半导体激光共孔径合成技术研究进展 
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1 引言
半导体激光器（LD）具有体积小、质量轻、电光效率高、寿命长、性能稳定、可靠性好等优点，被广泛应用于**、通信、医疗等多个领域，促进了这些领域技术和产业的快速发展［1］。然而，LD单管的输出功率低以及LD巴条/叠阵的输出光束质量差限制了其推广与应用。激光阵列合成是获得高功率、高光束质量激光输出的有效技术途径，其合成思想形成于1960年代气体激光器的研究中［2］。随着激光技术的不断发展，合成的概念得到了更多的实际应用，多光路激光合成获得高亮度光束的方法被广泛认可，并发展形成了多种合成方式［2］。
提升LD输出功率最直接的方法是利用光束整形把多个激光子单元的光斑拼接在一起［3-4］。这种LD空间合成技术的典型代表为切割重排技术与光纤合束器合成技术。切割重排技术利用LD空间拼接光束分布呈矩形的特性，将光束沿长轴（一般为慢轴）切割，然后在短轴（一般为快轴）方向重排，达到两方向光束质量均衡的目的。光纤合束器技术把LD单管分别耦合进入光纤合成器（N×1）的N个输入端，然后在输出端通过一根光纤输出，从而达到合成的目的。上述两种技术已趋于成熟，并且已经作为成熟的泵浦源技术广泛应用于以光纤激光器与固体激光器为代表的高功率激光器当中。但是，该方法的缺点也非常明显，即功率的提升伴随着输出光束质量的下降。因此，该技术无法有效提升输出激光的亮度，限制了直接LD在精密加工、长距离通信等领域的应用。
针对空间合成技术无法有效提升LD亮度的问题，国内外多家机构开展了大量的研究，发展出一系列LD共孔径合成方案。LD共孔径合成通过光学/电学设计把多个低功率的激光子单元在同一空间内进行强度/光场的有效叠加，在保持高功率输出的同时使得合成光的光束质量、中心光斑能量比等指标具有与单路LD子束可比拟的特性［2］。LD共孔径合成技术使得大功率直接LD应用成为可能，现有的LD共孔径合成技术已经可以制造千瓦级的LD激光系统，并已经应用于激光加工等领域。
LD光束合成技术是一种系统级技术，其输出指标除了受合成系统所用光器件的影响之外，还依赖于LD单管的输出功率与光束质量。国内外多家机构通过外延结构设计及器件工艺提高了LD的光束质量，尤其是慢轴方向的光束质量，从而了提高单元器件的亮度［1］。控制激光器慢轴模式的现有方式有减小慢轴方向脊形条宽、在激光器的波导层刻蚀结构、离子注入、种子振荡功率放大器结构（锥形激光器）等。德国Fraunhofer IOF在2015 年实现了输出功率为8 W、光束质量为2.5 mm·mrad、功率与光束质量比达到3.3 W/（mm·mrad）的单管LD［5-6］。美国nLight在2016年实现了输出功率近13 W、光束质量为3 mm·mrad、功率与光束质量比达到4.3 W/（mm·mrad）的LD单管［7］。德国FBH研究所研制的波长分布式布拉格反射镜（DBR）锥形LD激光器，在连续输出功率为11.4 W时，转换效率为44%，光束质量M2（1/e2）=1.1，光谱宽度为13 pm；而1060 nm波长的DBR锥形激光器的连续输出功率为12.2 W、光束质量M2=1.2时的功率为10 W，其中主瓣功率占70%以上，线宽17 pm［半峰全宽（FWHM）］［1］。LD单管的发展为后续LD合成技术的指标提升提供了强有力的器件支撑。
常见的LD共孔径合成方案可分为非相干合成与相干合成两种，其中非相干合成方案里最为典型的是利用波分复用的思想进行光谱合成。相干合成可以分为主动相控相干合成与外腔型相干合成两种方式。另外，把运用偏振分束器（PBS）的偏振合成技术也归为一种成熟的LD共孔径合成技术［8］，该技术已经广泛应用于现有的LD泵浦制造中，且可以与相干合成技术与非相干合成技术进行复用。因此，本文将重点介绍光谱合成技术与相干合成技术近年来的研究进展，并对LD共孔径合成技术的发展前景进行展望。
2 LD共孔径光谱合成
LD共孔径光谱合成（SBC）的思想来源于波分复用。具体来讲，该技术把每个激光子单元的出光波长固定在某一个范围内，并且在光谱上进行排布，同时通过光学元件设计使得这些不同波长的光实现共孔径非相干叠加，最终在不牺牲子单元光束质量的情况下实现输出功率的提升。LD光谱合成的典型输出光谱图如
图 1. SBC典型输出光谱示意图
Fig. 1. Diagram of typical optical spectrum of output from spectral beam combining (SBC)
SBC技术可以分为稀疏光谱合成和密集光谱合成。稀疏光谱合成要求每个子单元本身的出光波长不相同，进而可以通过光学元件的选波功能使得子单元出光进行共孔径叠加。密集光谱合成则要求对每个激光子单元进行锁波和光谱窄化，并进行光谱上的密排，同时通过光栅、体布拉格光栅（VBG）、二向色镜等光学元件实现子单元出光的共孔径叠加。
稀疏光谱合成主要运用的光学元件为光学滤波器（典型代表为二向色镜、体布拉格光栅）。由于滤波元件对某些波长进行反射而某些波长进行透射，所以可以进行串联式排布。如果要合成n个激光子单元，则需要排布n-1个滤波元件。但是，在这种方案中，激光子单元的光谱没有做任何处理，因此谱宽较宽，且会随着外界环境温度的改变而改变。因此，子束之间的光谱间隔需设置得较宽，典型值需大于25 nm［9］。并且最后一个滤波元件将承受所有子束的能量，因此该方案对于滤波器的功率承受能力要求较高［9］。
密集光谱合成的关键技术包含波长锁定与共孔径叠加两个部分，如
由于锁波的外腔结构与共孔径叠加的方式不同，LD密集光谱合成的技术方案可以大致分为开环光谱合成与闭环光谱合成［10］。LD开环光谱合成的波长锁定子系统与共孔径叠加子系统是分立的，由不同的光学元件实现；LD闭环光谱合成采用的光学设计同时实现子单元光谱的锁定窄化以及各个子单元的共孔径叠加。
2.1 LD闭环光谱合成
LD闭环光谱合成是目前SBC技术中主流的技术方案，拥有输出亮度提升幅度大、结构简单、工程潜力大等优势。
目前，国外研究LD闭环光谱合成系统的机构主要有美国MIT林肯实验室、Aculight Corporation、Coherent Inc.、Teradiode公司、Alfalight Inc.，德国University of Potsdam、Fraunhofer研究室、FBH实验室，以及丹麦科技大学（DUST）等。国内的中国科学院长春光学精密机械与物理研究所（CIOMP）、北京工业大学（BUT）、长春理工大学、华中科技大学、四川大学、中国工程物理研究院（CAEP）等机构也陆续对此方案开展了研究。LD闭环光谱合成目前的输出指标已经达到千瓦级以上［11］。
LD闭环光谱合成的结构示意图如
波长选择结构中最为典型的方案为衍射光栅与低反镜的组合，主要基于衍射光栅对不同波长的光有不同衍射角的特性对子束进行选波锁定，其子束光谱间隔完全取决于面光栅的衍射特性。基于光栅外腔的闭环光谱合成是目前光谱合成的研究热点，近期得到了长足的发展。而基于特殊滤波器、偏振晶体等结构的LD闭环光谱合成绕开了光栅结构，也可以得到较为突出的合成指标。因此，把LD闭环光谱合成分为光栅外腔型和其他类型进行简单介绍。
1）基于光栅外腔的LD闭环光谱合成
基于光栅外腔的LD闭环光谱合成基本结构如
图 4. 锁波-合成集合型SBC系统结构示意图［9］
Fig. 4. Schematic diagram of SBC system with hybrid of wavelength-lock and superposition[9]
该方案首先于2000年由美国MIT林肯实验室提出。该机构运用11个100 μm×300 μm的激光子单元实现了~4 W的合成输出，合成电光效率可以达到50%，且合成的输出光束质量M2约为20。该方案运用的LD单管波长在2050 nm附近，光栅刻线为600 line/mm，输出耦合镜的反射率为10%。其输出光谱与输出功率如
图 5. 基于11路单管的SBC系统特性。（a）输出光谱；（b）电流-功率曲线［12］
Fig. 5. Characteristics of SBC system with 11 laser diodes. (a) Output spectrum; (b) curve of output power versus input current[12]
近10年来，随着LD芯片技术和光栅光谱合成技术的不断发展，LD闭环光谱合成系统的输出指标得到了飞跃式的发展。
表 1. 闭环SBC技术发展近况
Table 1. Recent developments of SBC technology with closed loop
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此外，为了提升LD光栅外腔闭环SBC技术的输出指标，国内外多家机构对系统进行了理论分析。四川大学于2007年分别分析了光束质量退化与变换透镜焦距、子束中心波长间隔、单元阵列封装误差之间的关系［36］，并于2009年分析了LD外腔面反射率、输出耦合镜反射率、变换透镜透过率、闪耀光栅衍射效率对合成效率的影响［37］。2017年，德国TRUMPF公司对影响合成光束质量的因素，包括自由运转光、smile效应、互锁效应进行了理论和实验方面的分析，为设计高亮度SBC系统提供了重要参考［38］。而在2020年，海口大学分析了镜面洁净度与合成效率之间的关系［39］，对合成系统走向工程化提供了一定的参考价值。综合上述分析，对合成效率影响较大的因素有外腔面的反射率、子束阵列的指向误差、光学透镜的透过率（包括镜面洁净度）、输出耦合镜反射率、闪耀光栅衍射效率、自由运转光等。对合成光束质量影响较大的因素有子束之间的串扰效应（互锁效应）、smile效应、子束中心波长间隔等。单元阵列之间的封装误差对合成效率影响不大。
2）基于其他元件的LD外腔光谱合成
利用光栅进行子束锁波固然是最简便且集成度最高的方法，但合成通道数的进一步拓展、合成效率的进一步增加以及光束质量的进一步优化却受到光栅尺寸、衍射效率及刻线数等因素的限制。基于此考虑，近年来国外研究机构开始探索其他具有选波效应的光学元件/光学结构对激光合成子单元进行锁波，以下介绍两个典型的方案。
美国Nuburu公司于2018年提出了基于光学薄膜滤波器（TFF）与输出耦合镜共同构成外腔对子束波长进行锁定的方案。该方案利用多个不同滤波范围的TFF对每个激光子单元构成较窄的滤波通道，从而实现多通道密集波长合成。这个方案当中的TFF还可以更换为VBG［40］。
2020年，西班牙Universitat Politècnica de Catalunya提出了基于Lyot滤波器的光谱合成方案。该方案利用偏振相关晶体与输出耦合镜构成外腔，通过调节每个子束的偏振态实现不同波长的锁波。根据该报道，基于该结构可以实现1.1 kW的光谱合成输出，合成光谱的总宽度仅为7 nm，可以耦合进入纤芯为400 μm、数值孔径（NA）为0.22的光纤（光束质量M2约为150）［11］。
2.2 LD开环光谱合成
对于SBC系统而言，闭环光谱合成技术为主流的发展技术，拥有系统简单、集成度高等一系列优势，非常有助于其成本控制和工程化应用。但是，闭环光谱合成方案把锁波和合成并在了同一个系统中完成，所有因素互相影响、互相牵制，对光学器件精度和系统调节精度的要求较高。
基于此考虑，许多研究结构把锁波系统和合成系统分离开，虽然增加了系统的复杂度，但反而更有利于大功率光谱合成系统的实现。典型的开环光谱合成如
图 6. 锁波-合成分离式SBC系统结构示意图
Fig. 6. System structure diagram of SBC with diverse of wavelength-lock and superposition
表 2. 开环SBC技术发展近况
Table 2. Recent developments of SBC technology with open loop
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在
图 7. 利用TFF对子束波长进行锁定，然后利用光栅进行共孔径叠加的SBC系统结构［42］
Fig. 7. Diagram of SBC system based on wavelength-lock with TFF and superposition with optical gratings[42]
上述系统对230路子束进行了光谱合成，实现了1.1 kW的合束输出，输出光束质量（两个方向）M2约为19，其输出电光曲线和光斑分布如
图 8. 利用TFF的开环SBC输出特性［45］。（a）电-光输出曲线；（b）光斑分布
Fig. 8. Output characteristics of SBC with open loop using TFF[45]. (a) Output power versus input current; (b) light spot distribution
3 半导体激光共孔径相干合成
与SBC不同，LD相干合成（CBC）把多个波长一致的高相干激光子单元进行共孔径叠加，通过相干相长效应得到合成激光。20世纪中后期，CBC就被广泛提出，并有许多研究者进行了大量的研究，但由于当时LD的输出指标较差，这些系统没有得到较高指标的输出。而在2010年后，随着LD芯片技术的发展，以及通信、卫星、雷达等应用方向的牵引，CBC技术得到了蓬勃的发展。
CBC的输出激光线宽与子单元激光基本一致，且输出光的光束质量基本不发生退化，甚至于更优。但是，CBC技术虽然在不牺牲光谱的情况下提升了输出亮度，但是系统相比于SBC技术结构更加复杂，且对LD单管的相干性和输出光束质量要求很高，这无疑增加了LD高效相干合成的难度。不过随着单模LD指标的不断提升，以及半导体芯片的不断发展，CBC技术如今已经可以实现>40 W的直接CBC输出［46］。
CBC技术由相位锁定方式的不同可以分成两种主要的技术路线，分别称为外腔型相干合成与主动相控相干合成两个大类。外腔型相干合成一般把多个激光子单元锁定到一个外腔上实现锁相，而主动相控相干合成是通过对每一个子单元的输出相位进行主动的、人为的调控而实现的。两者的区别如
图 9. 两种CBC相位锁定方案［47］。（a）主动相位控制；（b）外腔锁相
Fig. 9. Two ways of CBC phase-lock [47]. (a) Active phase control; (b) phase-lock with external cavity
进行了相位锁定及调控之后，多个子束需要进行共孔径叠加。该部分可以通过两种方式实现，一种是直接通过波束形成的方式在远场进行叠加，另一种是通过光学设计使各路子束在近场进行叠加。显而易见的是，近场叠加相比远场叠加合成效率更高。近场叠加一般通过两种方式实现，第一种是通过合成镜片（包括PBS、分束器等）实现，第二种是通过相位光栅实现，如
图 10. CBC共孔径叠加方案［47］。（a）基于分束器；（b）基于相位光栅
Fig. 10. Ways of CBC superposition[47]. (a) Use of beam splitter; (b) use of phase grating
提升CBC效率的关键在于合成子束相位的锁定与调控。合成子束的相位噪声势必会极大影响合成功率、合成效率及合成光束质量。因此，下面从不同的锁相技术出发对CBC技术发展的近况进行概述。
3.1 外腔型相干合成
外腔型相干合成主要通过构建外腔对激光子单元进行相位锁定。构建外腔的方式一般有如
图 11. 外腔构建方案［47］。（a）二叉树型；（b）串联型；（c）DOE型
Fig. 11. Construction ways of external cavity[47]. (a) Binary tree; (b) cascaded; (c) DOE
外腔型CBC技术可以从外腔构建的方式分为相位外腔型和偏振外腔型。相位外腔型一般利用Talbot效应、远场角度滤波、相位光栅等方式构建外腔，通过外腔构成的相位选择条件对激光子单元进行相位锁定。偏振锁定型比较特殊，这个方案运用偏振晶体中o光与e光的偏振走离效应构建外腔，对激光子单元进行相位的锁定。
1）相位外腔型相干合成
表 3. 外腔型CBC技术发展近况
Table 3. Recent developments of external cavity CBC technology
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为了更好地说明相位外腔型CBC，下面着重介绍2017年法国CNRS报道的基于相位光栅外腔锁相和DOE近场合成的相干系统，其结构示意图如
图 12. 基于锥形放大芯片的CBC［54］。（a）系统结构图；（b）不同衍射级数的功率分布
Fig. 12. CBC with conical amplification chip[54]. (a) System structure diagram; (b) power distributions of different diffraction orders
2）偏振外腔型相干合成
2011年，新加坡南洋理工大学提出了运用偏振晶体与多级玻片一起组成锁相外腔，采用了二叉树结构设计，并且运用PBS进行合成［56］。最终，该系统实现了19路子单元7.2 W的输出，输出光束质量M2为11.5，输出亮度相比于单路激光提高了近一倍［57］。可能由于偏振外腔型相干合成的结构比较复杂，该方案的后续研究较少。
3.2 主动相控相干合成
主动相控相干合成的关键在于实时主动地调控多路子束的输出相位。主震荡功率放大（MOPA）技术是大多数主动相控相干合成系统的关键。MOPA技术输出放大光与种子光具有近乎相同的线宽和光束质量，但亮度得到了明显的提升。基于MOPA的主动相控相干合成技术把一个窄线宽、高光束质量的种子光进行均匀分光之后注入到多路放大芯片当中，通过对放大芯片施加不同的调节电流或添加额外相位调制器的方式来调节芯片输出的相位，最终达到相干相长的目的。
与LD外腔型相干合成有众多实现方式不同，LD主动相控相干合成的光路结构相差不大，且基本都使用窄脊锥形放大LD芯片进行，不同之处仅在所使用的相位主动控制算法以及共孔径叠加方式上。
图 13. 基于MOPA技术的900路主动相控CBC系统结构［58］
Fig. 13. System structure of active phase control CBC based on MOPA technology with 900 laser diodes[58]
1995年，美国SDL Inc.将4路MOPA输出进行了远场相干合成，其系统结构如
图 14. 基于锥形放大芯片和MOPA技术的4路主动相控CBC系统结构［59］
Fig. 14. System structure of active phase control CBC based on conical amplification chip and MOPA technology with 4 laser diodes[59]
表 4. 主动相控CBC技术的发展近况
Table 4. Recent developments of active phase control CBC technology
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下面简要介绍2019年法国CNRS实验室提出的4路MOPA相干合束方案。该方案输出峰值功率为22.7 W的准连续光，其系统结构如
图 15. 基于锥形芯片的MOPA准连续CBC［64］。（a）系统结构；（b）输出特性
Fig. 15. MOPA quasi-continuous CBC based on conical amplification chip[64]. (a) System structure; (b) output characteristics
目前，CBC的研究主要集中在系统性能指标的提升上，对系统的定量理论分析比较少。但可以预见的是，每一路LD子束输出的单模能量比与相位噪声与CBC的效率息息相关。相干合成相控算法的带宽、收敛速度与复杂度和相干合成通道数的拓展性有较大的关系。
4 总结与展望
半导体激光阵列具有电光转换效率高、波长覆盖范围广、体积小、重量轻、寿命长、可靠性高和功耗低等优点，在材料加工、生物医疗和**方面有着重要应用，但是，当前半导体激光阵列存在的主要问题就是光束质量差和单元出光功率低，限制了其应用。有效解决途径就是激光合成技术。激光合成技术将多个单管的光强进行有效叠加，是提高激光器输出功率与亮度的主要途径。根据作用机理的不同，激光合成技术可分为SBC和CBC。近几年，这两种方法均取得了一定进展［68］。
SBC是现有亮度提升最大的合成方案，可以分为闭环SBC与开环SBC两大部分。该技术基于波分复用的思想，把激光子单元的线宽压窄且固定在不同的光谱位置上，然后进行共孔径合成。现有基于SBC的最高输出功率为4 kW。CBC技术首先对激光子单元进行锁相和相位调整，然后进行共孔径合成。现有基于CBC的LD系统最大输出功率为40 W。受到空间光通信、空间光传感/探测等应用领域的牵引，高相干性高亮度LD的需求越来越大，因此CBC技术仍有巨大的发展空间。
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