宽面发射半导体激光器的光谱合束技术对发展高功率直接半导体激光光源具有重要意义。光栅外腔光谱合束基于光栅的波长选择特性和外腔半导体激光技术, 实现单个合束单元的光谱锁定和所有合束单元的合束输出, 输出光束质量与单个合束单元相当, 而亮度和功率得到很大的提高。基于无输出耦合镜光栅外腔光谱合束结构, 实现了单个半导体激光短阵列的光谱合束, 分析了光谱合束的输出光谱、输出功率和光束质量的特性, 获得了70 A工作电流下40.8 W的连续输出功率, 快轴和慢轴方向的光束质量分别为0.41 mm·mrad和9.16 mm·mrad(包含95％能量), 相应的电光转换效率为38.4％, 亮度高达67.90 MW/(cm2·sr)。

宽面发射半导体激光器的光谱合束技术对发展高功率直接半导体激光光源具有重要意义。光栅外腔光谱合束基于光栅的波长选择特性和外腔半导体激光技术,实现单个合束单元的光谱锁定和所有合束单元的合束输出,输出光束质量与单个合束单元相当,亮度和功率得到很大提高。基于两个半导体激光器短阵列叠阵,进行了无输出耦合镜光栅外腔光谱合束实验研究,实现了12个半导体激光器短阵列的光谱合束。分析了光谱合束的输出光谱、输出功率和光束质量,在70 A的抽运电流下,连续输出功率为578 W,光谱带宽为10.26 nm,电光转换效率46.5%。

针对移频激发拉曼光谱测试系统的小型化需求, 在Littrow结构中, 采用商用的785 nm大功率激光二极管作为增益器件, 构建了一款便携式光栅外腔可调谐半导体激光器。 该激光器通过采用一种新型的波长调谐方法, 即以改变半导体增益器件相对于准直透镜的水平位置来实现波长的连续调谐, 实现了尺寸为140 mm×65 mm×50 mm的小型化结构设计。 相比于传统的旋转衍射光栅改变光线在光栅上的入射角来实现波长调谐的方式, 该方法有效地缩减了增益器件的平移距离, 从而有利于便携式外腔激光器波长的快速宽带调谐。 实验结果表明, 该激光器具有较宽的波长调谐范围, 在340~900 mA注入电流下均可实现10 nm以上的波长调谐, 尤其在900 mA大注入电流下, 其波长调谐覆盖77940~79107 nm, 调谐范围可达1167 nm, 且激射线宽小于02 nm, 单波长输出功率最高可达280 mW, 放大的自发辐射抑制比大于25 dB, 呈现出较优异的输出性能, 满足移频激发拉曼光谱检测系统对光源的基本要求。 此外, 该激光器可采用一微型压电陶瓷驱动器来实现波长的电动调谐, 实验获得了135 nm的波长调谐范围, 证实了所制785 nm便携式光栅外腔可调谐半导体激光器适合作为便携式移频激发拉曼光谱检测系统的光源用于减除原始拉曼光谱中的荧光背景。

在二极管激光阵列(DLA)光栅-外腔谱合成系统中, 由于DLA存在子单元光束发散角、 “smile”效应的位置偏差及指向性偏差等因素的综合作用, 将导致合成光束的光束质量降低。 综合考虑DLA子单元光束发散角、 “smile”效应等因素对谱合成系统中光束传输特性的影响, 建立了DLA光栅-外腔谱合成系统的光传输模型, 进而对谱合成系统中DLA子单元光束发散角、 “smile”效应的位置偏差及指向性偏差等因素对合成光束的光束质量影响进行了定量分析。 结果表明, DLA光源质量会明显影响合成光束的光束质量: DLA子单元光束发散角和“smile”效应引入的指向性偏差越大, 合成光束的光束质量就越差; “smile”效应引入的位置偏差在合束方向上对合成光束的光束质量没有影响, 而在非合束方向上引入的位置偏差将会明显降低合成光束的光束质量。 在实际工作应用中, 需要采取措施提高DLA光源质量, 以减小对合成光束的光束质量影响。

在二极管激光阵列(DLA)光栅-外腔谱合成系统中，由于变换透镜像差、光栅制作误差及“smile”工艺误差等因素的综合作用，将导致DLA 发光单元间出现光束串扰。通过分析光束串扰行为的产生机理，将主要的光束串扰行为分为两类，即杂散光返回至发光单元自身，以及经外腔反馈到其他单元，进而分别导致自激振荡模式和耦合振荡模式的产生。在此基础上，给出了含串扰光注入的半导体激光器速率方程，进而推导出DLA 发光单元的合成效率模型，分析了自激振荡和耦合振荡对发光单元合成效率的影响。结果表明，杂散光返回至发光单元自身，以及经外腔反馈到其他单元这两种光束串扰行为会不同程度地降低合成效率，且后者影响更大。在实际工作中，需要采取措施对光束串扰行为加以抑制。

光栅-外腔光谱合束是基于光栅的波长选择特性和外腔的反馈，使得半导体激光阵列(DLA)中的每个发光单元锁定在不同的波长，并保持每个发光单元输出光束在近场和远场重合，实现光谱合束后输出光束质量与单个发光单元的光束质量保持一致，极大地改善了输出光束的光束质量。实验采用发光单元宽度为100 μm 、周期为500 μm ，由19 个发光单元组成的常规CM-Bar 条进行光栅-外腔光谱合束技术实验，在连续运行最大注入电流为70 A，获得了44.9 W 的连续激光输出，快慢轴的光束质量分别为1.52 mm·mrad和5 mm·mrad，合束后的电光转换效率为36%，输出光斑亮度约为36.92 MW/cm2-str，光谱展宽为3.24 nm，合成输出激光可以被耦合进入50 μm 芯径、数值孔径(NA) 0.22的光纤中，作为高亮度激光抽运源或直接半导体激光光源使用。

自由运行的半导体激光器由于谱线较宽而无法满足如拉曼散射等对线宽有要求的应用需求，因此获得线宽较窄、波长稳定的半导体激光器十分必要。采用反射式全息光栅作为谱线窄化元件，研究了在Littrow 布局下的405 nm 外腔半导体激光器。反射式全息光栅的加入，使得光栅面和半导体激光器的输出面组成耦合外腔，这在很大程度上改善了405 nm 半导体激光器的线宽性能。实验结果表明，通过加入2400 line/mm 的反射式全息光栅形成外腔反馈，半导体激光器的阈值电流由31 mA 下降到22 mA，谱线宽度从自由运行时的1 nm 减小到0.03 nm 以下，实现了窄线宽输出，并且在工作电流为100 mA 时，得到窄线宽半导体激光器的输出功率为28 mW，为自由运行半导体激光器输出功率的31.7%。此外，通过调节反馈光栅的角度，实现了较大电流范围的激光波长的连续调谐，最大调谐范围达3.5 nm。

利用闪耀光栅作为外腔光反馈元件，研究Littrow结构的蓝紫光外腔半导体激光器。通过引入闪耀光栅，在光栅面和半导体激光器后端面之间构成耦合外腔，改善了中心波长位于405.5 nm的边发射半导体激光二极管的性能。研究结果表明，在引入外腔反馈后，半导体激光二极管的阈值电流降低了27%，说明外腔与内腔之间具有较高的耦合效率；改变反馈元件光栅的转角，实现了激射波长的宽带连续调谐，调谐范围可达7 nm。

为了研究基于光栅-外腔的二极管激光阵列光谱合束,利用存在离轴像差情况下耦合效率模型,数值模拟了系统各参量对耦合效率的影响,可知耦合效率随着离轴距离和横模阶次增加而下降;单个单元将被压窄至0.05nm。应用光栅-外腔实现了单条二极管激光阵列光谱合束,获得了10.1W的连续输出,斜效率为0.45W/A,慢轴方向光束质量因子Mx2=17.6,整个阵列的光谱被展宽到15nm,单个单元的线宽被压窄到0.1nm。结果表明,光谱合束能改善二极管激光阵列的光束质量,压窄单个单元的线宽。

研究了光栅外腔半导体激光器(ECDL)对射频频率调制的响应特性，分析了射频频率调制时光栅外腔对半导体激光器的边带信号的影响。实验中测量了GHz射频频率调制的ECDL输出的边带信号随射频信号功率、注入电流、光栅外腔长度的变化情况。证实了当射频调制频率等于光栅外腔自由光谱区的整数倍时，ECDL输出的边带信号可在一定程度上得到增强。