半导体激光器在固体激光器泵浦、显示和材料处理等许多应用中起着重要作用。对半导体激光器输出光束进行合束,常用的合束方法有空间合束、偏振合束和光谱合束。其中只有光谱合束(Spectral Beam Combination,SBC)能够在保持输出光束与单个发光单元光束质量相当的情况下,将亮度提高数倍,因而逐渐成为研究热点,并取得了一些较大突破。近年来,Teradiode公司利用光谱光束合成技术使的半导体激光器输出功率达到了数千瓦级。本论文主要围绕半导体激光器的波分复用合束技术之一——光谱合束展开研究。设计了无输出耦合镜光栅外腔光谱合束的研究方案,研制了高功率、高光束质量、高亮度的光谱合束直接输出半导体激光光源。具体工作内容如下:1)梳理了近几年来国内外半导体激光器光谱合束技术发展的最新重大成果和在发展高功率高亮度直接应用半导体激光光源方面极具有潜力的波分复用合束技术。将半导体激光器的波长合束、光谱合束(密集光谱合术和粗谱合束)、波分复用统一为波分复用合束技术,总结了半导体激光器波分复用合束技术中所用的波长锁定和复用元件的发展现状,总结了目前已经商业化的光谱合束直接输出光源。2)以提高光谱合束输出功率、合束效率和光束质量为目的,分析了输出耦合镜光栅外腔光谱合束结构,设计了无输出耦合镜外腔光栅光谱合束结构,对该结构的反馈光束和输出光束组成进行了分析阐述,并得到了其等效外腔结构。3)分析了半导体激光器外腔波长锁定的原理及过程,并就光栅外腔光谱合束中,外腔结构参数与外腔反馈耦合带宽进行了简要分析,分析了外腔耦合带宽与半导体激光器波长锁定后残余线宽的关系。4)分析了光栅光谱合束的原理,根据光栅色散特性,以光栅刻线1600条/mm,光栅Littrow角aLittrow=51.33°@976nm为例,建立了光栅的波长-角度对应系统。根据所建立的波长-角度对应系统,分析了光栅外腔结构里半导体激光器阵列条上发光单元间隔、变换柱透镜焦距、光栅周期和光栅Littrow角等参数对合束输出光谱的谱峰间隔、输出谱宽等的影响。分析了导致光栅外腔光谱合束输出光束质量劣化的主要原因—残余光谱线宽、发光点间串扰和阵列条“smile”效应。5)进行了所用的波长976nm、9个发光点半导体激光短阵列条的测试,并进行了单阵列条无输出耦合镜光谱合束验证实验。实现了 70A工作电流下40.8W的输出功率,验证了无输出耦合镜光栅外腔结构的可行性。6)基于单阵列条的验证实验,设计了 6个阵列条快轴方向堆栈成叠阵,两叠阵进行空间合束之后进行光谱合束的高功率直接输出半导体激光光源的研制方案,研制了一套输出功率578W,电光效率46.5%,快轴和慢轴光束质量分别为BPPFA=7.35mm·mrad、BPPSA=6.03mm mrad(包含95%能量),空间亮度为132.14MW/(cm2· sr),光谱亮度为12.88MW/(cm2·sr·nm)的直接输出光源。