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    高功率和高光束質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的增加，其光束質量將會下降。另外，半導體激光器結構的特殊性決定了其快、慢軸光束質量不一致：快軸的光束質量接近衍射極限，而慢軸的光束質量卻比較差，這使得半導體激光器在工業應用中受到了很大的限制。要實現高質量、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量。因此，現在發達國家均將研究開發新型高功率、高光束質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。

　　大功率(lv)半(ban)導體激(ji)(ji)光器(qi)的關鍵技(ji)術包括半(ban)導體激(ji)(ji)光芯(xin)片外延(yan)生長(chang)技(ji)術、半(ban)導體激(ji)(ji)光芯(xin)片的封裝和光學準直、激(ji)(ji)光光束整形技(ji)術和激(ji)(ji)光器(qi)集成技(ji)術。

　　1.半(ban)導體激(ji)光芯片外延生長技術

　　大(da)(da)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)激光(guang)(guang)(guang)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)發展(zhan)與其外延(yan)芯(xin)片(pian)結(jie)(jie)構的(de)(de)(de)(de)(de)(de)研究設計(ji)緊(jin)密相關(guan)。近(jin)年來，美、德(de)等國家(jia)在此方面投入巨大(da)(da)，并(bing)取(qu)得了(le)(le)(le)重(zhong)大(da)(da)進展(zhan)，處于(yu)世(shi)界領先(xian)地(di)位。首先(xian)，應變量(liang)子阱結(jie)(jie)構的(de)(de)(de)(de)(de)(de)采用(yong)，提高(gao)(gao)了(le)(le)(le)大(da)(da)功(gong)率(lv)半(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)激光(guang)(guang)(guang)器(qi)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)電性能，降低(di)了(le)(le)(le)器(qi)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)閾值電流密度，并(bing)擴展(zhan)了(le)(le)(le)GaAs基材(cai)料系的(de)(de)(de)(de)(de)(de)發射波長覆(fu)蓋范圍。其次，采用(yong)無鋁(lv)有(you)源區提高(gao)(gao)了(le)(le)(le)激光(guang)(guang)(guang)芯(xin)片(pian)端面光(guang)(guang)(guang)學(xue)災變損傷光(guang)(guang)(guang)功(gong)率(lv)密度，從而提高(gao)(gao)了(le)(le)(le)器(qi)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)輸(shu)(shu)出(chu)功(gong)率(lv)，并(bing)增加了(le)(le)(le)器(qi)件(jian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)使用(yong)壽(shou)(shou)命。再者，采用(yong)寬(kuan)波導(dao)(dao)(dao)大(da)(da)光(guang)(guang)(guang)腔結(jie)(jie)構增加了(le)(le)(le)光(guang)(guang)(guang)束近(jin)場模式的(de)(de)(de)(de)(de)(de)尺寸，減小了(le)(le)(le)輸(shu)(shu)出(chu)光(guang)(guang)(guang)功(gong)率(lv)密度，從而增加了(le)(le)(le)輸(shu)(shu)出(chu)功(gong)率(lv)，并(bing)延(yan)長了(le)(le)(le)器(qi)件(jian)壽(shou)(shou)命。目前，商品化的(de)(de)(de)(de)(de)(de)半(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)激光(guang)(guang)(guang)芯(xin)片(pian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電光(guang)(guang)(guang)轉(zhuan)換(huan)(huan)效(xiao)率(lv)已達(da)到(dao)60%，實驗(yan)室中(zhong)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電光(guang)(guang)(guang)轉(zhuan)換(huan)(huan)效(xiao)率(lv)已超過70%，預計(ji)在不久的(de)(de)(de)(de)(de)(de)將來，半(ban)導(dao)(dao)(dao)體(ti)激光(guang)(guang)(guang)器(qi)芯(xin)片(pian)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)電光(guang)(guang)(guang)轉(zhuan)換(huan)(huan)效(xiao)率(lv)能達(da)到(dao)85%以上(shang)。

　　2.半(ban)導體激(ji)光芯片的封裝和光學(xue)準直(zhi)

　　激(ji)光(guang)芯片的(de)冷卻(que)和(he)封裝(zhuang)(zhuang)是制造(zao)大(da)功率(lv)(lv)半(ban)導(dao)體(ti)激(ji)光(guang)器的(de)重(zhong)要(yao)環節(jie)，由于大(da)功率(lv)(lv)半(ban)導(dao)體(ti)激(ji)光(guang)器的(de)輸出(chu)功率(lv)(lv)高、發光(guang)面積小(xiao)，其工(gong)作時產(chan)生的(de)熱(re)(re)量密度(du)很高，這對芯片的(de)封裝(zhuang)(zhuang)結(jie)構(gou)和(he)工(gong)藝提出(chu)了更(geng)高要(yao)求。目前，國際上多采(cai)用銅(tong)熱(re)(re)沉(chen)、主動冷卻(que)方式(shi)、硬釬焊技術來實現大(da)功率(lv)(lv)半(ban)導(dao)體(ti)激(ji)光(guang)器陣列的(de)封裝(zhuang)(zhuang)，根據封裝(zhuang)(zhuang)結(jie)構(gou)的(de)不同，又可分為微通(tong)道熱(re)(re)沉(chen)封裝(zhuang)(zhuang)和(he)傳導(dao)熱(re)(re)沉(chen)封裝(zhuang)(zhuang)。

　　半導體激光器的特殊結構導致其光束的快軸方向發散角非常大，接近40°，而慢軸方向的發散角只有10°左右。為了使激光長距離傳輸以便于后續光學處理，需要對光束進行準直。由于半導體激光器發光單元尺寸較小，目前，國際上常用的準直方法是微透鏡準直。其中，快軸準直鏡通常為數值孔徑較大的微柱非球面鏡，慢軸準直鏡則是對應于各個發光單元的微柱透鏡。經過快慢軸準直后，快軸方向的發散角可以達到8mrad，慢軸方向的發散角可以達到30mrad。

　　3.半導(dao)體激光光束整形(xing)技術

　　國際上(shang)(shang)(shang)普遍(bian)采(cai)用光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)參(can)數乘(cheng)(cheng)積(ji)(ji)來描述半(ban)導(dao)(dao)體(ti)激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu)質(zhi)量，光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)參(can)數乘(cheng)(cheng)積(ji)(ji)定(ding)(ding)義為(wei)某(mou)個方(fang)向上(shang)(shang)(shang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)斑半(ban)徑與該方(fang)向上(shang)(shang)(shang)遠場(chang)發散半(ban)角(jiao)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)乘(cheng)(cheng)積(ji)(ji)。光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)參(can)數乘(cheng)(cheng)積(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)大小決定(ding)(ding)了(le)激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu)質(zhi)量，光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)參(can)數乘(cheng)(cheng)積(ji)(ji)越小，光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu)質(zhi)量越好。因為(wei)半(ban)導(dao)(dao)體(ti)激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器結構(gou)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)特殊性決定(ding)(ding)了(le)其快、慢(man)軸光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu)質(zhi)量不一(yi)致(zhi)，差(cha)別較大，為(wei)了(le)得到空間(jian)上(shang)(shang)(shang)均勻(yun)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu)分布，需要(yao)對半(ban)導(dao)(dao)體(ti)激光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)器的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu)進行整(zheng)(zheng)(zheng)形，即將快、慢(man)軸的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)參(can)數乘(cheng)(cheng)積(ji)(ji)均勻(yun)化(hua)。國際上(shang)(shang)(shang)多采(cai)用光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu)分割(ge)重排(pai)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)方(fang)法進行光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu)整(zheng)(zheng)(zheng)形，即先將慢(man)軸的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu)進行分割(ge)，然后旋轉重排(pai)，減小慢(man)軸方(fang)向的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)斑尺寸(cun)，增加快軸方(fang)向的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)斑尺寸(cun)，從(cong)而實現快、慢(man)軸光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)參(can)數乘(cheng)(cheng)積(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)均勻(yun)化(hua)。目前已經報道的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)快、慢(man)軸光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)參(can)數乘(cheng)(cheng)積(ji)(ji)均勻(yun)化(hua)的(de)(de)(de)(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)束(shu)(shu)(shu)整(zheng)(zheng)(zheng)形方(fang)法主要(yao)有：光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖束(shu)(shu)(shu)整(zheng)(zheng)(zheng)形法、反射整(zheng)(zheng)(zheng)形法、折(zhe)射整(zheng)(zheng)(zheng)形法、折(zhe)反射整(zheng)(zheng)(zheng)形法等。

　　4.半導體激(ji)光器集(ji)成技術

　　利用(yong)多光(guang)束(shu)的(de)空間耦合、偏振耦合、波(bo)長耦合等合束(shu)技術以及光(guang)束(shu)整形技術，在(zai)增(zeng)加半導體(ti)激(ji)光(guang)器輸出(chu)(chu)功(gong)率(lv)(lv)的(de)同時得到高(gao)光(guang)束(shu)質(zhi)量(liang)的(de)激(ji)光(guang)光(guang)束(shu)。目前，國外許多公司和研究所采用(yong)將多種(zhong)耦合技術相結(jie)合的(de)方法，都已(yi)實現了(le)千(qian)瓦(wa)級的(de)功(gong)率(lv)(lv)輸出(chu)(chu)。德國Laserline公司商品(pin)化的(de)直(zhi)接輸出(chu)(chu)半導體(ti)激(ji)光(guang)器，其輸出(chu)(chu)功(gong)率(lv)(lv)可達10kW，光(guang)斑尺寸0.6mm×3mm，光(guang)束(shu)質(zhi)量(liang)60×300 mm•mrad，功(gong)率(lv)(lv)密度(du)550kW/cm2；該公司的(de)光(guang)纖(xian)耦合輸出(chu)(chu)半導體(ti)激(ji)光(guang)器已(yi)達到光(guang)纖(xian)末端連續輸出(chu)(chu)功(gong)率(lv)(lv)10kW，光(guang)纖(xian)直(zhi)徑(jing)1mm，數(shu)值(zhi)孔徑(jing)NA=0.2，光(guang)束(shu)質(zhi)量(liang)100mm•mrad，功(gong)率(lv)(lv)密度(du)1MW/cm2。