10 kW級直接輸出半導體激光熔覆光源的研制與熱效應分析

林星辰，張亞維，朱洪波*，劉 云，秦 莉，寧永強，王立軍

(1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，吉林 長春 130033;2.哈爾濱工程大學 理學院，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 引 言

由于半導體激光器具有電光轉換效率高、可靠性高、免維護等優點[1-4]，其在激光加工領域得到越來越廣泛的應用[5-6]。尤其是在電光轉化效率方面，半導體激光器的優勢更加明顯。半導體激光器的電光轉換效率是CO2激光器的4～5倍，是全固態激光器的3～4倍[7-10]。此外，通常大功率半導體激光器的發射波長為800～1 000 nm，各種金屬材料在此波段材料具有較高的吸收率，鋁的吸收率為13.5%，鐵的吸收率為33%，分別是CO2激光器10.6 μm波段處吸收率的9倍和5倍，因此高功率連續輸出半導體激光加工光源成為了國際上的研究熱點。Stephen Brookshier等人采用半導體激光疊陣進行空間合成，研制出波長為976 nm、連續輸出功率達8 kW的半導體激光加工光源，電光轉換效率為45%[11]。Baumann等人通過對半導體激光疊陣進行光束整形，并對其進行波長合成，研制出輸出功率為10 kW的半導體激光源，電光轉換效率為50%，光源采用光纖進行傳輸，通過對加工頭的光學模組進行調節，可以實現2～5 mm不同直徑范圍的多種光斑輸出[12]。在上述的研究工作中，研究重點都集中在半導體激光光源的設計與研制上，并沒有對10 kW級的半導體激光加工光源熱效應進行分析及論述。在功率如此大的激光光源內，過大的熱效應有可能造成光源內部的光學元件基體的破裂及膜層的損傷，從而影響整個光源的可靠性[13-14]，因此對10 kW級半導體激光光源熱管理技術的研究尤顯重要。

本文以半導體激光疊陣為單元器件，采用偏振合成技術和波長合成技術相結合，將2只915 nm和2只976 nm半導體激光疊陣進行合成，研制出了萬瓦級半導體激光器。實驗中還對光源內部的易損光學元件的熱效應進行了模擬分析并設計有效的散熱結構，使其最高溫度從442.2 K下降到320 K，同時對應的熱應力從75.4 MPa下降到14 MPa，大幅提升了激光光源的可靠性。采用熱分析對光源內部的易損光學元件進行了模擬，并采用自行設計的冷卻系統對其進行冷卻，從而減小光學元件的熱應力，有效提升了半導體激光光源的可靠性。

2 實驗設計

2.1 光學設計

半導體激光疊陣是由多個激光bar條組成，以二維面陣結構實現激光輸出，因此能夠產生千瓦級的功率輸出，在大功率半導體激光熔覆光源的研制中，主要采用疊陣作為單元光源[15]。實驗中采用915 nm和976 nm半導體激光疊陣進行合成，每個疊陣有25層bar條，每個bar條在122 A注入電流下的輸出功率可達110 W。由于半導體激光快慢軸方向發散角較大，通常為70°×9°(95%能量分布)，因此首先采用快軸準直鏡對疊陣中每層bar條進行光束準直，實驗中采用LIMO公司的快軸準直鏡，型號為FAC850，有效焦距為0.9 mm。由于bar條的填充因子為50%，每個發光點之間只有200 μm的間距，而目前商用的慢軸準直微透鏡陣列周期均為500 μm，無法對本bar條進行準直，因此在本工作中，采用自行設計的200 mm焦距的柱面鏡對慢軸進行準直。通過準直后，快軸和慢軸的發散角分別降至7 mrad和54 mrad(95% 能量分布)。隨后將同一波長的半導體激光器通過偏振合成鏡進行合成，利用半波片將其中一路半導體激光的偏振態旋轉90°，兩路激光束偏振態相差90°的激光通過偏振合成鏡時，P光發生透射，S光發生反射，這樣就實現了偏振合成。將兩個波長的疊陣都經過偏振合成后，再采用波長合成技術對兩個波長的光束進行合成。波長合成是提升半導體激光光源功率輸出的一種有效手段，通常采用二色分光鏡實現兩個不同波長的激光合成。實驗中兩個波長的半導體激光疊陣的波長間隔為60 nm，波長合成主要使二色分光鏡的透射曲線的過渡區準確位于兩束激光波長間隔的中間，這樣915 nm的激光將發生反射，976 nm的激光將發生透射，從而實現波長合成，整個激光合成結構如圖1所示。圖2為所用的二色分光鏡的膜系曲線。

圖1 半導體激光器光路合成模型圖 Fig.1 Optical path combination model of diode laser

圖2 二色分光鏡的膜系曲線 Fig.2 Coating curve of dichroic beam splitter

根據實際應用中對激光加工的要求，本文設計了300 mm的聚焦鏡組，由于半導體激光器準直后快慢軸發散角不同，因此通過計算，理論上聚焦光斑尺寸為2.5 mm×16 mm，呈矩形分布，可以滿足激光熔覆快速大面積加工的要求。

2.2 熱效應分析

由于半導體激光光源的輸出功率達10 kW，因此有必要對光源的熱效應進行分析。半導體激光疊陣通常采用成熟的微通道冷卻散熱技術，因此本文主要討論光源內部的光學元件的散熱[16-17]。

在如此高的激光功率密度下，透鏡的溫度會因為熱吸收而顯著上升，并在鏡子表面產生溫度梯度變化。溫度梯度會引起熱應力，導致透鏡破裂。在光源內部所有光學元件中，聚焦鏡組中最后一片透鏡承受的功率密度最高，本文將對此進行詳細討論。本文采用COMSOL有限元分析軟件對透鏡的熱應力進行模擬分析，透鏡的基底材料熔石英對半導體激光器的吸收系數α為0.05 m-1，熔石英的熱導率為1.3 W/(m·K)。公式(1)為熱源方程：

(1)

其中，P代表合成后激光光源輸出的總功率，S代表激光束在透鏡上的輻射面積，z為透鏡的厚度。在自由傳導散熱條件下，在COMSOL中將自由傳導系數設為10 W/(m2·K)，將環境溫度設為293 K。圖3為模擬結果，可見透鏡上的最大溫度達到442.2 K，最大熱應力(馮·米塞斯應力)超過75.4 MPa，這將導致透鏡的破裂。為了減小熱應力，保證激光光源的穩定性，設計了具有水冷結構的聚焦鏡筒。如圖4所示，在聚焦鏡筒的側壁上設計了多個直徑為3 mm的水冷通道，水冷通道呈等間距分布。冷卻水從注水口通入，然后通過環形通道后分別進入水冷通道，最后再匯集到一起從出水口流出，從而使透鏡的熱量隨冷卻水的流動被有效帶走。可以看出水冷通道的數量對透鏡的熱應力有很大的影響。

圖3 自由傳導散熱時鏡頭溫度和熱應力的模擬結果圖 Fig.3 Simulations of temperature and thermal stress distribution under free conduction thermal dissipation

圖4 聚焦鏡桶的散熱結構圖 Fig.4 Thermal dissipation structure of focusing lens holder

圖5 冷卻水通道數量與溫度和熱應力的關系圖 Fig.5 Temperature and thermal stress varying with water channels

圖6 6個水冷通道下聚焦鏡筒的溫度和熱應力分布圖 Fig.6 Temperature and thermal stress distribution of focusing lens holder with six water channels

圖5為透鏡的溫度和熱應力隨水冷通道數量的變化情況。當水流量設置為5 L/min，溫度設為293 K，通過判定雷諾數，采用湍流模式模擬冷卻水，通過流體計算得出模擬結果，如圖6所示。隨著水冷通道數量的增加，溫度和熱應力在開始階段快速下降，當數量超過6個以后，聚焦鏡筒的散熱能力趨于飽和，此時，再增加水冷通道數量對透鏡溫度及熱應力的影響并不大。將水冷通道數量設為6個并對透鏡的熱效應進行模擬，透鏡的最高溫度從442.2 K 降至320 K，相應的熱應力從75.4 MPa降至14 MPa，熱效應明顯下降。

3 結果分析

如上文2.1中所述，通過偏振合成和波長合成相結合的方法，4只半導體激光疊陣實現了功率合成。整個激光光源采用水冷方式進行冷卻，水冷溫度設為293 K，功率和效率隨電流的變化曲線如圖7所示。在輸入電流為122 A下，整個激光光源的輸出功率可達10 120 W，電光轉換效率達46%。從圖7中可以看出，整個PI曲線呈線性分布，這說明采用微通道冷卻可以使半導體激光疊陣在整個工作范圍內實現穩定的功率輸出。

圖7 功率和效率隨電流的變化曲線 Fig.7 Output power and efficiency versus operating current

圖8 可靠性測試前(a)后(b)的光斑圖 Fig.8 Profiles of focusing spot before(a) and after(b) the reliability test

半導體激光疊陣的初始電光轉換效率約為50%，但是經過合成后，整個激光光源的電光轉換效率降至46%，主要原因有以下幾點：(1)實驗中所用的半導體激光器疊陣為線偏振光輸出，由于半導體激光器量子阱結構及材料組分的限制，半導體激光器輸出激光的偏振度在98%～99%之間，這會在偏振合成過程中產生一定的功率損失[18]。(2)由于鍍膜工藝的限制，實驗中所用的偏振合成膜系和波長合成膜系很難達到理論設計值，通常P偏振態的激光入射到偏振合成鏡上時，透過率為96%，S偏振態的激光入射到偏振合成鏡上時，反射率為99%，這樣在偏振合成環節會產生大約2.5%的平均損耗。同樣在波長合成環節，也會產生大約2.5%的平均損耗。(3)由于光源內部的反射鏡和透射鏡的反射率和透過率也不能達到100%，這些較小的損耗積累將會產生較大的損耗，這也是光源功率損失的一部分因素。

采用自行設計的聚焦鏡組，合成后的光束聚焦為2.5 mm×16 mm的矩形光斑，與之前的理論計算值相同。

為了驗證光源的可靠性，本文對半導體激光器進行了24 h的可靠性測試實驗，在光源外部光路中利用分光鏡將99.9%的激光分光，然后利用功率計進行接收，再采用Spiricon公司的光束分析儀對聚焦光斑變化情況進行監測。圖8給出了激光光源在可靠性測試前后的光斑變化情況。可以看出，經過長時間的可靠性測試，光斑沒有明顯變化，這說明光源內部的散熱結構有效地減小了透鏡因為熱應力而產生的形變。激光器可以穩定可靠地長時間工作，滿足激光熔覆、激光熱處理的要求。

4 結 論

本文研制了應用于激光熔覆、激光熱處理領域的10 kW級高可靠性大功率半導體激光光源，光源內部將偏振合成技術和波長合成技術相結合，在122 A的注入電流下，輸出功率達10 120 W，電光轉化效率為46%。通過自行設計的聚焦鏡后，合成后的光斑聚焦為2.5 mm×16 mm的矩形光斑，可滿足工業中大面積快速激光熔覆、激光熱處理的需求。實驗中對激光光源的熱效應進行了分析，采用自行設計的散熱系統對光源內部的光學元件進行散熱，實現了穩定的激光功率輸出，而且光斑分布沒有發生變化，驗證了該半導體激光器可以長時間連續工作，展示了其在激光熔覆、激光熱處理等應用中的良好應用前景。