自1962年世界上第一台半導體(ti) 激光器發明問世以來，半導體(ti) 激光器發生了巨大的變化，極大地推動了其他科學技術的發展，被認為(wei) 是二十世紀人類最偉(wei) 大的發明之一。近十幾年來，半導體(ti) 激光器的發展更為(wei) 迅速，已成為(wei) 世界上發展最快的一門激光技術。

　　半導體(ti) 激光器的應用範圍覆蓋了整個(ge) 光電子學領域，已成為(wei) 當今光電子科學的核心技術。由於(yu) 半導體(ti) 激光器的體(ti) 積小、結構簡單、輸入能量低、壽命較長、易於(yu) 調製以及價(jia) 格較低廉等優(you) 點，使得它目前在光電子領域中應用非常廣泛，已受到世界各國的高度重視。

　　12月19日中科院網站、工程院網站分別公布了2013年院士增選結果。根據《中國科學院院士章程》和《中國科學院院士增選工作實施細則》的規定，2013年中國科學院選舉(ju) 產(chan) 生了53名中國科學院院士和9名中國科學院外籍院士。中國科學院長春光學精密機械與(yu) 物理研究所的王立軍(jun) 成功入選。據OFweek激光網編輯了解，王立軍(jun) 團隊在激光領域取得了突出的成績，特別是在半導體(ti) 激光器核心領域。

　　王立軍(jun) 課題組攻克大功率半導體(ti) 激光器核心技術

　　2012年中國科學院長春光學精密機械與(yu) 物理研究所王立軍(jun) 研究員帶領的課題組，攻克了大功率半導體(ti) 激光器關(guan) 鍵核心技術，成功開發出千瓦量級、高光束質量、小型化的各種半導體(ti) 激光光源，並將成為(wei) 工業(ye) 激光加工領域的新一代換代產(chan) 品。日前這項“高密度集成、高光束質量激光合束高功率半導體(ti) 激光關(guan) 鍵技術及應用”榮獲2011年度國家技術發明獎二等獎。

　　大功率半導體(ti) 激光器是激光加工、激光醫療、激光顯示等領域的核心光源和支撐技術之一。但是它也存在光束質量差、單元器件功率小、功率密度低等缺點。雖然通過激光線陣封裝、疊層封裝等技術，能夠提高其功率到千瓦級，但是很難提高其功率密度和改善光束質量，限製了它在上述各領域的應用。

　　王立軍(jun) 團隊通過激光光束整形、激光合束等關(guan) 鍵技術，實現了高光束質量半導體(ti) 激光大功率輸出：發明了一種多模多光纖功率耦合器及其製備方法；獲得了“多重光束耦合大功率半導體(ti) 激光裝置”和“大功率光束耦合半導體(ti) 激光器”兩(liang) 項發明專(zhuan) 利，攻克了半導體(ti) 激光合束等係列關(guan) 鍵技術，在國內(nei) 首次開發出2600瓦高光束質量高效節能半導體(ti) 激光加工機光源，為(wei) 產(chan) 品更新換代奠定基礎；獲得了“半導體(ti) 激光線陣及迭陣的微通道熱沉化學清洗裝置”、“粗糙元型半導體(ti) 激光器有源熱沉結構及製備方法”、“半導體(ti) 激光頭泵浦源用微通道熱沉結構及製備方法”和“複合熱沉半導體(ti) 激光器結構及製備方法”等4項授權發明專(zhuan) 利。

　　攻克了千瓦級半導體(ti) 激光器散熱難題，開發出42層6700瓦激光迭陣模塊，成功應用於(yu) 國家重大項目；發明了一種垂直腔麵發射激光器列陣的串接結構，解決(jue) 了垂直腔麵發射激光器大麵積二維集成麵陣需大電流驅動的技術難題，為(wei) 千瓦至萬(wan) 瓦級高光束質量激光麵陣開發及應用奠定了基礎。

　　國內(nei) 大功率半導體(ti) 激光器發展及應用簡單概述

　　國外早在20世紀90年代初就開始此項研究，已經取得很大進展。國內(nei) 起步相對較晚，但是發展很快，主要研究單位包括中科院半導體(ti) 所、上海光機所、長春光機所、清華大學、中電集團十三所、中科院光電技術研究所和西安電子科技大學等。

　　中科院半導體(ti) 所等單位采用的是光纖捆綁耦合技術進行光束整形。先用一根光纖柱透鏡進行快軸壓縮，然後進入與(yu) 發光區相對應的嚴(yan) 格周期分布的光纖排，最後把輸出的多根光纖捆成一束。這種方法可以簡便地實現LD線陣輸出光場的對稱化，且光束經過一段距離的光纖傳(chuan) 輸後在輸出截麵上的強度得到均勻化，傳(chuan) 輸過程中的光能損失也很小，缺點是輸出光纖芯徑粗，亮度不高。

　　2001年，吉林大學和長春光學精密機械學院用這種方法對10單元線陣半導體(ti) 激光器條進行了光纖耦合實驗，耦合效率為(wei) 75%。2003年，中科院半導體(ti) 所利用這種技術實現了60 W 的大功率輸出，耦合效率為(wei) 82% ，輸出光纖為(wei) 1.5 mm，數值孔徑為(wei) 0.11，現已實現小批量生產(chan) 。

　　中科院光電技術研究所采用微柱透鏡快軸準直並引起光束微偏轉、消色差的雙膠合透鏡偏轉光束、閃耀光柵陣列反偏並校正光束的方法進行光束整形，整形效果較好，得到了快慢軸方向比較均衡的光束質量，並能耦合進芯徑200 mm、數值孔徑0.22的光纖，但是整個(ge) 係統由折射和衍射器件共同構成，結構複雜，耦合效率不高。

　　清華大學采用等腰直角棱鏡組方法，整形係統由兩(liang) 套錯位緊密排列的等腰直角棱鏡組組合而成。對808 nm輸出功率40 w 的半導體(ti) 激光器列陣進行了光束整形，整形係統的功率效率為(wei) 90%。整形前的慢軸、快軸光束質量參數比值為(wei) 2 499，整形後為(wei) 0.77。

　　武漢淩雲(yun) 科技光電有限責任公司采用折射整形法，在被整形線陣半導體(ti) 激光器傳(chuan) 播方向上依次放置兩(liang) 組互相垂直的、分別由M 片光學玻璃板片緊密排列構成的折射棱鏡堆，進行光束的重排，實現快慢軸方向光束質量均勻化。目前該公司可以提供30 W、400 m的耦合輸出係統。

　　中科院上海光學精密機械研究所采用折反射整形法，利用一組繞自身底棱旋轉45°的微片棱鏡堆，使得線陣半導體(ti) 激光器發出的光在慢軸方向被N個(ge) 微棱鏡切割成N段，每一段光束在對應的微棱鏡中經過幾次內(nei) 全反射後偏轉90°，實現了慢軸光束在快軸方向的重排。利用此技術，實現了600 mm 光纖輸出，係統的總效率達到52% 。

　　中電集團十三所采用偏振複合技術，首先兩(liang) 個(ge) 線陣半導體(ti) 激光器分別進行快軸準直和光束整形變換，將其中一路光束利用半波片改變其偏振態，使其與(yu) 另一路光束偏振度正交，這樣再經過偏振合束器，兩(liang) 路光就整合到一路，且光束質量不變，達到提高光亮度的目的。利用此技術，實現了兩(liang) 個(ge) 808 nm線陣半導體(ti) 激光器耦合進芯徑400 m，數值孔徑0.22的石英光纖，整個(ge) 係統耦合效率為(wei) 60% ，功率密度48000 W／cm2 。

　　中國科學院半導體(ti) 研究所早在2002年就報道了通過光纖排捆綁耦合進行光束整形的技術。半導體(ti) 激光器線列陣的輸出光束首先用多模光纖進行快軸壓縮，然後一對一的耦合進精密排列的光纖列陣中，最後在輸出端捆成一束，實現了l5 w 的激光輸出，耦合效率為(wei) 75%。該方法結構簡單、耦合效率高、成本低、調節簡單、利於(yu) 產(chan) 品化生產(chan) 。2003年研製成功了一對線列陣半導體(ti) 激光器60 w 功率光纖耦合輸出器件，總耦合效率82% ，出光口徑為(wei) 1.5 mm，數值孔徑0.1l。2004年5月又實現了單條線列陣半導體(ti) 激光器30 W 功率光纖耦合輸出，出光口徑為(wei) 1.07 mm，數值孔徑0.1l。光電子器件國家工程中心的光纖排捆綁耦合整形器件已實現小批量生產(chan) 。

　　大功率半導體(ti) 激光器是一類用途非常廣泛的光電子器件，輸出功率可以高達百瓦、千瓦，甚至準連續輸出功率達萬(wan) 瓦以上，而且這些器件的能量轉換效率可高達50%以上。半導體(ti) 激光器相對於(yu) 其他類型激光器的最大特點就是波長多樣性，隨著應用領域的不斷拓寬，大功率激光器的研究幾乎包括整個(ge) 650-1 700 nm波段。目前大功率半導體(ti) 激光器以及大功率半導體(ti) 激光器泵浦固體(ti) 激光器在材料加工、激光打標、激光打印、激光掃描、激光測距、激光存儲(chu) 、激光顯示，照明、激光醫療等民用領域，以及激光打靶、激光製導、激光夜視、激光武器等軍(jun) 事領域均得到廣泛應用。#p#分頁標題#e#

　　大功率半導體(ti) 激光器在材料加工方麵的主要應用有：軟釺焊、材料表麵相變硬化、材料表麵熔覆、材料連接、鈦合金表麵處理、工程材料表麵親(qin) 潤特性改進、激光清潔、輔助機械加工等。北京工業(ye) 大學研製了光束整形l 000 W 大功率半導體(ti) 激光器，用於(yu) U74鋼軌表麵淬火試驗。

　　軍(jun) 事方麵的主要應用為(wei) ：(1)半導體(ti) 激光製導跟蹤。從(cong) 製導站激光發射係統按一定規律向空間發射經編碼調製的激光束，且光束中心線對準目標；在波束中飛行的導彈，當其位置偏離波束中心時，裝在導彈尾部的激光探測器接受到激光信號，經信號處理後，調整導彈的飛行方向，從(cong) 而實現製導跟蹤。(2)半導體(ti) 激光雷達。半導體(ti) 激光雷達體(ti) 積小，精度高，具有多種成像功能和實時圖像處理功能。可用於(yu) 檢測目標，測量大氣水汽，雲(yun) 層，空氣汙染等。(3)半導體(ti) 激光引信。通過對激光目標進行探測，對激光回波信息進行處理和計算，判斷目標，計算炸點，在最佳位置進行引爆。(4)激光測距。半導體(ti) 激光光源具有隱蔽性，廣泛應用在激光夜視儀(yi) 和激光夜視監測儀(yi) 。(5)激光通信光源。半導體(ti) 激光器是一種理想光源，具有抗幹擾，保密性好等優(you) 點。藍綠光可用於(yu) 潛艇和衛星以及航空母艦的通信。(6)半導體(ti) 激光武器模擬。可用於(yu) 新型軍(jun) 訓和演習(xi) 技術。此外，半導體(ti) 激光器還廣泛應用在激光瞄準和報警、軍(jun) 用光纖陀螺等方麵。

　　國內(nei) 大功率半導體(ti) 激光器展望

　　隨著半導體(ti) 材料外延生長技術、半導體(ti) 激光波導結構優(you) 化技術、腔麵鈍化技術、高穩定性封裝技術、高效散熱技術水平的不斷提高，半導體(ti) 激光器功率及光束質量飛速發展，促進了直接工業(ye) 用半導體(ti) 激光加工係統和高功率光纖激光器的發展。目前國際上直接工業(ye) 用大功率半導體(ti) 激光器在輸出功率5000 W級別已超過燈抽運固體(ti) 激光器的光束質量，在1000 W級別已超過全固態激光器的光束質量。隨著化合物半導體(ti) 技術的進步，工業(ye) 用大功率半導體(ti) 激光器的輸出功率和光束質量將進一步提高，將進一步擴展其工業(ye) 應用範圍。在高功率光纖激光器抽運源方麵，光纖耦合輸出的功率不斷上升，光纖芯徑和數值孔徑不斷降低，導致光纖激光器的抽運亮度不斷提高，同時成本卻不斷下降，因此未來高功率光纖激光器的輸出功率與(yu) 光束質量也將不斷地提高。可以預計，在未來工業(ye) 激光加工中，特別是在金屬激光加工領域，大功率半導體(ti) 激光器主要應用在激光表麵處理、激光熔覆和近距離激光焊接領域，而大功率光纖激光器主要應用在光束質量要求更高的激光切割和遠程激光焊接領域。

　　在國內(nei) ，最近幾年高功率、高光束質量大功率半導體(ti) 激光器相關(guan) 領域方麵也取得了長足的進步，如北京凱普林光電公司在單個(ge) 單元器件的光纖耦合方麵，西安炬光科技公司在半導體(ti) 激光芯片的封裝方麵均接近或達到了國際先進水平，北京工業(ye) 大學在半導體(ti) 激光器係統方麵達到了國際先進水平。但是在半導體(ti) 激光器的核心部件—半導體(ti) 激光芯片的研製和生產(chan) 方麵，一直受外延生長技術、腔麵鈍化技術以及器件製作工藝水平的限製，國產(chan) 半導體(ti) 激光器件的功率、壽命方麵較之國外先進水平尚有較大差距。這導致國內(nei) 實用化高功率、長壽命半導體(ti) 激光芯片主要依賴於(yu) 進口，直接導致我國半導體(ti) 激光器係統的價(jia) 格居高不下，嚴(yan) 重影響了大功率半導體(ti) 激光器在我國的推廣應用，同時也限製了我國高功率光纖激光器的研製和開發。可喜的是，隨著當前我國化合物半導體(ti) 器件，如LED、多節GaAs太陽能電池、紅外熱成像器等技術的不斷應用和發展，化合物半導體(ti) 器件的外延技術和封裝技術將不斷成熟，這些技術應用於(yu) 同是化合物半導體(ti) 器件的半導體(ti) 激光器，大大促進半導體(ti) 激光器件的國產(chan) 化，從(cong) 而推動半導體(ti) 激光器這一高效、節能型激光器更廣泛地運用於(yu) 我國的工業(ye) 、國防、科研等領域中。