光谱合束技术原理
半导体激光器（DiodeLaser/SemiconductorLaser，DL）具有高转换效率、体积小、重量轻、可靠性高等优点。但是半导体激光器特殊的原理及结构决定了它的光束质量与功率之间普遍存在此消彼长的问题，当追求高功率输出时，其光束质量的提升往往会受到很大限制，这使得半导体激光器很难作为直接光源应用于工业加工和国防领域。因此，如何获得高功率、高光束质量的直接半导体激光光源，成为了国际上亟待解决的技术问题。其中美国、德国早已将其列入国家重大计划进行专项攻克，并陆续部署了ADHEL、BRIDLE及IMOTHEB等专项对相关技术进行支持。在这其中激光合束技术被证明是解决该难题的关键技术之一。而在众多合束技术中，半导体激光器波分复用合束技术则被证明是一种实现高亮度半导体激光直接输出的有效技术。
波分复用(WDM)合束技术又被称为光谱合束技术，其技术原理本质上是利用色散元件将不同波长的半导体激光光束进行共孔径合束，与通讯中的波分复用技术类似，最终可得到与单束光光束质量相当、亮度倍增数倍的激光输出。半导体激光光谱合束技术是由美国麻省理工学院林肯实验室的等人于2000年首次提出并实现。这种技术可有效获得高功率、高光束质量的直接半导体激光输出光源，是一种极具潜力的合束技术。其技术原理图如下图所示。
图1半导体激光器光谱合束的原理示意图（a）闭环结构与（b）开环结构
光谱合束技术进展
国外进展
根据使用的合束器件的不同，半导体激光光谱合束技术可分为如下几类：
基于平面光栅的外腔光谱合束技术
这种技术路线可通过一个外腔同时实现波长锁定与合束，且波长间隔可通过光学系统参数进行控制。但其外腔合束结构受转换透镜焦距限制，体积相对较大，且外腔中需要采取互锁抑制手段控制合束后的光束质量。
目前这种技术方向的优势单位是美国TeraDiode公司。它采用的则是麻省理工学院林肯实验室的技术。目前已经可以实现50μm、光纤输出功率大于2000W与100μm、光纤输出功率大于8000W的产品研发，可应用于诸如金属切割、焊接等工业加工应用中。如下图所示。
图2美国TeraDiode公司的1kW（左）、8kW（右）半导体激光合束模块
TeraDiode公司认为，半导体激光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，并声称其已经完成了100kW级高亮度高效率直接半导体激光光源的方案设计。
图3美国TeraDiode公司的无输出耦合镜的外腔波长合束结构
在光纤激光抽运方面，2012年Alfalight公司报道了针对光纤激光器抽运所研制的200μm、0.2NA尾纤输出200W的DL光谱合束装置，并基于7个这种装置进行抽运，成功实现了功率大于1kW的掺镱光纤激光输出。其原理、结构如下图所示。
图4Alfalight公司用于光纤激光器抽运的光谱合束技术原理图
此外众多的大学也针对平面光栅的外腔光谱合束技术开展了各式各样的研究，诸如丹麦科技大学、德国波茨坦大学等。其研究多基于改善半导体激光光束质量、近衍射极限半导体激光合束、可见光波段半导体激光合束等方面，也为半导体激光合束技术的发展与应用提供了很好的推进与参考。
基于体布拉格光栅的光谱合束技术
体布拉格光栅（VBG）易与激光bar条或叠阵相匹配，先将激光器输出波长锁定，再进行合束。但温度变化会造成VBG的Bragg条件改变，散射和吸收等会引起功率损耗。在半导体激光合束中则表现为随着加载电流的提升效率会有一定下降。
德国夫朗和费研究所于2013年提出了一种基于VBG的高功率密集波分复用(HP-DWDM)结构。采用5个VBG波长锁定的宽面发射半导体激光bar条进行合束，如下图所示。当加载电流120A时可得到合束功率大于200W。光束质量M2因子约为45，复合束效率约85%。
图5基于VBG的波分复用实验装置示意图
基于薄膜滤波片的光谱合束技术
这种技术路线则是用TFF代替其它结构中的平面光栅，可采用外腔结构或者结合VBG锁定波长后使用。这种技术路线互锁定串扰问题相对较小，且光谱间隔可做到更窄，但TFF制备较为困难。
2014年至2015年间，德国Trumpf公司提出了一种基于薄膜滤波片（ThinFilmFilter，TFF）实现波长选择与合束的半导体激光外腔光谱合束技术。其技术路线原理图如下图所示。可以看出其结构较为复杂，但其10个标准厘米bar的合束谱宽仅37nm。目前已经实现100μm芯径光纤半导体激光光谱合束输出功率近500W，并声称可实现5kW的半导体激光合束输出。
图6德国Trumpf公司基于薄膜滤波片（ThinFilmFilter，TFF）的光谱合束技术原理图
2013年，德国DirectPhotonics公司基于VBG锁定的沿快轴方向堆叠的半导体激光器单管（单管功率12W）阵列，采用TFF以4nm的波长间隔进行光谱合束。目前已经推出了功率500~2000W、芯径100μm的光纤耦合半导体激光产品。
2015年，DILAS基于3个VBG锁定的低填充因子（5%）短bar条，采用陡直度约为1nm的TFF，以4nm的波长间隔对其进行了光谱合束。35A的加载电流下获得了500W的光纤耦合输出，光纤芯径为100μm、，并生成基于该系统再进行偏振合束和波长合束，能够在光束质量保持10mm·mrad不变的情况下将功率提升至数千瓦。
国内进展
国内方面，针对半导体激光光谱合束技术开展研究的单位主要有长春光机所、长春理工大学、北京工业大学、四川大学、中电十三所、长光华芯公司、凯普林公司与中物院十所等单位。
其中长春光机所主要开展了基于透射式平面衍射光栅的高功率、窄谱宽合束技术研究，实现了基于3个标准厘米bar的140.6W的光谱合束输出；北京工业大学针对SBC的开环、闭环结构开展了相关研究工作，并基于单个标准厘米bar与BTS实现了58.8W的光谱合束输出；四川大学就光谱合束的光束特性、效率与互锁定串扰等方面开展了理论分析工作。
总结
目前，半导体激光波分复用技术的大致发展与应用状况对比如下表所示。
可以看出，半导体激光波分复用合束技术仍处在发展阶段，产品化相对较少。但其潜力巨大，可以应用于工业加工、高亮度抽运等方向。受益于半导体激光器的高效率、轻量化与小型化等特点，波分复用合束的半导体激光器有望成为一种极具竞争力的高功率高亮度直接应用光源。
目前，合束器件大多是采用宽发射面结构的半导体激光器，受其波导结构和封装的限制不能够达到衍射极限输出，与此同时光谱合束技术所得到的合束输出光束的光束质量与单个激光单元光束质量还有一定差距，需对变换透镜、衍射光栅等元件的参数和特性进行进一步研究，以获得与激光单元相同的光束质量输出。同时还应发展高光束质量的单元器件，如锥型半导体激光器、板条耦合光波导激光器等，实现合束光束质量与亮度的进一步提升。
另外，由于国内半导体芯片技术与合束技术起步较晚，半导体激光光谱合束技术在国内仍未实现产品化与实用化。这还需要在功率放大、光束质量控制、效率提升等方面开展大量研究工作，并结合新型高亮度半导体激光芯片的研发与工程化技术研究，最终使得国内的直接输出超高亮度半导体激光技术走向实用化。
