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高功率半導體激光器在激光加工等領(lǐng)域有廣泛的應用前景。如何同時獲得高功率、高功率密度、高光束質(zhì)量的半導體激光輸出已成為國際上的重大瓶頸技術(shù)問題。

1、 國際進展

德國 Limo 采用 38個傳導熱沉封裝激光線陣，形成 8 個線陣合束單元，通過光束整形、偏振合束和四波長合束。德國 Dilas 采用 28 個經(jīng)過剪裁的激光線陣，然后通過 5 個波長合束單元波長合束，實現(xiàn) 500um 芯徑、NA 0.12 光纖輸出 3835W連續(xù)功率。

美國麻省理工（MIT）、美國 Teradiode、美國 Coherent、美國 Aculight、法國 Thales 和丹麥科技大學（DTU）采用外腔反饋半導體激光光譜合束技術(shù)取得重要進展。美國 Teradiode 公司于 2012 年推出芯徑 100μm、NA0.2 光纖輸出連續(xù)功率達 2000W 的產(chǎn)品，目前已經(jīng)達到6KW，亮度 1468MW/cm2·sr，光束質(zhì)量3.75mm·mrad，達到相同功率條件下商用全固態(tài)激光水平。

2、 近期目標（2年左右）

通過空間合束、波長合束、偏振合束研發(fā)出功率大于2kW光束質(zhì)量好于10mm·rad的高功率半導體激光器，攻克相關(guān)工藝技術(shù)難題，解決2 -4 mm左右厚鋼板的焊接機理與工藝。

3、 科學技術(shù)問題

（ 1 ）半導體激光器光譜合束

采用外腔反饋光譜合束(Wavelength  Beam Combining,  WBC)將從半導體激光內(nèi)部振蕩與外部光學系統(tǒng)相結(jié)合方式出發(fā)，采用前腔面鍍增透膜的半導體激光芯片與外部光學系統(tǒng)整體構(gòu)成諧振腔，每個激光單元振蕩波長均與外部光柵色散和外腔反饋匹配，所有激光單元沿相同方向諧振，以保持近場和遠場相重合方式輸出，實現(xiàn)合束激光的光束質(zhì)量與激光單元保持一致，而激光功率為所有激光單元總和。

重點研究外腔反饋光譜合束的基本原理，提出滿足工業(yè)要求的基于透射光柵的外腔反饋光譜合束結(jié)構(gòu)，并結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化，分析非光譜合束方向的激光單元位置對光譜合束的影響進行分析，提出增強外腔反饋的方法，實現(xiàn)2kW以上功率的高光束質(zhì)量的激光輸出。

（2）半導體激光器的空間、偏振、波長合束

空間、偏振、波長合束是常見的三種完全非相干的光束合成技術(shù)。其核心思路，是將不同空間光強分布、不同偏振態(tài)和不同波長的光束耦合到同一光路中，以達到成倍地提高功率密度的效果。

（3）半導體激光器的光纖耦合、光纖合束

重點研究不同結(jié)構(gòu)高功率半導體激光器的合束結(jié)構(gòu)與合適的光纖耦合方式和光纖合束方式。相比于半導體激光器的直接輸出，光纖耦合輸出能夠?qū)崿F(xiàn)光束的勻化、光束的較長距離傳輸和光束質(zhì)量的優(yōu)化。

（4） 高功率半導體激光器焊接、切割應用研究

高功率半導體激光器及焊接系統(tǒng)的開發(fā) ， 高光束質(zhì)量高功率半導體激光器及切割系統(tǒng)的開發(fā) ， 半導體激光器直接加工的防反射技術(shù) ， 高功率半導體激光器直接焊接切割機理與工藝優(yōu)化 。

高功率半導體激光器及其應用，已經(jīng)培養(yǎng)碩士研究生4名，發(fā)明專利2項，湖北省、深圳市、溫州市等重大科技創(chuàng)新項目3項。

來源華中科技大學，編輯元祿光電www.cz-huawei.com