新一代半導(dǎo)體激光加工光源

張志軍

(沈陽高新農(nóng)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司 遼寧 沈陽 110000；中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點實驗室 吉林 長春 130033)

新一代半導(dǎo)體激光加工光源

張志軍

(沈陽高新農(nóng)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司 遼寧 沈陽 110000；中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所發(fā)光學(xué)及應(yīng)用國家重點實驗室 吉林 長春 130033)

半導(dǎo)體激光應(yīng)用目前主要在金屬材料焊接、表面合金化、熔覆等工業(yè)領(lǐng)域，并且市場前景廣泛[1-4]，及半導(dǎo)體激光器波長較短是區(qū)別于固體激光器、CO2激光器的又一重要特點，用于材料加工的半導(dǎo)體激光器波長在780nm到980nm之間，本文在大通道工業(yè)水冷條件下，采用48只出射波長分別為808、880、938、976nm的CS激光陣列為發(fā)光單元，通過模擬設(shè)計仿真分析，及實驗組裝，實現(xiàn)了2453W高功率高光束質(zhì)量的激光輸出，快慢軸的光參量積為20.5mm.mradx23.5mm.mrad。該模塊可實現(xiàn)600μm，NA=0.22，2218W光纖柔性輸出，對于半導(dǎo)體激光器在工業(yè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)應(yīng)用具有重要的意義。

半導(dǎo)體激光陣列；光纖耦合；高亮度；偏振合束

一、引言

目前，國外許多公司和研究所采用將多種耦合技術(shù)相結(jié)合的方法，都已實現(xiàn)了千瓦級的功率輸出。德國Laserline公司開發(fā)的系列商用產(chǎn)品包括功率為2000W、4000W、8000W和10000W的光纖輸出光源；美國Apollo公司實現(xiàn)從1000um、0.22的光纖中連續(xù)輸出功率達(dá)10000W；其他如Limo、Trumf和Dilas等公司也取得了很大成功[5]。國內(nèi)在這方面也取得了一些成果。北京工業(yè)大學(xué)采用階梯鏡整形方法，通過偏振合束和波長合束，實現(xiàn)1000W功率連續(xù)輸出，光束質(zhì)量僅為12mm.mrad[6]。本文在大通道工業(yè)水冷條件下，采用偏振合束和波長合束，從600um、0.22的光纖實現(xiàn)2218瓦功率連續(xù)輸出。

二、實驗設(shè)計及模擬

(一)半導(dǎo)體激光光束整形技術(shù)

由于半導(dǎo)體激光器的特殊結(jié)構(gòu)，快慢軸方向發(fā)散40°，10°左右。且半導(dǎo)體激光器發(fā)光單元尺寸較小，不易于長距離傳播，實現(xiàn)快、慢軸光參數(shù)乘積的均勻化是提升光束質(zhì)量的重要方法。本文通過光束轉(zhuǎn)換器(BTS)將激光通過一個45°傾斜柱透鏡單元后繞著光軸旋轉(zhuǎn)90°。所以每個發(fā)光單元的快慢軸光參數(shù)積互換。從而實現(xiàn)光參數(shù)乘積的均勻化。

圖1是45°傾斜柱透鏡單元的參數(shù)，為了旋轉(zhuǎn)光束，該柱透鏡實質(zhì)上是一個焦距為無窮大的厚雙凸柱透鏡，并且有關(guān)系：r1=-r2;

d=2f

圖1 45°傾斜柱透鏡結(jié)構(gòu)

(二)半導(dǎo)體激光器合束技術(shù)

利用多光束的空間耦合、偏振耦合、波長耦合等合束技術(shù)，在保證得到高光束質(zhì)量的激光光束的同時還可以增加半導(dǎo)體激光器的輸出功率。以CS模塊為激光光源，采用BTS進(jìn)行光束整形，通過BTS光束變換透鏡實現(xiàn)對光束的分割、旋轉(zhuǎn)、重排，通過6支CS模塊(為一路)的空間耦合方法實現(xiàn)光源快慢軸方向的光束質(zhì)量均衡化，四路波長分別為808nm、880nm、940nm、976nm的CS模塊，實現(xiàn)波長的合束，輸出功率可增加4倍，光束質(zhì)量仍可基本保持不變通過偏振耦合方法實現(xiàn)上、下兩層激光的合束，光束質(zhì)量基本不變。

(三)耦合系統(tǒng)設(shè)計

已知聚焦前光束的半寬h，發(fā)散半角θ，聚焦后的光束的半寬h′，發(fā)散半角θ′，光纖芯徑d，數(shù)值孔徑NA，對應(yīng)的光纖最大入射角為θmax。有如下關(guān)系:

h′≤d/2,θ′≤θmax，由此公式必須滿足的條件可以推導(dǎo)出下式:h/tanθ′≤f≤d/2tanθ，選用芯徑為600微米光纖，NA=0.22，計算后取耦合系統(tǒng)的焦距為45mm。

三、系統(tǒng)組裝及測量

經(jīng)過高精度6維調(diào)節(jié)架的裝調(diào)，依次把6只帶BTS的CS激光器空間合束，再偏振合束、波長合束，最后通過耦合透鏡組聚焦到600微米光纖中。經(jīng)測量，此模塊光纖出光功率可達(dá)2218W，電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)44.2%。

四、結(jié)論

采用4個波段的48只CS激光陣列為發(fā)光單元，通過模擬設(shè)計仿真分析，及實驗組裝，最終實現(xiàn)了600微米、0.22光纖連續(xù)輸出2218W，將此光源配上激光加工頭集成到機器人系統(tǒng)上，將完全滿足柔性焊接、熔覆和熱處理等，促進(jìn)半導(dǎo)體激光器在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用。

[1]http://www.laserline.de/diode_laser/diode_laser_material_processing.html[OL].

[2]http://www.apolloinstruments.com/product_fcmodule.html[OL].

[3]A.Timmermann,D.Bartoschewski et la..Intensity increasing up to 4 MW/cm2 with BALB’s via wavelengths coupling[J].Proc.of SPIE Vol.7198.2009,71980X.

[4]D.Havrilla,M.Holzer et la..Dramatic Advances in Direct Diode Lasers[J].Proc.of SPIE Vol.7583.2000,75830B.

[5]M.Haag,B.K?hler et la..Novel high-brightness fiber coupled diode laser device[J].Proc.of SPIE Vol.6456.2007,64560T.

[6]王智勇,曹銀花等.高光束質(zhì)量千瓦直接半導(dǎo)體激光器研究[J].2009激光焊接國際論壇,2009,5.

Wang Z Y,Cao Y H et la..Research on KW-output High beam quality direct semicoducetor laser[J],2009 International Forum on welding technologies in laser,2009,5.(in Chinese)

張志軍(1983-)，男，漢族、黑龍江人，沈陽高新農(nóng)業(yè)發(fā)展有限責(zé)任公司工作，中級工程師，博士學(xué)位，主要從事大功率半導(dǎo)體激光器封裝及光纖耦合研究。