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解析未来光纤激光器的“对手”:直接半导体激光器

2014-03-21 10:50
FlappyBird
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  直接半导体激光器以半导体激光器为核心,可利用单级半导体器件将电能直接转化为激光束,具有体积小、重量轻、功耗低的特点,可用于军用激光武器

  此前的TeraDiode公司利用了麻省理工学院林肯实验室开发的波长光束合成方法,将大量独立的半导体激光器进行光束合成,发射出一束高功率、高质量激光束,使其达到传统化学固体激光器的功率和光束质量水平,可获得较高的电光效率和可控的发热量。这种直接半导体激光器近期内将用于红外对抗、目标指示器和目标照射器等领域,在长期目标上,将应用于定向能武器,例如路边炸弹远距离清除,反火箭弹、炮弹和迫击炮弹任务,以及防空任务等各方面应用。

  当我们提起武汉锐科的时候,或许更多是将其与光纤激光器联系在一起。而在本次慕尼黑光博会现场,锐科除了展示其光纤激光器产品外,也推出了一款1000W直接半导体激光器。武汉锐科销售总监汪伟对OFweek激光网编辑解释到:“锐科除了专注于光纤激光器的国产化外,也朝着更加丰富的产品方向发展。”

  1000W直接半导体激光器

  OFweek激光网编辑现场了解到,该1000W直接半导体激光器电光转换效率高达50%。主要应用于金属材料表面处理、熔覆、除漆、锡焊金属及塑料焊接等领域。预计几年之后,直接半导体激光器凭借且高效的光电转换效率和自身的性能特点,将会是光纤激光器的强有力的竞争“对手”。

  千瓦级直接半导体激光器研究

  大功率半导体激光器以其体积小、重量轻、效率高、寿命长、可靠性高、波长短、金属吸收率高、适合光纤传输以及性能价格比高等优点,在激光材料加工和军事领域等有着广泛的应用前景。但是大功率半导体激光器存在着一个致命弱点,同传统的大功率气体和固体激光器相比,其光束质量较差。因此,提高大功率半导体激光器的光束质量一直受到众多学者的关注。

  随着半导体激光芯片技术和集成技术的发展,大功率半导体激光器的功率越来越高,光束质量也逐年改善。目前应用于激光制造的大功率半导体激光器的功率可达到6000W甚至更高,光束可藕合进入芯径为0.6mm的光纤,1000W光束可藕合进人芯径为0.2mm的光纤。这就使得大功率半导体激光器作为直接能源应用于激光材料加工中功率密度要求较高的领域,如激光焊接等。

  半导体激光器通常由多个半导体激光发光单元通过一维阵列(把人)或多维阵列(stack)叠加而成。每个bar条由十几或几十个发光单元组成,bar条的长度一般为10mm。由于每个bar条为了散热都有一定的厚度,常见厚度是1.8mm,而发光区域在快轴方向仅有1μm,这样快轴方向光束的填充因子就很低,因此,在快轴方向光束已准直的情况下,半导体激光阵列远场呈现出的是一组间距较大的平行光斑,不利于光束聚焦。

  另外,为了获得高功率,通常将bar条沿快轴方向进行叠加,但简单地叠加bar条致使激光发光阵列的尺寸增大。大口径光学系统在进行光束整形和聚焦时必定带来较大的像差,影响聚焦光斑的大小。因此,对于大功率半导体激光器,提高功率和改善光束质量是密不可分的。提高大功率半导体激光光束质量的重要途径之一就是对光束进行整形,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。

  本文介绍了采用多波长藕合和偏振藕合的方式实现千瓦级高功率直接半导体激光输出的方法,通过光束整形实现快慢轴光束对称,即光参数积近似相等。通过智能化控制,实现了不同波长、不同功率、不同脉冲宽度输出,以及复合波长连续输出。

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