激光材料加工、信息與通信、醫(yī)療保健與生命科學(xué)以及國防是世界范圍內(nèi)激光技術(shù)的四個最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，其中激光材料加工所占比例最大，同時也是發(fā)展最快、對一個國家國民經(jīng)濟(jì)影響最大的激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。激光材料加工技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的廣泛程度，已經(jīng)成為衡量一個國家工業(yè)水平高低的重要標(biāo)志。

　  激光材料加工用大功率激光器經(jīng)歷了大功率CO2激光器、大功率固體YAG激光器后，目前正在朝著以半導(dǎo)體激光器為基礎(chǔ)的直接半導(dǎo)體激光器和光纖激光器的方向發(fā)展。在材料加工應(yīng)用中，以大功率半導(dǎo)體激光器為基礎(chǔ)的直接半導(dǎo)體激光器和光纖激光器，不僅具備以往其他激光器的優(yōu)勢，而且還克服了其他激光器效率低、體積大等缺點(diǎn)，將會在材料加工領(lǐng)域帶來一場新的技術(shù)革命，就如同上世紀(jì)中葉晶體管取代電子管、為微電子技術(shù)帶來的革命一樣。因此，直接半導(dǎo)體激光器和光纖激光器是未來材料加工用激光器的發(fā)展方向之一。

　  下面將介紹近年來大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展現(xiàn)狀，以及目前提高半導(dǎo)體激光器輸出功率和改善光束質(zhì)量的方法和最新進(jìn)展，同時介紹大功率半導(dǎo)體激光器在材料加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀、分析展望大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展趨勢。

圖1：半導(dǎo)體激光器多光束合成技術(shù)示意圖

工業(yè)用大功率半導(dǎo)體激光器發(fā)展現(xiàn)狀
　　
      高功率和高光束質(zhì)量是材料加工用激光器的兩個基本要求。為了提高大功率半導(dǎo)體激光器的輸出功率，可以將十幾個或幾十個單管激光器芯片集成封裝、形成激光器巴條，將多個巴條堆疊起來可形成激光器二維疊陣，激光器疊陣的光功率可以達(dá)到千瓦級甚至更高。但是隨著半導(dǎo)體激光器條數(shù)的增加，其光束質(zhì)量將會下降。另外，半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)的特殊性決定了其快、慢軸光束質(zhì)量不一致：快軸的光束質(zhì)量接近衍射極限，而慢軸的光束質(zhì)量卻比較差，這使得半導(dǎo)體激光器在工業(yè)應(yīng)用中受到了很大的限制。要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、寬范圍的激光加工，激光器必須同時滿足高功率和高光束質(zhì)量。因此，現(xiàn)在發(fā)達(dá)國家均將研究開發(fā)新型高功率、高光束質(zhì)量的大功率半導(dǎo)體激光器作為一個重要研究方向，以滿足要求更高激光功率密度的激光材料加工應(yīng)用的需求。
 

圖2：大功率半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量與輸出功率之間的關(guān)系以及目前的應(yīng)用領(lǐng)域。

      大功率半導(dǎo)體激光器的關(guān)鍵技術(shù)包括半導(dǎo)體激光芯片外延生長技術(shù)、半導(dǎo)體激光芯片的封裝和光學(xué)準(zhǔn)直、激光光束整形技術(shù)和激光器集成技術(shù)。

　  （1） 半導(dǎo)體激光芯片外延生長技術(shù)

  　大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展與其外延芯片結(jié)構(gòu)的研究設(shè)計(jì)緊密相關(guān)。近年來，美、德等國家在此方面投入巨大，并取得了重大進(jìn)展，處于世界領(lǐng)先地位。首先，應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的采用，提高了大功率半導(dǎo)體激光器的光電性能，降低了器件的閾值電流密度，并擴(kuò)展了GaAs基材料系的發(fā)射波長覆蓋范圍。其次，采用無鋁有源區(qū)提高了激光芯片端面光學(xué)災(zāi)變損傷光功率密度，從而提高了器件的輸出功率，并增加了器件的使用壽命。再者，采用寬波導(dǎo)大光腔結(jié)構(gòu)增加了光束近場模式的尺寸，減小了輸出光功率密度，從而增加了輸出功率，并延長了器件壽命。目前，商品化的半導(dǎo)體激光芯片的電光轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到60%，實(shí)驗(yàn)室中的電光轉(zhuǎn)換效率已超過70%，預(yù)計(jì)在不久的將來，半導(dǎo)體激光器芯片的電光轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到85%以上。

　  （2）半導(dǎo)體激光芯片的封裝和光學(xué)準(zhǔn)直

　  激光芯片的冷卻和封裝是制造大功率半導(dǎo)體激光器的重要環(huán)節(jié)，由于大功率半導(dǎo)體激光器的輸出功率高、發(fā)光面積小，其工作時產(chǎn)生的熱量密度很高，這對芯片的封裝結(jié)構(gòu)和工藝提出了更高要求。目前，國際上多采用銅熱沉、主動冷卻方式、硬釬焊技術(shù)來實(shí)現(xiàn)大功率半導(dǎo)體激光器陣列的封裝，根據(jù)封裝結(jié)構(gòu)的不同，又可分為微通道熱沉封裝和傳導(dǎo)熱沉封裝。

圖3：半導(dǎo)體激光金屬焊接在汽車工業(yè)中的應(yīng)用。

表1：不同激光熔覆方法的比較。

      半導(dǎo)體激光器的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)致其光束的快軸方向發(fā)散角非常大，接近40°，而慢軸方向的發(fā)散角只有10°左右。為了使激光長距離傳輸以便于后續(xù)光學(xué)處理，需要對光束進(jìn)行準(zhǔn)直。由于半導(dǎo)體激光器發(fā)光單元尺寸較小，目前，國際上常用的準(zhǔn)直方法是微透鏡準(zhǔn)直。其中，快軸準(zhǔn)直鏡通常為數(shù)值孔徑較大的微柱非球面鏡，慢軸準(zhǔn)直鏡則是對應(yīng)于各個發(fā)光單元的微柱透鏡。經(jīng)過快慢軸準(zhǔn)直后，快軸方向的發(fā)散角可以達(dá)到8mrad，慢軸方向的發(fā)散角可以達(dá)到30mrad。