光譜合束技術原理
半導體激光器（Diode Laser/Semiconductor Laser，DL）具有高轉換效率、體積小、重量輕、可靠性高等優點。但是半導體激光器特殊的原理及結構決定了它的光束質量與功率之間普遍存在此消彼長的問題，當追求高功率輸出時，其光束質量的提升往往會受到很大限制，這使得半導體激光器很難作為直接光源應用于工業加工和國防領域。因此，如何獲得高功率、高光束質量的直接半導體激光光源，成為了國際上亟待解決的技術問題。其中美國、德國早已將其列入國家重大計劃進行專項攻克，并陸續部署了ADHEL、BRIDLE 及 IMOTHEB 等專項對相關技術進行支持。在這其中激光合束技術被證明是解決該難題的關鍵技術之一。而在眾多合束技術中，半導體激光器波分復用合束技術則被證明是一種實現高亮度半導體激光直接輸出的有效技術。 波分復用 (WDM)合束技術又被稱為光譜合束技術，其技術原理本質上是利用色散元件將不同波長的半導體激光光束進行共孔徑合束，與通訊中的波分復用技術類似，最終可得到與單束光光束質量相當、亮度倍增數倍的激光輸出。半導體激光光譜合束技術是由美國麻省理工學院林肯實驗室的T.Y.Fan等人于2000年首次提出并實現。這種技術可有效獲得高功率、高光束質量的直接半導體激光輸出光源，是一種極具潛力的合束技術。其技術原理圖如下圖所示。
光譜合束技術進展
根據使用的合束器件的不同，半導體激光光譜合束技術可分為如下幾類：
基于平面光柵的外腔光譜合束技術
這種技術路線可通過一個外腔同時實現波長鎖定與合束，且波長間隔可通過光學系統參數進行控制。但其外腔合束結構受轉換透鏡焦距限制，體積相對較大，且外腔中需要采取互鎖抑制手段控制合束后的光束質量。
目前這種技術方向的優勢單位是美國TeraDiode公司。它采用的則是麻省理工學院林肯實驗室的技術。目前已經可以實現50 μm、NA0.12光纖輸出功率大于2000 W與100 μm、NA0.2光纖輸出功率大于8000 W的產品研發，可應用于諸如金屬切割、焊接等工業加工應用中。如下圖所示。
TeraDiode公司認為，半導體激光光譜合束技術將是未來實現超高功率、高光束質量激光光源的最佳手段之一，并聲稱其已經完成了100 kW級高亮度高效率直接半導體激光光源的方案設計。
為進一步提高合束效率，TeraDiode公司還設計了一種無輸出耦合鏡的外腔波長合束結構，如下圖所示。利用兩個全反鏡將衍射光柵透射光的一部分反饋回發光單元進行波長鎖定，另一部分反射到輸出光路作為輸出，從而提高合束效率。
在光纖激光抽運方面，2012年Alfalight公司報道了針對光纖激光器抽運所研制的200 μm、0.2 NA尾纖輸出200 W的DL光譜合束裝置，并基于7個這種裝置進行抽運，成功實現了功率大于1 kW的摻鐿光纖激光輸出。其原理、結構如下圖所示。
此外眾多的大學也針對平面光柵的外腔光譜合束技術開展了各式各樣的研究，諸如丹麥科技大學、德國波茨坦大學等。其研究多基于改善半導體激光光束質量、近衍射極限半導體激光合束、可見光波段半導體激光合束等方面，也為半導體激光合束技術的發展與應用提供了很好的推進與參考。
基于體布拉格光柵的光譜合束技術
體布拉格光柵（VBG）易與激光bar條或疊陣相匹配，先將激光器輸出波長鎖定，再進行合束。但溫度變化會造成VBG的Bragg條件改變，散射和吸收等會引起功率損耗。在半導體激光合束中則表現為隨著加載電流的提升效率會有一定下降。
德國夫朗和費研究所于2013年提出了一種基于 VBG的高功率密集波分復用(HP-DWDM)結構。采用5個VBG波長鎖定的寬面發射半導體激光bar條進行合束，如下圖所示。當加載電流120 A時可得到合束功率大于200 W。光束質量M2因子約為45，復合束效率約85%。
基于薄膜濾波片的光譜合束技術
這種技術路線則是用TFF代替其它結構中的平面光柵，可采用外腔結構或者結合VBG鎖定波長后使用。這種技術路線互鎖定串擾問題相對較小，且光譜間隔可做到更窄，但TFF制備較為困難。
2014年至2015年間，德國Trumpf公司提出了一種基于薄膜濾波片（Thin Film Filter，TFF）實現波長選擇與合束的半導體激光外腔光譜合束技術。其技術路線原理圖如下圖所示。可以看出其結構較為復雜，但其10個標準厘米bar的合束譜寬僅37 nm。目前已經實現100 μm芯徑光纖半導體激光光譜合束輸出功率近500 W，并聲稱可實現5 kW的半導體激光合束輸出。
2013年，德國DirectPhotonics公司基于VBG鎖定的沿快軸方向堆疊的半導體激光器單管（單管功率12 W）陣列，采用TFF以4 nm的波長間隔進行光譜合束。目前已經推出了功率500~2000 W、芯徑100 μm的光纖耦合半導體激光產品。
2015年，DILAS基于3個VBG鎖定的低填充因子（5%）短bar條，采用陡直度約為1 nm的TFF，以4 nm的波長間隔對其進行了光譜合束。35 A的加載電流下獲得了500 W的光纖耦合輸出，光纖芯徑為100 μm、 NA 0.2，并生成基于該系統再進行偏振合束和波長合束，能夠在光束質量保持10 mm·mr ad不變的情況下將功率提升至數千瓦。
國內進展
國內方面，針對半導體激光光譜合束技術開展研究的單位主要有長春光機所、長春理工大學、北京工業大學、四川大學、中電十三所、長光華芯公司、凱普林公司與中物院十所等單位。
其中長春光機所主要開展了基于透射式平面衍射光柵的高功率、窄譜寬合束技術研究，實現了基于3個標準厘米bar的140.6 W的光譜合束輸出；北京工業大學針對SBC的開環、閉環結構開展了相關研究工作，并基于單個標準厘米bar與BTS實現了58.8 W的光譜合束輸出；四川大學就光譜合束的光束特性、效率與互鎖定串擾等方面開展了理論分析工作。
中物院十所半導體激光光譜合束課題組，也針對半導體激光光譜合束技術開展了研究工作，取得了一些進展。課題組初步建立了一個3+1維半導體激光光柵-外腔光譜合束模型，包括DL快慢軸兩個方向的導模特征描述、DL內激光的縱向放大過程與emitter的光譜特性，并在此基礎上初步分析了外腔參數與DL封裝引入誤差對外腔反饋注入、光束質量、效率等關鍵參數的影響；針對合束譜寬技術開展研究，實現了單個半導體激光陣列合束譜寬2.7 nm；針對半導體激光疊陣開展高功率合束技術研究，實現最高1 kW的半導體激光合束輸出。
總結
目前，半導體激光波分復用技術的大致發展與應用狀況對比如下表所示。
可以看出，半導體激光波分復用合束技術仍處在發展階段，產品化相對較少。但其潛力巨大，可以應用于工業加工、高亮度抽運等方向。受益于半導體激光器的高效率、輕量化與小型化等特點，波分復用合束的半導體激光器有望成為一種極具競爭力的高功率高亮度直接應用光源。
目前，合束器件大多是采用寬發射面結構的半導體激光器，受其波導結構和封裝的限制不能夠達到衍射極限輸出，與此同時光譜合束技術所得到的合束輸出光束的光束質量與單個激光單元光束質量還有一定差距，需對變換透鏡、衍射光柵等元件的參數和特性進行進一步研究，以獲得與激光單元相同的光束質量輸出。同時還應發展高光束質量的單元器件，如錐型半導體激光器、板條耦合光波導激光器等，實現合束光束質量與亮度的進一步提升。
另外，由于國內半導體芯片技術與合束技術起步較晚，半導體激光光譜合束技術在國內仍未實現產品化與實用化。這還需要在功率放大、光束質量控制、效率提升等方面開展大量研究工作，并結合新型高亮度半導體激光芯片的研發與工程化技術研究，最終使得國內的直接輸出超高亮度半導體激光技術走向實用化。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
