我国半导体激光合束技术进展及背后团队

中国科学报 T中
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产生激光的光源非常多,有气体激光器、固体激光器、光纤激光器、半导体激光器等,其中半导体激光器是目前转换效率最高的一种光源。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所(以下简称长春光机所)是国内最早研制出半导体激光器和固体激光器的单位。

如今,长春光机所的高功率、高光束质量半导体激光合束技术在全国21个省市近百家企业、科研院所应用,为全面提升激光技术水平,改善产品质量和增强国际竞争能力做出了巨大贡献,为我国工业技术升级转型、节能减排起到重要作用。

攻坚瓶颈技术

激光是先进制造技术发展的前沿,是最具活力的经济增长点之一,在航空、航天、核能、交通、信息、医疗等众多军民领域应用广泛,激光加工技术的水平直接代表了国家的工业基础水平。

在产生激光光源的众多激光器中,半导体激光器的转换效率超过50%。对此,长春光机所研究员,高功率、高光束质量半导体激光合束技术及应用团队成员宁永强的解释是,通过半导体激光器,一千瓦的电可以产生五百瓦的激光,转换效率比光纤激光器高50%,比固体激光器高1倍,比二氧化碳气体激光器高4倍。

 高功率、高光束质量半导体激光合束技术及应用团队

宁永强表示:“半导体激光器可有效降低能源消耗,实现节能减排,对我国由高能耗社会向节约型社会转变具有重大意义。”

激光加工需要将成千上万瓦的激光聚焦到一个非常小的点,使焦点处达到很高的功率密度。这时光束输入的热量远远超过被材料反射、传导或扩散的部分,材料很快加热至熔化或汽化程度,从而实现焊接或切割。

与此同时,宁永强指出:“半导体激光器的单元功率非常小,最大只有十瓦量级,而且发散非常严重,难以直接聚焦,制约了其在激光加工、高能激光泵浦以及作为直接光源在激光武器等领域的应用,已成为国际上的重大瓶颈技术问题,世界主要发达国家均将其列入国家级发展计划。”

因此,团队合力攻坚半导体激光合束技术,这是一项实现高功率、高光束质量半导体激光输出的最有效技术。激光合束是一个提高光束质量、增加输出功率的过程,宁永强称:“该技术将多个单元器件输出光束耦合成一束,通过光束整形,提高整体光束质量,提高功率密度;通过合束,提高输出功率,形成大功率激光,最终实现千瓦以上光纤耦合输出。”

谋求合束成果转化

长春光机所在半导体激光基础研究及应用技术研究方面一直走在国内前列。自2006年,王立军带领团队开始部署半导体激光合束技术研究新方向,从芯片技术、封装技术、合束技术等多方面提升半导体激光器的光束质量。

宁永强介绍到:“我们的技术打破了高功率高光束质量半导体激光合束技术由国外垄断的局面,并在该领域拥有核心自主知识产权,于2011年获国家技术发明二等奖一项,于2015年获科技部创新人才推进计划重点领域创新团队荣誉。”

团队不仅实现了国内少有的芯片制备、列阵封装、光束整形、系统集成等方面完整技术条件,还在知识产权保护方面下功夫:近5年来获得授权发明专利共计27项,覆盖了高光束质量半导体激光器单元器件设计及制备、合束方法以及应用,形成完整的半导体激光器研究链条,获得多项国际领先技术成果。

宁永强告诉记者:“依靠这些技术,长春光机所在激光加工领域研制出200 瓦~10 千瓦功率范围的半导体激光加工光源,已经形成激光焊接、激光切割、激光熔覆、激光3D打印四大系列产品,并在国内率先推广大功率半导体激光加工技术。”

团队借着国家鼓励科技成果转化的东风,谋求合束技术成果转化。如今,长春光机所的高功率、高光束质量半导体激光合束技术在全国21个省市近百家企业、科研院所应用,为全面提升激光技术水平,改善产品质量和增强国际竞争能力做出了巨大贡献,为我国工业技术升级转型、节能减排起到重要作用。

2016年初,由吉林省科技厅、中科院长春光机所共同出资创建了吉林省长光瑞思激光技术有限公司,团队负责进行半导体激光技术成果的转化,先后开发出了激光加工光源、激光医疗仪器等多项产品。宁永强说:“公司目前签订合同订单近千万元,为社会提供了近30个就业岗位。”

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