半导体激光器具有效率高、结构紧凑、波长范围宽、成本低、可靠性高等优良特性。然而，传统的半导体激光器存在光谱特性差、光束质量差、直接输出功率和亮度低等不足。为减小光纤激光器的非线性效应、简化固体激光器谐振腔设计并扩展半导体激光器在工业加工和碱金属激光器抽运等方面的应用，需要解决一个重要技术问题，即获得高功率、高亮度、高光束质量的直接半导体激光光源。美国、德国已将该技术问题列入国家重大计划，而激光合束技术被证明是解决该难题的有效方法之一。
常用的合束方法
对半导体激光输出进行合束，常用的方法有：空间合束、偏振合束和波长合束。
相比空间合束、偏振合束，波分复用合束技术以窄合束波长间隔为目标，从半导体激光器内部或外部波长选择光学元件间相互作用出发，采用半导体激光器芯片内置或外置波长选择元件及合束元件的方式实现单个合束单元波长锁定和多个合束单元合束输出。
在一个半导体激光器波分复用合束系统中，波长锁定和波分复用是两个必不可少的步骤，从实现途径来看通常有两种方式：
一种是波长锁定和波分复用分开进行，通常先将用于波长锁定的色散元件置于外腔中或集成在半导体激光器内部来提供反馈（如分布反馈半导体激光器(DFB-DL)和分布布拉格反馈半导体激光器(DBR-DL)），之后再用滤波器或色散光栅将不同波长的子束进行合束，这种结构不需要外腔反馈，不存在互锁现象；
另一种是波长锁定、波分复用在一个腔中同时进行，色散元件不仅对发光单元投射到其上的光束进行波长选择，还将不同入射角的光束进行衍射后以相同衍射角衍射合束，例如平面衍射光栅与部分反射外腔镜构成的光栅外腔光谱合束技术，这种结构对调节精度要求低，能够获得更窄的波长间隔，但是需要采取互锁抑制措施来减小互锁对光束质量的影响。
实现波分复用合束的4种器件
目前用于实现波分复用合束的器件主要有以下４种：
体布拉格光栅(VBG)
VBG是在光热折变(PTR)玻璃上进行紫外光的热加工制作而成。结合激光全息技术，紫外光引起PTR折射率的永久性改变，在PTR内部形成一定规律的内部折射率分布，其波长选择性可通过光栅厚度、入射角和折射率调制度等参数进行调整，具有高温稳定(400℃)、高激光损伤阈值(40J·cm-2)等优良特性，且易与激光阵列条或叠阵相匹配。采用基于VBG的波分复用合束技术进行合束时的波长间隔为1-1.5nm，VBG波长选择特性存在较大旁瓣，因此合束波长间隔的进一步减小受到限制。此外，温度变化会引起Bragg条件改变，散射和吸收等会引起功率损耗，特别是当VBG用在大型时序级联复用中时，这种功率损耗更为明显。
平面衍射光栅 (SDG)
平面衍射光栅能够同时实现波长稳定和复用，且波长间隔小。但平面衍射光栅外腔合束结构较大，且需要进行稳频互锁抑制。在光栅外腔波长合束结构中，如果不采取互锁抑制手段，合束后光束质量将会严重下降。美国中央佛罗里达大学最早对光栅外腔光谱合束开展研究，国内苏州大学、华中科技大学开展了对VBG光谱特性的研究。美国ONDAX、OptiGrate公司，德国Edmund公司等皆有非常成熟的VBG、SDG产品。
窄带薄膜滤波器及超窄带薄膜滤波器(TFF&UGTFF)
这种滤波器通常用于波长锁定和复用分别进行的结构中，能够避免外腔波长锁定中不同发光单元间的互锁，但是需要一个与滤光片有相同频率分布的衍射光栅进行衍射合束输出。由发光单元出射、经TFF波长选择和反馈作用实现波长锁定的合束单元光束以一定角度入射到光栅上衍射合束，为了提高复用效率和光束质量，要求经TFF后的每一路合束光束角度与光栅衍射角精确匹配。TFF能够将合束波长间隔压窄到约0.2 nm，适用于密集波分复用合束技术，但其在激光作用下的损伤特性及热致光学特性失效都将显著影响器件性能。
陡边绝缘截止滤波器及超高陡直度绝缘截止滤波器(SDDG&UGSDDG)
使用这种滤波器时，针对每一个合束波长都需要使用一个截止带与截止宽度相匹配的滤波器。与TFF器件相比，其波长间隔较大，典型值约为2.5 nm。SDDG薄膜的精确制备较困难，其制备技术被国外少数几家公司垄断。国内同济大学于2016年申请了“连续工作体制高抗损伤超窄带截止薄膜技术研究”项目，正在进行技术攻关。
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总的来说，受波导结构和芯片封装等因素的限制，半导体激光器快慢轴方向上的光束质量差距较大。半导体激光器主要用作抽运源，即亮度转换器，很难作为高亮度光源被直接应用。激光合束技术能够解决这一难题。
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参考文献
孙舒娟,郭林辉,谭昊,孟慧成,阮旭,闫雪静,张旭光,武德勇,高松信 半导体激光器波分复用合束技术研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2018, 55(2): 20002
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