2kW半导体激光加工光源

The 2 kW Semiconductor Laser Processing LightZHANG Zhi-jun ' ，LIU Yun ，MIAO Guo-qing，WANG Li-jun(1.State Key Laboratory of Luminescence and Application，Changchun Institute of OpticsFine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 1 30033，China；2.University ofChinese Academy ofSciences，Beijing 100049，China)Corresponding Author.E-mail：hx5252###sohu.cornAbstract：The laser processing is widely used in the welding of metallic materials，cladding，sur-face hardening，and other industrial fields.The semiconductor laser has many advantages，such assmall volume and weight，high eficiency，maintenance-free，low cost，short wavelength，and SOon.In this paper，a 2 2 1 8 W high-brightness fiber-coupled module was designed and overall assem-bled by using 48 conduction cooled diode laser arrays as light-emiting units under a major thorough-fare of industrial water-cooling condition.The emitting wavelength of the diode laser arrays were808，880，938，976 nm ，respectively.The high brightness module can make the flexible manufac-turing directly applied in the industria1。

Key words：diode bars；fiber coupling；high brightness；beam combiner technology- 口 材料加工用大功率激光器在经历了 CO 激光器、固体 YAG激光器之后，目前正在向以半导体激光器为基础的直接半导体激光器和光纤耦合半导体激光器的方向发展。与其他种类的激光器相比。半导体激光器具有体积和重量孝效率高、免维护、成本低等优点，另外，在发射波长方面也收稿日期：2012-11-26；修订日期：2013-01-09基金项目：国家863”计划(2012AA040210)；国家自然科学基金(90923037)资助项 目作者简介：张志军(1983-)，男，黑龙江人，主要从事大功率半导体激光器封装及光纤耦合的研究。

E-mail：zzjciomp###163.con第3期 张志军，等 ：2 kW半导体激光加工光源 335占有优势：半导体激光器的激光输出波长为近红外，-般在 0.8～1 Ixm左右。在此波段金属材料有较高的吸收率。所以在材料加工应用中，大功率激光器已呈现取代其他激光器的趋势。随着半导体激光器芯片技术和光学技术的发展.半导体激光器的输出功率不断提高，制约其工业应用的光束质量差的问题正在逐步改善。目前，国外许多公司和研究所都已实现了千瓦级的功率输出。

德国 Laserline公司的光纤耦合半导体激光器的输出功率已达到 10 kW，其光纤直径为 1 mm，数值孑L径为 0.2，光束质量为 100 mm ·mrad，功率密度达到 1 Mw/cm 4]。美国Apolo公司也从直径 1 mm、数值孔径 0.22的光纤中实现了 10 kW的连续输出功率5]。其他如 Limo、Trumf和 Dilas等公司也在光纤耦合半导体激光器方面取得了重大成果[6 ]。国内在这方面也正在积极研究，北京工业大学采用阶梯镜整形方法。通过偏振合束和波长合束，实现了1 kW 的连续输出功率，其光束质量仅为 12 mm·mrad9 J。

本文在大通道工业水冷条件下.采用 BTS光束转换整形方法及偏振合束和波长合束技术，从直径0.6 mm、数值孔径 0.22的光纤中实现了2 218 W的连续输出功率.快慢轴的光参量积为20.5 mm ·mrad×23.5 mm ·mrad2 实验设计及模拟2.1 光束转换器的工作原理半导体激光器结构的特殊性决定了其快、慢轴光束质量差别较大。为了使快、慢轴的光参数乘积均匀化，需要对半导体激光器的光束进行整形。国际上多采用光束分割重排0]的方法进行光束整形，即减小慢轴方向的光斑尺寸，增大快轴方向的光斑尺寸，从而使快、慢轴的光参数乘积均匀化。目前已经报道的快慢轴光参数乘积均匀化的光束整形方法主要有光纤束整形法、反射整形法、折射整形法和折反射整形法[1-12等。本文采用-种光束转换透镜的方法将快慢轴互换，以实现快、慢轴光参数乘积的均匀化。

光束转换器(Beam transform system，BTS)是- 种常用的光束整形元件。图 1是 LIMO公司的BTS外形图，主要由3部分组成：(1)快轴准直镜(FAC)，其作用是将快轴方向发散角进行压缩：(2)倾斜柱透镜阵列，其作用是将每个发光单元的光束旋转90。，如图2所示：(3)固定座，用来支撑固定 FAC和倾斜柱透镜阵列，同时也是与激光器粘接的部位，并且配有阻胶槽。

图 l BTS外形轮廓图Fig.1 The BTS shape contourOutgoing beam Tilted cylindrical lens aray Rotating beaH图2 倾斜柱透镜光束变换图Fig.2 Tilted cylindrical lens beam transformation graph2.2 慢轴光学准直设计和模拟考虑半导体激光器的快慢轴方向发散角不对称的特殊结构，为了使激光能够长距离传输以及便于后续光学处理，需要对光束进行准直。对于半导体激光器的发射光束而言，无论快轴和慢轴，发光点都有-定的宽度(设半宽为 )，光束有-定的发散角(设半角为 )，即使不考虑像差，经过准直镜准直后的光束也不可能完全平行于光轴。

设准直后的光束宽度的半宽为 。光束的发散半角为 0 。发光面放置于准直镜的焦平面(t厂)上(图3)，则 和 可表示为：O9 ftanO1， (EJ， (1) tanO 7 J根据公式(1)理论计算，并且考虑到实际装调误差等因素，选择慢轴焦距厂13.1 mm可以使快慢轴准直后的发散角相同并控制在 8 mrad以内。

0-336 发 光 学 报 第34卷 / ～- -～～- - 1 -再 - // / J - l/ ---- -- ～～面1>< e//，～～ ～～～～ - - ：～ ～ ～ 图3 光源置于准直镜的焦平面光路示意图Fig.3 Light source placed in the collimator focal plane ofthe optical path diagram0 /(。)图4 快慢轴准直后的发散角Fig.4 Divergence angle after fast and slow axis collimation2.3 半导体激光器集成技术利用多光束的空间耦合、偏振耦合、波长耦合等合束技术，在保证得到高光束质量的激光光束的同时还可以增加半导体激光器的输出功率。图5(a)为-路6只 CS半导体激光 cnq-bar阵列的光束整形及合束叠加的模拟示意图，光束整形利用L 小反射镜/慢轴准(b)图5 空间合束模拟及光斑图。(a)-路6个激光器的模拟图；(b)-路 6个激光器的光斑图。

Fig.5 Space CO-beam simulation(a)，and the spot diagramf b)。

的是 LIMO公司的BTS和柱透镜：图5(b)为模拟后的光斑图图6为空间合束原理图。图6(a)为上层采用每个波长分成 2组进行偏振合束，然后实现波长合束的原理图：首先是 808 BITI的2组偏振合束，然后是 880 nlTl的2组偏振合束。最后是 808H1TI透射和 880 nm反射的波长合束。下层 938ilm和976 HITI同理。图6(b)表示上下两层再采用波长合束的原理图(b) 8××透 9x反聚反射镜图6 合束原理图，(a)单层原理图；(b)双层原理图。

Fig.6 Overal combiners schematic.(a)Single leve1.(b)Double levels。

2.4 耦合系统设计通过快慢轴准直整形及空间排列后，快慢轴的发散角接近相等，快慢轴光束质量也比较接近，合束后的光斑近似为方形，可以按-束有微小发散角的平行光通过耦合镜的情况进行处理，如图7所示。

：. . ---------- ----------图7 耦合镜聚焦示意图Fig.7 Coupling miror focusing schematic- 喜0. 00∞ds∞ 口∞口 ∞ 蛊Bl0∞