半導體激光器具有效率高、結構緊湊、波長範圍寬、成本低、可靠性高等優良特性。然而，傳統的半導體激光器存在光譜特性差、光束質量差、直接輸出功率和亮度低等不足。為減小光纖激光器的非線性效應、簡化固體激光器諧振腔設計並擴展半導體激光器在工業加工和鹼金屬激光器抽運等方面的應用，需要解決一個重要技術問題，即獲得高功率、高亮度、高光束質量的直接半導體激光光源。美國、德國已將該技術問題列入國家重大計劃，而激光合束技術被證明是解決該難題的有效方法之一。
常用的合束方法
對半導體激光輸出進行合束，常用的方法有：空間合束、偏振合束和波長合束。
相比空間合束、偏振合束，波分複用合束技術以窄合束波長間隔為目標，從半導體激光器內部或外部波長選擇光學元件間相互作用出發，採用半導體激光器芯片內置或外置波長選擇元件及合束元件的方式實現單個合束單元波長鎖定和多個合束單元合束輸出。
在一個半導體激光器波分複用合束系統中，波長鎖定和波分複用是兩個必不可少的步驟，從實現途徑來看通常有兩種方式：
一種是波長鎖定和波分複用分開進行，通常先將用於波長鎖定的色散元件置於外腔中或集成在半導體激光器內部來提供反饋（如分佈反饋半導體激光器(DFB-DL)和分佈布拉格反饋半導體激光器(DBR-DL)），之後再用濾波器或色散光柵將不同波長的子束進行合束，這種結構不需要外腔反饋，不存在互鎖現象；
另一種是波長鎖定、波分複用在一個腔中同時進行，色散元件不僅對發光單元投射到其上的光束進行波長選擇，還將不同入射角的光束進行衍射後以相同衍射角衍射合束，例如平面衍射光柵與部分反射外腔鏡構成的光柵外腔光譜合束技術，這種結構對調節精度要求低，能夠獲得更窄的波長間隔，但是需要採取互鎖抑制措施來減小互鎖對光束質量的影響。
實現波分複用合束的4種器件
目前用於實現波分複用合束的器件主要有以下４種：
體布拉格光柵(VBG)
VBG是在光熱折變(PTR)玻璃上進行紫外光的熱加工製作而成。結合激光全息技術，紫外光引起PTR折射率的永久性改變，在PTR內部形成一定規律的內部折射率分佈，其波長選擇性可通過光柵厚度、入射角和折射率調製度等參數進行調整，具有高溫穩定(400℃)、高激光損傷閾值(40J·cm-2)等優良特性，且易與激光陣列條或疊陣相匹配。採用基於VBG的波分複用合束技術進行合束時的波長間隔為1-1.5nm，VBG波長選擇特性存在較大旁瓣，因此合束波長間隔的進一步減小受到限制。此外，溫度變化會引起Bragg條件改變，散射和吸收等會引起功率損耗，特別是當VBG用在大型時序級聯複用中時，這種功率損耗更為明顯。
平面衍射光柵 (SDG)
平面衍射光柵能夠同時實現波長穩定和複用，且波長間隔小。但平面衍射光柵外腔合束結構較大，且需要進行穩頻互鎖抑制。在光柵外腔波長合束結構中，如果不採取互鎖抑制手段，合束後光束質量將會嚴重下降。美國中央佛羅里達大學最早對光柵外腔光譜合束開展研究，國內蘇州大學、華中科技大學開展了對VBG光譜特性的研究。美國ONDAX、OptiGrate公司，德國Edmund公司等皆有非常成熟的VBG、SDG產品。
窄帶薄膜濾波器及超窄帶薄膜濾波器(TFF&UGTFF)
這種濾波器通常用於波長鎖定和複用分別進行的結構中，能夠避免外腔波長鎖定中不同發光單元間的互鎖，但是需要一個與濾光片有相同頻率分佈的衍射光柵進行衍射合束輸出。由發光單元出射、經TFF波長選擇和反饋作用實現波長鎖定的合束單元光束以一定角度入射到光柵上衍射合束，為了提高複用效率和光束質量，要求經TFF後的每一路合束光束角度與光柵衍射角精確匹配。TFF能夠將合束波長間隔壓窄到約0.2 nm，適用於密集波分複用合束技術，但其在激光作用下的損傷特性及熱致光學特性失效都將顯著影響器件性能。
陡邊絕緣截止濾波器及超高陡直度絕緣截止濾波器(SDDG&UGSDDG)
使用這種濾波器時，針對每一個合束波長都需要使用一個截止帶與截止寬度相匹配的濾波器。與TFF器件相比，其波長間隔較大，典型值約為2.5 nm。SDDG薄膜的精確製備較困難，其製備技術被國外少數幾家公司壟斷。國內同濟大學於2016年申請了“連續工作體制高抗損傷超窄帶截止薄膜技術研究”項目，正在進行技術攻關。
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總的來說，受波導結構和芯片封裝等因素的限制，半導體激光器快慢軸方向上的光束質量差距較大。半導體激光器主要用作抽運源，即亮度轉換器，很難作為高亮度光源被直接應用。激光合束技術能夠解決這一難題。
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參考文獻
孫舒娟,郭林輝,譚昊,孟慧成,阮旭,閆雪靜,張旭光,武德勇,高松信 半導體激光器波分複用合束技術研究進展[J]. 激光與光電子學進展, 2018, 55(2): 20002
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