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(diǎn)，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(shí)驗(yàn)室開發(fā)的波長光束合成方法，將大量獨(dú)立的半導(dǎo)體激光器進(jìn)行光束合成，發(fā)射出一束高功率、高質(zhì)量激光束，使其達(dá)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(yuǎn)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(shí)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(dá)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(jì)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(diǎn)，將會是光纖激光器的強(qiáng)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(jià)格比高等優(yōu)點(diǎn)，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(gè)致命弱點(diǎn)，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(dá)到6000W甚至更高，光束可藕合進(jìn)入芯徑為0.6mm的光纖，1000W光束可藕合進(jìn)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(gè)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(gè)bar條由十幾或幾十個(gè)發(fā)光單元組成，bar條的長度一般為10mm。由于每個(gè)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(yuǎn)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(jìn)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(jìn)行光束整形和聚焦時(shí)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(jìn)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(shí)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(shí)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(shí)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(jī)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(jī)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(gè)bar由19個(gè)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(shí)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(jìn)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(gè)半導(dǎo)體一維陣列（bar）疊加，形成一個(gè)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(jìn)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(dá)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(jì)算分割數(shù)目為12，經(jīng)整形變換后，所設(shè)計(jì)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(shí)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(shí)驗(yàn)可以看出棱鏡堆能實(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)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(gè)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(gè)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(gè)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(jì)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(jì)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(shí)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(jì)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(shí)現(xiàn)千瓦級激光輸出，激光器光一光轉(zhuǎn)換效率達(dá)到87.5%，電光轉(zhuǎn)換效率為45%。通過光束整形的方法，實(shí)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(jìn)入芯徑為0.2mm。，數(shù)值孔經(jīng)為0.22的光纖中。 |
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