直接半導(dǎo)體激光器以半導(dǎo)體激光器為核心，可利用單級半導(dǎo)體器件將電能直接轉(zhuǎn)化為激光束，具有體積小、重量輕、功耗低的特點，可用于軍激光武器。
此前的TeraDiode公司利用了麻省理工學(xué)院林肯實驗室開發(fā)的波長光束合成方法，將大量獨立的半導(dǎo)體激光器進行光束合成，發(fā)射出一束高功率、高質(zhì)量激光束，使其達到傳統(tǒng)化學(xué)固體激光器的功率和光束質(zhì)量水平，可獲得較高的電光效率和可控的發(fā)熱量。這種直接半導(dǎo)體激光器近期內(nèi)將用于紅外對抗、目標(biāo)指示器和目標(biāo)照射器等領(lǐng)域，在長期目標(biāo)上，將應(yīng)用于定向能武器，例如路邊炸彈遠距離清除，反火箭彈、炮彈和迫擊炮彈任務(wù)，以及防空任務(wù)等各方面應(yīng)用。
當(dāng)我們提起武漢銳科的時候，或許更多是將其與光纖激光器聯(lián)系在一起。而在本次慕尼黑光博會現(xiàn)場，銳科除了展示其光纖激光器產(chǎn)品外，也推出了一款1000W直接半導(dǎo)體激光器。武漢銳科銷售總監(jiān)汪偉對OFweek激光網(wǎng)編輯解釋到：“銳科除了專注于光纖激光器的國產(chǎn)化外，也朝著更加豐富的產(chǎn)品方向發(fā)展。”
1000W直接半導(dǎo)體激光器
OFweek激光網(wǎng)編輯現(xiàn)場了解到，該1000W直接半導(dǎo)體激光器電光轉(zhuǎn)換效率高達50%。主要應(yīng)用于金屬材料表面處理、熔覆、除漆、錫焊金屬及塑料焊接等領(lǐng)域。預(yù)計幾年之后，直接半導(dǎo)體激光器憑借且高效的光電轉(zhuǎn)換效率和自身的性能特點，將會是光纖激光器的強有力的競爭“對手”。
千瓦級直接半導(dǎo)體激光器研究
大功率半導(dǎo)體激光器以其體積小、重量輕、效率高、壽命長、可靠性高、波長短、金屬吸收率高、適合光纖傳輸以及性能價格比高等優(yōu)點，在激光材料加工和軍事領(lǐng)域等有著廣泛的應(yīng)用前景。但是大功率半導(dǎo)體激光器存在著一個致命弱點，同傳統(tǒng)的大功率氣體和固體激光器相比，其光束質(zhì)量較差。因此，提高大功率半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量一直受到眾多學(xué)者的關(guān)注。
隨著半導(dǎo)體激光芯片技術(shù)和集成技術(shù)的發(fā)展，大功率半導(dǎo)體激光器的功率越來越高，光束質(zhì)量也逐年改善。目前應(yīng)用于激光制造的大功率半導(dǎo)體激光器的功率可達到6000W甚至更高，光束可藕合進入芯徑為0.6mm的光纖，1000W光束可藕合進人芯徑為0.2mm的光纖。這就使得大功率半導(dǎo)體激光器作為直接能源應(yīng)用于激光材料加工中功率密度要求較高的領(lǐng)域，如激光焊接等。
半導(dǎo)體激光器通常由多個半導(dǎo)體激光發(fā)光單元通過一維陣列（把人）或多維陣列（stack）疊加而成。每個bar條由十幾或幾十個發(fā)光單元組成，bar條的長度一般為10mm。由于每個bar條為了散熱都有一定的厚度，常見厚度是1.8mm，而發(fā)光區(qū)域在快軸方向僅有1μm，這樣快軸方向光束的填充因子就很低，因此，在快軸方向光束已準(zhǔn)直的情況下，半導(dǎo)體激光陣列遠場呈現(xiàn)出的是一組間距較大的平行光斑，不利于光束聚焦。
另外，為了獲得高功率，通常將bar條沿快軸方向進行疊加，但簡單地疊加bar條致使激光發(fā)光陣列的尺寸增大。大口徑光學(xué)系統(tǒng)在進行光束整形和聚焦時必定帶來較大的像差，影響聚焦光斑的大小。因此，對于大功率半導(dǎo)體激光器，提高功率和改善光束質(zhì)量是密不可分的。提高大功率半導(dǎo)體激光光束質(zhì)量的重要途徑之一就是對光束進行整形，典型的方法主要有直接整形法、折射整形法、折反射整形法、反射整形法及折/衍射整形法。
本文介紹了采用多波長藕合和偏振藕合的方式實現(xiàn)千瓦級高功率直接半導(dǎo)體激光輸出的方法，通過光束整形實現(xiàn)快慢軸光束對稱，即光參數(shù)積近似相等。通過智能化控制，實現(xiàn)了不同波長、不同功率、不同脈沖寬度輸出，以及復(fù)合波長連續(xù)輸出。
1、激光器組成原理
激光器系統(tǒng)主要由激光器機頭、激光電源、水冷系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等組成。為了獲得高光束質(zhì)量高功率的激光輸出，激光器光學(xué)系統(tǒng)采用了快軸微透鏡準(zhǔn)直、光束對稱化整形、波長耦合和偏振禍合等技術(shù)。
圖1 激光器機頭的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示
圖2 1000W高光束質(zhì)量直接半導(dǎo)體激光器
激光器光源采用波長808nm（60W/bar），915nm（80W/bar），940nm（80W/bar），980nm（80W/bar）半導(dǎo)體激光陣列各4bar。每個bar由19個發(fā)光單元組成，填充因子20%，發(fā)光面沿慢軸方向?qū)挾?00μm，周期500μm。激光光源輸出功率為1200W。在已研制出的1000高光束質(zhì)量直接半導(dǎo)體激光器中，如圖2所示，用不同的電源分別對不同波長的光源供電，通過智能化控制，可實現(xiàn)不同波長、不同功率、不同脈沖寬度輸出，以及復(fù)合波長連續(xù)輸出。
1.1、光束對稱化
由于半導(dǎo)體激光陣列的輸出光束在快慢軸上的光束參數(shù)乘積極其不對稱，這使得半導(dǎo)體激光陣列的輸出光束很難被聚焦成小而圓的光斑從而將其藕合進光纖系統(tǒng)。其中光束參數(shù)乘積（BPP)定義為激光光束束腰半徑和發(fā)散角的乘積，是衡量光束質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)，它反映了光束的聚焦能力。對于半導(dǎo)體激光一維陣列，其慢軸上的BPP值是快軸BPP值的100-1000倍。為了
提高半導(dǎo)體激光器的功率，往往將多個半導(dǎo)體一維陣列（bar）疊加，形成一個二維陣列，即半導(dǎo)體激光堆棧。但是堆棧的慢、快軸上的光束參數(shù)乘積仍然相差約兒十倍。
若想使半導(dǎo)體激光陣列的光束在快慢軸上的光束參數(shù)乘積均勻化，必須采取光束整形。將半導(dǎo)體激光陣列的輸出光束進行分割、重排，通過減小慢軸方向、增大快軸方向的光束參數(shù)乘積的方法達到快慢軸光束參數(shù)乘積均勻化的目的。
光束整形原理如圖3所示。半導(dǎo)體激光陣列光束的尺寸為慢軸方向D.快軸方向W.將光束沿慢軸方向分割N.段，重排后光束的尺寸為慢軸方向D/N，，快軸方向W·N，使光束的光參數(shù)積BPP近似相等。
圖3 光束整形原理示意圖
本系統(tǒng)采用的半導(dǎo)體激光陣列經(jīng)準(zhǔn)直后（bar條帶準(zhǔn)直系統(tǒng)），BPPfast= 0.7mm*mrad，BPPkow = 99mm*mard，經(jīng)計算分割數(shù)目為12，經(jīng)整形變換后，所設(shè)計的快軸光束質(zhì)量為：BPPfast = 8.4mm*mrad；慢軸光束質(zhì)量為BPP = 8.3mm*mrad 。
在已研制出的1000W高光束質(zhì)量半導(dǎo)體激光器中，采用了光束整形技術(shù)，用光束整形棱鏡堆實現(xiàn)半導(dǎo)體激光陣列光束光參數(shù)積均勻化的光束整形裝置如圖4所示。
圖4 光束整形裝置
通過實驗可以看出棱鏡堆能實現(xiàn)光斑的分段排列，光束質(zhì)量大幅改善。光束整形結(jié)果模擬圖和實驗光斑圖分別如圖5和圖6所示。
圖5 光束整形模擬圖
圖6 光束整形結(jié)果實驗光斑圖
從圖6可以看出，光斑經(jīng)分段整形棱鏡組后被分成多段，并整齊地填充排列到兩個光斑中間的空白區(qū)域，提高了填充因子，再經(jīng)重排棱鏡組將光斑對齊。光源出光口的光斑尺寸為22mm*11mm，經(jīng)整形傳輸100mm后光斑尺寸為22mm*2mm。。
1.2、波長禍合和偏振藕合
為了提高半導(dǎo)體激光器的功率，在不增加快軸方向光斑尺寸的情況下，采用了多波長禍合技術(shù)。本系統(tǒng)由808nm，915nm，940nm，980nm 4個波長組成。經(jīng)過波長鍋合單元，可使功率密度提高3倍。波長藕合原理如圖7所示。
圖7 波長禍合原理示意圖
由于半導(dǎo)體激光是線偏振光，可以用λ/2波片將其偏振方向旋轉(zhuǎn)90度。 ，因此通過偏振禍合可使2路激光合束，功率密度再增加1倍。偏振禍合原理如圖8所示。
圖8 偏振禍合原理示意圖
經(jīng)過上述波長藕合及偏振藕合，將4個波長，8組半導(dǎo)體激光陣列合束為一束激光輸出，其激光光源輸出總功率為1200W，用COHERENT的3Σ功率計測量激光器輸出功率為1050W，激光器的光-光轉(zhuǎn)換效率為87.5%，電光轉(zhuǎn)換效率為45%。
2、光束質(zhì)量分析
激光器光束質(zhì)量測量采用在不同距離上測量光斑大小，計算其發(fā)散角，最后得出光參數(shù)積的方法。圖9是光束傳輸?shù)讲煌嚯x時用相紙得到的光斑情況（單位：mm）。
圖9 光束傳輸過程中光斑的變化情況
經(jīng)計算可得到激光光束快軸光束質(zhì)量為8.8mm*mrad，激光光束慢軸光束質(zhì)量為7.3mm*mrad ，總光束質(zhì)量為11.3mm*mrad。 11.3mm*mrad。
3、結(jié) 論
研制的1000高光束質(zhì)量直接半導(dǎo)體激光器，采用多波長禍合和偏振藕合的方式實現(xiàn)千瓦級激光輸出，激光器光一光轉(zhuǎn)換效率達到87.5%，電光轉(zhuǎn)換效率為45%。通過光束整形的方法，實現(xiàn)了快慢軸的光束質(zhì)量均小于9mm*mrad·的半導(dǎo)體激光輸出，并可藕合進入芯徑為0.2mm。，數(shù)值孔經(jīng)為0.22的光纖中。 |
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