“王立军入选中科院院士：大功率半导体激光器综述”

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自1962年世界上第一个半导体激光器发明诞生以来，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迅速发展，被认为是20世纪人类最伟大的发明之一。 近年来，半导体激光器的迅速发展更快，成为世界上发展最快的激光技术。

半导体激光器的应用范围涵盖了整个光电子学行业，成为当今光电子科学的核心技术。 由于半导体激光器体积小、结构简单、输入能量低、寿命长、易于调制、价格便宜等优点，目前在光电子行业得到了非常广泛的应用，受到世界各国的高度重视。

12月19日，中国科学院网站、工程院网站分别公布了年院士的增订结果。 根据《中国科学院院士章程》和《中国科学院院士增选实施细则》的规定，年选出中国科学院院士53名和中国科学院外籍院士9名。 中国科学院长春光学精密机械物理研究所王立军入选。 根据ofweek激光网络，皇家军队在激光行业取得了突出的成绩，特别是半导体激光的核心行业。

王立军课题组克服大功率半导体激光器的核心技术

中国科学院长春光学精密机械物理研究所王立军研究员领导的课题组克服了大功率半导体激光器的核心技术，成功开发了千瓦级、高光束质量、小型化的各种半导体激光光源，成为工业激光加工行业的新一代交替产品。 日前，该“高密度集成、高光束质量激光束集成高功率半导体激光器的关键技术和应用”获得了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、激光显示等行业的核心光源和支撑技术之一。 但是，也有光束质量差、单元器件功率小、功率密度低等缺点。 通过激光线传感器封装、层叠封装等技术，可以将功率提高到千瓦级，但功率密度的提高和光束质量的改善不太容易，在上述各行业的应用受到限制。

王立军队通过激光束整形、激光束耦合等关键技术，实现了高光束质量半导体激光器的大功率:发明了多模式多光束功率耦合器及其制造方法。 获得了“多重光束耦合高功率半导体激光装置”和“大功率光束耦合半导体激光”两项发明专利，克服了半导体激光束等系列的关键技术，国内首次开发了2600瓦高光束质量高效节能半导体激光加工机的光源。 “半导体激光线传感器阵列的微通道散热器化学清洗装置”、“粗糙型半导体激光器的有源散热器结构和制造方法”、“半导体激光头的泵浦源用微通道散热器结构和制造方法”、“复合散热器半导体雷”

克服千瓦级半导体激光器的散热问题，开发了42层6700激光层叠模块，发明了成功应用于国家重大项目的垂直谐振器面发光激光器阵列的串联结构，对垂直谐振器面发光激光器的大面积二维集成面阵列进行了大电流驱动

国内大功率半导体激光器快速发展与应用简述

海外从1990年代初开始这项研究，已经取得了很大的进展。 国内起步比较晚，但发展迅速，第一个研究机构包括中国科学院半导体所、上海光机所、长春光机所、清华大学、电气集团十三所、中国科学院光电技术研究所和西安电子科技大学等。

中国科学院半导体所等单位使用光纤束耦合技术进行光束整形。 首先，一根光纤柱被高速轴压缩，然后进入与发光区域对应的严密周期分布的光纤列，最后输出的多根光纤被捆扎在一起。 由此，能够简便地实现ld线的输出光场的对称化，并且光束经由一定距离的光纤传输后的输出截面上的强度被均匀化，传输中的光能损失也小，输出光纤的纤芯直径粗，亮度不高，这是缺点。

2001年，吉林大学和长春光学精密机械学院以这种方式对10单元线阵激光棒进行了光纤耦合实验，耦合效率为75%。 2003年，中国科学院半导体所利用该技术实现了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，现在实现了小批量生产。

中国科学院光电技术研究所使用微透镜阵列的快轴平行化和光束的微偏转、消色差两接合透镜的偏转光束、闪耀阵列的逆偏转进行光束的整形，得到整形效果高、慢轴方向比较平衡的光束质量

清华大学使用等腰直角棱镜组，整形系统由两套错位紧密排列的等腰直角棱镜组组成。 对808 nm输出40 w的半导体激光器阵列进行光束整形，整形系统的功率效率为90%。 整形前的慢轴、快轴束质量参数比为2 499，整形后为0.77。

武汉凌云科技光电有限责任企业使用折射整形法，依次配置两组与整形后的线半导体激光的传递方向相互垂直的、分别紧密排列m张光学玻璃板片而构成的折射棱镜堆，进行光束的排列，进行慢轴方向的光束品 现在这家企业可以提供30 w，400 m的耦合输出系统。

中国科学院上海光学精密机械研究所采用折叠反射整形法，利用以自身底棱线为中心旋转45°的一系列微棱镜，将线半导体激光器发出的光在慢轴方向上用n个微棱镜切断成n段，各光束对应的微棱镜 利用该技术，实现了600 mm光纤输出，系统总效率达到了52%。

电气组13中使用的偏振光复合技术，首先是2条线半导体激光器分别进行高速轴准直和光束整形变换，用半波片使一条光束改变偏振状态，使其与另一条光束的偏振度正交，通过偏振组合器，从而得到2条 利用该技术，将808 nm的线路半导体激光器耦合到2芯径400 m、数值孔径0.22的石英光纤上，系统整体的耦合效率为60%，输出密度为48000 w/cm2。

中国科学院半导体研究所于2002年报道了基于光纤束耦合的光束整形技术。 半导体激光器阵列的输出光束首先由多模光纤高速轴压缩，然后耦合成一对一精密排列的光纤阵列，最后在输出端汇聚，实现l5 w的激光输出，耦合效率为75%。 这种做法结构简单，结合效率高，廉价，调节简单，有利于产品化生产。 2003年成功开发了一对阵列半导体激光器60 w的功率光纤耦合输出器件，总耦合效率为82%，出光口径为1.5 mm，数值孔径为0.1l。 2004年5月实现了一条阵列半导体激光器30 w的功率光纤耦合输出，出光口径为1.07 mm，数值孔径为0.1l。 光电子器件国家工程中心的光纤列束耦合整形器件已经实现了少量生产。

大功率半导体激光器是一种应用非常广泛的光电子器件，输出功率可以达到百瓦、千瓦甚至准连续输出功率可以达到万瓦以上，而且这些器件的能量转换效率可以达到50%以上。 半导体激光器对其他类型激光器的最大优点是波长多样化，随着应用行业的扩大，大功率激光器的研究几乎包括650-1 700 nm波段的整体。 目前，高功率半导体激光器和高功率半导体激光泵固体激光器在材料加工、激光打印、激光打印、激光扫描、激光测距、激光存储、激光显示、照明、激光医疗等民间行业，以及激光目标、激光引导、激光

大功率半导体激光器在材料加工中的第一应用是焊接、材料表面相变硬化、材料表面熔融、材料连接、钛合金表面解决、工程材料表面亲和特征改善、激光清洗、辅助机械加工等。 北京工业大学开发了光束整形l 000 w大功率半导体激光器，用于u74钢轨表面淬火试验。

军事方面的第一应用是: (1)半导体激光制导跟踪。 从制导站的激光发射系统以一定的规则在空之间发射编码调制激光束，光束中心线符合目标。 在波束中飞行的导弹，其位置偏离波束中心时，安装在导弹尾部的激光探测器接收激光信号，信号解决后，调整导弹的飞行方向实现制导跟踪。 (2)半导体激光雷达。 半导体激光雷达小型、精度高，具有多种成像功能和实时图像解决功能。 可用于目标检测、大气水蒸气、云、空气体污染等。 (3)半导体激光器的引信。 检测激光目标，解决和计算激光回波，评估目标，计算爆炸点，在最佳位置爆炸。 (4)激光测距半导体激光光源具有隐蔽性，广泛应用于激光夜视和激光夜视监视器。 (5)激光通信光源。 半导体激光器是理想的光源，具有抗干扰性、机密性好等优点。 蓝绿色光可用于潜水艇、卫星、航空空母舰的通信。 (6)半导体激光武器模拟。 可用于新的军事训练和演习技术。 另外，半导体激光器还广泛应用于激光瞄准、警报、军用光纤陀螺等。

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、高效率散热技术水平的提高，半导体激光器的功率和光束质量迅速发展，直接工业用半导体激光加工系统 现在国际上直接工业用大功率半导体激光器在输出5000 w级超过了灯的吸引固体激光器的光束质量，在1000 w级超过了全固体激光器的光束质量。 随着化合物半导体技术的进步，工业用高功率半导体激光器的功率和光束质量进一步提高，其工业应用范围进一步扩大。 在高功率光纤激光器的泵浦源中，光纤耦合输出的功率上升，光纤芯径和数值孔径下降，光纤激光器的泵浦亮度上升，价格下降。 这是因为将来高功率光纤激光器的输出功率和光束质量也会提高。 在将来的工业激光加工中，特别是在金属激光加工行业，大功率半导体激光主要应用于激光表面解决、激光焊接和近距离激光焊接行业，大功率光纤激光主要应用于光束质量要求更高的激光切割和远程激光焊接行业

在国内，近年来，在高功率、高光束质量的高功率半导体激光器相关行业方面也取得了长足的进步，例如北京的凯普林光电企业在单一单元器件的光纤耦合方面，西安的光科技企业在半导体激光器芯片封装方面都是国际领先的 但是，在作为半导体激光器核心部件的半导体激光芯片的研究开发和生产中，受到外延生长技术、腔面钝化技术及器件制造技术水平的限制，国产半导体激光器件的功率、寿命方面比国外先进水平高 这主要依赖于国内实用化的高功率、长寿命半导体激光芯片的进口，直接导致中国半导体激光系统的价格高，严重影响了中国高功率半导体激光的宣传应用，而且也限制了中国高功率光纤激光的开发和开发。 幸运的是，随着目前中国化合物半导体器件如led、多节gaas太阳能电池、红外热成像等技术的应用和迅速发展，化合物半导体器件的外延技术和封装技术正在成熟，这些技术是同一化合物 大大促进半导体激光器件的国产化，将半导体激光器这种高效率、节能型激光器广泛应用于中国的工业、国防、科研行业。 (资料来源: ofweek激光网)