着波导尺寸的增加，器件的串联电阻也 会 增 加。故 为 降 低 串 联 电 阻，通 常 对 ｐ型限制层施以较高的掺杂。实验研究发现，光吸收正比于掺杂区的掺杂浓度，并且在 ｐ型材料中被空穴吸收光子的损耗大于在ｎ型材料中被电子吸收光子的损耗［２９－３２］。这样，在对称波导结构中，ｐ型高掺杂区载流子的光吸收是形成内部损耗、导致效率降低的主要原因。可以通过ｐ型波导和ｎ型波导的厚度非对称，折射率非对称等调节方式，让光场分布尽量限制在ｎ型区域内扩展，从而降低串联电阻和内部损耗，获得较高的效率。

２００７年，中国科学院半导体研究所报道了无铝有源区非对称波导结构激光器，波 长 为８０８ｎｍ，连 续工作条件下，输出功率可达６ Ｗ［３３］，２００９年实现了９８０ｎｍ 半导体激光，内损耗仅有０．７８ｃｍ－１［３４］， ２０１０年，实现了９８０ｎｍ 半导体激光效率５８．４％［３５］。２０１３年，日 本 的 Ｍｏｒｉｔａ 等［３６］实 现 了 条 宽 为 １００μｍ，腔长为４ｍｍ，ＣＷ 输出功率为１９．８ Ｗ，２０ ℃温 度下转换效率６８％的半导体激光器。２０２０年，芬兰 的 Ｒｙｖｋｉｎ等［３７］通过 对 分 对 称 波 导 的 折 射 率、限 制因子、载流子浓度、内部损耗等方面的模拟分析，最终设计了短腔结构计算出 ＣＷ 输出功率达４０ Ｗ 的 半导体激光器。

２．１．２．２ 大光腔技术

为了获得高输出功率，提高 ＣＯＭＤ 阈值，需 要降低有源区与限制层的光场能量密度。这就需要增大波导的尺度，增加光斑的尺寸，拓宽光场分布，这就是大光腔技术。在增加波导尺度的同时，可以优化波导结构，降低激光器的远场快轴光束发散角。

２００５年，德 国 的 Ｋｎａｕｅｒ等［３８］实 现 了 ８０８ｎｍ大光腔结构，获得了２５ ℃温度下，ＣＷ 输出 功 率 为１５ Ｗ，快轴 远 场 发 散 角 为 １８°。２００６ 年，Ｂｏｏｋｈａｍ公司采 用ＩｎＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ材料，设计了渐变折射率大光腔芯片，在温度为１６ ℃、电流为２０Ａ 时，获 得了大 于１７ Ｗ 的 ＣＷ 输出 功 率［３９］。２００８ 年，Ｘｕ等［４０］采用ＩｎＡｌＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ材料的渐变折射率新型大光 腔 结 构，实 现 了２５ ℃温度 下 ＣＷ 输 出功率为２３ Ｗ 的９１５ｎｍ 激光 器。２００９年，德国 的 Ｃｒｕｍｐ等［４１］采用ＩｎＧａＡｓ／ＧａＡｓＰ材料和芯径２． ５μｍ 的大光腔 结 构，得 到 了 ＣＷ 输出 功 率 为２０ Ｗ的９７５ｎｍ 单 管 半 导 体 激 光 器，寿 命 大 于４０００ｈ。２０１５年，北京 工 业 大 学 凌 小 涵 等［４２］设计 了９８０ｎｍ大光腔单发光条大功率半导体激光器，其 ＣＷ 输出功率达到１２ Ｗ，经老化实 验 得 到 器 件 综 合 成 品 率达到４０％。２０１９年，长春 理 工 大 学 的 乔 闯 等［４３］设 计并制作了非对称大光腔结构，制备了８９０ｎｍ周期的分布式布拉格反射镜（ＤＢＲ）光栅，最 终实现了输出功率为１０．７ Ｗ，斜率效率为０．７３ Ｗ／Ａ 的激 光 输出。

２．１．３ 腔面技术

２．１．３．１ 非吸收腔面技术

通过增大腔面附近量子阱带隙宽度，使得腔面处对激射波长透明，这就是非吸收腔面技术。非吸收腔面可以减少因非辐射复合和光吸收产生的热量及光生载流子的数量，是提高半导体激光器输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：二次外延生长技术和量子阱混合技术。二次外延生长是通过刻蚀、再生长一种宽带隙半导体材料。这种方法技术难度大、工艺复杂，难以保证结合界面的晶体质量［４４］。量子阱混合技术通过在外延片上进行薄膜淀积或杂质注入，再通过高温快速退火，使各组成元素发生互扩散，导致阱、垒组分发生变化，从而增大带隙结构。这种方法操作相对简单，成本低，效果较为明显［４５］，但需要高温条件下进行热退火，可能会对器件造成一定的损伤。

１９８４年，英国电信研究实验室利用选择性外延生长技术制备出非吸收腔面的 ＡｌＧａＡｓ大光腔激光器，在脉冲输出（脉宽为１００ｎｓ）时，得到 的 输 出 功率是普通激光器的２～３倍［４６］。１９９９年，日本京都大学 制 备 出 带 有 非 吸 收 腔 面 的 ７８０ｎｍ ＡｌＧａＡｓ／ＧａＡｓ大功率 半 导 体 激 光 器，最 大 输 出 功 率 是 传 统激光器的３倍［４７］。２０００年，英国格拉斯哥大学制备了具 有 非 吸 收 腔 面 的 ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ半 导 体 激 光器，在发生ＣＯＭＤ时的最高输出功率是普通激光器的２倍［４８］。２０１５年，滨松光电子股份有限公司制备了带隙差为１００ ｍｅＶ 的非 吸 收 腔 面，９１５ｎｍ 波段ＩｎＧａＡｓ宽 条 半 导 体 激 光 器 的 连 续 输 出 功 率 为２０ Ｗ，可靠工作时间在５０００ｈ以上，最大效率超过６５％［４９］。

２．１．３．２ 腔面钝化技术

半导体激光器的自然解理面极容易被潮解和氧化，氧化物和沾污易成为非辐射复合中心，从而加剧腔面结温升 高 的 急 剧 上 升，最 终 导 致 ＣＯＭＤ，使得器件失效。腔面钝化能够有效地去除半导体激光器腔面的沾污和氧化层等杂质，降低腔面的表面态密度，从而有效提高器件的热稳定性、抑制 ＣＯＭＤ，最 终提升最大输出功率并提高器件的可靠性，为高性能和稳定工作提供保障。

１９８７年，贝尔 通 讯 研 究 公 司 的 Ｓａｎｄｒｏｆｆ等［５０］ 发明了腔面硫 化 处 理 技 术。采 用 Ｎａ２Ｓ·９Ｈ２Ｏ 溶 液将 ＧａＡｓ／ＡｌＧａＡｓ异质 结 双 极 晶 体 管（ＨＢＴｓ）腔 面钝化，经硫化处理后的 ＨＢＴ 电流增 益 提 高 了６０ 多倍。１９９６年，Ｓｙｒｂｕ等［５１］在蒸 镀 高 反／增 透 膜 前利用原位生长 ＺｎＳｅ技术，将９８０ｎｍＩｎＧａＡｓ半导体激光 器 腔 面 钝 化，使 激 光 器 连 续 输 出 功 率 提 高５０％ 。１９９７年，美国威斯康星大学的 Ｍａｗｓｔ等［５２］ 利用激光辅助化学气相沉积法在ＩｎＧａＡｓ双量子阱半导体 激 光 器 腔 面 处 形 成 ＺｎＳｅ 钝 化 层，将 器 件ＣＯＤ 阈 值 提 高 了 ５０％。２００５ 年，德 国 的 Ｒｅｓｓｅｌ等［５３］报道了腔 面 钝 化 无 铝 有 源 区 大 功 率 半 导 体 激光器，在激光器的老化过程中表现出优异的性能。２０１６ 年，北 京 工 业 大 学 利 用 离 子 铣 氮 钝 化 处 理９８０ｎｍ半导体激光器腔面，得到了 ＣＷ 输出功率为２２．５ Ｗ，器 件 输 出 功 率 提 高 了 ３２．１４％［５４］。２０１９年，中国科学院半导体研究所采用射频等离子体增强反应磁控溅射沉积α－ＳｉＮｘ薄膜对９８０ｎｍ光子晶体激光器进 行 腔 面 钝 化。通 过 优 化 氮－氩混 合 等 离子体并采用 快 速 退 火 的 方 法，显 著 抑 制 了 ＣＯＭＤ， 提高了器 件 的 性 能 和 激 光 系 统 的 稳 定 性［５５］。２０１９年，中国科学院半导体所在真空中直接蒸镀一层厚度为２５ｎｍ 的ＺｎＳｅ材料作为钝化膜，利用 ＺｎＳｅ薄 膜材料大禁带宽度的特性作为半导体激光器腔面钝化膜，有效提高半导体激光器输出功率和器件损伤阈值，提供腔面保护［５６］。

２．１．３．３ 镀膜技术

腔面镀膜技术是大功率激光器的关键工艺技术之一，其作用有两个：１）覆盖解理腔面，防止有源区氧化，提高可靠性和稳定性；２）改变腔面膜反射率，使得激光器在保持性能的基础上实现单面出光，提高激光器的输出功率和激光的利用效率。因为激光器的腔面是晶体的自然解理面（１１０面），其反 射 率约为３１％，在激 光 器 工 作 时，由 于 激 光 器 前 后 腔 面反射率大小一样，因而造成两个腔面同时出光。通过腔面镀膜在激光器的前后腔面分别制备增透膜和高反射膜，高反膜降低了阈值电流，而增透膜提高了器件的量子效率和电－光转换效率。

该技术主要内容有两个方面：一是膜系材料的选择。首先要考虑镀层材料的高纯性、长期稳定性、附着力、镀层材料与自然解理面之间的热匹配和应力匹配、镀层材料之间的晶格匹配等。同时还要易于蒸镀，不会对激光器的自然解理面产生破坏，能够防止环境气氛扩散进入器件发光区。二是确定高反膜的反射率和增透膜的透射率，基本原则是：通过后腔面发射的光尽可能少，使激光尽可能由前腔面透过，同时又不引起明显的腔面附加吸收和附加损耗。对于增透膜，膜系材料可以选择折射率介于波导层有效折射 率 与 空 气 折 射 率 之 间 的 材 料。通 常 选 择Ａｌ２Ｏ３、ＳｉＯ２作为低折射率材料，ＺｒＯ２、ＴｉＯ２等作为高折射率材 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 大功率半导体激光合束技术

处于近 红 外 波 段（７５０～１１００ｎｍ）的边 发 射 结构半导体激光器发展最为成熟，是当前用于泵浦和加工的大功率半导体激光源主要形式。根据激光单元数量，激光芯片可分为单管和线阵，前者为单个激光单元，可连续输出几瓦至数十瓦功率，后者为多个激光单元在水平方向的集成，可连续输出几十瓦至数百瓦功率。对于激光线阵，根据集成单元方向宽度，可 分 为 宽 度 １０ ｍｍ 的 厘 米 线 阵 和 宽 度 小 于１０ｍｍ的迷你线阵。将激光芯片在水平或垂直方向进行一维或二维的光叠加或物理位置叠加，进一步提高输出功率，如采用微通道封装的激光线阵在垂直方向物理叠加成叠阵，可输出上千瓦功率，但也导致其整体光束质量恶化。在提升功率时，如何获得高光束质量半导体激光成为关键。激光合束是实现大功率、高光束质量半导体激光的有效技术途径之一，它通过几何或物理光学手段，将多个单元光束合成一束激光。根据合束激光单元的相干性，分为相干合束和非相干合束。相干合束要求精确控制合束单元的光谱、相位等特性，技术较复杂，且相干合束半导体激光源的性能优势并不明显，当前未实用化。非相干合束无需考虑单元之间的相干性，技术相对简单，是当前实用化大功率半导体激光合束光源的主要实现方式。非相干合束可分为传统合束技术、密集波长合束和光谱合束。下面对非相干合束技术进展进行概述。

２．２．１ ＴＢＣ技术

常规合束技术基于标准的半导体激光芯片，在合束过程中，不影响激光单元腔内谐振，仅通过外部光学元件对激光芯片输出光束进行整形、空间合束、偏振合束和波长合束来提升整体功率、改善整体光束质量，是 当 前 实 现 大 功 率 半 导 体 激 光 源 的 主 要方式。

其中，空间合束是利用折射或反射，将多束光在空间上进行一维或二维堆叠，增加功率的同时光束质量变差；偏振合束利用半导体激光的线偏振特性，将振动方向相互垂直的两束线偏振光通过偏振合束元件，其中 Ｐ偏振光透射、Ｓ偏振光 反 射，光 场 实 现近场和远场重叠，功率提升近２倍的同时光束质量不变；波长合束是利用激光波长特性，通过波长合束元件，其中波长λ１的光透过（反射），波长λ２光反 射（透过），两束光实现近场和远场重叠，功率提升的同时光束质量不变，通过采用不同的波长合束元件，可以实现多束不同波长（λ１，λ２，…，λｎ）的激光合束，考虑到半导体激光器自身谱宽、光谱受温度及电流影响等因素，常规波长合束的相邻波长间隔一般不低于２５ｎｍ。

根据不同封装形式，基于常规合束技术，目前已发展出激光单管合束光源、线阵合束光源和叠阵合束光源，实现了几十瓦至数万瓦级的直接输出或光纤耦合输出，应用在光纤激光泵浦、激光加工等方面。

单管合束光源直接采用激光单管进行合束，由于热源相对分散，热流密度相对低，相同热功率影响下可以采用更高电流驱动，激光单元可输出超过十瓦的功率及１ ＭＷ／（ｃｍ２·ｓｒ）量级的 亮 度，合 束 后可从芯径１００～２００μｍ 光 纤中输出几十瓦至千瓦的单波长激光，光束质量为６～２０ｍｍ·ｍｒａｄ，具有亮度高、成本低及可靠性好等优点，应用在光纤激光泵浦、激光医疗、激光照明等领域。尤其是在光纤激光器泵浦需求牵引下，单管合束光源的性能出现了快速提升，而成本也大幅度下降。美国ｎＬｉｇｈｔ报道采用多个大功率、高光束质量的９７５ｎｍ 激光单管，通过空 间 及 偏 振 合 束 后 进 行 光 纤 耦 合，实 现 芯 径１０５μｍ 的光纤连续输出功率３６３ Ｗ，芯径２２０μｍ 的光纤连续输出功率１０００Ｗ，可以用于光纤激光器的泵浦［５７］。北京凯普林光电科技有限公司采用１５６个波长被体布拉格光栅（ＶＢＧ）锁定至９７５．５ｎｍ 的 激光 单 管，通 过 空 间 叠 加 和 偏 振 合 束，使 得 芯 径２００μｍ、数值孔径０．２２的光纤实现输出１０３７ Ｗ 的 稳波 长、窄 线 宽 激 光［５８］，以 增 加 光 纤 激 光 器 泵 浦效率。

线阵合束光源多采用光束质量相对较好的迷你线阵（５～１０个激光单元）或者填充因子较低的厘米线阵（填充因子＜２０％），单线阵功率为４０～８０ Ｗ， 合束后功率一般在几百瓦至数千瓦，耦合光纤芯径为２００～６００μｍ，光束质量为２０～６０ｍｍ·ｍｒａｄ， 主要应用在激光焊接等工业加工领域。由于单管合束光源性能的快速提升，通过多个单管合束光源的组合，已经能够达到线阵合束光源的性能指标，考虑到单管合束光源的成本及可靠性等因素，线阵合束光源已有被单管合束光源取代的趋势。

叠阵合束光源 采 用 微 通 道 封 装 的 激 光 线 阵 合束，借助微通道热沉的高效散热能力以及激光芯片多为高 填 充 因 子 结 构，单 层 微 通 道 线 阵 输 出 功率可达数 百 瓦，多层线阵垂直叠加后可输出数千瓦至万瓦 级 功 率，通过波长合束可以将功率提升到更高水平。德国 Ｌａｓｅｒｌｉｎｅ研发 出 系 列 大 功 率 光纤耦 合 产 品，连 续 输 出 功 率 从 １．５ｋＷ（芯 径 ４００μｍ、数值孔径０．１）到４５ｋＷ（芯径２０００μｍ、数值孔径０．２）［５９］。目 前，叠阵合束光源多用于激光熔覆、表面硬化等对 激 光 功 率 要 求 高、光 束 质 量 要 求低的工业加工方面。

２．２．２ ＤＷＤＭ 技术

相对于常规合束相邻波长间隔不低于 ２５ｎｍ而言，密集波长合束可将波长间隔缩小至纳米量级，在不改变光束质量条件下，数倍增加激光单元数量，可以提高合束光源功率和亮度。

密集波长合束关键器件：１）中心波长稳定的窄线宽激光单元，可以通过直接在芯片刻蚀光栅或者通过 ＶＢＧ 外腔反馈调制光谱实现；２）波 长 间 隔 较小的合束元件，如高波长陡度的二向分色元件、合束ＶＢＧ 等。

德国弗劳恩霍夫激光技术（ＩＬＴ）研究所采用内置光栅方式，直接在集成５个激光单元的迷你线阵上刻蚀不同周期光栅，５个激光单元输出中心波 长间隔为２．５ｎｍ 的５束不 同 波 长 激 光［６０］，再采 用４个二向分色镜合束，最终耦合进３５μｍ 光纤［６１］。该 方法实现的窄线宽单元结构稳定，但是芯片光栅工艺要求非常高，一旦某个单元的光谱和位置关系出现偏差，则合束效率急剧降低。

ＶＢＧ 外腔反馈是当前实现窄线宽激光输出的主要方式，所采用的半导体激光芯片前腔面镀增透膜，其后 腔 面 与 ＶＢＧ 构成 谐 振 腔，利 用 ＶＢＧ 衍射光 作 为 种 子 光 调 控 起 振 光 谱，可实现谱宽窄至０．１ｎｍ、温度漂移０．０１ｎｍ／℃的激光输出。基于该技术，德国 ＤＩＬＡＳ公司从芯径１００μｍ、数值孔径０． ２的光纤中输出功率达４１０ Ｗ［６２］。德国ＩＬＴ 研究所从芯径１００μｍ、数值孔径０．１７的光纤 中 输 出 功 率超过８００ Ｗ［６３］；该研究所也以 ＶＢＧ 作为合束元件，通过精密温控和角度调节４片 ＶＢＧ，实现５个中心波 长 间 隔 １．５ ｎｍ 的 激 光 合 束［６４］。德 国 ＤｉｒｅｃｔＰｈｏｔｏｎｉｃｓＩｎｄｕｓｔｒｉｅｓ 公 司也推出了功率为５００～２０００ Ｗ、光束 质 量 为 ５ ｍｍｍｒａｄ、芯径 为１００μｍ 的光纤 耦 合 半 导 体 激 光 源 产 品［６５］，应用 在金 属 切 割 领 域。密 集 光 谱 合 束 技 术 将 芯 径 为１００μｍ光纤耦合半导体激光源的输出功率提升到千瓦量级，相对于常规合束光源，功率和亮度提升了近１个数量级。

２．２．３ ＳＢＣ技术

相对于前面两种采用多个合束元件实现多波长激光合束而言，光谱合束技术仅利用单个色散元件即可实现多束波长间隔低至０．１ｎｍ 的激光合束，进一步提高了合束单元的数量，在相同光束质量下，增加了合束功率和亮度。

目前采用的光谱合束结构基本构架由美国麻省理工学院于２０００年最先报道，他们对推动该技术的发展做了很多工作［６６－６８］。该合束基本结构由前腔面增透的半导体激光芯片、变换透镜、光栅和外腔镜构成，激光芯片输出的单元光束经变换透镜作用到光栅同一位置，然后经光栅和外腔镜的共同作用，部分光沿原路返回形成种子光，辅助腔内谐振，部分光直接输出。返回的种子光的起振波长严格满足光栅方程，由于各子光束的光栅入射角不同而衍射角相同，使得各激光单元起振在不同的波长，经过外腔镜输出的激光在近场和远场均重合，因此实现合束功率为所有单元之和、合束光束质量与单个激光单元一致的激光 输 出。经 过 技 术 转 化，美 国 Ｔｅｒａｄｉｏｄｅ公 司推出了功率为１ｋＷ（芯径为５０μｍ）、２～１２ｋＷ（芯径为１００μｍ）光纤 输 出 系 列 产 品［６９］，并报 道 了功 率 为 ３６０ Ｗ、２ 倍 衍 射 极 限［７０］、亮 度 达 到１０ＧＷ／（ｃｍ２·ｓｒ）的半导体激光源，直接将大功率半导体激光的亮度提高２个数量级，为大功率、高亮度半导体激光器的发展指明新方向。

表１为１２ｋＷ 连续输出功率下，基于光谱合束的半导体激光器与其他商用激光器的亮度对比，可以看出，半导 体 激 光 器 超 过 了 ＣＯ２激光 器、达 到 了Ｄｉｓｋ 激 光 器 的 水 平。同 时 光 谱 合 束 也 将 芯 径１００μｍ光纤耦合 半 导 体 激 光 源 的 功 率 提 升 到 万 瓦量级，相对于常规合束技术，其功率和亮度提升了近２个数量级。

德国 Ｔｒｕｍｐｆ提出一种将窄带滤光片用于外腔反馈波长锁 定 结 构［７１］，通过 镀 膜，使窄带滤光片具有角度－波长筛选特性，只有同时满足入射角和波长条件的光才能透过滤光片，这使得激光芯片上不同位置的激光单元起振在不同的波长，实现了波长调制。利用该技术，进一步结合光栅 技 术，在２００μｍ 芯径的光纤中实现输出功率超过５ｋＷ［７２］。

激光合束技术除了应用在上述近红外波段外，在可见光、中红外波段也实现了广泛应用。受激光显示、汽车大灯及铜、金等金属加工等应用的驱动，基于 ＧａＮ 基的蓝光激光器在近几年出现了井 喷 式的 发 展。日 本 Ｎｉｃｈｉａ［７３］、德 国 ＯＳＲＡＭ［７４］、日 本 Ｐａｎａｓｏｎｉｃ［７５］等公司相继推出了 大 功 率 的 蓝 光 激 光器芯片。据 Ｎｉｃｈｉａ报道，条宽４５μｍ、腔长１．２ｍｍ的蓝光单管半导体激光器的连续功率超过６ Ｗ，在３Ａ 电流驱动 下，５．６７ Ｗ 功率 输 出 时，电 光 转 换 效率达到４８％以上［７６］。德国 ＯＳＲＡＭ 研制的激光线阵输出功率达到１０７Ｗ［７７］，并研制出可满足－４０℃～＋１２０ ℃工作 温 度 的 蓝 光 激 光 器［７８］。基于 蓝 光芯片，采用与近红外波段相似的合束技术，德 国Ｌａｓｅｒｌｉｎｅ［７９］、美国Ｃｏｈｅｒｅｎｔ［８０］和美国 ＮＵＢＵＲＵ［８１］ 等公司相继报道了千瓦级的蓝光激光器，用于铜的焊接、三维打印等。其中，美国 ＮＵＢＵＲＵ 报道芯径１００μｍ 光纤输出蓝激光功率高达１．５ｋＷ。意大利Ｒｉｖａ等［８２］采用波长间隔４ｎｍ 的３种蓝光模块通过密集波长合束，从芯径５０μｍ 光纤中实现输出功率超过１００ Ｗ。美国 Ｔｅｒａｄｉｏｄｅ公司利用光谱合束技术，实 现 了 功 率 为 １８０ Ｗ，光 束 质 量 仅 为１．２６ｍｍ·ｍｒａｄ×１．３１ｍｍ·ｍｒａｄ的蓝激光［８３］，对 应的亮度达到１．１ＧＷ／（ｃｍ２·ｓｒ），也是当前报道的最高亮度的蓝光激光器。

３ 结束语

本文针对大功率半导体激光的常用技术进行了总结介绍，主要包括边大功率发射半导体激光芯片和大功率半导体激光合束技术。大功率半导体激光器的应用范围几乎涵盖了所有光电子领域。进一步发展大功率半导体激光技术对于推动我国光电子领域学科发展、推动我国激光产业发展、推动国民经济升级转型，有着重要科研、经济以及战略意义。

随着各行各业对激光光源需求的发展，半导体激光器对大功率的需求是永无止境的。根据应用领域的不同，大功率也不再是唯一的指标。对于工业加工而言，除了进一步提升输出功率以外，还需要对光束质量和亮度进行进一步优化；针对不同的材料进行加工时，还需要考虑吸收波段，采用不同波长的激光器进行合束，这就需要对不同衬底材料体系的大功率激光进行研发；为了进一步提升合束功率，还要进一步增加合束的光谱密度，研究新的合束技术；针对泵浦单模光纤放大器或者通过耦合单模光纤输出的应用领域，保持单模特性，以方便单模光纤耦合为首要目标，在此基础上尽可能提升输出功率；在泵浦原子钟、泵浦激光陀螺、泵浦碱金属激光器、分离激光同位素、气体监测、光纤通信、卫星激光通信等领域，需要在维持单波长或窄线宽的情况下尽可能提升输出功率；对泵浦光纤激光器、固体激光器等在一定吸收波段具有高吸收效率的应用场景而言，需要尽可能提升有用波段的功率，从而提高泵浦效率，降低废热，有必要在提高输出功率的基础上进行输出光谱的调整和适当的优化。

因此，大功率半导体激光器根据行业需求将变得精细化、多样化。针对不同行业的应用进行定制化生产 的 大 功 率 半 导 体 激 光 器，将 是 未 来 的 发 展方向。