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激光材料加工、信息與通信、醫(yī)療保健與生命科學(xué)以及國(guó)防是世界范圍內(nèi)激光技術(shù)的四個(gè)最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，其中激光材料加工所占比例最大，同時(shí)也是發(fā)展最快、對(duì)一個(gè)國(guó)家國(guó)民經(jīng)濟(jì)影響最大的激光技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域。激光材料加工技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的廣泛程度，已經(jīng)成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)水平高低的重要標(biāo)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(dǎo)體激光器為基礎(chǔ)的直接半導(dǎo)體激光器和光纖激光器的方向發(fā)展。在材料加工應(yīng)用中，以大功率半導(dǎo)體激光器為基礎(chǔ)的直接半導(dǎo)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(shì)，而且還克服了其他激光器效率低、體積大等缺點(diǎn)，將會(huì)在材料加工領(lǐng)域帶來(lái)一場(chǎng)新的技術(shù)革命，就如同上世紀(jì)中葉晶體管取代電子管、為微電子技術(shù)帶來(lái)的革命一樣。因此，直接半導(dǎo)體激光器和光纖激光器是未來(lái)材料加工用激光器的發(fā)展方向之一。
下面將介紹近年來(lái)大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展現(xiàn)狀，以及目前提高半導(dǎo)體激光器輸出功率和改善光束質(zhì)量的方法和最新進(jìn)展，同時(shí)介紹大功率半導(dǎo)體激光器在材料加工中的應(yīng)用現(xiàn)狀、分析展望大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展趨勢(shì)。
高功率和高光束質(zhì)量是材料加工用激光器的兩個(gè)基本要求。為了提高大功率半導(dǎo)體激光器的輸出功率，可以將十幾個(gè)或幾十個(gè)單管激光器芯片集成封裝、形成激光器巴條，將多個(gè)巴條堆疊起來(lái)可形成激光器二維疊陣，激光器疊陣的光功率可以達(dá)到千瓦級(jí)甚至更高。但是隨著半導(dǎo)體激光器條數(shù)的增加，其光束質(zhì)量將會(huì)下降。另外，半導(dǎo)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(dǎo)體激光器在工業(yè)應(yīng)用中受到了很大的限制。要實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、寬范圍的激光加工，激光器必須同時(shí)滿足高功率和高光束質(zhì)量。因此，現(xiàn)在發(fā)達(dá)國(guó)家均將研究開(kāi)發(fā)新型高功率、高光束質(zhì)量的大功率半導(dǎo)體激光器作為一個(gè)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(yīng)用的需求。
大功率半導(dǎo)體激光器的關(guān)鍵技術(shù)包括半導(dǎo)體激光芯片外延生長(zhǎng)技術(shù)、半導(dǎo)體激光芯片的封裝和光學(xué)準(zhǔn)直、激光光束整形技術(shù)和激光器集成技術(shù)。
�。�1） 半導(dǎo)體激光芯片外延生長(zhǎng)技術(shù)
大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展與其外延芯片結(jié)構(gòu)的研究設(shè)計(jì)緊密相關(guān)。近年來(lái)，美、德等國(guó)家在此方面投入巨大，并取得了重大進(jìn)展，處于世界領(lǐng)先地位。首先，應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)的采用，提高了大功率半導(dǎo)體激光器的光電性能，降低了器件的閾值電流密度，并擴(kuò)展了GaAs基材料系的發(fā)射波長(zhǎng)覆蓋范圍。其次，采用無(wú)鋁有源區(qū)提高了激光芯片端面光學(xué)災(zāi)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(dǎo)大光腔結(jié)構(gòu)增加了光束近場(chǎng)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(zhǎng)了器件壽命。目前，商品化的半導(dǎo)體激光芯片的電光轉(zhuǎn)換效率已達(dá)到60%，實(shí)驗(yàn)室中的電光轉(zhuǎn)換效率已超過(guò)70%，預(yù)計(jì)在不久的將來(lái)，半導(dǎo)體激光器芯片的電光轉(zhuǎn)換效率能達(dá)到85%以上。
�。�2）半導(dǎo)體激光芯片的封裝和光學(xué)準(zhǔn)直
激光芯片的冷卻和封裝是制造大功率半導(dǎo)體激光器的重要環(huán)節(jié)，由于大功率半導(dǎo)體激光器的輸出功率高、發(fā)光面積小，其工作時(shí)產(chǎn)生的熱量密度很高，這對(duì)芯片的封裝結(jié)構(gòu)和工藝提出了更高要求。目前，國(guó)際上多采用銅熱沉、主動(dòng)冷卻方式、硬釬焊技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)大功率半導(dǎo)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(dǎo)熱沉封裝。
半導(dǎo)體激光器的特殊結(jié)構(gòu)導(dǎo)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(zhǎng)距離傳輸以便于后續(xù)光學(xué)處理，需要對(duì)光束進(jìn)行準(zhǔn)直。由于半導(dǎo)體激光器發(fā)光單元尺寸較小，目前，國(guó)際上常用的準(zhǔn)直方法是微透鏡準(zhǔn)直。其中，快軸準(zhǔn)直鏡通常為數(shù)值孔徑較大的微柱非球面鏡，慢軸準(zhǔn)直鏡則是對(duì)應(yīng)于各個(gè)發(fā)光單元的微柱透鏡。經(jīng)過(guò)快慢軸準(zhǔn)直后，快軸方向的發(fā)散角可以達(dá)到8mrad，慢軸方向的發(fā)散角可以達(dá)到30mrad。
�。�3）半導(dǎo)體激光光束整形技術(shù)
國(guó)際上普遍采用光參數(shù)乘積來(lái)描述半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量，光參數(shù)乘積定義為某個(gè)方向上的光斑半徑與該方向上遠(yuǎn)場(chǎng)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?yàn)榘雽?dǎo)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(duì)半導(dǎo)體激光器的光束進(jìn)行整形，即將快、慢軸的光參數(shù)乘積均勻化。國(guó)際上多采用光束分割重排的方法進(jìn)行光束整形，即先將慢軸的光束進(jìn)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(shí)現(xiàn)快、慢軸光參數(shù)乘積的均勻化。目前已經(jīng)報(bào)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(dǎo)體激光器集成技術(shù)
利用多光束的空間耦合、偏振耦合、波長(zhǎng)耦合等合束技術(shù)以及光束整形技術(shù)，在增加半導(dǎo)體激光器輸出功率的同時(shí)得到高光束質(zhì)量的激光光束。目前，國(guó)外許多公司和研究所采用將多種耦合技術(shù)相結(jié)合的方法，都已實(shí)現(xiàn)了千瓦級(jí)的功率輸出。德國(guó)Laserline公司商品化的直接輸出半導(dǎo)體激光器，其輸出功率可達(dá)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(dǎo)體激光器已達(dá)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。
大功率半導(dǎo)體激光器工業(yè)應(yīng)用
隨著半導(dǎo)體芯片技術(shù)和光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器的輸出功率不斷提高，制約其工業(yè)應(yīng)用的光束質(zhì)量差的問(wèn)題也得到了有效改善。目前，工業(yè)用大功率半導(dǎo)體激光器的輸出功率和光束質(zhì)量均已超過(guò)了燈泵浦YAG激光器，并已接近半導(dǎo)體泵浦YAG激光器。半導(dǎo)體激光器已經(jīng)逐漸應(yīng)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(biāo)、切割等方面取得了一些應(yīng)用進(jìn)展。
�。�1）激光塑料焊接
半導(dǎo)體激光器的光束為平頂波光束，橫截面光強(qiáng)空間分布比較均勻。與YAG激光器的光束相比，半導(dǎo)體激光器的光束在塑料焊接應(yīng)用中，可以獲得較好的焊縫一致性和焊接質(zhì)量，并且能進(jìn)行寬縫焊接。塑料焊接應(yīng)用對(duì)半導(dǎo)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(shù)焊接不會(huì)破壞工件表面，局部加熱降低了塑料零件上的熱應(yīng)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(guò)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(dǎo)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(duì)耐磨性及耐腐蝕性要求較高的金屬零件進(jìn)行表面熱處理或局部熔覆，是半導(dǎo)體激光器在加工中的一個(gè)重要應(yīng)用。國(guó)際上用于激光熔覆與表面熱處理的半導(dǎo)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(dǎo)體激光器光束進(jìn)行熔覆與表面熱處理的優(yōu)勢(shì)在于其電光效率高、材料吸收率高、使用維護(hù)費(fèi)用低、光斑形狀為矩形、光強(qiáng)分布均勻等。目前，半導(dǎo)體激光熔覆與表面熱處理已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電力、石化、冶金、鋼鐵、機(jī)械等工業(yè)領(lǐng)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。
�。�3）激光金屬焊接
大功率半導(dǎo)體激光器在金屬焊接方面有許多應(yīng)用，應(yīng)用范圍從汽車工業(yè)精密點(diǎn)焊到生產(chǎn)資料的熱傳導(dǎo)焊接、管道的軸向焊接，其焊縫質(zhì)量好，無(wú)需后序處理。用于薄片金屬焊接的半導(dǎo)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(dǎo)體激光器可進(jìn)行高速焊接，焊縫光滑美觀，在焊接過(guò)程及焊接前后節(jié)省勞動(dòng)力方面具有特殊優(yōu)勢(shì)，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(biāo)
激光打標(biāo)技術(shù)是激光加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域之一。目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導(dǎo)體泵浦激光器。但是隨著半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量的改善，半導(dǎo)體激光器打標(biāo)機(jī)已開(kāi)始應(yīng)用于打標(biāo)領(lǐng)域。德國(guó)LIMO公司已推出了光束質(zhì)量達(dá)5mm•mrad的50W直接輸出半導(dǎo)體激光器，以及50μm光纖耦合輸出的25W半導(dǎo)體激光器，這已經(jīng)達(dá)到了打標(biāo)應(yīng)用對(duì)激光器的輸出功率和光束質(zhì)量的要求。
圖4：1kW高光束質(zhì)量直接輸出半導(dǎo)體激光器。
�。�5）激光切割
大功率半導(dǎo)體激光在切割領(lǐng)域的應(yīng)用起步較晚。在德國(guó)教育研究部“模塊式半導(dǎo)體激光系統(tǒng)”（MDS）計(jì)劃的支持下，德國(guó)夫瑯和費(fèi)研究所于2001年研制出功率為800W的半導(dǎo)體激光切割機(jī)，可切割10mm厚的鋼板，切割速度為0.4m/min。
北京工業(yè)大學(xué)研究進(jìn)展
北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院自2000年以來(lái)陸續(xù)開(kāi)展了大功率半導(dǎo)體激光器方面的相關(guān)研究，包括半導(dǎo)體激光芯片的封裝研究、半導(dǎo)體激光光束整形技術(shù)研究、直接輸出大功率半導(dǎo)體激光器研究、高光束質(zhì)量大功率半導(dǎo)體激光器研究以及光纖耦合輸出大功率半導(dǎo)體激光器研究等。
在半導(dǎo)體激光芯片的封裝方面，北工大采用PVD預(yù)置In焊料結(jié)合自制微通道熱沉封裝出的半導(dǎo)體激光器，熱阻為0.34K/W，達(dá)到了國(guó)外同類商用器件的水平。
在半導(dǎo)體激光器光束整形技術(shù)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(duì)半導(dǎo)體激光光束進(jìn)行分割重排，實(shí)現(xiàn)了快慢軸方向的光參數(shù)乘積均勻化，改善了半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量，其整形效率超過(guò)95%，該方法現(xiàn)已獲得國(guó)家專利。
結(jié)合具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光束整形技術(shù)，北工大研制出了1kW的高光束質(zhì)量直接輸出半導(dǎo)體激光器。該激光器采用多波長(zhǎng)耦合和偏振耦合的方式獲得了千瓦級(jí)激光輸出，激光器的光-光轉(zhuǎn)換效率達(dá)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(jìn)激光加工裝備。
小結(jié)
遵循半導(dǎo)體領(lǐng)域的摩爾定律，十多年來(lái)，國(guó)際上工業(yè)大功率半導(dǎo)體激光器技術(shù)已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步，大功率半導(dǎo)體激光器的功率已經(jīng)達(dá)到10kW以上，在1kW時(shí)的光束質(zhì)量小于12mm•mrad，超過(guò)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(shí)光束質(zhì)量可達(dá)到25mm•mrad，達(dá)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(dǎo)體激光器正在向著高亮度、高光束質(zhì)量的方向發(fā)展，預(yù)計(jì)明年將會(huì)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(dá)3kW的大功率半導(dǎo)體激光器。
另外，以半導(dǎo)體激光器為基礎(chǔ)的工業(yè)大功率全光纖激光器近年來(lái)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(diǎn)，大有取代其他激光器的趨勢(shì)。同工業(yè)光纖激光器相比，工業(yè)大功率半導(dǎo)體激光器的效率略高（高5%～10％），但是光束質(zhì)量較差。未來(lái)，大功率半導(dǎo)體激光器和光纖激光器的發(fā)展是相互促進(jìn)的，大功率半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量越好，光纖耦合的半導(dǎo)體激光泵浦源的功率就越高，從而促進(jìn)光纖激光器功率的提高，而光纖激光器的不斷發(fā)展反過(guò)來(lái)又會(huì)帶動(dòng)半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量的提高和發(fā)展。未來(lái)很有可能在激光焊接領(lǐng)域形成交集，但是光束質(zhì)量的差異會(huì)使得工業(yè)用大功率半導(dǎo)體激光器主要用于貼近式激光焊接，而光纖激光器主要應(yīng)用于遠(yuǎn)程激光焊接。
總之，未來(lái)激光技術(shù)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(dǎo)體激光器和以半導(dǎo)體激光器為基礎(chǔ)的全光纖激光器已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化的高速發(fā)展期，這將帶動(dòng)激光業(yè)乃至整個(gè)制造業(yè)的高速發(fā)展。在不久的將來(lái)，以半導(dǎo)體激光技術(shù)為核心的激光材料加工技術(shù)將不斷推動(dòng)激光先進(jìn)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
