大功率半导体激光器工业应用

　　随着半导体芯片技术和光学技术的发展，半导体激光器的输出功率不断提高，制约其工业应用的光束质量差的问题也得到了有效改善。目前，工业用大功率半导体激光器的输出功率和光束质量均已超过了灯泵浦YAG激光器，并已接近半导体泵浦YAG激光器。半导体激光器已经逐渐应用于塑料焊接、熔覆与合金化、表面热处理、金属焊接等方面，并且也在打标、切割等方面取得了一些应用进展。

　　（1）激光塑料焊接
　　半导体激光器的光束为平顶波光束，横截面光强空间分布比较均匀。与YAG激光器的光束相比，半导体激光器的光束在塑料焊接应用中，可以获得较好的焊缝一致性和焊接质量，并且能进行宽缝焊接。塑料焊接应用对半导体激光器的功率要求不高，一般为50～700W，光束质量小于100mm•mrad，光斑大小为0.5～5mm。用这种技术焊接不会破坏工件表面，局部加热降低了塑料零件上的热应力，能避免破坏嵌入的电子组件，也较好地避免了塑料熔化。通过优化原料和颜料，激光塑料焊接能够获得不同的合成颜色。目前，半导体激光器已经广泛用于焊接密封容器、电子组件外壳、汽车零件和异种塑料等组件。

　　（2）激光熔覆与表面热处理
　　对耐磨性及耐腐蚀性要求较高的金属零件进行表面热处理或局部熔覆，是半导体激光器在加工中的一个重要应用。国际上用于激光熔覆与表面热处理的半导体激光器的功率为1～6kW，光束质量为100～400mm•mrad，光斑大小为2×2mm2～3×3mm2或1×5mm2。与其他激光器相比，用半导体激光器光束进行熔覆与表面热处理的优势在于其电光效率高、材料吸收率高、使用维护费用低、光斑形状为矩形、光强分布均匀等。目前，半导体激光熔覆与表面热处理已经广泛应用于电力、石化、冶金、钢铁、机械等工业领域，成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一。

　　（3）激光金属焊接
　　大功率半导体激光器在金属焊接方面有许多应用，应用范围从汽车工业精密点焊到生产资料的热传导焊接、管道的轴向焊接，其焊缝质量好，无需后序处理。用于薄片金属焊接的半导体激光器要求其功率为300～3000W，光束质量为 40～150mm•mrad，光斑大小为0.4～1.5mm，焊接材料的厚度为0.1～2.5mm。由于热量输入低，零件的扭曲变形保持在最小程度。大功率半导体激光器可进行高速焊接，焊缝光滑美观，在焊接过程及焊接前后节省劳动力方面具有特殊优势，非常适合工业焊接的不同需要，它将逐渐取代传统的焊接方法。

　　（4）激光打标
　　激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。但是随着半导体激光器光束质量的改善，半导体激光器打标机已开始应用于打标领域。德国LIMO公司已推出了光束质量达5mm•mrad的50W直接输出半导体激光器，以及50μm光纤耦合输出的25W半导体激光器，这已经达到了打标应用对激光器的输出功率和光束质量的要求。

图4：1kW高光束质量直接输出半导体激光器。

　　（5）激光切割
　　大功率半导体激光在切割领域的应用起步较晚。在德国教育研究部“模块式半导体激光系统”（MDS）计划的支持下，德国夫琅和费研究所于2001年研制出功率为800W的半导体激光切割机，可切割10mm厚的钢板，切割速度为0.4m/min。

　　北京工业大学研究进展
　　北京工业大学激光工程研究院自2000年以来陆续开展了大功率半导体激光器方面的相关研究，包括半导体激光芯片的封装研究、半导体激光光束整形技术研究、直接输出大功率半导体激光器研究、高光束质量大功率半导体激光器研究以及光纤耦合输出大功率半导体激光器研究等。

　　在半导体激光芯片的封装方面，北工大采用PVD预置In焊料结合自制微通道热沉封装出的半导体激光器，热阻为0.34K/W，达到了国外同类商用器件的水平。

　　在半导体激光器光束整形技术研究方面，北工大发明了透射式三角板结构的棱镜组对半导体激光光束进行分割重排，实现了快慢轴方向的光参数乘积均匀化，改善了半导体激光光束质量，其整形效率超过95%，该方法现已获得国家专利。

　　结合具有自主知识产权的光束整形技术，北工大研制出了1kW的高光束质量直接输出半导体激光器。该激光器采用多波长耦合和偏振耦合的方式获得了千瓦级激光输出，激光器的光-光转换效率达87.5 %，激光器插头效率高于40%，激光输出光束质量小于12mm•mrad，可耦合到芯径为0.2mm、数值孔径为0.22的光纤中，为激光焊接、激光切割等高要求的材料加工提供了一种高效、高质、低耗的先进激光加工装备。

　　小结
　　遵循半导体领域的摩尔定律，十多年来，国际上工业大功率半导体激光器技术已经取得了巨大进步，大功率半导体激光器的功率已经达到10kW以上，在1kW时的光束质量小于12mm•mrad，超过了同功率全固态激光器的光束质量，可耦合到芯径200μm、数值孔径为0.22的光纤中。在6kW时光束质量可达到25mm•mrad，达到了同功率灯泵浦YAG激光器的光束质量，可耦合到芯径600μm、数值孔径为0.22的光纤中。目前，大功率半导体激光器正在向着高亮度、高光束质量的方向发展，预计明年将会出现能耦合到芯径200μm、数值孔径为0.22光纤中、输出功率达3kW的大功率半导体激光器。

　　另外，以半导体激光器为基础的工业大功率全光纤激光器近年来也取得了很大发展，由于其光束质量好、效率高、体积和重量小等优点，大有取代其他激光器的趋势。同工业光纤激光器相比，工业大功率半导体激光器的效率略高（高5%～10％），但是光束质量较差。未来，大功率半导体激光器和光纤激光器的发展是相互促进的，大功率半导体激光器的光束质量越好，光纤耦合的半导体激光泵浦源的功率就越高，从而促进光纤激光器功率的提高，而光纤激光器的不断发展反过来又会带动半导体激光器光束质量的提高和发展。未来很有可能在激光焊接领域形成交集，但是光束质量的差异会使得工业用大功率半导体激光器主要用于贴近式激光焊接，而光纤激光器主要应用于远程激光焊接。

　　总之，未来激光技术发展的主流方向已经发生改变，工业用大功率半导体激光器和以半导体激光器为基础的全光纤激光器已经进入工业应用和产业化的高速发展期，这将带动激光业乃至整个制造业的高速发展。在不久的将来，以半导体激光技术为核心的激光材料加工技术将不断推动激光先进制造向着高效率、低能耗、短流程、高性能、高智能、数字化方向发展。（王智勇 秦文斌 曹银花 尧舜 刘友强 北京工业大学激光工程研究院）