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)激光技術的四個最主要的應用領域，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應用領域。激光材料加工技術在工業(yè)領域應用的廣泛程度，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，將會在材料加工領域帶來一場新的技術革命，就如同上世紀中葉晶體管取代電子管、為微電子技術帶來的革命一樣。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。
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。
大功率半導體激光器的關鍵技術包括半導體激光芯片外延生長技術、半導體激光芯片的封裝和光學準直、激光光束整形技術和激光器集成技術。
（1） 半導體激光芯片外延生長技術
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。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。
（2）半導體激光芯片的封裝和光學準直
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(jié)，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、硬釬焊技術來實現(xiàn)大功率半導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熱沉封裝。半導體激光器的特殊結(jié)構(gòu)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。為了使激光長距離傳輸以便于后續(xù)光學處理，需要對光束進行準直。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(shù)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(fā)光單元的微柱透鏡。經(jīng)過快慢軸準直后，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
國際上普遍采用光參數(shù)乘積來描述半導體激光器的光束質(zhì)量，光參數(shù)乘積定義為某個方向上的光斑半徑與該方向上遠場發(fā)散半角的乘積。光參數(shù)乘積的大小決定了激光的光束質(zhì)量，光參數(shù)乘積越小，光束質(zhì)量越好。因為半導體激光器結(jié)構(gòu)的特殊性決定了其快、慢軸光束質(zhì)量不一致，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行整形，即將快、慢軸的光參數(shù)乘積均勻化。國際上多采用光束分割重排的方法進行光束整形，即先將慢軸的光束進行分割，然后旋轉(zhuǎn)重排，減小慢軸方向的光斑尺寸，增加快軸方向的光斑尺寸，從而實現(xiàn)快、慢軸光參數(shù)乘積的均勻化。目前已經(jīng)報道的快、慢軸光參數(shù)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
利用多光束的空間耦合、偏振耦合、波長耦合等合束技術以及光束整形技術，在增加半導體激光器輸出功率的同時得到高光束質(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相結(jié)合的方法，都已實現(xiàn)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(xù)輸出功率10kW，光纖直徑1mm，數(shù)值孔徑NA=0.2，光束質(zhì)量100mm?mrad，功率密度1MW/cm2。隨著半導體芯片技術和光學技術的發(fā)展，半導體激光器的輸出功率不斷提高，制約其工業(yè)應用的光束質(zhì)量差的問題也得到了有效改善。目前，工業(yè)用大功率半導體激光器的輸出功率和光束質(zhì)量均已超過了燈泵浦YAG激光器，并已接近半導體泵浦YAG激光器。半導體激光器已經(jīng)逐漸應用于塑料焊接、熔覆與合金化、表面熱處理、金屬焊接等方面，并且也在打標、切割等方面取得了一些應用進展。
（1）激光塑料焊接
半導體激光器的光束為平頂波光束，橫截面光強空間分布比較均勻。與YAG激光器的光束相比，半導體激光器的光束在塑料焊接應用中，可以獲得較好的焊縫一致性和焊接質(zhì)量，并且能進行寬縫焊接。塑料焊接應用對半導體激光器的功率要求不高，一般為50～700W，光束質(zhì)量小于100mm?mrad，光斑大小為0.5～5mm。用這種技術焊接不會破壞工件表面，局部加熱降低了塑料零件上的熱應力，能避免破壞嵌入的電子組件，也較好地避免了塑料熔化。通過優(yōu)化原料和顏料，激光塑料焊接能夠獲得不同的合成顏色。目前，半導體激光器已經(jīng)廣泛用于焊接密封容器、電子組件外殼、汽車零件和異種塑料等組件。
（2）激光熔覆與表面熱處理
對耐磨性及耐腐蝕性要求較高的金屬零件進行表面熱處理或局部熔覆，是半導體激光器在加工中的一個重要應用。國際上用于激光熔覆與表面熱處理的半導體激光器的功率為1～6kW，光束質(zhì)量為100～400mm?mrad，光斑大小為2×2mm2～3×3mm2或1×5mm2。與其他激光器相比，用半導體激光器光束進行熔覆與表面熱處理的優(yōu)勢在于其電光效率高、材料吸收率高、使用維護費用低、光斑形狀為矩形、光強分布均勻等。目前，半導體激光熔覆與表面熱處理已經(jīng)廣泛應用于電力、石化、冶金、鋼鐵、機械等工業(yè)領域，成為新材料制備、金屬零部件快速直接制造、失效金屬零部件綠色再制造的重要手段之一。#p#分頁標題#e#
（3）激光金屬焊接
大功率半導體激光器在金屬焊接方面有許多應用，應用范圍從汽車工業(yè)精密點焊到生產(chǎn)資料的熱傳導焊接、管道的軸向焊接，其焊縫質(zhì)量好，無需后序處理。用于薄片金屬焊接的半導體激光器要求其功率為300～3000W，光束質(zhì)量為 40～150mm?mrad，光斑大小為0.4～1.5mm，焊接材料的厚度為0.1～2.5mm。由于熱量輸入低，零件的扭曲變形保持在最小程度。大功率半導體激光器可進行高速焊接，焊縫光滑美觀，在焊接過程及焊接前后節(jié)省勞動力方面具有特殊優(yōu)勢，非常適合工業(yè)焊接的不同需要，它將逐漸取代傳統(tǒng)的焊接方法。
（4）激光打標
激光打標技術是激光加工最大的應用領域之一。目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導體泵浦激光器。但是隨著半導體激光器光束質(zhì)量的改善，半導體激光器打標機已開始應用于打標領域。德國LIMO公司已推出了光束質(zhì)量達5mm?mrad的50W直接輸出半導體激光器，以及50μm光纖耦合輸出的25W半導體激光器，這已經(jīng)達到了打標應用對激光器的輸出功率和光束質(zhì)量的要求。
（5）激光切割
大功率半導體激光在切割領域的應用起步較晚。在德國教育研究部“模塊式半導體激光系統(tǒng)”（MDS）計劃的支持下，德國夫瑯和費研究所于2001年研制出功率為800W的半導體激光切割機，可切割10mm厚的鋼板，切割速度為0.4m/min。北京工業(yè)大學激光工程研究院自2000年以來陸續(xù)開展了大功率半導體激光器方面的相關研究，包括半導體激光芯片的封裝研究、半導體激光光束整形技術研究、直接輸出大功率半導體激光器研究、高光束質(zhì)量大功率半導體激光器研究以及光纖耦合輸出大功率半導體激光器研究等。在半導體激光芯片的封裝方面，北工大采用PVD預置In焊料結(jié)合自制微通道熱沉封裝出的半導體激光器，熱阻為0.34K/W，達到了國外同類商用器件的水平。在半導體激光器光束整形技術研究方面，北工大發(fā)明了透射式三角板結(jié)構(gòu)的棱鏡組對半導體激光光束進行分割重排，實現(xiàn)了快慢軸方向的光參數(shù)乘積均勻化，改善了半導體激光光束質(zhì)量，其整形效率超過95%，該方法現(xiàn)已獲得國家專利。結(jié)合具有自主知識產(chǎn)權(quán)的光束整形技術，北工大研制出了1kW的高光束質(zhì)量直接輸出半導體激光器。該激光器采用多波長耦合和偏振耦合的方式獲得了千瓦級激光輸出，激光器的光-光轉(zhuǎn)換效率達87.5 %，激光器插頭效率高于40%，激光輸出光束質(zhì)量小于12mm?mrad，可耦合到芯徑為0.2mm、數(shù)值孔徑為0.22的光纖中，為激光焊接、激光切割等高要求的材料加工提供了一種高效、高質(zhì)、低耗的先進激光加工裝備。
遵循半導體領域的摩爾定律，十多年來，國際上工業(yè)大功率半導體激光器技術已經(jīng)取得了巨大進步，大功率半導體激光器的功率已經(jīng)達到10kW以上，在1kW時的光束質(zhì)量小于12mm?mrad，超過了同功率全固態(tài)激光器的光束質(zhì)量，可耦合到芯徑200μm、數(shù)值孔徑為0.22的光纖中。在6kW時光束質(zhì)量可達到25mm?mrad，達到了同功率燈泵浦YAG激光器的光束質(zhì)量，可耦合到芯徑600μm、數(shù)值孔徑為0.22的光纖中。目前，大功率半導體激光器正在向著高亮度、高光束質(zhì)量的方向發(fā)展，預計明年將會出現(xiàn)能耦合到芯徑200μm、數(shù)值孔徑為0.22光纖中、輸出功率達3kW的大功率半導體激光器。
另外，以半導體激光器為基礎的工業(yè)大功率全光纖激光器近年來也取得了很大發(fā)展，由于其光束質(zhì)量好、效率高、體積和重量小等優(yōu)點，大有取代其他激光器的趨勢。同工業(yè)光纖激光器相比，工業(yè)大功率半導體激光器的效率略高（高5%～10％），但是光束質(zhì)量較差。未來，大功率半導體激光器和光纖激光器的發(fā)展是相互促進的，大功率半導體激光器的光束質(zhì)量越好，光纖耦合的半導體激光泵浦源的功率就越高，從而促進光纖激光器功率的提高，而光纖激光器的不斷發(fā)展反過來又會帶動半導體激光器光束質(zhì)量的提高和發(fā)展。未來很有可能在激光焊接領域形成交集，但是光束質(zhì)量的差異會使得工業(yè)用大功率半導體激光器主要用于貼近式激光焊接，而光纖激光器主要應用于遠程激光焊接。
總之，未來激光技術發(fā)展的主流方向已經(jīng)發(fā)生改變，工業(yè)用大功率半導體激光器和以半導體激光器為基礎的全光纖激光器已經(jīng)進入工業(yè)應用和產(chǎn)業(yè)化的高速發(fā)展期，這將帶動激光業(yè)乃至整個制造業(yè)的高速發(fā)展。在不久的將來，以半導體激光技術為核心的激光材料加工技術將不斷推動激光先進制造向著高效率、低能耗、短流程、高性能、高智能、數(shù)字化方向發(fā)展。
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