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    高功率和高光束質(zhì)量是材料加工用激光器的兩個(gè)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(gè)或幾十個(gè)單管激光器芯片集成封裝、形成激光器巴條，將多個(gè)巴條堆疊起來(lái)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(zhù)半導體激光器條數的增加，其光束質(zhì)量將會(huì )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(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(shí)現高質(zhì)量、寬范圍的激光加工，激光器必須同時(shí)滿(mǎn)足高功率和高光束質(zhì)量。因此，現在發(fā)達國家均將研究開(kāi)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(gè)重要研究方向，以滿(mǎn)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(cháng)技術(shù)、半導體激光芯片的封裝和光學(xué)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(cháng)技術(shù)

　　大功率半導體激光器的發(fā)展與其外延芯片結構的研究設計緊密相關(guān)。近年來(lái)，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，應變量子阱結構的采用，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(cháng)覆蓋范圍。其次，采用無(wú)鋁有源區提高了激光芯片端面光學(xué)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構增加了光束近場(chǎng)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(cháng)了器件壽命。目前，商品化的半導體激光芯片的電光轉換效率已達到60%，實(shí)驗室中的電光轉換效率已超過(guò)70%，預計在不久的將來(lái)，半導體激光器芯片的電光轉換效率能達到85%以上。

　　2.半導體激光芯片的封裝和光學(xué)準直

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

　　半導體激光器的特殊結構導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(cháng)距離傳輸以便于后續光學(xué)處理，需要對光束進(jìn)行準直。由于半導體激光器發(fā)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(gè)發(fā)光單元的微柱透鏡。經(jīng)過(guò)快慢軸準直后，快軸方向的發(fā)散角可以達到8mrad，慢軸方向的發(fā)散角可以達到30mrad。

　　3.半導體激光光束整形技術(shù)

　　國際上普遍采用光參數乘積來(lái)描述半導體激光器的光束質(zhì)量，光參數乘積定義為某個(gè)方向上的光斑半徑與該方向上遠場(chǎng)發(fā)散半角的乘積。光參數乘積的大小決定了激光的光束質(zhì)量，光參數乘積越小，光束質(zhì)量越好。因為半導體激光器結構的特殊性決定了其快、慢軸光束質(zhì)量不一致，差別較大，為了得到空間上均勻的光束分布，需要對半導體激光器的光束進(jìn)行整形，即將快、慢軸的光參數乘積均勻化。國際上多采用光束分割重排的方法進(jìn)行光束整形，即先將慢軸的光束進(jìn)行分割，然后旋轉重排，減小慢軸方向的光斑尺寸，增加快軸方向的光斑尺寸，從而實(shí)現快、慢軸光參數乘積的均勻化。目前已經(jīng)報道的快、慢軸光參數乘積均勻化的光束整形方法主要有：光纖束整形法、反射整形法、折射整形法、折反射整形法等。

　　4.半導體激光器集成技術(shù)

　　利用多光束的空間耦合、偏振耦合、波長(cháng)耦合等合束技術(shù)以及光束整形技術(shù)，在增加半導體激光器輸出功率的同時(shí)得到高光束質(zhì)量的激光光束。目前，國外許多公司和研究所采用將多種耦合技術(shù)相結合的方法，都已實(shí)現了千瓦級的功率輸出。德國Laserline公司商品化的直接輸出半導體激光器，其輸出功率可達10kW，光斑尺寸0.6mm×3mm，光束質(zhì)量60×300 mm•mrad，功率密度550kW/cm2；該公司的光纖耦合輸出半導體激光器已達到光纖末端連續輸出功率10kW，光纖直徑1mm，數值孔徑NA=0.2，光束質(zhì)量100mm•mrad，功率密度1MW/cm2。