直接半导体激光器以半导体激光器为核心，可利用单级半导体器件将电能直接转化为激光束，具有体积小、重量轻、功耗低的特点，可用于军激光武器。
    此前的TeraDiode公司利用了麻省理工学院林肯实验室开发的波长光束合成方法，将大量独立的半导体激光器进行光束合成，发射出一束高功率、高质量激光束，使其达到传统化学固体激光器的功率和光束质量水平，可获得较高的电光效率和可控的发热量。这种直接半导体激光器近期内将用于红外对抗、目标指示器和目标照射器等领域，在长期目标上，将应用于定向能武器，例如路边炸弹远距离清除，反火箭弹、炮弹和迫击炮弹任务，以及防空任务等各方面应用。
    当我们提起武汉锐科的时候，或许更多是将其与光纤激光器联系在一起。而在本次慕尼黑光博会现场，锐科除了展示其光纤激光器产品外，也推出了一款1000W直接半导体激光器。武汉锐科销售总监汪伟对OFweek激光网编辑解释到：“锐科除了专注于光纤激光器的国产化外，也朝着更加丰富的产品方向发展。”

                                  1000W直接半导体激光器
    OFweek激光网编辑现场了解到，该1000W直接半导体激光器电光转换效率高达50%。主要应用于金属材料表面处理、熔覆、除漆、锡焊金属及塑料焊接等领域。预计几年之后，直接半导体激光器凭借且高效的光电转换效率和自身的性能特点，将会是光纤激光器的强有力的竞争“对手”。

　　千瓦级直接半导体激光器研究

     大功率半导体激光器以其体积小、重量轻、效率高、寿命长、可靠性高、波长短、金属吸收率高、适合光纤传输以及性能价格比高等优点，在激光材料加工和军事领域等有着广泛的应用前景。但是大功率半导体激光器存在着一个致命弱点，同传统的大功率气体和固体激光器相比，其光束质量较差。因此，提高大功率半导体激光器的光束质量一直受到众多学者的关注。

　　随着半导体激光芯片技术和集成技术的发展，大功率半导体激光器的功率越来越高，光束质量也逐年改善。目前应用于激光制造的大功率半导体激光器的功率可达到6000W甚至更高，光束可藕合进入芯径为0.6mm的光纤，1000W光束可藕合进人芯径为0.2mm的光纤。这就使得大功率半导体激光器作为直接能源应用于激光材料加工中功率密度要求较高的领域，如激光焊接等。

    半导体激光器通常由多个半导体激光发光单元通过一维阵列（把人）或多维阵列（stack）叠加而成。每个bar条由十几或几十个发光单元组成，bar条的长度一般为10mm。由于每个bar条为了散热都有一定的厚度，常见厚度是1.8mm，而发光区域在快轴方向仅有1μm，这样快轴方向光束的填充因子就很低，因此，在快轴方向光束已准直的情况下，半导体激光阵列远场呈现出的是一组间距较大的平行光斑，不利于光束聚焦。

　  另外，为了获得高功率，通常将bar条沿快轴方向进行叠加，但简单地叠加bar条致使激光发光阵列的尺寸增大。大口径光学系统在进行光束整形和聚焦时必定带来较大的像差，影响聚焦光斑的大小。因此，对于大功率半导体激光器，提高功率和改善光束质量是密不可分的。提高大功率半导体激光光束质量的重要途径之一就是对光束进行整形，典型的方法主要有直接整形法、折射整形法、折反射整形法、反射整形法及折/衍射整形法。

　　本文介绍了采用多波长藕合和偏振藕合的方式实现千瓦级高功率直接半导体激光输出的方法，通过光束整形实现快慢轴光束对称，即光参数积近似相等。通过智能化控制，实现了不同波长、不同功率、不同脉冲宽度输出，以及复合波长连续输出。
 
    1、激光器组成原理
    激光器系统主要由激光器机头、激光电源、水冷系统、控制系统等组成。为了获得高光束质量高功率的激光输出，激光器光学系统采用了快轴微透镜准直、光束对称化整形、波长耦合和偏振祸合等技术。

                           图1 激光器机头的组成结构如图1所示

             　图2 1000W高光束质量直接半导体激光器
     激光器光源采用波长808nm（60W/bar），915nm（80W/bar），940nm（80W/bar），980nm（80W/bar）半导体激光阵列各4bar。每个bar由19个发光单元组成，填充因子20%，发光面沿慢轴方向宽度100μm，周期500μm。激光光源输出功率为1200W。在已研制出的1000高光束质量直接半导体激光器中，如图2所示，用不同的电源分别对不同波长的光源供电，通过智能化控制，可实现不同波长、不同功率、不同脉冲宽度输出，以及复合波长连续输出。

　　1.1、光束对称化
    由于半导体激光阵列的输出光束在快慢轴上的光束参数乘积极其不对称，这使得半导体激光阵列的输出光束很难被聚焦成小而圆的光斑从而将其藕合进光纤系统。其中光束参数乘积（BPP)定义为激光光束束腰半径和发散角的乘积，是衡量光束质量好坏的重要指标，它反映了光束的聚焦能力。对于半导体激光一维阵列，其慢轴上的BPP值是快轴BPP值的100-1000倍。为了
提高半导体激光器的功率，往往将多个半导体一维阵列（bar）叠加，形成一个二维阵列，即半导体激光堆栈。但是堆栈的慢、快轴上的光束参数乘积仍然相差约儿十倍。
    若想使半导体激光阵列的光束在快慢轴上的光束参数乘积均匀化，必须采取光束整形。将半导体激光阵列的输出光束进行分割、重排，通过减小慢轴方向、增大快轴方向的光束参数乘积的方法达到快慢轴光束参数乘积均匀化的目的。
    光束整形原理如图3所示。半导体激光阵列光束的尺寸为慢轴方向D.快轴方向W.将光束沿慢轴方向分割N.段，重排后光束的尺寸为慢轴方向D/N，，快轴方向W·N，使光束的光参数积BPP近似相等。

                 图3 光束整形原理示意图 

                   
   本系统采用的半导体激光阵列经准直后（bar条带准直系统），BPPfast= 0.7mm*mrad，BPPkow = 99mm*mard，经计算分割数目为12，经整形变换后，所设计的快轴光束质量为：BPPfast = 8.4mm*mrad；慢轴光束质量为BPP = 8.3mm*mrad 。

　　在已研制出的1000W高光束质量半导体激光器中，采用了光束整形技术，用光束整形棱镜堆实现半导体激光阵列光束光参数积均匀化的光束整形装置如图4所示。

                            图4 光束整形装置

    通过实验可以看出棱镜堆能实现光斑的分段排列，光束质量大幅改善。光束整形结果模拟图和实验光斑图分别如图5和图6所示。

                      图5 光束整形模拟图

                                                     图6 光束整形结果实验光斑图
   从图6可以看出，光斑经分段整形棱镜组后被分成多段，并整齐地填充排列到两个光斑中间的空白区域，提高了填充因子，再经重排棱镜组将光斑对齐。光源出光口的光斑尺寸为22mm*11mm，经整形传输100mm后光斑尺寸为22mm*2mm。。

　　1.2、波长祸合和偏振藕合

　　为了提高半导体激光器的功率，在不增加快轴方向光斑尺寸的情况下，采用了多波长祸合技术。本系统由808nm，915nm，940nm，980nm 4个波长组成。经过波长锅合单元，可使功率密度提高3倍。波长藕合原理如图7所示。

                           图7 波长祸合原理示意图
    由于半导体激光是线偏振光，可以用λ/2波片将其偏振方向旋转90度。 ，因此通过偏振祸合可使2路激光合束，功率密度再增加1倍。偏振祸合原理如图8所示。

                         图8 偏振祸合原理示意图
    经过上述波长藕合及偏振藕合，将4个波长，8组半导体激光阵列合束为一束激光输出，其激光光源输出总功率为1200W，用COHERENT的3Σ功率计测量激光器输出功率为1050W，激光器的光-光转换效率为87.5%，电光转换效率为45%。

　　2、光束质量分析

　　激光器光束质量测量采用在不同距离上测量光斑大小，计算其发散角，最后得出光参数积的方法。图9是光束传输到不同距离时用相纸得到的光斑情况（单位：mm）。

          
                          图9 光束传输过程中光斑的变化情况

　　经计算可得到激光光束快轴光束质量为8.8mm*mrad，激光光束慢轴光束质量为7.3mm*mrad ，总光束质量为11.3mm*mrad。11.3mm*mrad。

　　3、结 论

　　研制的1000高光束质量直接半导体激光器，采用多波长祸合和偏振藕合的方式实现千瓦级激光输出，激光器光一光转换效率达到87.5%，电光转换效率为45%。通过光束整形的方法，实现了快慢轴的光束质量均小于9mm*mrad·的半导体激光输出，并可藕合进入芯径为0.2mm。，数值孔经为0.22的光纤中。