激光材料加工、信息與通信、醫療保健與生命科學以及國防是世界范圍內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，同時也是發展最快、對一個國家國民經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領域應用的廣泛程度，已經成為衡量一個國家工業水平高低的重要標志。
激光材料加工用大功率激光器經歷了大功率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展方向之一。
下面將介紹近年來大功率半導體激光器的發展現狀，以及目前提高半導體激光器輸出功率和改善光束質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狀、分析展望大功率半導體激光器的發展趨勢。
圖1：半導體激光器多光束合成技術示意圖
工業用大功率半導體激光器發展現狀
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。
圖2：大功率半導體激光器的光束質量與輸出功率之間的關系以及目前的應用領域。
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展與其外延芯片結構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基材料系的發射波長覆蓋范圍。其次，采用無鋁有源區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構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換效率已達到60%，實驗室中的電光轉換效率已超過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節，由于大功率半導體激光器的輸出功率高、發光面積小，其工作時產生的熱量密度很高，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、主動冷卻方式、硬釬焊技術來實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。
圖3：半導體激光金屬焊接在汽車工業中的應用。
表1：不同激光熔覆方法的比較。
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。
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