高插座效率、低運營(yíng)成本的直接二極管激光器

　　傳統光纖傳送的二極管激光器的光束質(zhì)量相對較差(“直接二極管”激光器)插座效率可以達到40％左右，但僅限于傳導焊、釬焊以及表面處理應用。如果常規半導體激光器光束質(zhì)量提高到約40 mm?mrad，一個(gè)直接二極管系統的插座效率會(huì )下降到約32％。

　　為了挖掘直接二極管系統的效率優(yōu)勢，進(jìn)一步提高光束質(zhì)量，通快開(kāi)發(fā)了新的設計理念并運用到光纖傳導的二極管激光器上，輸出功率達4 kW。其依據是使用光纖耦合二極管模塊，此模塊具有下列特點(diǎn)：二極管模塊提供輸出功率100 W的激光，輸出光纖直徑僅100μm，數值孔徑(NA)小于0.12，見(jiàn)圖1。

　　同束腰尺寸一起，數值孔徑直接關(guān)系到光束質(zhì)量：在給定束腰直徑下，光束的數值孔徑越小，聚焦性越好。相同的聚焦直徑下具有更低數值孔徑的二極管激光器可以獲得更大的工作距離和焦深；相同的工作距離下聚焦直徑則更??；聚焦直徑相同時(shí)，則擁有更緊湊的光學(xué)系統。

圖1 長(cháng)壽命的二極管模塊

通快高功率直接半導體激光器單元由多個(gè)二極管模塊和一個(gè)光纖合束器組成。從來(lái)自多達19個(gè)模塊的光束組合進(jìn)入單一的輸出光纖，這樣一個(gè)單元可以輸出高達1900 W的激光。這19個(gè)光纖拼接形成一個(gè)錐形光纖束，其直徑約為單個(gè)二極管模塊光纖的5倍，所以輸出光纖約500μm。光纖合束器是工業(yè)級別的，損失可以忽略不計。

　　當幾個(gè)單獨的模塊以這種方式合束，輸出效率和單個(gè)模塊相同，但光束質(zhì)量會(huì )變差。相對于單個(gè)模塊約5 mm?mrad的光束參數積(BPP)，由19模塊合束而成的單元的BPP約為30 mm?mrad。

　　波長(cháng)合束技術(shù)　　

　　高于1900 W的輸出功率可以由多個(gè)波長(cháng)光束耦合實(shí)現。在整個(gè)系統中單個(gè)激光模塊單元的光束質(zhì)量得以保持，同時(shí)功率可以通過(guò)增加不同波長(cháng)的光束來(lái)提高。

　　粗波合束是一個(gè)眾所周知的技術(shù)。各個(gè)模塊單元產(chǎn)生的激光束通過(guò)光纖傳導，并在光纖末端輸出。從光纖纖芯輸出的光束基于BPP以一定角度發(fā)散。BPP被定義為束腰半徑和光束發(fā)散角的乘積。對于采用光纖傳導的激光器，這等同于光纖纖芯半徑和發(fā)散半角的乘積，或基本上等同于光纖纖芯半徑和光纖數值孔徑的乘積。因而，對于給定光纖直徑下，數值孔徑越小，光束質(zhì)量就越高，光束聚焦性越好。

　　發(fā)散光束準直后，經(jīng)由特殊的介質(zhì)涂層鏡與來(lái)自另一個(gè)激光模塊單元的準直光束合束。一個(gè)波長(cháng)的光束由鏡面反射，和另一個(gè)波長(cháng)的透射光束，合成一束包括了雙波長(cháng)光束和兩倍功率的平行光。更多的光束能以類(lèi)似的方式合束。通快TruDiode激光器具有專(zhuān)利的技術(shù)革新，大大降低了不同波長(cháng)合束的差異性并因此使一個(gè)合并光束具有極窄的波長(cháng)光譜(優(yōu)于±50 nm)，例如圖2。

圖2 Tru Diode 3006二極管激光器

　　一旦合束，準直后的激光束可以通過(guò)耦合器耦合到光纖中。在這種情況下，使用600μm纖芯的光纖，允許即插即用和快速更換。當輸出功率高達1 kW時(shí)，可使用較小的光纖，例如，800 W功率可通過(guò)400μm光纖傳導。

　　由于波長(cháng)很接近，現在其他二極管激光技術(shù)中出現的缺點(diǎn)是可以避免的。這些激光器的光束質(zhì)量類(lèi)似于早期光泵系統，因此可以直接替代。相比燈抽運固體激光器，這是首次使用直接二極管激光進(jìn)行深熔焊接達到相同，甚至更好的效果。使用這個(gè)激光技術(shù)，可以在以前使用光抽運激光的工業(yè)應用中修正很多缺點(diǎn)，例如較小的工作距離、較大的聚焦直徑、或更大的光學(xué)器件。

更高的效率，降低運營(yíng)成本

與現有的二極管激光器相比，這里談及的直接半導體激光技術(shù)(已經(jīng)存在一年了)可以顯著(zhù)提高效率，降低經(jīng)營(yíng)成本。雖然良好的光束質(zhì)量在傳統的堆疊式二極管激光器中對系統效率有負面影響，但優(yōu)秀的光束質(zhì)量已經(jīng)是這些激光器的核心，此概念的應用也不會(huì )產(chǎn)生進(jìn)一步的重大損失。因此，它有可能實(shí)現效率高達40％，而同時(shí)保持較高的光束質(zhì)量，這種結合從未達到過(guò)。這提高了系統的經(jīng)濟性，可以顯著(zhù)降低電力成本。相比燈抽運系統，節約能源高達到15倍或更多。

圖3 a.二極管系統的光學(xué)平臺

b.輸出3KW，兩個(gè)光斑尺寸下焊接熔深與焊接速度的關(guān)系

　　除了高效率，采用被動(dòng)冷卻的二極管降低了激光器的運行成本。與主動(dòng)冷卻的方式相比，二極管的使用壽命大大延長(cháng)。因此，二極管已經(jīng)不再是“易耗品”，而與任何其他激光器組件沒(méi)什么不同，這就避免了昂貴的二極管更換費用。歸功于激光器結構的模塊化和靈活性，輸出功率和輸出光路的數量可以在現場(chǎng)完成升級。

　　直接二極管架構的應用包括深熔焊接、傳導焊、釬焊、熱處理、激光金屬熔覆。例如，運用3 kW直接二極管激光器在低碳鋼上，在滲透深度和焊接速度上變現是優(yōu)異的(見(jiàn)圖3)。由于波長(cháng)的原因(約950nm)，焊道表面質(zhì)量高，而且不需要等離子抑制氣，焊縫氧化現象不明顯。小孔焊接的焊縫截面顯示了這種激光器的優(yōu)良性能(見(jiàn)圖4)

圖4 a.焊接速度1m/min，平板上3kW光束的焊接 b.拐角處2kW的光束焊接

　　由于目前最先進(jìn)的技術(shù)如碟片和光纖激光器，都依賴(lài)于二極管模塊抽運激光介質(zhì)來(lái)轉換為一個(gè)更長(cháng)波長(cháng)的激光改善光束質(zhì)量，高達40％的功率與效率都在此過(guò)程中損失掉了。通過(guò)直接使用二極管激光模塊，顯著(zhù)的插座效率，更小的占地，更具成本效益的產(chǎn)品誕生了。