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

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 500um 芯徑、NA 0.12 光纖輸出 3835W連續功率。

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 光纖輸出連續功率達 2000W 的產品，目前已經達到6KW，亮度 1468MW/cm2·sr，光束質量3.75mm·mrad，達到相同功率條件下商用全固態激光水平。

2、 近期目標（2年左右）

通過空間合束、波長合束、偏振合束研發出功率大于2kW光束質量好于10mm·rad的高功率半導體激光器，攻克相關工藝技術難題，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)將從半導體激光內部振蕩與外部光學系統相結合方式出發，采用前腔面鍍增透膜的半導體激光芯片與外部光學系統整體構成諧振腔，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，實現合束激光的光束質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，提出滿足工業要求的基于透射光柵的外腔反饋光譜合束結構，并結構參數進行優化，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2kW以上功率的高光束質量的激光輸出。

（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。其核心思路，是將不同空間光強分布、不同偏振態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

重點研究不同結構高功率半導體激光器的合束結構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，光纖耦合輸出能夠實現光束的勻化、光束的較長距離傳輸和光束質量的優化。

（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的開發 ， 高光束質量高功率半導體激光器及切割系統的開發 ， 半導體激光器直接加工的防反射技術 ， 高功率半導體激光器直接焊接切割機理與工藝優化 。

高功率半導體激光器及其應用，已經培養碩士研究生4名，發明專利2項，湖北省、深圳市、溫州市等重大科技創新項目3項。

來源華中科技大學，編輯元祿光電www.hitachi-koki.com.cn