高达2kW输出功率的光纤耦合半导体激光器系统
摘要
高功率半导体激光器线阵迭阵由于其高的电光转换效率，小的构造和简单维护，在工业应用上用很大的重要性。随着尖端光束整形光学的发展，半导体激光器可用于固态激光器和光纤激光器的泵浦源，或直接用于材料处理，例如金属的焊接和打标。我们已经研制成功连续输出功率大于2kW光斑直径1.0mm（功率密度大于250Kw/ cm2）和连续输出功率为170W光斑直径0.38mm（功率密度大约150 Kw/cm2）的不同光纤耦合半导体激光器。这个2kW的系统由直径1.5mm的光纤（N.A.为0.32）和偏振和波长耦合迭阵组成，其电光转换效率可达23%。另一小系统由直径0.6mm（N.A.为0.22）或直径0.4mm（N.A.为0.33）光纤及一个单独的迭阵组成。偏振和波长的耦合在不久的将来实现。总的电光效率大约为27%。
关键词：高功率半导体激光器，半导体激光器迭阵，光束整形，光纤耦合
1. 导言
激光光源市场在前几年持续的增长，这样的势头还将要持续下去。半导体激光器在市场上显得尤为重要。关于可靠性（寿命超过10，000小时），输出功率的最大化和光束质量的处理等问题已经被解决或发展成为工业应用有兴趣的问题。由于其简单的处理，高的电光转换效率和简单维护，半导体激光器将在材料处理甚至机械工具方面取代其他激光器。另一些主要的应用领域是作为固态激光器和光纤激光器的泵浦源。
因半导体激光器在这些工业上的应用，光线耦合到光纤是必须的。这改善用于材料处理的激光处理和泵浦光束的均匀化。
2. 激光光源
一般高功率半导体激光器线阵安装在一个铜热沉上，光线发射有两个方向。所谓的慢轴是平行于水平激光有源区，光束参量乘积大约为500mm*mrad（光束半宽度5mm，半发散角为100mrad）。快轴与慢轴正交，其BPP值为0.3mm*mrad。这些值随激光器的类型而不同。
半导体激光器通常分为两类。低功率的激光器利用被动风冷热沉。不需要水冷，设备的冷却可通过简单的帕尔贴效应实现。通常这些激光器仅适用于医用。要提高输出功率，半导体激光器需要用主动水冷。一种有效的散热方式是通过微通道制冷热沉。关于此方式已进行了几次研究。单巴激光器的输出功率可直接通过减少热阻值R而提高。现在工业应用的808nm单巴激光器连续输出功率可达50W，940nm的大于40W，热阻值为0.5K/W。热阻值减少到0.3K/W时，单巴功率可达100W甚至更高。
为增加半导体激光器的功率，单个激光器单元可以4到25个迭加到一起。由于快轴和慢轴的BPP值的不同，迭阵以阶梯形状实现，所以慢轴的BPP值仍为常量（例如一个单个激光器的BPP值），快轴方向的BPP值随叠加激光器单元的数目而增加。由于迭阵直接用于材料处理的输出功率是可以达到的。为把输出功率增加达最大，我们利用偏振耦合和波长耦合。
3. 光束整形
由于两个方向很大且不等的BPP值，没有任何光学系统的线阵和迭阵半导体激光器的使用受到很大限制。把发射光束耦合到一个光纤需要几个步骤。
第一步是压缩快轴的发散角。几种概念的快轴校准透镜已经被研究和测试。到现在高折射率的平凸非球面圆柱透镜现实出最好的功效。双凸透镜及梯度折射率透镜也将要表现出其良好的性能。由于快轴校准透镜的良好性能，快轴方向发散角将减少到8mrad。快轴方向的BPP值依赖于激光器的数目，从16mm*mrad（5个迭阵单元）到84mm*mrad（25个迭阵单元）。
光束整形的最终目标是使BPP值和光束对称。从激光器到物体传输光我们利用不同类型的光纤。对于〉2kW的系统，我们利用直径1.5mm的光纤（N.A. 0.32）对于另一小系统，我们使用直径0.6mm光纤（N.A. 0.22）或直径0.4mm光纤（N.A. 0.33）。光纤的BPP值分别为255mm*mrad和60mm*mrad。基于这个原因我们利用不同类型的专门整形技术。
1. 直径1.5mm光纤的光束整形
光束整形的原理已经被描述过几次了。慢轴方向的发射线被分为三部分，把一个叠加到另一上面。所以我们得到一个慢轴的BPP值为170mm*mrad。因为利用顺逆原理光线的校准需要调整为逆方向。因此每个激光条的快轴最终发散角增加到16mrad。这样快轴的BPP值也大约为170mm*mrad。这给出一个大约240mm*mrad的BPP值。对称BPP值的光束被转化成一个对称光束，聚焦到直径1.5mm的光纤中。
离开光纤光束可被再次聚焦到直径1.0mm，如图6所示。这样功率密度可超过250kw/cm2。
2. 直径0.6mm和直径0.4mm光纤的光束整形
将一个BPP值为60mm*mrad的光线耦合到一个光纤中，需要一个略微不同的光束整形系统。在快轴整形透镜之后直接有一透镜列阵以一个大小为2.5的因子来减少每个发射单元的发射角。这个系统的缺点是对其他激光结构没有兼容性。然后发射线被分为4部分，这样得到一个50mm*mrad的BPP值。正如前面使快轴的校准适合特殊几何学，5个单元的迭阵的快轴BPP值增加到32mm*mrad。我们得到60mm*mrad的BPP值，然后光束在两个方向整形被聚焦到光纤中。
4.应用
有两个主要的应用领域:材料处理和其他激光器的泵浦光源。不同材料的深入焊接例如钢，铝，钛都已实现。对于不同处理的最优化，半导体激光器的操作模式可以使连续获准连续模式。
使用更小直径0.6mm的耦合设备，我们对不同材料打标作了一些测试。我们利用一个全自动化系统，计算机控制xy-台来移动物体和激光设备（如图12）。一些薄片金属也能进行切割。由于短距离的聚焦，这仅适用于更薄的金属。
用作其它激光器的泵浦源也是半导体激光器的使用领域。泵浦光纤激光器的实验已经进行。效率高达50%。磁盘激光器泵浦实验在JENOPTIK LOS GmbH 成功实现。泵浦功率为125W，输出波长1064nm，45W。
5.总结
用于焊接，打标和其它处理的半导体激光光源可用于工业应用。进一步的研究将用来改进整形技术提高效率。随着未来几年激光材料的新发展，下一代半导体激光器输出功率将达到3kW或更高。高性能的热沉将增加每个激光器单元的输出功率。附加的波长将被耦合到一起。
使用单波长高性能泵浦源泵浦固态激光和光纤激光是可行的。由于光纤耦合，尤其对圆盘激光器可提供均匀光束外形。光纤激光器使用这个泵浦源可达到新的维数，这引起多种工业应用的兴趣。