1 引言

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^[1-2],而激光合束技术被证明是解决该难题的有效方法之一。

对半导体激光输出进行合束,常用的方法有空间合束^[3]、偏振合束^[4]和波长合束^[5]。空间合束在提高功率的同时会在一定程度上降低光束质量和亮度;偏振合束利用偏振合束器件将偏振方向互相垂直的两束光合成一束,可在不改变光束质量的情况下将功率和亮度翻倍^[6];波长合束又称波分复用(WDM),是将两个或两个以上不同波长的半导体激光器出射的光合成一束,得到与单束光光束质量相当、亮度提高数倍的激光输出,WDM技术已逐渐成为研究热点,并取得了一些突破,输出功率达到了数千瓦级。美国TeraDiode公司在2012年运用波长合束技术获得光纤芯径为50 μm、数值孔径为0.15、输出功率为2030 W的光纤耦合半导体激光模块,激光亮度达到 1468MW·cm-2·sr-1,该激光模块可以与同等量级工业应用的光纤激光器及二氧化碳激光器相比拟^[7]。德国DirectPhotonics公司于2013年采用多单管堆叠模块化方式,利用分色镜对间隔为2.5 nm的4个波长进行复用,展示了电光效率超过30%的1 kW和2 kW产品,其光束质量达到7.5 mm·mrad^[8]。国内对波分复用合束技术的研究起步较晚,北京工业大学^[9-11]、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所^[12-13]、四川大学^[14]、中国工程物理研究院应用电子学研究所^[15-17]进行了相关的研究,但都只是在技术可行性方面做了初步验证。半导体激光器的波分复用合束技术被证明是提高半导体激光器光束质量、实现高亮度输出、改善光谱特性有效的合束技术之一。

2 半导体激光器波分复用合束技术原理及分类

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。

2.1 波分复用合束技术原理

图1为合束原理示意图。图1(a)所示为空间合束,光束的空间堆叠能够成倍提高输出功率,输出功率与合束单元数量成正比,即

P=NP0,(1)

式中P为合束后光功率,N为合束单元数量,P₀为合束单元光功率。合束后,光参数积随合束单元数量的增大而增大,可表示为

JBPP=Nω0θ0,(2)

式中J_BPP为合束后的光参数积,ω₀为合束单元束腰半径,θ₀为合束单元光束发散角。合束后光束的亮度为

B=P/JBPP≈NP0/AΩ,(3)

式中A为合束后发光面积,Ω为光束空间角,B为合束后光束亮度。可见空间合束中亮度不随合束单元数量的增加而增大^[18]。

图 1. 合束原理示意图。(a)空间合束;(b)波分复用合束

Fig. 1. Schematic of beam combining. (a) Spacial beam combining; (b) wavelength division multiplexing beam combining

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如图1(b)所示,波分复用将两个波长(λ₁和λ₂)或两个以上不同波长的半导体激光器出射光束合成一束,能够同时使亮度和功率成倍提高,且保持光参数积不变^[18]。从合束的波长间隔Δλ来看,波分复用分为稀疏和密集波分复用两种,其典型波长间隔Δλ的变化范围为15~30 nm或0.2~3 nm^[18-19]。

密集波分复用需要对每一个合束单元进行波长锁定,压窄子束的光谱线宽δλ,使其在0.1~1 nm范围内,这样才能够在总线宽不变的情况下对更多不同波长的光进行合束,从而提高亮度。密集波分复用合束原理示意图如图2所示^[18-19]。

图 2. 密集波分复用合束原理示意图

Fig. 2. Schematic of dense wavelength division multiplexing beam combining

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半导体激光器波分复用合束技术中常采用啁啾波长锁定,使每一个发光单元在不同波长下激射,如图3所示。每种颜色代表一种波长^[18],此类波长锁定可以通过啁啾体布拉格光栅(C-VBG)、平面衍射光栅(SDG)和陷波滤波器等实现。

图 3. 啁啾波长锁定示意图

Fig. 3. Schematic of chriped wavelength locking

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2.2 波分复用合束技术分类

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^[20-24],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^[8,20],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。

目前用于实现波分复用合束的器件主要有以下4种:

1) 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(40 J·cm^-2)等优良特性,且易与激光阵列条或叠阵相匹配^[25-26]。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1~1.5 nm,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^[20,27]。

2) 平面衍射光栅。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^[28] 。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^[29],国内苏州大学^[30]、华中科技大学^[31-32]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。

3) 窄带薄膜滤波器及超窄带薄膜滤波器(TFF & U-TFF)。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^[33]。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。

4) 陡边绝缘截止滤波器及超高陡直度绝缘截止滤波器(SDDG&U-SDDG)。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^[34]。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。

3 国内外发展状况

国内外研究机构近年来开展了许多半导体激光器波分复用合束技术方面的研究工作。下文对不同波长锁定和波分复用元件及基于这些元件的波分复用合束技术的发展现状进行了介绍。

3.1 基于平面光栅的波分复用合束技术

基于平面光栅的波分复用合束技术最早由美国麻省理工学院林肯实验室提出^[35],其子公司(TeraDiode公司)拥有相关技术的专利。2014年TeraDiode公司将半导体激光阵列条与变换透镜、平面衍射光栅及输出耦合镜相结合,构成外腔,如图4所示^[36]。不同合束单元的出射光束经变换透镜后,以不同的入射角投射到光栅上,再经光栅衍射后以相同衍射角合束,最后由耦合镜输出。理想情况下叠加后的光束与每个合束单元光束具有相同的光束质量。输出耦合镜具有部分反馈作用,入射到该镜上的光束按照一定的比例反射至激光器单元,反馈回每个单元的波长略有差异,因此每个单元以不同的波长运转。TeraDiode公司在该合束技术领域一直处于先进水平,2014-2016年他们用这种合束方式实现了世界上第一个亮度和光束质量可以与光纤激光器、固体激光器相提并论的超高亮度千瓦级光纤耦合输出半导体激光系统,在180 A电流下得到功率为4 kW、电光效率为44%、光束质量约为5 mm·mrad的激光输出^[37]。

图 4. TeraDiode公司波长合束结构示意图

Fig. 4. Schematic of wavelength beam combining structure of TeraDiode company

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该合束结构中的衍射光栅同时作为波长选择元件和合束元件,存在严重的互锁问题。互锁是同时进行波长锁定和复用的外腔结构的寄生效应,是指从一个发光点反馈回腔面的光会对另一个发光点产生干扰,这种光反馈会导致额外的纵模并大大降低复用效率。

为进一步提高输出功率和转换效率,TeraDiode公司还提出了一种无输出耦合镜的外腔波长合束结构,如图5所示^[37-38]。传统多波长光束组合(WBC)结构利用输出耦合镜反射一部分输出光,并将该输出光作为反馈来对发光单元进行波长锁定,在无输出耦合镜外腔结构中,利用两个0°全反镜将衍射光栅透射光的一部分反馈回发光单元进行波长锁定,另一部分反射到输出光路作为输出,进而提高合束效率,获得了大于51%的电光效率,但该公司并未给出合束的波长间隔。

图 5. 无输出耦合镜的外腔波长合束结构示意图

Fig. 5. Structural diagram of coupler-free resonator wavelength beam combining

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3.2 基于体布拉格光栅的波分复用合束技术

在通信系统中,波分复用合束技术以不同波长加载不同信息,以提高信息容量。半导体激光器波分复用以实现高功率、高亮度、高光束质量激光输出为目的。德国夫朗和费实验室的Hengesbach等^[27]对此进行了深入研究,并于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器阵列条,每个阵列条的光谱线宽小于120 pm,用峰值衍射效率为99%的透射式VBG进行波分复用合束,如图6所示。图6中①代表宽面发射半导体激光光源和快慢轴准直镜的输入孔,②③⑤代表绝缘反射镜,④代表高衍射效率VBG,⑥代表快慢轴聚焦镜和耦合输出镜的输出孔。5个阵列条使用4个光谱特性完全相同的VBG,每一路光经反射镜反射后以各自特定的布拉格角投射到VBG上并发生反射性衍射,在下一个VBG上发生透射并与下一路光叠加合束。当电流为120 A时可得到功率大于200 W、亮度大于70 GW·cm^-2·sr^-1的激光输出,质量因子约为45,复用效率为85%。

实验系统的5路合束光束波长分别为973.0,974.5,976.0,977.5,979.0 nm,各光路间噪声较低且不存在互锁问题。该系统的波长间隔为1.5 nm,与平面衍射光栅合束效果相比,间隔较大。VBG波长选择特性存在较大旁瓣,使得用VBG作为复用元件的波分复用技术的波长间隔进一步减小受到限制。切趾VBG是一种抑制了旁瓣的光栅^[39],这种光栅能够将合束光谱亮度提高5~10倍,基于VBG的密集波分复用的波长间隔也可减小到1.5 nm以下^[40]。

图 6. 高功率密集波分复用实验装置示意图

Fig. 6. Diagram of high power dense wavelength division multiplexing setup

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以上密集波分复用技术是基于VBG波长锁定的宽面发射半导体激光器,这种激光器本身的光束质量比较差,且能量损耗随着每个单元光路中衍射元件数目的增加而增大,所以总复用效率较低。提高输入光束的光束质量或减小衍射角有望将复用效率进一步提高到90%以上,新型的发光点设计能够在不进行光束转换的情况下实现较小的光参数积^[41]。Hengesbach等^[24]于2013年提出了一种基于DFB短阵列条的密集波分复用结构,如图7所示。合束装置由啁啾DFB短阵列条、快轴准直镜、慢轴准直镜、伽利略望远镜扩束系统、合束元件和光纤耦合输出模块组成,其中扩束系统既可以是U-SDDG也可以是VBG。阵列条中的每一个发光单元以各自特定的波长运转,光束经过准直和扩束后以特定的衍射角入射到合束元件上,经衍射在下一个合束元件上与下一路光进行合束,以此类推完成多波长合束。

图 7. 啁啾DFB短阵列条WDM合束光路

Fig. 7. Optical path of chirped DFB mini-bar WDM beam combining

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Witte等^[21,41]使用新型DFB窄条宽区短阵列条对图7所示的合束结构进行进一步研究,采用直径为35 μm、数值孔径为 0.2的光纤进行耦合,获得了10 W的功率输出,并提出了对高功率啁啾半导体激光阵列条进行波分复用的概念,复用效率高达97%;但该课题组在2015年的实验中得到的复用效率只有65%^[41],效率下降的原因主要有两个方面:1) 滤波器边缘散射和准直效果不佳;2) 滤波器本身是一种偏振敏感元件,而这种新型窄条宽区半导体激光器芯片的光束偏振度较低,造成了极大的能量损耗。因此发展性能更优的滤波器是提高复合效率的一个亟待解决的问题。如果进行更好地准直,并在快轴方向再叠加一个阵列条,则有望获得30 W的功率输出。此外,啁啾DFB阵列条发光单元间的波长间隔为2.5 nm左右,合束波长间隔的进一步减小受到芯片内部光栅布拉格波长温漂和滤波器容差的限制。

2016年Witte等^[21]提出了两种小型化的光学设计结构,如图8所示,这两种结构能够有效消除滤波器边缘衍射产生的损耗。

图 8. 两种降低滤波器边缘散射损耗的结构。(a)单个滤波片结构;(b)双通道结构

Fig. 8. Two structures for reducing scattering loss at the edge of filters. (a) Single filter structure; (b) dual-channel structure

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3.3 基于多种器件的波分复用合束技术

基于多种器件是指波分锁定与波长复用合束分别用不同器件来实现。近年来,对低功率宽面发射半导体激光单元进行密集波长合束的技术逐渐发展起来。与传统波长合束技术相比,密集波长合束技术要求更窄的合束单元线宽和更窄的波长间隔,能够在相同的带宽中容纳更多不同的波长。在光束质量恒定的情况下,功率和亮度更高。

2014年美国Trumpf Laser公司使用TFF与宽发射面半导体激光阵列条构成外腔,并进行波长锁定,接着用一个透射式衍射光栅进行波长合束,获得了功率为350 W、光束质量小于5 mm·mrad的激光输出,并将输出光耦合进包层直径为100 μm、数值孔径为0.12的光纤,结构如图9所示^[42]。图中f_T为傅里叶变换柱透镜焦距,f₁为光束准直柱透镜焦距,f₂为望远镜系统中的透镜焦距。如图9(a)所示,将傅里叶变换柱透镜放置在半导体激光器阵列条前,将每个单元发出的同轴光线进行聚焦变换,使其以不同的角度入射到TFF(透射带宽为0.1 nm)上,光束经过TFF波长选择后经柱透镜准直,并由外腔镜输出。由于外腔镜的部分反馈作用,同轴光束按照一定比例反馈到半导体激光阵列条,以进行波长锁定,从而使不同合束单元以不同的波长运转。由外腔镜输出的光再次经过柱透镜变换,如图9(b)所示,以不同的入射角度投射到透射式光栅上,不同角度的光束经过光栅衍射后以相同的衍射角衍射并合束输出。通过采用更高功率的半导体激光器芯片、改善冷却方式并进行后续空间合束和偏振合束等,有望获得功率大于4 kW、光束质量小于5 mm·mrad的激光输出。

图 9. (a)新型TFF外腔结构示意图;(b)透射光栅合束结构示意图

Fig. 9. (a) Structural diagram of novel TFF external cavity; (b) structural diagram of transmission grating beam combining

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在波分复用合束中,将光栅置于外腔中同时进行波长锁定和复用发光,单元间的互锁会严重降低合束后的光束质量。这种基于TFF外腔和透射光栅合束的结构,避免了发光点的互锁,从而得到较高的光束质量。此外,TFF色散效果较强,使用短焦距柱透镜就能得到约0.2 nm的窄波长间隔,合束后的光谱宽度为35 nm。

2015年,美国Trumpf Laser公司在前面工作的基础上,采用透射带宽更窄的TFF,用波长锁定与合束分开进行的方式将功率提高到500 W,结构如图10所示^[43]。图中f_TL为前傅里叶变换柱透镜焦距,f_FB为后变换柱透镜焦距,θ₀为TFF法线方向与光轴的夹角,β_n,k为不同位置不同起振波长激光单元光束入射到TFF上时与光轴的夹角,f_C1、f_C2分别为望远镜系统中两个柱透镜的焦距,θ_L(λ₀)为中心波长光束入射到光栅时与光栅面的夹角。该结构最大的不同是光束从TFF处耦合到腔外,因此波长锁定的激光器光谱带宽与TFF透射带宽之比决定了耦合输出比。

图 10. (a)改进的TFF外腔结构示意图;(b)透射光栅对波长锁定的扇形散射分光束进行波长合束

Fig. 10. (a) Schematic of improved TFF external cavity structure; (b) wavelength beam combining for wavelength-locked fan scattering split-beam by transmission grating

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TFF和光栅的波长-角度色散特性的精确匹配对合束后光束质量的提高有着很大影响。这种光束经TFF耦合到腔外的结构,能准确反映不同发光单元在整个阵列中的位置信息,使后续合束光栅的匹配更易实现。但实际上,由于TFF和光栅的波长-角度色散特性本身是非线性的,色散匹配只能在某一特定角度上得到满足,剩余的色散不匹配会导致产生远场指向误差,当该远场指向误差角度小于单元光束远场发散角时,其对合束后光束质量下降带来的影响可以忽略。

2015年DILAS Diodenlaser为了提高亮度,采用一种改进的低填充因子(5%)T-Bar(Tailored Bar),用VBG将三个波长分别锁定在972,976,980 nm,每个带宽小于0.5 nm,光谱如图11所示^[44]。用陡直度约为1 nm的陡边绝缘截止滤波器以波长间隔为4 nm进行密集波长合束,结构如图12所示^[44]。合束后在35 A的电流下获得410 W的激光输出,将输出光耦合到包层直径为100 μm、数值孔径为0.2的光纤中,电光效率约为40%。通过优化光学元件,系统的电光效率可以提高到45%,功率达到500 W,利用该系统进行偏振合束和稀疏波长合束,能够在光束质量保持10 mm·mrad不变的情况下将功率提高到数千瓦。

图 11. 波长锁定光谱图

Fig. 11. Wavelength-locked spectra

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图 12. 密集波长合束结构示意图

Fig. 12. Diagram of dense wavelength beam combining

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2013年德国DirectPhotonics 公司利用标准宽面发射半导体激光器单管(功率为12 W),先进行快轴方向空间堆叠,再用VBG将4个合束单元波长分别锁定在939,943,947,951 nm,每个线宽为0.7 nm,之后用TFF以4 nm的波长间隔进行密集波长合束,获得功率为450 W、光束质量为7.5 mm·mrad的激光输出,继续使用稀疏波长合束,可获得2~4 kW的功率^[7]。

国内关于半导体激光器波分复用合束技术的研究起步较晚。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所提出了基于透射式光栅的外腔波分复用合束技术^[45],2013年该实验组实现了中心波长为970 nm的单个半导体激光阵列条的光谱合束,合束光束慢轴质量因子为10.9,光电效率为45%。同年研制出了中心波长为970 nm、含三个激光阵列条的光栅外腔反馈光谱合束半导体激光光源,实现了连续激光功率为140.6 W、光束质量为4.367 mm·mrad的激光输出^[12-13]。

自2008年起,中国工程物理研究院应用电子研究所开展了光栅外腔光谱合束的研究^[15-17]。该课题组于2015年基于衍射光栅外腔结构,提出了用柱透镜代替部分反射镜作为耦合输出元件的方法,利用柱透镜对光栅衍射光束进行二次准直,以消除相邻发光点间的互锁,对包含3个短阵列条的激光叠阵进行光谱合成, 在75 A电流下获得159 W的功率输出,快慢轴质量因子分别为11.5和10.2^[46];同年,该课题组提出了通过在外腔反馈镜前增加空间滤波装置并切断发光单元间互相耦合锁定模式的增益放大回路来抑制单元间互锁的措施^[47]。实验结果表明,互锁导致的旁瓣效应被完全抑制,合成光光束质量大幅提髙,且合成效率由60%提髙至70%,获得的合成光束的功率为268 W,光束质量优于8 mm·mrad,谱宽约3 nm,综合指标处于国内领先水平。2017年,该课题组使用三个叠阵,结合空间合束和光谱合束, 在70 A电流下获得了579 W的连续输出,快慢轴质量因子分别为18.4和17.4,亮度达到232 MW·cm^-2·s r-148;同年,该课题提出了通过在衍射光栅外腔结构加入5倍缩束系统来减小阵列条上发光点间的距离,以减小合束波长间隔并获得合束光的光谱窄化,实验得到合束的谱宽为2.7 nm,是不加缩束系统的1/5,将该技术与空间合束、 偏振合束、粗谱合束等技术结合,可实现千瓦级半导体激光输出^[49]。2014年北京工业大学将光束整形器件(BTS)引入到外腔反馈波分复用中,减小了Smile效应和慢轴发散角对合束的影响,实现了单个发光单元的反馈锁定^[9-11]。对19个发光单元半导体激光阵列条进行波分复用实验,获得了58.8 W的连续激光输出,光电效率高达51%。合束后的快慢轴质量因子分别为1.3和11.6,光束质量等同于单个发光单元的光束质量。另外,四川大学^[14,50]和安庆师范大学^[51-52]也进行了相关技术的探索研究。

国内外有很多关于波分复用合束技术的研究,但大都处于实验室研究阶段,没有相应产品。美国TeraDiode公司在2012年推出了基于波分复用合束技术的2 kW直接半导体激光光源^[8],并展示了4,6,8 kW高亮度尾纤输出光源产品^[32-33]。

4 总结

半导体激光器波分复用合束技术中,输出功率和亮度与加入光束中的合束单元数目呈正相关,其优势在于容易通过波长实现对光的控制。波分复用合束技术能使半导体激光直接用于新的领域,如铜焊、切割及其他精密应用。

直接半导体激光器将在功率和光束质量方面获得进一步提高。一方面,具有高光束质量的单元器件不断发展,如锥形半导体激光器、板条耦合光波导激光器、模式控制半导体激光器等;另一方面,波长锁定和光束整形合束技术的水平不断提高。因此,多种合束方法相结合的组合式合束技术将为半导体激光器输出功率和光束质量的提高提供新思路。