半导体激光器

图1 半导体激光器应用示意图

        半导体激光器是以半导体材料为基础的电能光能转换器件（系统），能够发射出单色性好，方向性强的高亮度激光光束。因其电光转换效率高、波长选择范围广、体积小、寿命长等优势受到青睐，可以作为高效率的全固体激光器和光纤激光器的泵浦源，也可以作为直接高能光源应用在材料加工等方面。

直接半导体激光器和光纤激光器

        光纤激光器离不开半导体激光器，光纤激光器采用掺杂光纤作为发射激光的增益介质，不能够直接实现电光转换，需要用半导体激光器作为泵浦源来泵浦增益介质，实现光光转换（光光转换效率约为42%），但在这个过程中会造成一定的能量损失并增加部分器件成本。

        直接半导体激光器是指可以直接作为高能光源应用在材料加工等方面的半导体激光器，其采用半导体材料作为发射激光的增益介质，粒子在导带和价带之间跃迁产生光子，使用电激励，是直接的电光转换（电光转换效率55%），由于是直接的激光输出，不需要转换器件，减少了能量损失，相较于光纤激光器效率高、体积小、成本低。

直接半导体激光器工业应用

图2大功率半导体激光器工业应用（来源：laser focus world）

        直接半导体激光系统可广泛应用于塑料焊接、锡焊、金属热传导焊接、清洗、切割、淬火、熔覆等领域，在“中国制造2025”中应用广泛，市场巨大。

低功率直接半导体激光器（＜200W）主要应用于锡焊和塑料焊接。

图3 锡焊

        在锡焊中，激光焊接具有无空间限制、无焊头、非接触式、无静电、耗材少、焊接速度快等优势。随着半导体激光器价格的进一步降低、人工成本的不断提高及智能制造、精密制造的推进，预计激光锡焊未来将逐步替换传统的烙铁焊接，得到广泛的应用。

中功率直接半导体激光器（200W-1000W）主要应用于传导焊。

图4 传导焊

        直接半导体激光器传导焊是通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内，在极短的时间内使焊接区域形成一个能量高度集中的热源区，从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。

        直接半导体激光器具有波长的优势，原则上可以焊接所有的金属材料，如碳钢，不锈钢、铝合金、镍合金等。在拼接焊缝隙较大时，相对于光纤激光器，直接半导体激光器的聚焦光斑较大，可以有效弥补工件的精度，焊缝背面宽度也较大，可弥补离焦精度误差，保证激光完全熔透材料。具有焊接熔池稳定、焊缝平滑、速度快、一致性好等特点。

高功率直接半导体激光器（＞1000W）主要应用于熔覆。

图5 激光熔覆

        高功率直接半导体激光器可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，具有电光效率高、材料吸收率高、使用维护费用低、光斑形状为矩形、光强分布均匀等特点。广泛应用于电力、石化、冶金、钢铁、机械等工业领域，是熔覆应用的理想选择。