10kW连续输出半导体激光熔覆光源

针对于目前国内半导体激光加工熔覆光源主要依赖于国外进口的局面,研制了连续输出功率达10kW的半导体激光熔覆光源。利用ZEMAX光学设计软件模拟半导体激光光路,包括光束整形、准直及聚焦透镜的设计等。实验中采用2只波长为915nm和2只波长为976nm的半导体激光叠阵,通过偏振合束和波长合束技术实现它的合束。由自行设计的聚焦系统进行了聚焦实验,结果显示,当模块工作电流为122A时,光源最大输出功率为10 120 W,电-光转换效率为46%,在工作面的聚焦光斑为2.5mm×18mm,可满足工业中大面积高速激光熔覆和表面热处理的要求。     

808nm980nm半导体激光迭阵波长耦合技术

随着半导体激光器在工业、军事、核能等领域的广泛应用,单个半导体激光迭阵的光功率已经不能满足实际需求,这就要求将多个半导体激光器耦合成一束激光,可直接输出或者由光纤耦合输出,以提高半导体光源亮度及光束质量。文章通过采用波长耦合技术进行激光合束,将两种不同波长的半导体激光束通过非相干技术经波长耦合器件耦合输出以实现大功率高效率输出,便于满足工业加工需要。介绍了非相干耦合技术中波长耦合原理及关键技术,根据波长需要设计耦合器件,并自行设计采用光学系统对光束进行扩束聚焦,通过实验将808nm和980nm两半导体激光迭阵光束通过此技术进行合束, 最终实现更高功率输出,耦合效率70%,光斑大小为3×3mm2,目前国内没有对此项技术进行研究。     

808nm和980nm半导体激光迭阵波长耦合技术

为提高半导体激光器输出光功率,可将多个半导体激光器输出光束耦合成一束激光直接输出或者由光纤耦合输出,以提高半导体激光源的亮度及光束质量.本文采用波长耦合技术进行激光合束,将两种不同波长的半导体激光束通过非相干技术经波长耦合器件耦合输出以实现大功率高效率输出.介绍了非相干耦合技术中波长耦合原理及关键技术,根据波长需要设计了耦合器件,并自行设计光学系统对光束进行扩束聚焦.实验将808 nm和980 nm两半导体激光迭阵光束通过上述技术进行合束, 最终实现了更高功率输出,耦合效率达70%,光斑大小为3 mm×3 mm,可满足将半导体激光器直接应用于熔覆、焊接等场合的要求.     

激光加工用半导体激光器的光束变换

考虑不同的激光加工方式对激光功率密度和激光光斑尺寸的要求不同,研究了如何通过调整光路设计实现各种尺寸的聚焦光斑输出,使半导体激光器满足不同激光加工方式的需求.利用ZEMAX光学设计软件模拟半导体激光光路,包括光束整形、准直、聚焦等光束变换方式,实现了多种尺寸的光斑输出.实验中采用16个bar叠加而成的980 nm半导体激光叠阵,阈值电流为6.4A,最大工作电流为84.8A,最大输出功率为1 280 W,总的电-光转换效率为58.9％.准直后快轴的发散角小于4 mrad,慢轴的发散角小于20 mrad.通过实验对该激光叠阵进行光束整形和扩束准直、聚焦,最终实现了功率为1 031 W的激光输出,聚焦镜焦距为300 mm时的聚焦光斑尺寸达1.2 mm×1.5 mm,功率密度达3.8×104 W/cm2,可以用于金属的表面重熔、合金化、熔覆和热导型焊接.     

基于半导体激光短阵列的976 nm高功率光纤耦合模块

采用12只出射波长为976 nm的传导冷却半导体激光短阵列为发光单元,研制出了百瓦级高功率光纤耦合模块.首先,利用光束转换器(BTS)和柱透镜对每只半导体激光短阵列进行光束整形,使得快慢轴方向光束质量接近并且发散角相同;然后,应用空间合束技术将每6只半导体激光短阵列在垂直方向上叠加,形成一个激光组,并利用偏振分束器(PBS)将两个激光组偏振合束;最后利用优化设计的三片式聚焦镜将激光耦合到光纤中.实验结果表明:该光纤模块的连续输出激光功率可达418.9 W,光纤芯径仅为400 μm,数值孔径(NA)为0.22,由此可得到激光亮度为2.19 MW/(cm2·str).利用Matlab软件分析光纤出射的光束形貌为平顶分布,显示其适合用于金属材料的硬化和焊接等领域.最后测量了模块的光谱,电流从20 A增加到50 A时,激光的峰值波长漂移了6.8 nm,并且在50 A时光谱宽度为4.12nm,表明该光纤耦合模块散热良好.同其它类型激光器相比,本激光模块电光转换效率和出光功率高,适用于材料加工和泵浦光纤激光器等领域.     

半导体激光阵列合束技术的研究

综述了几种典型的半导体激光阵列合束方法,介绍了近年来半导体激光光束合成的最新进展,分析了各种合成方法的技术特点,总结了半导体激光阵列合束技术的发展趋势.研究发现光谱合束技术的输出光束光强分布不随阵列单元数而变化,且在远场和近场均能保持较好的叠加,大大提高了远场光束的亮度,有望成为未来半导体激光光束合成的重要发展方向.     

激光加工机主光路调光方法探讨

JHM-1XY-500B多功能激光加工机的YAG激光器发出的激光束因光电转换效率只有3%左右,大量的电能都转换成热能.所以,主光路调光尤为重要,激光束与He-Ne管激光指示红光同轴性越好,激光输出功率越大.激光光斑越圆,能量分布越均匀,加工效果越好,能充分发挥激光加工优势.这就对激光器主光路调光方法有严格要求,掌握调光方法是保证激光加工的重要条件.     

四程抽运Yb:YAG薄片激光器

设计了四程抽运的Yb:YAG薄片激光器.选用掺杂原子数分数为10%,几何尺寸为Ф10 mm=300m的薄片状Yb:YAG晶体,采用铟焊工艺将其焊接到水冷系统上,用可调式恒温水箱对其进行温度控制.使用两个Ф一30 mm,R=50 mm的球面反射镜,完成了四程抽运.利用蒙特卡罗方法对抽运光斑的大小进行了计算,将反射镜轴向与光纤头轴向夹角控制在12°以内,以使抽运光斑半径与基模光斑半径比符合模式匹配原则.在LDA抽运功率为4.13 W时,获得了最高功率为670 mW的1 030 nm连续激光输出,光-光转换效率为16.2%.实验结果表明:该结构可降低激光介质的热透镜效应和应力双折射效应,获得高光束质量的激光输出,但散热系统和焊接工艺需进一步优化.     

四程抽运Yb∶YAG薄片激光器

设计了四程抽运的Yb∶YAG薄片激光器。选用掺杂原子数分数为10%,几何尺寸为Φ10 mm×300μm的薄片状Yb∶YAG晶体,采用铟焊工艺将其焊接到水冷系统上,用可调式恒温水箱对其进行温度控制。使用两个Φ=30 mm,R=50 mm的球面反射镜,完成了四程抽运。利用蒙特卡罗方法对抽运光斑的大小进行了计算,将反射镜轴向与光纤头轴向夹角控制在12°以内,以使抽运光斑半径与基模光斑半径比符合模式匹配原则。在LDA抽运功率为4.13 W时,获得了最高功率为670 mW的1030 nm连续激光输出,光-光转换效率为16.2%。实验结果表明:该结构可降低激光介质的热透镜效应和应力双折射效应,获得高光束质量的激光输出,但散热系统和焊接工艺需进一步优化。     

808nm高亮度半导体激光器光纤耦合器件

针对单个808nm单管半导体激光器输出功率低,采用端面泵浦方式对光纤激光器进行泵浦时受到限制的问题,本文利用空间合束技术制成高亮度半导体激光器光纤耦合模块来提高808nm单管半导体激光器泵浦掺Nd3+双包层光纤激光器的效率。首先,通过微透镜对每个单管半导体激光器进行快慢轴准直;然后,使用反射棱镜对每个激光器发出的光进行空间合束;最后,利用自行设计的扩束系统将合束后的光束进行扩束,聚焦进入光纤,从而极大地提高光纤耦合模块的亮度。实验中将4只连续输出功率为5W的单管半导体激光器发出的光束耦合进芯径为105μm、数值孔径(NA)为0.2的光纤,当工作电流为5.8A时,通过光纤输出的功率为15.22W,耦合效率达到74%,亮度超过1.4MW/cm2.sr。     

半导体激光鼓膜造孔术的光学系统设计

设计并研制了一套可在视频监控和红光指示下实施半导体激光鼓膜造孔术的光学系统.首先,利用光束整形和波长合束技术将半导体激光单管出射的650 nm激光和半导体激光列阵出射的810 nm激光耦合到芯径为200 μm,数值孔径为0.22的光纤中;然后,利用消色差透镜准直光纤出射的双波长激光,再利用另一个消色差透镜将光束聚焦到耳鼓膜上,该聚焦镜可通过机械部件沿光轴方向移动,从而调节鼓膜上光斑的大小;成像部分则直接使用商用视频耳镜;热反射镜用于使激光和成像光同轴.手术时,根据显示器上的红色指示光斑确定造孔位置.测量结果显示:该系统出光孔处的激光功率在0～13.3 W间连续可调,造孔直径在1～3mm内连续可调.使用本系统可缩短手术时间,减少并发症;儿童患者手术时无需全身麻醉.另外,该系统还具有整机体积小、重量轻、电光转换效率高等优点.     

体布拉格光栅外腔倍频半导体激光器研究

为提高绿光激光器的输出特性,设计了一种体布拉格光栅外腔倍频半导体激光器。采用反射型体布拉格光栅作为反馈元件构成外腔半导体激光器,并使用三硼酸锂晶体进行倍频,研究了基频光的光束及光谱特性对倍频光的光束及光谱特性的影响。实验结果表明,使用体布拉格光栅进行外腔锁波时,所得到的倍频光同样能实现窄带宽输出,同时倍频光的远场分布与基频光的远场分布一致。使用衍射效率为10%的体布拉格光栅作为外腔输出镜,可将半导体激光器的输出波长稳定锁定在1 064 nm,所得到的倍频光波长稳定在532 nm附近,光谱线宽压缩至0.4 nm左右,输出功率可达73 mW。     

LD端面泵浦铯蒸气激光器的模式匹配

以光纤耦合半导体激光器作为泵浦源,5mm长的铯蒸气池作为激光增益介质,开展了端面泵浦铯蒸气激光器的模式匹配实验研究。分析了泵浦光聚焦光斑半径和聚焦位置对铯激光输出性能的影响。以激光器的工作斜效率和光光效率为指标对各模式匹配参数进行了优化,同时对激光器的阈值泵浦功率进行了研究。结果表明:在一定的激光振荡模束腰下,存在最佳的泵浦光聚焦光斑半径使斜效率最大。此外,聚焦位置在蒸气池中央时有利于提高斜效率和光光效率。对阈值泵浦功率的研究显示,阈值泵浦功率随泵浦光聚焦光斑半径的减小而减小,而且当泵浦光聚焦于蒸气池前端时有利于降低阈值泵浦功率。基于以上研究,获得了一组最佳模式匹配参数,即泵浦光聚焦光斑半径为333μm,激光振荡模束腰为167μm,泵浦光聚焦位置位于蒸气池中央。     

基于LCP径向偏振光输出的掺镱MOPA脉冲光纤激光器

为实现光纤激光器径向偏振光的高效输出,提出并搭建了基于液晶聚合物(LCP)的纳秒脉冲掺镱(Yb)主振荡器功率放大(MOPA)系统。该系统采用空间相位转换法,利用LCP涡旋半波片将全光纤MOPA激光器输出的高峰值功率、窄线宽、线偏振、高斯形分布的纳秒脉冲信号转换为横向强度呈空心环状分布的拉盖尔-高斯光。MOPA激光器系统由窄线宽连续种子源、电光强度调制器和后续的5级YDF放大器组成,通过实验获得了20.1 W的稳定LP01模输出。而后的LCP涡旋波片用作空间模式转换器,最终获得的平均输出功率为19.5 W,脉宽为10 ns,重复频率为10 kHz,横向剖面呈规则空心环形的径向偏振光输出,模式转换效率可达97%。另外,通过PBS测量法测得径向偏振光的模式纯度约为88.5%,兼具高功率与高纯度的优势。     

LDA耦合系统透镜导管的理论与实验研究

用光线追迹的方法,理论推导了透镜导管各参数优化的一般公式,给出了优化参数;在此基础上,模拟了导管内光线的传输,统计了透镜导管出射光束的强度分布,讨论了各参数对耦合效果的影响。依据理论优化的结果,设计加工了透镜导管并进行了耦合实验,测量了输出光束的强度分布,给出了光斑图像。实验测得耦合效率高于91%,输出光束强度分布平滑均匀,光斑质量良好,与理论模拟吻合并优于以往的研究结果。     

三镜直腔结构MgO∶PPLN高效连续光参量振荡器

为了优化MgO:PPLN连续光参量振荡器(OPO)的输出特性,对三镜直腔结构的内腔式OPO系统进行腔结构设计,对其同时输出高效的信号光和闲频光进行研究。采用半导体激光端面抽运Nd:YVO4晶体实现连续的1064 nm激光为基频光。对比分析了基频激光腔和OPO腔各腔镜分别采用平面镜或平凹镜的三种腔型结构的激光输出特性。基于30.5 μm的极化周期和12.4 W入射抽运功率时,获得了最高输出功率3.92 W（信号光2.6 W和闲频光1.32 W）,转化效率31.6%的激光输出,对应的信号光和闲频光的中心波长分别为1549 nm和3394 nm。结果表明三个腔镜均采用平凹镜时,可有效的压缩基频激光腔在MgO:PPLN晶体上的光斑,提升基频激光的功率密度,而且基频激光腔和OPO腔的基模光斑在MgO:PPLN晶体上更好的匹配,从而提升变频效率。     

厚硅片的高速激光切片研究

基于激光切片原理的分析,给出了厚硅片的高速激光切片方法,采用平凸腔补偿工作物质的热透镜效应,利用Nd∶YAG棒本身的自孔径选模作用,获得了光束质量因子M²等于4.19的50 W 1.064 μm激光输出。选取合适的扩束倍数、重复频率和出气孔直径,当切割0.75 mm厚的硅片时,切片速度达400 mm/min;当切割两层叠放的0.75 mm厚的硅片时,切片速度达到100 mm/min。切片的切口光滑,切缝较窄,重复精度高,切片质量好,达到用传统方法难以达到的切片效果。