激光材料加工、信息與通信、醫(yī)療保健與生命科學以及國防是世界范圍內(nèi)激光技術(shù)的四個最主要的應用領(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)濟影響最大的激光技術(shù)應用領(lǐng)域。激光材料加工技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應用的廣泛程度，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體激光器為基礎(chǔ)的直接半導體激光器和光纖激光器的方向發(fā)展。在材料加工應用中，以大功率半導體激光器為基礎(chǔ)的直接半導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，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體激光器的發(fā)展現(xiàn)狀，以及目前提高半導體激光器輸出功率和改善光束質(zhì)量的方法和最新進展，同時介紹大功率半導體激光器在材料加工中的應用現(xiàn)狀、分析展望大功率半導體激光器的發(fā)展趨勢。

圖1：半導體激光器多光束合成技術(shù)示意圖

工業(yè)用大功率半導體激光器發(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到千瓦級甚至更高。但是隨著半導體激光器條數(shù)的增加，其光束質(zhì)量將會下降。另外，半導體激光器結(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，這使得半導體激光器在工業(yè)應用中受到了很大的限制。要實現(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用的需求。
 

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

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

　  （1） 半導體激光芯片外延生長技術(shù)

  　大功率半導體激光器的發(fā)展與其外延芯片結(jié)構(gòu)的研究設計緊密相關(guān)。近年來，美、德等國家在此方面投入巨大，并取得了重大進展，處于世界領(lǐng)先地位。首先，應變量子阱結(jié)構(gòu)的采用，提高了大功率半導體激光器的光電性能，降低了器件的閾值電流密度，并擴展了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災變損傷光功率密度，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，商品化的半導體激光芯片的電光轉(zhuǎn)換效率已達到60%，實驗室中的電光轉(zhuǎn)換效率已超過70%，預計在不久的將來，半導體激光器芯片的電光轉(zhuǎn)換效率能達到85%以上。