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(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(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。
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