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(dǎo)體激光器。該激光器在COTS半導(dǎo)體激光器基礎(chǔ)上采用新的合束與整形技術(shù)，使得輸出光束的光束參量積達(dá)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(dǎo)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(dá)到了2030W。這種尾纖輸出的兩千瓦直接半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體激光器的輸出光束質(zhì)量存在問題，因此它的應(yīng)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(dāng)成亮度轉(zhuǎn)換器使用。所以，目前應(yīng)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(dǎo)體激光器，它采用革命性的光束整形技術(shù)，使輸出功率和光束質(zhì)量達(dá)到工業(yè)級激光器的要求。這項技術(shù)可以使激光器在保持較高光束質(zhì)量的情況下達(dá)到數(shù)十千瓦的輸出功率。使用這臺激光器切割標(biāo)準(zhǔn)厚度的金屬，其切割質(zhì)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(dǎo)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(yīng)小于4nm。定向能武器的應(yīng)用對激光要求很高，需要光束在接近衍射極限的情況下達(dá)到10千瓦以上的輸出功率。傳統(tǒng)的直接半導(dǎo)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(guān)應(yīng)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(dǎo)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(lǐng)域的應(yīng)用。

　　半導(dǎo)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(jīng)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(dǎo)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(fù)用技術(shù)，可以使千瓦量級半導(dǎo)體激光器的BPP范圍在20mm-mrad以內(nèi)(相當(dāng)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(yīng)用上，它的BPP仍然需要顯著改善。

　　TeraDiode公司已經(jīng)開發(fā)出超高亮度尾纖輸出半導(dǎo)體激光器，這個激光器使用了新型合束與整形技術(shù)。此款尾纖輸出直接半導(dǎo)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(dǎo)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(nèi)是穩(wěn)定的。

　2. 技術(shù)方法

　　TeraDiode公司已經(jīng)開發(fā)出尾纖輸出半導(dǎo)體激光器，激光器使用了光波合束技術(shù)(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(dǎo)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(lán)三種顏色所示。亮度增強(qiáng)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(zhì)量和陣列中的單個基本輸出光束質(zhì)量幾乎相同。如果保持每條基本光束的光功率不變，當(dāng)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(dǎo)體激光巴條用于所有商用產(chǎn)品中。這種被動冷卻半導(dǎo)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(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)體激光器都使用了這種被動冷卻半導(dǎo)體激光巴條。

　　3. 超高亮度光纖耦合尾纖輸出直接半導(dǎo)體激光器模塊

　　TeraDiode公司的直接半導(dǎo)體激光技術(shù)已經(jīng)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(jīng)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(shù)測量光纖的數(shù)值孔徑：1) 利用已知孔徑的光纖進(jìn)行的斗功率測量技術(shù)；2) 在光纖前端加一個準(zhǔn)直透鏡的環(huán)繞功率測量技術(shù)。

　　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(yīng)的亮度為257MW/cm2-str。。它比最先進(jìn)的光纖耦合尾纖輸出半導(dǎo)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(chǎn)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(dāng)電流為60A時的最大PCE值為52%，當(dāng)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(nèi)測得的。隨后我們證實，數(shù)千瓦級直接半導(dǎo)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(dāng)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(dǎo)體激光器比現(xiàn)在最先進(jìn)的直接半導(dǎo)體激光器的亮度高十倍以上。TeraDiode公司的直接半導(dǎo)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(dǎo)體技術(shù)可應(yīng)用于任意波長半導(dǎo)體激光器的亮度增強(qiáng)，實現(xiàn)軍事以及商業(yè)應(yīng)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(dǎo)體激光器和對人眼更安全的定向能高亮度直接半導(dǎo)體激光器。

　　4. 工作展望

　　考慮到TeraDiode公司現(xiàn)有的直接半導(dǎo)體激光技術(shù)，更高功率和亮度的直接半導(dǎo)體激光器將被制造出來。我們期望制造出功率達(dá)到4～6千瓦，BPP范圍在4mm-mrad內(nèi)的直接半導(dǎo)體激光器。這種激光器在高速金屬切割領(lǐng)域有更廣闊的應(yīng)用。 使用WBC技術(shù)，當(dāng)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(biāo)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(dǎo)體激光器的結(jié)合。半導(dǎo)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(jié)合，所產(chǎn)生的新特性有更多新的應(yīng)用。比如在遙感領(lǐng)域，使用波長超過1μm的人眼安全半導(dǎo)體激光器，而在高效材料加工領(lǐng)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(qiáng)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。