美國TeraDiode公司開發(fā)出了一款超高亮度的千瓦量級直接半導體激光器。該激光器在COTS半導體激光器基礎上采用新的合束與整形技術，使得輸出光束的光束參量積達到了3.75mm-mrad，這一數(shù)值是迄今為止見諸報道的千瓦量級直接半導體激光器中最低的。采用單根芯徑為50μm，數(shù)值孔徑為0.15的光纖耦合輸出時，在單一中心波長下該激光器的輸出功率達到了2030W。這種尾纖輸出的兩千瓦直接半導體激光器具有與工業(yè)用光纖和CO2激光器相比擬的亮度，比現(xiàn)今最好的直接半導體激光器的輸出光束亮度高十倍以上，適用于工業(yè)中的材料處理，包括金屬薄片的切割和焊接。
1. 前 言
直接半導體激光器具有效率高、排列緊湊、波長范圍廣，低成本、可靠性高等特點。這些優(yōu)勢對其他激光器來說是很吸引人的。但是，直接半導體激光器的輸出光束質量存在問題，因此它的應用范圍受到限制，主要用來作激光器的泵浦源，包括大體積固體激光器(棒狀或盤片激光器)和光纖激光器。換句話說，他們主要被當成亮度轉換器使用。所以，目前應用在切割和焊接方面的高亮度工業(yè)激光器主要還是二氧化碳、光纖和大體積固體激光器。
TeraDiode公司首次研制出一款直接半導體激光器，它采用革命性的光束整形技術，使輸出功率和光束質量達到工業(yè)級激光器的要求。這項技術可以使激光器在保持較高光束質量的情況下達到數(shù)十千瓦的輸出功率。使用這臺激光器切割標準厚度的金屬，其切割質量可以和目前工業(yè)上用的激光器不相上下。
千瓦量級直接半導體激光器有著廣泛的市場潛力。在工業(yè)上，類似金屬薄片切割，栓孔焊接等工業(yè)加工過程需要足夠的激光亮度。高性能光纖和固體激光器需要窄線寬超高亮度激光器作泵浦源，其線寬應小于4nm。定向能武器的應用對激光要求很高，需要光束在接近衍射極限的情況下達到10千瓦以上的輸出功率。傳統(tǒng)的直接半導體激光器價格便宜，可靠性高。但在實現(xiàn)特殊材料加工或泵浦相關應用時缺乏足夠的亮度。而這款高功率高亮度尾纖輸出的直接半導體激光器提供了優(yōu)越的效率、價格和可靠性，其特性適合工業(yè)和軍事領域的應用。
半導體激光器是效率最高的激光器，但有數(shù)據(jù)顯示，它們的空間亮度一般比其他工業(yè)用千瓦量級激光器低。這些千瓦量級激光器包括二氧化碳、光纖、大體積固體和盤片激光器。例如，在金屬薄片的切割和焊接中，經常使用光束參量積(BPP)范圍在3～10mm-mrad的激光器。在千瓦量級激光器中，這臺尾纖輸出激光器具有明顯較高的BPP值。盡管半導體激光器的固有空間亮度低，但在近幾年仍取得了顯著發(fā)展。使用粗糙的波分復用技術，可以使千瓦量級半導體激光器的BPP范圍在20mm-mrad以內(相當于芯徑400μm，數(shù)值孔徑0.1的輸出光纖)。然而，在高亮度工業(yè)應用上，它的BPP仍然需要顯著改善。
TeraDiode公司已經開發(fā)出超高亮度尾纖輸出半導體激光器，這個激光器使用了新型合束與整形技術。此款尾纖輸出直接半導體激光器可以從芯徑為50μm的光纖中傳輸光功率為2040W的單波長光束，輸出光纖數(shù)值孔徑為0.18(包含90%的功率)。這種激光器的BPP為3.75mm-mrad，相比其他已有的尾纖輸出直接半導體激光器的BBP值要低很多。所以，激光器中心波長在整個功率范圍內是穩(wěn)定的。
2. 技術方法
TeraDiode公司已經開發(fā)出尾纖輸出半導體激光器，激光器使用了光波合束技術(WBC)，獲得了比現(xiàn)有商用激光器還要高幾個數(shù)量級的亮度。WBC的外腔用于兩個目的：1) 穩(wěn)定中心波長；2) 增加亮度。一個半導體激光陣列放置在外腔中，這個外腔由一個變換透鏡，一個衍射光柵和一個輸出耦合器組成。圖示中三個激光器中任何一個發(fā)出的光的波長都是固定的，如圖用紅、綠、藍三種顏色所示。亮度增強特征在圖中用兩條黑色光束表示，代表三條基本光束在輸出耦合器上空間疊加。 輸出光束質量和陣列中的單個基本輸出光束質量幾乎相同。如果保持每條基本光束的光功率不變，當知道基本光束數(shù)量，就可以得到總輸出功率。
TeraDiode公司將被動冷卻半導體激光巴條用于所有商用產品中。這種被動冷卻半導體激光巴條非?？煽浚鋲勖^20000小時，平均無故障時間超過100，000小時。這些激光巴條可以用標準工業(yè)冷卻劑冷卻，而且冷氣劑無需電流控制。論文提到的所有高亮度直接半導體激光器都使用了這種被動冷卻半導體激光巴條。
3. 超高亮度光纖耦合尾纖輸出直接半導體激光器模塊
TeraDiode公司的直接半導體激光技術已經延伸至在小纖芯光纖中提高相對亮度。芯徑100μm，數(shù)值孔徑小于0.12，功率超過470W的激光器模型已經實現(xiàn)。這個光纖耦合尾纖輸出激光器模型的最大PCE為35%。
采用兩種技術測量光纖的數(shù)值孔徑：1) 利用已知孔徑的光纖進行的斗功率測量技術；2) 在光纖前端加一個準直透鏡的環(huán)繞功率測量技術。
我們也展示了一個激光器模型，它發(fā)出的370W功率可以耦合到芯徑為50μm，數(shù)值孔徑為0.15的輸出光纖中，相應的亮度為257MW/cm2-str。。它比最先進的光纖耦合尾纖輸出半導體激光器的亮度高一個數(shù)量級。
此外，TeraDiode公司展示了一個自由空間輸出功率大于540W的激光器模塊。這個激光器模型產生的光束可以耦合到50μm或100μm的光纖中，這種光纖是加工過的。當電流為60A時的最大PCE值為52%，當電流為85A時的最大PCE值為48%(功率為540W)。展示了TeraDiode公司目前開發(fā)的激光器模型的超高效率。
TeraDiode公司展示了輸出功率大于2000W的激光器模型。。這種光纖是工業(yè)加工過的并且對LLK-D兼容。激光器使用了兩種不同的工業(yè)加工光纖：100μm/0.13NA和50μm/0.15NA。兩種光纖的參數(shù)值都是在95%的功率范圍內測得的。隨后我們證實，數(shù)千瓦級直接半導體激光器的BPP是最低的，其值為3.75mm-mrad。我們相信這種激光器可以當做千瓦級工業(yè)激光器使用，具有一定工業(yè)加工速度，可用于金屬薄片切割。
TeraDiode公司的2kW直接半導體激光器比現(xiàn)在最先進的直接半導體激光器的亮度高十倍以上。TeraDiode公司的直接半導體激光器擁有可以比擬千瓦級工業(yè)光纖激光器的亮度。
TeraDiode公司的基于WBC直接半導體技術可應用于任意波長半導體激光器的亮度增強，實現(xiàn)軍事以及商業(yè)應用。在其他波長處也有潛在用途，例如對人眼更安全的工業(yè)用光纖耦合尾纖輸出直接半導體激光器和對人眼更安全的定向能高亮度直接半導體激光器。
4. 工作展望
考慮到TeraDiode公司現(xiàn)有的直接半導體激光技術，更高功率和亮度的直接半導體激光器將被制造出來。我們期望制造出功率達到4～6千瓦，BPP范圍在4mm-mrad內的直接半導體激光器。這種激光器在高速金屬切割領域有更廣闊的應用。 使用WBC技術，當功率和溫度變化時可以保持中心波長高度穩(wěn)定。這種特性對固體激光器和光纖激光器的泵浦很重要。此外，對功率為1kW的尾纖耦合輸出的泵浦激光器，其線寬可以控制在2～4nm。#p#分頁標題#e#
最后，TeraDiode公司利用高亮度光束的合束與整形方法，可實現(xiàn)任何波長的二極管和半導體激光器的結合。半導體激光器中心波長選擇能力與TeraDiode公司提供的超高亮度方法結合，所產生的新特性有更多新的應用。比如在遙感領域，使用波長超過1μm的人眼安全半導體激光器，而在高效材料加工領域，往往使用波長小于1μm的激光器，這是因為許多材料對較短波長的光吸收更強烈。這種波長選擇特性不適用于其他類型的高亮度工業(yè)激光器。
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