自1962年世界上第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器發(fā)明問世以來(lái)，半導(dǎo)體激光器發(fā)生了巨大的變化，極大地推動(dòng)了其他科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，被認(rèn)為是二十世紀(jì)人類最偉大的發(fā)明之一。近十幾年來(lái)，半導(dǎo)體激光器的發(fā)展更為迅速，已成為世界上發(fā)展最快的一門激光技術(shù)。

　　半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用范圍覆蓋了整個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域，已成為當(dāng)今光電子科學(xué)的核心技術(shù)。由于半導(dǎo)體激光器的體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸入能量低、壽命較長(zhǎng)、易于調(diào)制以及價(jià)格較低廉等優(yōu)點(diǎn)，使得它目前在光電子領(lǐng)域中應(yīng)用非常廣泛，已受到世界各國(guó)的高度重視。

　　12月19日中科院網(wǎng)站、工程院網(wǎng)站分別公布了2013年院士增選結(jié)果。根據(jù)《中國(guó)科學(xué)院院士章程》和《中國(guó)科學(xué)院院士增選工作實(shí)施細(xì)則》的規(guī)定，2013年中國(guó)科學(xué)院選舉產(chǎn)生了53名中國(guó)科學(xué)院院士和9名中國(guó)科學(xué)院外籍院士。中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所的王立軍成功入選。據(jù)OFweek激光網(wǎng)編輯了解，王立軍團(tuán)隊(duì)在激光領(lǐng)域取得了突出的成績(jī)，特別是在半導(dǎo)體激光器核心領(lǐng)域。

　　王立軍課題組攻克大功率半導(dǎo)體激光器核心技術(shù)

　　2012年中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所王立軍研究員帶領(lǐng)的課題組，攻克了大功率半導(dǎo)體激光器關(guān)鍵核心技術(shù)，成功開發(fā)出千瓦量級(jí)、高光束質(zhì)量、小型化的各種半導(dǎo)體激光光源，并將成為工業(yè)激光加工領(lǐng)域的新一代換代產(chǎn)品。日前這項(xiàng)“高密度集成、高光束質(zhì)量激光合束高功率半導(dǎo)體激光關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用”榮獲2011年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

　　大功率半導(dǎo)體激光器是激光加工、激光醫(yī)療、激光顯示等領(lǐng)域的核心光源和支撐技術(shù)之一。但是它也存在光束質(zhì)量差、單元器件功率小、功率密度低等缺點(diǎn)。雖然通過(guò)激光線陣封裝、疊層封裝等技術(shù)，能夠提高其功率到千瓦級(jí)，但是很難提高其功率密度和改善光束質(zhì)量，限制了它在上述各領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　王立軍團(tuán)隊(duì)通過(guò)激光光束整形、激光合束等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高光束質(zhì)量半導(dǎo)體激光大功率輸出：發(fā)明了一種多模多光纖功率耦合器及其制備方法；獲得了“多重光束耦合大功率半導(dǎo)體激光裝置”和“大功率光束耦合半導(dǎo)體激光器”兩項(xiàng)發(fā)明專利，攻克了半導(dǎo)體激光合束等系列關(guān)鍵技術(shù)，在國(guó)內(nèi)首次開發(fā)出2600瓦高光束質(zhì)量高效節(jié)能半導(dǎo)體激光加工機(jī)光源，為產(chǎn)品更新?lián)Q代奠定基礎(chǔ)；獲得了“半導(dǎo)體激光線陣及迭陣的微通道熱沉化學(xué)清洗裝置”、“粗糙元型半導(dǎo)體激光器有源熱沉結(jié)構(gòu)及制備方法”、“半導(dǎo)體激光頭泵浦源用微通道熱沉結(jié)構(gòu)及制備方法”和“復(fù)合熱沉半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)及制備方法”等4項(xiàng)授權(quán)發(fā)明專利。

　　攻克了千瓦級(jí)半導(dǎo)體激光器散熱難題，開發(fā)出42層6700瓦激光迭陣模塊，成功應(yīng)用于國(guó)家重大項(xiàng)目；發(fā)明了一種垂直腔面發(fā)射激光器列陣的串接結(jié)構(gòu)，解決了垂直腔面發(fā)射激光器大面積二維集成面陣需大電流驅(qū)動(dòng)的技術(shù)難題，為千瓦至萬(wàn)瓦級(jí)高光束質(zhì)量激光面陣開發(fā)及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

　　國(guó)內(nèi)大功率半導(dǎo)體激光器發(fā)展及應(yīng)用簡(jiǎn)單概述

　　國(guó)外早在20世紀(jì)90年代初就開始此項(xiàng)研究，已經(jīng)取得很大進(jìn)展。國(guó)內(nèi)起步相對(duì)較晚，但是發(fā)展很快，主要研究單位包括中科院半導(dǎo)體所、上海光機(jī)所、長(zhǎng)春光機(jī)所、清華大學(xué)、中電集團(tuán)十三所、中科院光電技術(shù)研究所和西安電子科技大學(xué)等。

　　中科院半導(dǎo)體所等單位采用的是光纖捆綁耦合技術(shù)進(jìn)行光束整形。先用一根光纖柱透鏡進(jìn)行快軸壓縮，然后進(jìn)入與發(fā)光區(qū)相對(duì)應(yīng)的嚴(yán)格周期分布的光纖排，最后把輸出的多根光纖捆成一束。這種方法可以簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)LD線陣輸出光場(chǎng)的對(duì)稱化，且光束經(jīng)過(guò)一段距離的光纖傳輸后在輸出截面上的強(qiáng)度得到均勻化，傳輸過(guò)程中的光能損失也很小，缺點(diǎn)是輸出光纖芯徑粗，亮度不高。

　　2001年，吉林大學(xué)和長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械學(xué)院用這種方法對(duì)10單元線陣半導(dǎo)體激光器條進(jìn)行了光纖耦合實(shí)驗(yàn)，耦合效率為75%。2003年，中科院半導(dǎo)體所利用這種技術(shù)實(shí)現(xiàn)了60 W 的大功率輸出，耦合效率為82% ，輸出光纖為1.5 mm，數(shù)值孔徑為0.11，現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。

　　中科院光電技術(shù)研究所采用微柱透鏡快軸準(zhǔn)直并引起光束微偏轉(zhuǎn)、消色差的雙膠合透鏡偏轉(zhuǎn)光束、閃耀光柵陣列反偏并校正光束的方法進(jìn)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(zhì)量，并能耦合進(jìn)芯徑200 mm、數(shù)值孔徑0.22的光纖，但是整個(gè)系統(tǒng)由折射和衍射器件共同構(gòu)成，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，耦合效率不高。

　　清華大學(xué)采用等腰直角棱鏡組方法，整形系統(tǒng)由兩套錯(cuò)位緊密排列的等腰直角棱鏡組組合而成。對(duì)808 nm輸出功率40 w 的半導(dǎo)體激光器列陣進(jìn)行了光束整形，整形系統(tǒng)的功率效率為90%。整形前的慢軸、快軸光束質(zhì)量參數(shù)比值為2 499，整形后為0.77。

　　武漢凌云科技光電有限責(zé)任公司采用折射整形法，在被整形線陣半導(dǎo)體激光器傳播方向上依次放置兩組互相垂直的、分別由M 片光學(xué)玻璃板片緊密排列構(gòu)成的折射棱鏡堆，進(jìn)行光束的重排，實(shí)現(xiàn)快慢軸方向光束質(zhì)量均勻化。目前該公司可以提供30 W、400 m的耦合輸出系統(tǒng)。

　　中科院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所采用折反射整形法，利用一組繞自身底棱旋轉(zhuǎn)45°的微片棱鏡堆，使得線陣半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光在慢軸方向被N個(gè)微棱鏡切割成N段，每一段光束在對(duì)應(yīng)的微棱鏡中經(jīng)過(guò)幾次內(nèi)全反射后偏轉(zhuǎn)90°，實(shí)現(xiàn)了慢軸光束在快軸方向的重排。利用此技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了600 mm 光纖輸出，系統(tǒng)的總效率達(dá)到52% 。

　　中電集團(tuán)十三所采用偏振復(fù)合技術(shù)，首先兩個(gè)線陣半導(dǎo)體激光器分別進(jìn)行快軸準(zhǔn)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(tài)，使其與另一路光束偏振度正交，這樣再經(jīng)過(guò)偏振合束器，兩路光就整合到一路，且光束質(zhì)量不變，達(dá)到提高光亮度的目的。利用此技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)808 nm線陣半導(dǎo)體激光器耦合進(jìn)芯徑400 m，數(shù)值孔徑0.22的石英光纖，整個(gè)系統(tǒng)耦合效率為60% ，功率密度48000 W／cm2 。

　　中國(guó)科學(xué)院半導(dǎo)體研究所早在2002年就報(bào)道了通過(guò)光纖排捆綁耦合進(jìn)行光束整形的技術(shù)。半導(dǎo)體激光器線列陣的輸出光束首先用多模光纖進(jìn)行快軸壓縮，然后一對(duì)一的耦合進(jìn)精密排列的光纖列陣中，最后在輸出端捆成一束，實(shí)現(xiàn)了l5 w 的激光輸出，耦合效率為75%。該方法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、耦合效率高、成本低、調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單、利于產(chǎn)品化生產(chǎn)。2003年研制成功了一對(duì)線列陣半導(dǎo)體激光器60 w 功率光纖耦合輸出器件，總耦合效率82% ，出光口徑為1.5 mm，數(shù)值孔徑0.1l。2004年5月又實(shí)現(xiàn)了單條線列陣半導(dǎo)體激光器30 W 功率光纖耦合輸出，出光口徑為1.07 mm，數(shù)值孔徑0.1l。光電子器件國(guó)家工程中心的光纖排捆綁耦合整形器件已實(shí)現(xiàn)小批量生產(chǎn)。

　　大功率半導(dǎo)體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(dá)百瓦、千瓦，甚至準(zhǔn)連續(xù)輸出功率達(dá)萬(wàn)瓦以上，而且這些器件的能量轉(zhuǎn)換效率可高達(dá)50%以上。半導(dǎo)體激光器相對(duì)于其他類型激光器的最大特點(diǎn)就是波長(zhǎng)多樣性，隨著應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓寬，大功率激光器的研究幾乎包括整個(gè)650-1 700 nm波段。目前大功率半導(dǎo)體激光器以及大功率半導(dǎo)體激光器泵浦固體激光器在材料加工、激光打標(biāo)、激光打印、激光掃描、激光測(cè)距、激光存儲(chǔ)、激光顯示，照明、激光醫(yī)療等民用領(lǐng)域，以及激光打靶、激光制導(dǎo)、激光夜視、激光武器等軍事領(lǐng)域均得到廣泛應(yīng)用。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

　　大功率半導(dǎo)體激光器在材料加工方面的主要應(yīng)用有：軟釬焊、材料表面相變硬化、材料表面熔覆、材料連接、鈦合金表面處理、工程材料表面親潤(rùn)特性改進(jìn)、激光清潔、輔助機(jī)械加工等。北京工業(yè)大學(xué)研制了光束整形l 000 W 大功率半導(dǎo)體激光器，用于U74鋼軌表面淬火試驗(yàn)。

　　軍事方面的主要應(yīng)用為：(1)半導(dǎo)體激光制導(dǎo)跟蹤。從制導(dǎo)站激光發(fā)射系統(tǒng)按一定規(guī)律向空間發(fā)射經(jīng)編碼調(diào)制的激光束，且光束中心線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)；在波束中飛行的導(dǎo)彈，當(dāng)其位置偏離波束中心時(shí)，裝在導(dǎo)彈尾部的激光探測(cè)器接受到激光信號(hào)，經(jīng)信號(hào)處理后，調(diào)整導(dǎo)彈的飛行方向，從而實(shí)現(xiàn)制導(dǎo)跟蹤。(2)半導(dǎo)體激光雷達(dá)。半導(dǎo)體激光雷達(dá)體積小，精度高，具有多種成像功能和實(shí)時(shí)圖像處理功能。可用于檢測(cè)目標(biāo)，測(cè)量大氣水汽，云層，空氣污染等。(3)半導(dǎo)體激光引信。通過(guò)對(duì)激光目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，對(duì)激光回波信息進(jìn)行處理和計(jì)算，判斷目標(biāo)，計(jì)算炸點(diǎn)，在最佳位置進(jìn)行引爆。(4)激光測(cè)距。半導(dǎo)體激光光源具有隱蔽性，廣泛應(yīng)用在激光夜視儀和激光夜視監(jiān)測(cè)儀。(5)激光通信光源。半導(dǎo)體激光器是一種理想光源，具有抗干擾，保密性好等優(yōu)點(diǎn)。藍(lán)綠光可用于潛艇和衛(wèi)星以及航空母艦的通信。(6)半導(dǎo)體激光武器模擬。可用于新型軍訓(xùn)和演習(xí)技術(shù)。此外，半導(dǎo)體激光器還廣泛應(yīng)用在激光瞄準(zhǔn)和報(bào)警、軍用光纖陀螺等方面。

　　國(guó)內(nèi)大功率半導(dǎo)體激光器展望

　　隨著半導(dǎo)體材料外延生長(zhǎng)技術(shù)、半導(dǎo)體激光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、腔面鈍化技術(shù)、高穩(wěn)定性封裝技術(shù)、高效散熱技術(shù)水平的不斷提高，半導(dǎo)體激光器功率及光束質(zhì)量飛速發(fā)展，促進(jìn)了直接工業(yè)用半導(dǎo)體激光加工系統(tǒng)和高功率光纖激光器的發(fā)展。目前國(guó)際上直接工業(yè)用大功率半導(dǎo)體激光器在輸出功率5000 W級(jí)別已超過(guò)燈抽運(yùn)固體激光器的光束質(zhì)量，在1000 W級(jí)別已超過(guò)全固態(tài)激光器的光束質(zhì)量。隨著化合物半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步，工業(yè)用大功率半導(dǎo)體激光器的輸出功率和光束質(zhì)量將進(jìn)一步提高，將進(jìn)一步擴(kuò)展其工業(yè)應(yīng)用范圍。在高功率光纖激光器抽運(yùn)源方面，光纖耦合輸出的功率不斷上升，光纖芯徑和數(shù)值孔徑不斷降低，導(dǎo)致光纖激光器的抽運(yùn)亮度不斷提高，同時(shí)成本卻不斷下降，因此未來(lái)高功率光纖激光器的輸出功率與光束質(zhì)量也將不斷地提高。可以預(yù)計(jì)，在未來(lái)工業(yè)激光加工中，特別是在金屬激光加工領(lǐng)域，大功率半導(dǎo)體激光器主要應(yīng)用在激光表面處理、激光熔覆和近距離激光焊接領(lǐng)域，而大功率光纖激光器主要應(yīng)用在光束質(zhì)量要求更高的激光切割和遠(yuǎn)程激光焊接領(lǐng)域。

　　在國(guó)內(nèi)，最近幾年高功率、高光束質(zhì)量大功率半導(dǎo)體激光器相關(guān)領(lǐng)域方面也取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，如北京凱普林光電公司在單個(gè)單元器件的光纖耦合方面，西安炬光科技公司在半導(dǎo)體激光芯片的封裝方面均接近或達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平，北京工業(yè)大學(xué)在半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)方面達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。但是在半導(dǎo)體激光器的核心部件—半導(dǎo)體激光芯片的研制和生產(chǎn)方面，一直受外延生長(zhǎng)技術(shù)、腔面鈍化技術(shù)以及器件制作工藝水平的限制，國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體激光器件的功率、壽命方面較之國(guó)外先進(jìn)水平尚有較大差距。這導(dǎo)致國(guó)內(nèi)實(shí)用化高功率、長(zhǎng)壽命半導(dǎo)體激光芯片主要依賴于進(jìn)口，直接導(dǎo)致我國(guó)半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)的價(jià)格居高不下，嚴(yán)重影響了大功率半導(dǎo)體激光器在我國(guó)的推廣應(yīng)用，同時(shí)也限制了我國(guó)高功率光纖激光器的研制和開發(fā)。可喜的是，隨著當(dāng)前我國(guó)化合物半導(dǎo)體器件，如LED、多節(jié)GaAs太陽(yáng)能電池、紅外熱成像器等技術(shù)的不斷應(yīng)用和發(fā)展，化合物半導(dǎo)體器件的外延技術(shù)和封裝技術(shù)將不斷成熟，這些技術(shù)應(yīng)用于同是化合物半導(dǎo)體器件的半導(dǎo)體激光器，大大促進(jìn)半導(dǎo)體激光器件的國(guó)產(chǎn)化，從而推動(dòng)半導(dǎo)體激光器這一高效、節(jié)能型激光器更廣泛地運(yùn)用于我國(guó)的工業(yè)、國(guó)防、科研等領(lǐng)域中。