长光所打破垄断：半导体激光器历程回顾及发展现状

　　具有电光转换效率高、寿命长、体积小等优点。高光束质量半导体激光切割光源系列产品突破了半导体激光光束整形、光纤耦合、可靠性处理等关键技术，可以进行汽车钣金切割、石油管道切割等应用。

　　国外早在20世纪90年代初就开始此项研究，已经取得很大进展。国内起步相对较晚，但是发展很快，主要研究单位包括中科院半导体所、上海光机所、长春光机所、清华大学、中电集团十三所、中科院光电技术研究所和西安电子科技大学等。

　　中科院半导体所等单位采用的是光纤耦合技术进行光束整形。先用一根光纤柱透镜进行快轴压缩，然后进入与发光区相对应的严格周期分布的光纤排，最后把输出的多根光纤捆成一束。这种方法可以简便地实现LD线阵输出光场的对称化，且光束经过一段距离的光纤传输后在输出截面上的强度得到均匀化，传输过程中的光能损失也很小，缺点是输出光纤芯径粗，亮度不高。

　　2001年，吉林大学和长春光学精密机械学院用这种方法对10单元线阵半导体激光器条进行了光纤耦合实验，耦合效率为75％。2003年，中科院半导体所利用这种技术实现了60 W 的大功率输出，耦合效率为82％ ，输出光纤为1．5 mm，数值孔径为0．11，现已实现小批量生产。

　　中科院光电技术研究所采用微柱透镜快轴准直并引起光束微偏转、消色差的双胶合透镜偏转光束、闪耀光栅阵列反偏并校正光束的方法进行光束整形，整形效果较好，得到了快慢轴方向比较均衡的光束质量，并能耦合进芯径200 mm、数值孔径0．22的光纤，但是整个系统由折射和衍射器件共同构成，结构复杂，耦合效率不高。

　　清华大学采用等腰直角棱镜组方法，整形系统由两套错位紧密排列的等腰直角棱镜组组合而成。对808 nm输出功率40 w 的半导体激光器列阵进行了光束整形，整形系统的功率效率为90％。整形前的慢轴、快轴光束质量参数比值为2 499，整形后为0．77。

　　武汉凌云科技光电有限责任公司采用折射整形法，在被整形线阵半导体激光器传播方向上依次放置两组互相垂直的、分别由M 片光学玻璃板片紧密排列构成的折射棱镜堆，进行光束的重排，实现快慢轴方向光束质量均匀化。目前该公司可以提供30 W、400 m的耦合输出系统。

　　中科院上海光学精密机械研究所采用折反射整形法，利用一组绕自身底棱旋转45的微片棱镜堆，使得线阵半导体激光器发出的光在慢轴方向被N个微棱镜切割成N段，每一段光束在对应的微棱镜中经过几次内全反射后偏转90，实现了慢轴光束在快轴方向的重排。利用此技术，实现了600 mm 光纤输出，系统的总效率达到52％ 。

　　中电集团十三所采用偏振复合技术，首先两个线阵半导体激光器分别进行快轴准直和光束整形变换，将其中一路光束利用半波片改变其偏振态，使其与另一路光束偏振度正交，这样再经过偏振合束器，两路光就整合到一路，且光束质量不变，达到提高光亮度的目的。利用此技术，实现了两个808 nm线阵半导体激光器耦合进芯径400 m，数值孔径0．22的石英光纤，整个系统耦合效率为60％ ，功率密度48000 W／cm2 。

　　中国科学院半导体研究所早在2002年就报道了通过光纤排耦合进行光束整形的技术。半导体激光器线列阵的输出光束首先用多模光纤进行快轴压缩，然后一对一的耦合进精密排列的光纤列阵中，最后在输出端捆成一束，实现了l5 w 的激光输出，耦合效率为75％。该方法结构简单、耦合效率高、成本低、调节简单、利于产品化生产。2003年研制成功了一对线 w 功率光纤耦合输出器件，总耦合效率82％ ，出光口径为1．5 mm，数值孔径0．1l。2004年5月又实现了单条线 W 功率光纤耦合输出，出光口径为1．07 mm，数值孔径0．1l。光电子器件国家工程中心的光纤排耦合整形器件已实现小批量生产。

　　随着半导体材料外延生长技术、半导体激光波导结构优化技术、腔面钝化技术、高稳定性封装技术、高效散热技术水平的不断提高，半导体激光器功率及光束质量飞速发展，促进了直接工业用半导体激光加工系统和高功率光纤激光器的发展。目前国际上直接工业用大功率半导体激光器在输出功率5000 W级别已超过灯抽运固体激光器的光束质量，在1000 W级别已超过全固态激光器的光束质量。随着化合物半导体技术的进步，工业用大功率半导体激光器的输出功率和光束质量将进一步提高，将进一步扩展其工业应用范围。在高功率光纤激光器抽运源方面，光纤耦合输出的功率不断上升，光纤芯径和数值孔径不断降低，导致光纤激光器的抽运亮度不断提高，同时成本却不断下降，因此未来高功率光纤激光器的输出功率与光束质量也将不断地提高。可以预计，在未来工业激光加工中，特别是在金属激光加工领域，大功率半导体激光器主要应用在激光表面处理、激光熔覆和近距离激光焊接领域，而大功率光纤激光器主要应用在光束质量要求更高的激光切割和远程激光焊接领域。