激光材料加工、信息与通信、医疗保健与生命科学以及国防是世界范围内激光技术的四个最主要的应用领域，其中激光材料加工所占比例最大，同时也是发展最快、对一个国家国民经济影响最大的激光技术应用领域。激光材料加工技术在工业领域应用的广泛程度，已经成为衡量一个国家工业水平高低的重要标志。
激光材料加工用大功率激光器经历了大功率CO2激光器、大功率固体YAG激光器后，目前正在朝着以半导体激光器为基础的直接半导体激光器和光纤激光器的方向发展。在材料加工应用中，以大功率半导体激光器为基础的直接半导体激光器和光纤激光器，不仅具备以往其他激光器的优势，而且还克服了其他激光器效率低、体积大等缺点，将会在材料加工领域带来一场新的技术革命，就如同上世纪中叶晶体管取代电子管、为微电子技术带来的革命一样。因此，直接半导体激光器和光纤激光器是未来材料加工用激光器的发展方向之一。
下面将介绍近年来大功率半导体激光器的发展现状，以及目前提高半导体激光器输出功率和改善光束质量的方法和最新进展，同时介绍大功率半导体激光器在材料加工中的应用现状、分析展望大功率半导体激光器的发展趋势。
图1：半导体激光器多光束合成技术示意图。
工业用大功率半导体激光器发展现状
高功率和高光束质量是材料加工用激光器的两个基本要求。为了提高大功率半导体激光器的输出功率，可以将十几个或几十个单管激光器芯片集成封装、形成激光器巴条，将多个巴条堆叠起来可形成激光器二维叠阵，激光器叠阵的光功率可以达到千瓦级甚至更高。但是随着半导体激光器条数的增加，其光束质量将会下降。另外，半导体激光器结构的特殊性决定了其快、慢轴光束质量不一致：快轴的光束质量接近衍射极限，而慢轴的光束质量却比较差，这使得半导体激光器在工业应用中受到了很大的限制。要实现高质量、宽范围的激光加工，激光器必须同时满足高功率和高光束质量。因此，现在发达国家均将研究开发新型高功率、高光束质量的大功率半导体激光器作为一个重要研究方向，以满足要求更高激光功率密度的激光材料加工应用的需求。
图2：大功率半导体激光器的光束质量与输出功率之间的关系以及目前的应用领域。
大功率半导体激光器的关键技术包括半导体激光芯片外延生长技术、半导体激光芯片的封装和光学准直、激光光束整形技术和激光器集成技术。
（1） 半导体激光芯片外延生长技术
大功率半导体激光器的发展与其外延芯片结构的研究设计紧密相关。近年来，美、德等国家在此方面投入巨大，并取得了重大进展，处于世界领先地位。首先，应变量子阱结构的采用，提高了大功率半导体激光器的光电性能，降低了器件的阈值电流密度，并扩展了GaAs基材料系的发射波长覆盖范围。其次，采用无铝有源区提高了激光芯片端面光学灾变损伤光功率密度，从而提高了器件的输出功率，并增加了器件的使用寿命。再者，采用宽波导大光腔结构增加了光束近场模式的尺寸，减小了输出光功率密度，从而增加了输出功率，并延长了器件寿命。目前，商品化的半导体激光芯片的电光转换效率已达到60%，实验室中的电光转换效率已超过70%，预计在不久的将来，半导体激光器芯片的电光转换效率能达到85%以上。
（2）半导体激光芯片的封装和光学准直
激光芯片的冷却和封装是制造大功率半导体激光器的重要环节，由于大功率半导体激光器的输出功率高、发光面积小，其工作时产生的热量密度很高，这对芯片的封装结构和工艺提出了更高要求。目前，国际上多采用铜热沉、主动冷却方式、硬钎焊技术来实现大功率半导体激光器阵列的封装，根据封装结构的不同，又可分为微通道热沉封装和传导热沉封装。
图3：半导体激光金属焊接在汽车工业中的应用。
表1：不同激光熔覆方法的比较。
半导体激光器的特殊结构导致其光束的快轴方向发散角非常大，接近40°，而慢轴方向的发散角只有10°左右。为了使激光长距离传输以便于后续光学处理，需要对光束进行准直。由于半导体激光器发光单元尺寸较小，目前，国际上常用的准直方法是微透镜准直。其中，快轴准直镜通常为数值孔径较大的微柱非球面镜，慢轴准直镜则是对应于各个发光单元的微柱透镜。经过快慢轴准直后，快轴方向的发散角可以达到8mrad，慢轴方向的发散角可以达到30mrad。
（3）半导体激光光束整形技术
国际上普遍采用光参数乘积来描述半导体激光器的光束质量，光参数乘积定义为某个方向上的光斑半径与该方向上远场发散半角的乘积。光参数乘积的大小决定了激光的光束质量，光参数乘积越小，光束质量越好。因为半导体激光器结构的特殊性决定了其快、慢轴光束质量不一致，差别较大，为了得到空间上均匀的光束分布，需要对半导体激光器的光束进行整形，即将快、慢轴的光参数乘积均匀化。国际上多采用光束分割重排的方法进行光束整形，即先将慢轴的光束进行分割，然后旋转重排，减小慢轴方向的光斑尺寸，增加快轴方向的光斑尺寸，从而实现快、慢轴光参数乘积的均匀化。目前已经报道的快、慢轴光参数乘积均匀化的光束整形方法主要有：光纤束整形法、反射整形法、折射整形法、折反射整形法等。
（4）半导体激光器集成技术
利用多光束的空间耦合、偏振耦合、波长耦合等合束技术以及光束整形技术，在增加半导体激光器输出功率的同时得到高光束质量的激光光束。目前，国外许多公司和研究所采用将多种耦合技术相结合的方法，都已实现了千瓦级的功率输出。德国Laserline公司商品化的直接输出半导体激光器，其输出功率可达10kW，光斑尺寸0.6mm×3mm，光束质量60×300 mm•mrad，功率密度550kW/cm2；该公司的光纤耦合输出半导体激光器已达到光纤末端连续输出功率10kW，光纤直径1mm，数值孔径NA=0.2，光束质量100mm•mrad，功率密度1MW/cm2。
