基于光栅外腔的高功率半导体激光阵列谱合束研究进展

2021-01-07

西华大学学报（自然科学版） 2021年1期

（西华大学理学院，四川成都 610039）

高功率半导体激光器具有轻量化、免维护等优势，在智能装备制造和光电对抗等民用和军用领域具有广阔的应用前景[1-2]。然而，半导体激光器的特殊原理及结构决定了它在追求高功率的同时，其光束质量会退化，进而限制其应用。因此，如何获得具有高功率和高光束质量的半导体激光光源成为国际上亟待解决的问题。美国和德国将其列入国家重大专项攻克相关技术，我国也将高功率高光束质量半导体激光器作为国防项目开展技术研究。其中，将多个半导体激光子单元封装为激光阵列或叠阵，再利用谱合束技术实现单光束输出被证明是解决该问题的关键技术之一。谱合束技术主要利用色散光学元件将多束具有不同波长和不同入射角的光束以同方向出射的方式实现光束合成，其可在高功率直接输出的同时保持良好的光束质量[3-5]，且结构简单易控制，这些优势促使其成为激光技术领域的研究热点。

1 半导体激光阵列

从1962 年美国科学家宣布成功研制出第一代半导体激光器以来，半导体激光器便在全世界引起广泛关注[6]。1983 年，波长800 nm 输出功率为100 mW的单管半导体激光器研制成功。1989 年，0.1 mm条宽的LD(laser diode)获到3.7 W 的连续光输出，1 cm 线阵LD 达到76 W 输出，转换效率为39%。1992 年，美国实现1 cm 线阵LD 121W 的连续光输出，转换效率提高至45%，随后输出功率120 W、1.5 kW、3 kW 等诸多高功率LD 逐渐面世。在努力提高半导体激光器输出功率的历程中，总结起来，主要有2 种方式：其一为提高芯片单管功率，这涉及到有源区结构设计、芯片生长以及封装散热等关键技术[6-8]。由于热效应[9-10]、增益饱和效应、非线性效应[11]等因素，单管激光器的功率具有一定的限制；其二则是增加半导体激光器的发光单管数量，从而达到进一步提高输出功率的目的。增加发光单管数量通常将几十个芯片集成封装成靶条，且为了进一步增加单管数量，再将多个靶条堆叠形成二维叠阵，以求达到增加功率的目的，图1为半导体激光阵列和激光叠阵示意图。

图1 半导体激光阵列(a)和激光叠阵(b)

虽然半导体激光阵列、激光叠阵的出现极大地促进了使用半导体激光器作为泵浦源的全固化激光器的发展，但由于芯片外延生长技术和芯片封装技术等限制，直接由阵列或叠阵出射的激光性能很差。光束质量差、空间亮度低[3]和中心波长易温漂[12]等劣势限制了高功率半导体激光阵列和叠阵的应用。为解决该问题，谱合束技术开始登上历史舞台，该技术利用光栅的逆色散原理将半导体激光阵列/叠阵发出的多束光非相干叠加，实现高功率高光束质量单光束输出。

2 光栅外腔法谱合束技术

2.1 光栅类型的选择

光栅外腔谱合束技术最初是由美国麻省理工学院Cook 等[13]于1999 年提出的。外腔法谱合束技术采用外谐振腔结构，通过光栅将空间中不同激光子单元发出的具有不同波长和不同入射角的光束以相同的衍射角输出。基于光栅外腔的谱合束技术将激光器内部振荡和外腔反馈相结合，即光源内腔和光栅外腔相互耦合形成复合腔使得子单元谐振波长与光栅色散以及反馈光束相互匹配，保证合成光束在近场和远场空间重叠。部分光束被外腔反馈回激光阵列面，在一定程度上降低了由于模式失配引起的损耗，保证光束质量。常用于外腔反馈方法的光栅有光纤光栅、闪耀光栅、体光栅和多层介质膜光栅[14]等，其中光纤光栅只能针对小功率激光阵列[15-16]。图2 给出了闪耀光栅、体光栅[17]和多层介质膜光栅的结构示意图。图2(a)为理想闪耀光栅，其剖面为三角形，但实际刻槽倾角有误差，光栅剖面为梯形。

闪耀光栅的两束入射光的入射角和波长满足一定的条件时可以以相同的方向衍射输出，实现空间叠加。当入射角和闪耀角相等，在衍射角方向可得到最大强度。麻省理工学院林肯实验室Daneu等[18]就采用的闪耀光栅实现谱合束[18]。图2(b)为体布拉格光栅，波长λ1的光束入射到布拉格光栅上经折射后不符合布拉格条件，直接从光栅另一侧衍射输出，而波长λ2的光束入射到体布拉格光栅上经折射后刚好满足布拉格条件，因而大部分光束被反射输出并与波长λ1的光束重合，从而实现两束光空间叠加。2008 年，美国Central Florida 大学Sevian 等[19]利用透射型布拉格光栅实现了五路光纤激光的光谱合成，在实验上获得了功率大于750 W的近衍射极限连续光输出，合束效率大于93%，光束质量M2因子为1.16，但是该实验中，周围环境对光纤激光器的波长稳定性影响较大，一旦某束光波长有所改变，其他每路光均需重新调整。为了解决这一问题，2008 年，同一研究机构的Oleksiy Andrusyak 等[20]设计了基于体布拉格光栅的外腔式谱合成系统(图3)，利用体布拉格光栅成功实现波长锁定和谱宽压窄。尽管闪耀光栅和体光栅皆能成功实现谱合束，但由于二者的损伤阈值和衍射效率不够理想，较难获得高亮度合成光束。于是，科学家们开始寻求一种损伤阈值高、衍射效率佳的光栅应用于谱合束系统中。

图2 光栅(a)闪耀光栅；(b)体布拉格光栅；(c)多层介质膜光栅

图3 体布拉格光栅外腔锁定波长的谱合成系统

2007 年，Neauport 等[21]测试了3 片介质膜光栅，发现在特定波长和入射角下最高损伤阈值达5 J/cm2，而同等辐照条件下金属光栅的损伤阈值仅为0.67 J/cm2。自此，介质膜光栅的耐损伤特性受到科研人员重视。由于多层介质膜光栅对光能吸收较低、衍射效率高、介质膜损伤阈值高于金属膜数十倍，再加上其制作工艺日趋成熟，逐步被运用于谱合成系统中[22]。如图2(c)所示，介质膜光栅由基底、介质膜系和周期性浮雕组成。谱合束系统充分利用了介质膜系的高反/高透特性和浮雕结构的衍射特性。光束受到周期性浮雕的相位调制，可将电磁波按单色平面波展开，即在一个周期上将介电常数ε展开为傅里叶级数，再利用增强透射矩阵法求出介质膜光栅的反射/透射振幅系数。

2.2 光栅外腔谱合束原理

图4 为介质膜光栅外腔谱合束示意图。子光束在外腔中传输过程为：子单元→自由空间→变换透镜→自由空间→衍射光栅→自由空间→输出耦合镜。激光阵列和光栅分别位于变换透镜的前、后焦面。变换透镜的作用是将不同位置列阵单元发出的光变换成不同角度入射到光栅上，每个单元的发光波长由该阵列单元的位置和光栅方程严格确定。光栅的作用就是将不同波长不同入射角的光以相同的出射角衍射，从而使得从输出耦合镜输出一束在近场和远场均保持重叠的光束。

图4 光栅外腔谱合束系统示意图

2.3 基于不同光栅的谱合束比较

闪耀光栅作为金属基底的原刻光栅，金属易吸收光能，热效应易使光栅发生形变，导致系统合束效率降低和光束质量劣化。谱合束系统的合束功率达kW 级别，如果光栅变形严重可能导致系统无法正常工作。体布拉格光栅有较好的热稳定性、机械稳定性和光学稳定性。但是，体布拉格光栅对光束的入射角度和波长稳定性要求较高，合束单元中的任何一束光束的波长或入射角度发生轻微改变，则需要对整个系统进行调节。并且基于体布拉格光栅的外腔式谱合成系统所需光栅数目和子单元数目相同，耦合空间受限。较之闪耀光栅和体光栅，多层介质膜光栅由于可以自由设计膜系反射率(可达99%)，且具有波长范围广、高热稳定性等优势，逐渐成为高功率半导体激光阵列谱合束技术的理想色散元件。

3 光栅外腔半导体激光阵列谱合束技术研究现状

针对光栅外腔谱合束技术，Huang 等[23-25]敏锐地意识到谱合束技术将是未来实现高亮度半导体激光器的有效手段，成立了TeraDiode 公司对其进行深入开发。随后，德国Trumpf 公司[26]、美国Coherent 公司[27]、德国DirectPhotonics 公司[28]、丹麦技术大学[29]等研究机构针对谱合束技术相继开展了许多研究。国内中国工程物理研究院[30-32]、长春光机所[33-35]、中科院半导体所[36]、上海光机所[37-39]、北京工业大学[40-42]、空军工程大学[43-44]、四川大学[45]等单位也做了许多理论计算和实验验证工作，为我国谱合束技术的发展做出了重要贡献。表1 总结了国内外半导体激光器谱合束的研究现状，其中最具代表性的研究机构是TeraDiode公司，其推出了功率8 kW和光束质量为6 mm·mrad 的光纤耦合半导体激光产品，该产品在金属厚板切割、远程激光焊接等方面已达到工业应用标准[25]。TeraDiode 公司认为，半导体激光谱合束技术将是未来实现超高功率高光束质量激光光源的最佳手段之一，并称其已完成100 kW 级高亮度高效率直接半导体激光光源设计，但未详细报道具体方案。德国Trumpf 公司也已推出功率500～5 000 W 的光纤耦合半导体激光产品[46-47]。较之国外，国内半导体芯片技术与合束技术起步较晚。长春光机所提出基于透射光栅的谱合束结构，获得连续输出功率为200 W，光束质量为4.27 mm·mrad的光束[48]。中物院建立的半导体激光光栅外腔谱合束模型，实现输出功率为710 W，光束质量为7.3 mm·mrad 的光束输出，其还可实现超过1 kW 的合束输出[30]。

目前，国内半导体激光谱合束技术仍处于实验室探索阶段，未实现产品化，与国际水平存在很大的差距。巨大的差距迫使我们必须尽快研制开发实用性高功率高光束质量半导体激光直接光源，赶上国际先进水平，实现产品实用化，为我国国民经济建设和现代国防建设提供助力。

表1 国内外半导体激光器谱合束现状

4 合成光束劣化的因素分析

在理想谱合束系统中，合成光束的光束质量可保持与子单元光束质量相当，合成光束强度为各子光束的强度叠加。但是，在实际应用中，输出光束易出现高阶旁瓣、主瓣效率降低、光谱次峰等问题。因此，目前亟需解决的关键问题是明确谱合束系统中光束质量劣化和输出功率损耗的根本原因，并提出适当的有效解决方案。分析其原因可能为：1）子单元常采用宽发射面结构，受波导结构和封装限制，光束不能达到衍射极限输出[49]；2）各子单元准直非一致性即存在smile 工艺误差[50]；3）转换透镜、光栅等元件参数选取不合理且存在制作误差；4）高功率激光辐照下光学元件表面热形变或热损伤[51]。这些因素导致子单元间光束串扰，进而引起子单元内腔自激振荡和耦合振荡等现象。而且，外腔对串扰光束亦存在反馈放大作用，致使发光单元间的耦合振荡模式与原有谐振模式竞争，最终导致输出光束远场出现高阶旁瓣，光谱出现次峰，合束效率降低，光束质量劣化。