随着半导体激光器技术的日益成熟,其输出功率进一步提高,能够输出一百瓦左右的bar条已经成为商品出售,这使得半导体激光器进入材料加工领域成为可能。半导体激光器以其体积小、重量轻、结构简洁和电光转化效率高的优势开拓了许多传统激光器无法涉及的领域,欧洲和美国对此进行了广泛的研究,主要应用范围涉及材料连接、材料表面相变硬化、熔覆、工程材料表面改性等,国内对此问题开展的研究较少。论文在分析大功率半导体激光器的发光原理的基础之上,介绍了大功率半导体激光堆栈的主要特性,利用格兰-泰勒棱镜的分光原理实现了高功率半导体激光堆栈的光束耦合,这种非相干的耦合提高了光束的功率密度,可以满足材料加工的需要。分析了半导体激光光束的特点及光束准直和聚焦的方法,测量了不同位置的聚焦光斑功率密度分布,焦点处的光斑具有矩形结构,拟合出在半导体激光器焦点位置10mm范围内快轴方向光束传输曲线,计算出快轴方向光束参数积的近似值。针对大功率半导体激光器的光路特点和在材料加工中可能出现的问题,使用AutoCAD和Solidwork设计了半导体激光器的加工工作头,实验证明,加工头对激光器镜片保护、自身冷却和提高材料加工质量起到了积极的作用。半导体激光器聚焦后的矩形光斑是材料表面处理的理想热源,文中就半导体激光器在材料表面处理进行了实验研究,主要进行了U74钢轨材料的表面相变硬化实验和大功率半导体激光器熔覆镍基合金粉末的实验。研究发现半导体激光器的不同扫描方向的硬化结果完全不同,沿快轴方向扫描可以形成较宽的硬化带和熔覆层,有利于提高材料表面加工效率。