自1962年世界上第一台半导体激光器发明问世以来，半导体激光器发生了巨大的变化，极大地推动了其他科学技术的发展，被认为是二十世纪人类最伟大的发明之一。近十几年来，半导体激光器的发展更为迅速，已成为世界上发展最快的一门激光技术。

　　半导体激光器的应用范围覆盖了整个光电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术。由于半导体激光器的体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制以及价格较低廉等优点，使得它目前在光电子领域中应用非常广泛，已受到世界各国的高度重视。

　　12月19日中科院网站、工程院网站分别公布了2013年院士增选结果。根据《中国科学院院士章程》和《中国科学院院士增选工作实施细则》的规定，2013年中国科学院选举产生了53名中国科学院院士和9名中国科学院外籍院士。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的王立军成功入选。据OFweek激光网编辑了解，王立军团队在激光领域取得了突出的成绩，特别是在半导体激光器核心领域。

　　王立军课题组攻克大功率半导体激光器核心技术

　　2012年中国科学院长春光学精密机械与物理研究所王立军研究员带领的课题组，攻克了大功率半导体激光器关键核心技术，成功开发出千瓦量级、高光束质量、小型化的各种半导体激光光源，并将成为工业激光加工领域的新一代换代产品。日前这项“高密度集成、高光束质量激光合束高功率半导体激光关键技术及应用”荣获2011年度国家技术发明奖二等奖。

　　大功率半导体激光器是激光加工、激光医疗、激光显示等领域的核心光源和支撑技术之一。但是它也存在光束质量差、单元器件功率小、功率密度低等缺点。虽然通过激光线阵封装、叠层封装等技术，能够提高其功率到千瓦级，但是很难提高其功率密度和改善光束质量，限制了它在上述各领域的应用。

　　王立军团队通过激光光束整形、激光合束等关键技术，实现了高光束质量半导体激光大功率输出：发明了一种多模多光纤功率耦合器及其制备方法；获得了“多重光束耦合大功率半导体激光装置”和“大功率光束耦合半导体激光器”两项发明专利，攻克了半导体激光合束等系列关键技术，在国内首次开发出2600瓦高光束质量高效节能半导体激光加工机光源，为产品更新换代奠定基础；获得了“半导体激光线阵及迭阵的微通道热沉化学清洗装置”、“粗糙元型半导体激光器有源热沉结构及制备方法”、“半导体激光头泵浦源用微通道热沉结构及制备方法”和“复合热沉半导体激光器结构及制备方法”等4项授权发明专利。

　　攻克了千瓦级半导体激光器散热难题，开发出42层6700瓦激光迭阵模块，成功应用于国家重大项目；发明了一种垂直腔面发射激光器列阵的串接结构，解决了垂直腔面发射激光器大面积二维集成面阵需大电流驱动的技术难题，为千瓦至万瓦级高光束质量激光面阵开发及应用奠定了基础。

　　国内大功率半导体激光器发展及应用简单概述

　　国外早在20世纪90年代初就开始此项研究，已经取得很大进展。国内起步相对较晚，但是发展很快，主要研究单位包括中科院半导体所、上海光机所、长春光机所、清华大学、中电集团十三所、中科院光电技术研究所和西安电子科技大学等。

　　中科院半导体所等单位采用的是光纤捆绑耦合技术进行光束整形。先用一根光纤柱透镜进行快轴压缩，然后进入与发光区相对应的严格周期分布的光纤排，最后把输出的多根光纤捆成一束。这种方法可以简便地实现LD线阵输出光场的对称化，且光束经过一段距离的光纤传输后在输出截面上的强度得到均匀化，传输过程中的光能损失也很小，缺点是输出光纤芯径粗，亮度不高。

　　2001年，吉林大学和长春光学精密机械学院用这种方法对10单元线阵半导体激光器条进行了光纤耦合实验，耦合效率为75%。2003年，中科院半导体所利用这种技术实现了60 W 的大功率输出，耦合效率为82% ，输出光纤为1.5 mm，数值孔径为0.11，现已实现小批量生产。

　　中科院光电技术研究所采用微柱透镜快轴准直并引起光束微偏转、消色差的双胶合透镜偏转光束、闪耀光栅阵列反偏并校正光束的方法进行光束整形，整形效果较好，得到了快慢轴方向比较均衡的光束质量，并能耦合进芯径200 mm、数值孔径0.22的光纤，但是整个系统由折射和衍射器件共同构成，结构复杂，耦合效率不高。

　　清华大学采用等腰直角棱镜组方法，整形系统由两套错位紧密排列的等腰直角棱镜组组合而成。对808 nm输出功率40 w 的半导体激光器列阵进行了光束整形，整形系统的功率效率为90%。整形前的慢轴、快轴光束质量参数比值为2 499，整形后为0.77。

　　武汉凌云科技光电有限责任公司采用折射整形法，在被整形线阵半导体激光器传播方向上依次放置两组互相垂直的、分别由M 片光学玻璃板片紧密排列构成的折射棱镜堆，进行光束的重排，实现快慢轴方向光束质量均匀化。目前该公司可以提供30 W、400 m的耦合输出系统。

　　中科院上海光学精密机械研究所采用折反射整形法，利用一组绕自身底棱旋转45°的微片棱镜堆，使得线阵半导体激光器发出的光在慢轴方向被N个微棱镜切割成N段，每一段光束在对应的微棱镜中经过几次内全反射后偏转90°，实现了慢轴光束在快轴方向的重排。利用此技术，实现了600 mm 光纤输出，系统的总效率达到52% 。

　　中电集团十三所采用偏振复合技术，首先两个线阵半导体激光器分别进行快轴准直和光束整形变换，将其中一路光束利用半波片改变其偏振态，使其与另一路光束偏振度正交，这样再经过偏振合束器，两路光就整合到一路，且光束质量不变，达到提高光亮度的目的。利用此技术，实现了两个808 nm线阵半导体激光器耦合进芯径400 m，数值孔径0.22的石英光纤，整个系统耦合效率为60% ，功率密度48000 W／cm2 。

　　中国科学院半导体研究所早在2002年就报道了通过光纤排捆绑耦合进行光束整形的技术。半导体激光器线列阵的输出光束首先用多模光纤进行快轴压缩，然后一对一的耦合进精密排列的光纤列阵中，最后在输出端捆成一束，实现了l5 w 的激光输出，耦合效率为75%。该方法结构简单、耦合效率高、成本低、调节简单、利于产品化生产。2003年研制成功了一对线列阵半导体激光器60 w 功率光纤耦合输出器件，总耦合效率82% ，出光口径为1.5 mm，数值孔径0.1l。2004年5月又实现了单条线列阵半导体激光器30 W 功率光纤耦合输出，出光口径为1.07 mm，数值孔径0.1l。光电子器件国家工程中心的光纤排捆绑耦合整形器件已实现小批量生产。

　　大功率半导体激光器是一类用途非常广泛的光电子器件，输出功率可以高达百瓦、千瓦，甚至准连续输出功率达万瓦以上，而且这些器件的能量转换效率可高达50%以上。半导体激光器相对于其他类型激光器的最大特点就是波长多样性，随着应用领域的不断拓宽，大功率激光器的研究几乎包括整个650-1 700 nm波段。目前大功率半导体激光器以及大功率半导体激光器泵浦固体激光器在材料加工、激光打标、激光打印、激光扫描、激光测距、激光存储、激光显示，照明、激光医疗等民用领域，以及激光打靶、激光制导、激光夜视、激光武器等军事领域均得到广泛应用。#p#分页标题#e#

　　大功率半导体激光器在材料加工方面的主要应用有：软钎焊、材料表面相变硬化、材料表面熔覆、材料连接、钛合金表面处理、工程材料表面亲润特性改进、激光清洁、辅助机械加工等。北京工业大学研制了光束整形l 000 W 大功率半导体激光器，用于U74钢轨表面淬火试验。

　　军事方面的主要应用为：(1)半导体激光制导跟踪。从制导站激光发射系统按一定规律向空间发射经编码调制的激光束，且光束中心线对准目标；在波束中飞行的导弹，当其位置偏离波束中心时，装在导弹尾部的激光探测器接受到激光信号，经信号处理后，调整导弹的飞行方向，从而实现制导跟踪。(2)半导体激光雷达。半导体激光雷达体积小，精度高，具有多种成像功能和实时图像处理功能。可用于检测目标，测量大气水汽，云层，空气污染等。(3)半导体激光引信。通过对激光目标进行探测，对激光回波信息进行处理和计算，判断目标，计算炸点，在最佳位置进行引爆。(4)激光测距。半导体激光光源具有隐蔽性，广泛应用在激光夜视仪和激光夜视监测仪。(5)激光通信光源。半导体激光器是一种理想光源，具有抗干扰，保密性好等优点。蓝绿光可用于潜艇和卫星以及航空母舰的通信。(6)半导体激光武器模拟。可用于新型军训和演习技术。此外，半导体激光器还广泛应用在激光瞄准和报警、军用光纤陀螺等方面。

　　国内大功率半导体激光器展望

　　随着半导体材料外延生长技术、半导体激光波导结构优化技术、腔面钝化技术、高稳定性封装技术、高效散热技术水平的不断提高，半导体激光器功率及光束质量飞速发展，促进了直接工业用半导体激光加工系统和高功率光纤激光器的发展。目前国际上直接工业用大功率半导体激光器在输出功率5000 W级别已超过灯抽运固体激光器的光束质量，在1000 W级别已超过全固态激光器的光束质量。随着化合物半导体技术的进步，工业用大功率半导体激光器的输出功率和光束质量将进一步提高，将进一步扩展其工业应用范围。在高功率光纤激光器抽运源方面，光纤耦合输出的功率不断上升，光纤芯径和数值孔径不断降低，导致光纤激光器的抽运亮度不断提高，同时成本却不断下降，因此未来高功率光纤激光器的输出功率与光束质量也将不断地提高。可以预计，在未来工业激光加工中，特别是在金属激光加工领域，大功率半导体激光器主要应用在激光表面处理、激光熔覆和近距离激光焊接领域，而大功率光纤激光器主要应用在光束质量要求更高的激光切割和远程激光焊接领域。

　　在国内，最近几年高功率、高光束质量大功率半导体激光器相关领域方面也取得了长足的进步，如北京凯普林光电公司在单个单元器件的光纤耦合方面，西安炬光科技公司在半导体激光芯片的封装方面均接近或达到了国际先进水平，北京工业大学在半导体激光器系统方面达到了国际先进水平。但是在半导体激光器的核心部件—半导体激光芯片的研制和生产方面，一直受外延生长技术、腔面钝化技术以及器件制作工艺水平的限制，国产半导体激光器件的功率、寿命方面较之国外先进水平尚有较大差距。这导致国内实用化高功率、长寿命半导体激光芯片主要依赖于进口，直接导致我国半导体激光器系统的价格居高不下，严重影响了大功率半导体激光器在我国的推广应用，同时也限制了我国高功率光纤激光器的研制和开发。可喜的是，随着当前我国化合物半导体器件，如LED、多节GaAs太阳能电池、红外热成像器等技术的不断应用和发展，化合物半导体器件的外延技术和封装技术将不断成熟，这些技术应用于同是化合物半导体器件的半导体激光器，大大促进半导体激光器件的国产化，从而推动半导体激光器这一高效、节能型激光器更广泛地运用于我国的工业、国防、科研等领域中。