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激光快速成型系统新型能量源研究

导读: 近来发展的可应用于快速成型技术的激光器-光纤激光器具有散热面积大、光束质量好、体积小巧等优点,也已在高精度激光加工、光通信、激光雷达系统、空间技术、激光医学等领域得到应用。

  现有激光快速成型系统使用的激光光源大都是气体激光器。气体激光器具有体积大、可靠性差、寿命短、光谱固定不可选等缺点,因而我们要研究新型的能量源。与气体激光器和其他固体激光器相比,半导体激光器具有体积小,功耗低,寿命长,光谱可选等优点而成为许多领域如固体激光器的泵浦、激光打印、扫描、显示、数据存取、遥感、光通信等的重要光源。而另一种国际上近来发展的可应用于快速成型技术的激光器-光纤激光器具有散热面积大、光束质量好、体积小巧等优点,也已在高精度激光加工、光通信、激光雷达系统、空间技术、激光医学等领域得到应用。

  1 高功率半导体激光器线阵  高功率半导体激光器线阵是由分立的激光源经过特殊加工方法形成一定间距的发光阵列,所发激光束经快轴、慢轴准直透镜准直后,保证在前方工作平面上形成一条一定宽度的激光束;两排这样的线阵交叉补偿组合形成一连续的线阵能量源。各激光源由微机控制,其发光与否可实现激光束的变长线。

  1.1 微透镜准直器

  图 1 半导体激光器阵列出射光束示意图

  如图1所示,高功率半导体激光器出射光束的发散角大,慢轴方向约为10°,快轴方向则可达40°。另外,它的发光面尺寸大,慢轴方向可达150μm甚至200μm,大于光纤端面尺寸,所以提高光纤祸合效率尤其困难。只有使用非球面透镜将激光光束汇聚到光纤输人端,才能提高祸合效率。德国LIMO 公司使用微柱面透镜阵列对线阵半导体激光器(laser bar)进行光纤藕合。其中快轴方向使用一条状平凸柱面透镜,慢轴方向使用一微柱面透镜阵列。如图2所示,其中1为半导体激光器线阵,2为快轴准直器,3为慢轴准直器。准直后的剩余发散角可按下面公式进行计算。

  图 2 准直原理图

  tanα=d/2Somax=[d/(NA-d)]*tanθ

  式中 : α为准直后的剩余发散角;d为激光元出射尺寸;NA为孔径光栏直径;Somax为微透镜阵列到激光元出射面的最大距离;K为激光束功率下降到中心1/d2值的直径所对应的发散角。

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