自1962年世界上第一臺半導體激光器發(fā)明問世以來，半導體激光器發(fā)生了巨大的變化，極大地推動了其他科學技術(shù)的發(fā)展，被認為是二十世紀人類最偉大的發(fā)明之一。近十幾年來，半導體激光器的發(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)。
半導體激光器的應用范圍覆蓋了整個光電子學領(lǐng)域，已成為當今光電子科學的核心技術(shù)。由于半導體激光器的體積小、結(jié)構(gòu)簡單、輸入能量低、壽命較長、易于調(diào)制以及價格較低廉等優(yōu)點，使得它目前在光電子領(lǐng)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(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(guī)定，2013年中國科學院選舉產(chǎn)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，王立軍團隊在激光領(lǐng)域取得了突出的成績，特別是在半導體激光器核心領(lǐng)域。
王立軍課題組攻克大功率半導體激光器核心技術(shù)
2012年中國科學院長春光學精密機械與物理研究所王立軍研究員帶領(lǐng)的課題組，攻克了大功率半導體激光器關(guān)鍵核心技術(shù)，成功開發(fā)出千瓦量級、高光束質(zhì)量、小型化的各種半導體激光光源，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“高密度集成、高光束質(zhì)量激光合束高功率半導體激光關(guān)鍵技術(shù)及應用”榮獲2011年度國家技術(shù)發(fā)明獎二等獎。
大功率半導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。雖然通過激光線陣封裝、疊層封裝等技術(shù)，能夠提高其功率到千瓦級，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)域的應用。
王立軍團隊通過激光光束整形、激光合束等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了高光束質(zhì)量半導體激光大功率輸出：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體激光裝置”和“大功率光束耦合半導體激光器”兩項發(fā)明專利，攻克了半導體激光合束等系列關(guān)鍵技術(shù)，在國內(nèi)首次開發(fā)出2600瓦高光束質(zhì)量高效節(jié)能半導體激光加工機光源，為產(chǎn)品更新?lián)Q代奠定基礎(chǔ)；獲得了“半導體激光線陣及迭陣的微通道熱沉化學清洗裝置”、“粗糙元型半導體激光器有源熱沉結(jié)構(gòu)及制備方法”、“半導體激光頭泵浦源用微通道熱沉結(jié)構(gòu)及制備方法”和“復合熱沉半導體激光器結(jié)構(gòu)及制備方法”等4項授權(quán)發(fā)明專利。
攻克了千瓦級半導體激光器散熱難題，開發(fā)出42層6700瓦激光迭陣模塊，成功應用于國家重大項目；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)動的技術(shù)難題，為千瓦至萬瓦級高光束質(zhì)量激光面陣開發(fā)及應用奠定了基礎(chǔ)。
國內(nèi)大功率半導體激光器發(fā)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(jīng)取得很大進展。國內(nèi)起步相對較晚，但是發(fā)展很快，主要研究單位包括中科院半導體所、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(shù)研究所和西安電子科技大學等。
中科院半導體所等單位采用的是光纖捆綁耦合技術(shù)進行光束整形。先用一根光纖柱透鏡進行快軸壓縮，然后進入與發(fā)光區(qū)相對應的嚴格周期分布的光纖排，最后把輸出的多根光纖捆成一束。這種方法可以簡便地實現(xiàn)LD線陣輸出光場的對稱化，且光束經(jīng)過一段距離的光纖傳輸后在輸出截面上的強度得到均勻化，傳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單元線陣半導體激光器條進行了光纖耦合實驗，耦合效率為75%。2003年，中科院半導體所利用這種技術(shù)實現(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，并能耦合進芯徑200 mm、數(shù)值孔徑0.22的光纖，但是整個系統(tǒng)由折射和衍射器件共同構(gòu)成，結(jié)構(gòu)復雜，耦合效率不高。
清華大學采用等腰直角棱鏡組方法，整形系統(tǒng)由兩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 的半導體激光器列陣進行了光束整形，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任公司采用折射整形法，在被整形線陣半導體激光器傳播方向上依次放置兩組互相垂直的、分別由M 片光學玻璃板片緊密排列構(gòu)成的折射棱鏡堆，進行光束的重排，實現(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(zhuǎn)45°的微片棱鏡堆，使得線陣半導體激光器發(fā)出的光在慢軸方向被N個微棱鏡切割成N段，每一段光束在對應的微棱鏡中經(jīng)過幾次內(nèi)全反射后偏轉(zhuǎn)90°，實現(xiàn)了慢軸光束在快軸方向的重排。利用此技術(shù)，實現(xiàn)了600 mm 光纖輸出，系統(tǒng)的總效率達到52% 。
中電集團十三所采用偏振復合技術(shù)，首先兩個線陣半導體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(tài)，使其與另一路光束偏振度正交，這樣再經(jīng)過偏振合束器，兩路光就整合到一路，且光束質(zhì)量不變，達到提高光亮度的目的。利用此技術(shù)，實現(xiàn)了兩個808 nm線陣半導體激光器耦合進芯徑400 m，數(shù)值孔徑0.22的石英光纖，整個系統(tǒng)耦合效率為60% ，功率密度48000 W／cm2 。
中國科學院半導體研究所早在2002年就報道了通過光纖排捆綁耦合進行光束整形的技術(shù)。半導體激光器線列陣的輸出光束首先用多模光纖進行快軸壓縮，然后一對一的耦合進精密排列的光纖列陣中，最后在輸出端捆成一束，實現(xiàn)了l5 w 的激光輸出，耦合效率為75%。該方法結(jié)構(gòu)簡單、耦合效率高、成本低、調(diào)節(jié)簡單、利于產(chǎn)品化生產(chǎn)。2003年研制成功了一對線列陣半導體激光器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月又實現(xiàn)了單條線列陣半導體激光器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。光電子器件國家工程中心的光纖排捆綁耦合整形器件已實現(xiàn)小批量生產(chǎn)。
大功率半導體激光器是一類用途非常廣泛的光電子器件，輸出功率可以高達百瓦、千瓦，甚至準連續(xù)輸出功率達萬瓦以上，而且這些器件的能量轉(zhuǎn)換效率可高達50%以上。半導體激光器相對于其他類型激光器的最大特點就是波長多樣性，隨著應用領(lǐng)域的不斷拓寬，大功率激光器的研究幾乎包括整個650-1 700 nm波段。目前大功率半導體激光器以及大功率半導體激光器泵浦固體激光器在材料加工、激光打標、激光打印、激光掃描、激光測距、激光存儲、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、激光夜視、激光武器等軍事領(lǐng)域均得到廣泛應用。#p#分頁標題#e#
大功率半導體激光器在材料加工方面的主要應用有：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、工程材料表面親潤特性改進、激光清潔、輔助機械加工等。北京工業(yè)大學研制了光束整形l 000 W 大功率半導體激光器，用于U74鋼軌表面淬火試驗。
軍事方面的主要應用為：(1)半導體激光制導跟蹤。從制導站激光發(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(jīng)信號處理后，調(diào)整導彈的飛行方向，從而實現(xiàn)制導跟蹤。(2)半導體激光雷達。半導體激光雷達體積小，精度高，具有多種成像功能和實時圖像處理功能。可用于檢測目標，測量大氣水汽，云層，空氣污染等。(3)半導體激光引信。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。半導體激光光源具有隱蔽性，廣泛應用在激光夜視儀和激光夜視監(jiān)測儀。(5)激光通信光源。半導體激光器是一種理想光源，具有抗干擾，保密性好等優(yōu)點。藍綠光可用于潛艇和衛(wèi)星以及航空母艦的通信。(6)半導體激光武器模擬。可用于新型軍訓和演習技術(shù)。此外，半導體激光器還廣泛應用在激光瞄準和報警、軍用光纖陀螺等方面。
國內(nèi)大功率半導體激光器展望
隨著半導體材料外延生長技術(shù)、半導體激光波導結(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，半導體激光器功率及光束質(zhì)量飛速發(fā)展，促進了直接工業(yè)用半導體激光加工系統(tǒng)和高功率光纖激光器的發(fā)展。目前國際上直接工業(yè)用大功率半導體激光器在輸出功率5000 W級別已超過燈抽運固體激光器的光束質(zhì)量，在1000 W級別已超過全固態(tài)激光器的光束質(zhì)量。隨著化合物半導體技術(shù)的進步，工業(yè)用大功率半導體激光器的輸出功率和光束質(zhì)量將進一步提高，將進一步擴展其工業(yè)應用范圍。在高功率光纖激光器抽運源方面，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光束質(zhì)量也將不斷地提高。可以預計，在未來工業(yè)激光加工中，特別是在金屬激光加工領(lǐng)域，大功率半導體激光器主要應用在激光表面處理、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用在光束質(zhì)量要求更高的激光切割和遠程激光焊接領(lǐng)域。
在國內(nèi)，最近幾年高功率、高光束質(zhì)量大功率半導體激光器相關(guān)領(lǐng)域方面也取得了長足的進步，如北京凱普林光電公司在單個單元器件的光纖耦合方面，西安炬光科技公司在半導體激光芯片的封裝方面均接近或達到了國際先進水平，北京工業(yè)大學在半導體激光器系統(tǒng)方面達到了國際先進水平。但是在半導體激光器的核心部件—半導體激光芯片的研制和生產(chǎn)方面，一直受外延生長技術(shù)、腔面鈍化技術(shù)以及器件制作工藝水平的限制，國產(chǎn)半導體激光器件的功率、壽命方面較之國外先進水平尚有較大差距。這導致國內(nèi)實用化高功率、長壽命半導體激光芯片主要依賴于進口，直接導致我國半導體激光器系統(tǒng)的價格居高不下，嚴重影響了大功率半導體激光器在我國的推廣應用，同時也限制了我國高功率光纖激光器的研制和開發(fā)。可喜的是，隨著當前我國化合物半導體器件，如LED、多節(jié)GaAs太陽能電池、紅外熱成像器等技術(shù)的不斷應用和發(fā)展，化合物半導體器件的外延技術(shù)和封裝技術(shù)將不斷成熟，這些技術(shù)應用于同是化合物半導體器件的半導體激光器，大大促進半導體激光器件的國產(chǎn)化，從而推動半導體激光器這一高效、節(jié)能型激光器更廣泛地運用于我國的工業(yè)、國防、科研等領(lǐng)域中。
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