15 kW光纤耦合半导体激光淬火光源

针对激光淬火在大型风电轴承生产中的实际需求,研制了一种功率高达15 kW的光纤耦合半导体激光淬火光源。该光源先采用915 nm和976 nm两个波段各8个宏通道冷却技术封装的半导体激光微巴条阵列作为发光单元,进行空间、偏振及波长合束,在光纤芯径为200μm、数值孔径为0.22的光纤中实现了超过800 W的连续输出,电光转换效率整体达到45%以上。再通过19×1光纤合束器对19个800 W模块进行合束,由输出端口光纤直径为1 mm的光纤耦合输出。光束经过由微透镜阵列与聚焦镜复合的加工头,光斑匀化,最终输出了功率大于15 kW、光斑尺寸为165 mm×25 mm的激光束,满足了大型风电主轴轴承滚道面淬火需求。     

半导体激光器双波长光纤耦合模块的ZEMAX设计

为了发挥单管半导体激光器的优势,获得光纤耦合模块多波长、高功率、高亮度的光束输出,利用ZEMAX软件仿真模拟,设计了一种单管光纤耦合模块。此模块将32支输出波长分别为915 nm、975 nm,输出功率为15 W的单管半导体激光器,经过微透镜组快慢轴光束整形、空间合束、偏振合束、波长合束以及光束聚焦等一系列工艺后,耦合进芯径200 m、数值孔径0.22的光纤。模拟结果显示,光纤输出功率467.46 W,光纤前后耦合效率大于98.47%,总耦合效率高于97.39%,光功率密度高于12.86 MW/（cm2sr）,达到了泵浦激光器和功率型器件的性能要求。使用Solidworks软件设计了相应的底板结构,并结合ANSYS软件进行散热模拟分析,结果显示该模块散热性能良好,可行性较高。     

高亮度半导体激光器无输出耦合镜光栅外腔光谱合束

宽面发射半导体激光器的光谱合束技术对发展高功率直接半导体激光光源具有重要意义。光栅外腔光谱合束基于光栅的波长选择特性和外腔半导体激光技术,实现单个合束单元的光谱锁定和所有合束单元的合束输出,输出光束质量与单个合束单元相当,而亮度和功率得到很大的提高。基于无输出耦合镜光栅外腔光谱合束结构,实现了单个半导体激光短阵列的光谱合束,分析了光谱合束的输出光谱、输出功率和光束质量的特性,获得了70 A工作电流下40.8 W的连续输出功率,快轴和慢轴方向的光束质量分别为0.41 mmmrad和9.16 mmmrad （包含95%能量）,相应的电光转换效率为38.4%,亮度高达67.90 MW/（cm2sr）。     

千瓦级高光束质量半导体激光线阵合束光源

低光束质量严重限制了大功率半导体激光器的应用,为了满足日益增长的工业和国防领域应用需求,发展兼具高功率和高光束质量激光输出的半导体激光光源具有重要意义。采用线阵合束方式集成20个传导热沉封装半导体激光单元,结合斜45°柱透镜阵列整形方法和准直技术,直接均衡激光束快慢轴方向的光斑和发散角,通过波长合束和偏振合束,研制出一种可实用化、连续输出功率1030W、快慢轴方向光参量积分别为18.3mm.mrad和17.7mm.mrad、最大电-光转换效率44%的808nm和870nm双波长半导体激光合束光源,实现了高效率、高功率和高光束质量激光输出,可作为直接光源应用于工业和国防领域。     

大功率半导体激光列阵单光纤耦合技术

利用阶梯反射镜整形技术和偏振合束及波长合束技术成功将两只波长为808nm和两只波长为980nm的40W大功率半导体激光器光束进行混合,最后得到输出功率为95.8W、耦合效率为60%的双波长大功率半导体激光列阵单光纤耦合模块,光纤芯径为400μm,数值孔径为0.22.     

三波长合束高亮度半导体激光光源

半导体激光器以其突出的优点具有广泛的应用前景,但受光束质量限制,使其很难作为直接光源应用在对功率和光束质量均有较高要求的领域。采用斜45°柱透镜阵列光束整形技术、自偏振合束技术和三波长合束技术,将3种波长的8个半导体激光阵列合束,研制出一种连续功率为500 W、电光转换效率为39.5%、光参量积为12.44mm.mrad、亮度为42.8MW/(cm2.sr)的半导体激光光源,可作为直接光源应用于工业和国防等领域。     

大功率半导体激光列阵单光纤耦合技术

利用阶梯反射镜整形技术和偏振合束及波长合束技术成功将两只波长为808nm和两只波长为980nm的40W大功率半导体激光器光束进行混合,最后得到输出功率为95.8W、耦合效率为60%的双波长大功率半导体激光列阵单光纤耦合模块,光纤芯径为400μm,数值孔径为0.22.     

基于外腔光谱合束的650 nm半导体激光器EI北大核心CSCD

高功率650~660 nm波段激光器在可见光光电对抗领域具有重要作用,目前该波段光源由固体激光器通过半导体激光器泵浦并倍频输出,输出功率高、光束质量近衍射极限,但转换效率低。半导体激光器的转换效率高,但输出功率低,需要通过增加激光单元的方法提升功率,并通过激光合束的方式提升光束质量。文中提出外腔光谱合束的650 nm波段半导体激光器结构,通过实验验证可实现连续功率为7.3 W、光谱线宽为6.45 nm、电光转换效率为23.4%的650 nm波段激光输出,光束质量为M_(X)^(2)=1.95,M_(Y)^(2)=11.11,接近固体激光器,未来通过增加合束的激光单元数量并结合偏振合束可以获得更高功率的650 nm波段激光。     

500W光纤耦合半导体激光模块

针对半导体激光器在工业领域的应用和光纤耦合可以实现柔性传输的特点,设计了光纤耦合半导体激光模块。采用光束整形技术、空间合束、偏振合束和光纤耦合等技术,将两组共10个整形后的半导体标准阵列进行合束,扩束后耦合入芯径400m、数值孔径0.22的镀增透膜光纤。在工作电流70 A时,光纤耦合前功率为545 W,光纤耦合后功率为518 W,光纤耦合效率高于95%,得到很高的光纤耦合效率,电光转换效率为43%,为下一步千瓦级光纤耦合半导体激光器的制备奠定了基础。     

基于808nm半导体激光器单管合束技术的光纤耦合模块

由于单管半导体激光器比半导体激光线阵、叠阵具有更好的光束质量及散热特性,因此更适用于光电干扰光源。针对于电荷耦合器件(CCD)光谱响应曲线特征,采用808nm单管半导体激光器为光源,将24只单管半导体激光器分组集成,通过空间合束和偏振合束以提高其输出功率密度,采用自行设计的光学系统对光束进行扩束聚焦,耦合进芯径为300μm,数值孔径0.22的光纤中,所有激光器都采用串联方式,在8.5A电流下通过光纤输出功率为162W,耦合效率达到84%。     

应用于金属焊接的光纤耦合输出2kW半导体激光光源

报道了一种高效节能、千瓦级光纤柔性输出半导体激光焊接光源。采用半导体激光合束技术,研制出2246W半导体激光合束光源,电光效率达43.6%;通过聚焦耦合,实现从600μm芯径、数值孔径0.2的光纤连续输出功率为2104W,光纤耦合效率达93.7%;在光纤输出端采用放大率1颐1的成像系统,到达工件表面的功率为2084W,光参量积为46.89mm·mrad,在束腰处测得光斑直径600μm,光功率密度为7.37×105 W/cm2,可以满足金属薄板焊接的激光加工要求     

基于陶瓷焊接的半导体激光器合束及聚焦研究

为了解决石油输送管道Al₂O₃陶瓷内衬管的连接问题,研制了专用的半导体激光光源用于陶瓷激光焊接。实验研究了陶瓷激光焊接所需要的半导体激光工艺参量及光束要求,采用单管空间合束、偏振合束、波长合束以及菲涅耳聚焦系统输出等方式,研制了光场分布均匀的半导体激光陶瓷焊接系统。结果表明,所设计半导体激光器偏振合束输出功率为384W,合束效率达到96.62%,经波长合束后输出功率可以超过800W,聚焦系统输出光斑均匀度为93.85%。该系统可以成功应用于不同场合的陶瓷焊接生产中,满足2mm厚度Al₂O₃陶瓷激光焊接要求。     

多单元半导体激光器的高亮度光纤耦合输出

设计并研制了一种多单元半导体激光器的高亮度光纤耦合输出模块.激光器芯片采用分子束外延(MBE)方法生长的宽波导、双量子阱结构AlGaAs/GaAs激光器外延材料,激光器模块采用4只准直的单条形大功率半导体激光器,器件腔长为2 mm,发光区宽度为100μm,单条形器件的连续输出功率为5.0 W,每两只单条形器件的准直输出光束经过空间合束后再通过偏振合束,实现了多单元器件输出的高光束质量功率合成,采用简单的平凸透镜实现了合束光束与100μm芯径、数值孔径(NA)0.22石英光纤的高效耦合,耦合效率高达79%,输出功率达10.17 W,光纤端面功率密度达1.0×105W/cm2.     

半导体激光合束技术及应用

半导体激光的高效率、长寿命、小体积和轻量等优点使其具有广泛的应用前景。但受光束质量的限制,半导体激光很难作为直接光源应用在对功率、光束质量和亮度均有高要求的领域。国际上半导体激光合束技术的发展非常迅速,千瓦量级已接近并达到全固态激光器的水平。介绍和总结了该实验组近年来在大功率半导体激光合束方面的研究进展,包括采用常规激光合束技术和新型的光栅外腔光谱合束技术,百瓦量级实现了3~5mm.mrad光束质量输出,千瓦量级实现了光纤输出和直接输出光源,光束质量的提高使得半导体激光可作为直接光源应用于工业和国防领域,并将发挥重要作用。     

半导体激光器叠阵无输出耦合镜光栅外腔光谱合束

宽面发射半导体激光器的光谱合束技术对发展高功率直接半导体激光光源具有重要意义。光栅外腔光谱合束基于光栅的波长选择特性和外腔半导体激光技术,实现单个合束单元的光谱锁定和所有合束单元的合束输出,输出光束质量与单个合束单元相当,亮度和功率得到很大提高。基于两个半导体激光器短阵列叠阵,进行了无输出耦合镜光栅外腔光谱合束实验研究,实现了12个半导体激光器短阵列的光谱合束。分析了光谱合束的输出光谱、输出功率和光束质量,在70 A的抽运电流下,连续输出功率为578 W,光谱带宽为10.26 nm,电光转换效率46.5%。     

中国电子科技集团公司第十三研究所激光器产品推介北大核心

中国电子科技集团公司第十三研究所光电激光器部从事半导体激光器研发生产30余年,主要研究方向为高功率半导体激光器,应用于固态激光器泵浦、光纤激光器泵浦、红外照明、望远镜测距和激光雷达等领域。 高功率连续/准连续阵列激光器：功率500～6 000 W,波长808 nm/940 nm,谱宽0.4 nm。高亮度光纤耦合激光器：波长915 nm/976 nm,功率100～400 W,105μm/200μm光纤。单点测距光源：功率25～500 W,波长905 nm/860 nm,可定制封装结构。     

高亮度半导体激光器泵浦光纤耦合模块

采用一种阶梯排列结构的单管激光器合束技术制成了高亮度半导体激光器光纤耦合模块,可用于泵浦掺Yb3+大模场双包层光纤激光器。利用微透镜组对各单管半导体激光器进行快慢轴准直,在快轴方向实现光束叠加,然后通过两组消球差设计的柱面透镜组分别对合成光束快慢轴方向进行聚焦,耦合进入光纤。实验中将6只输出功率为6 W 的976 nm单管半导体激光器输出光束耦合进芯径为105 m、数值孔径为0.15的光纤中,当工作电流为6.2 A 时,光纤输出功率达29.0 W,光纤耦合效率达到80.1%,亮度超过4.74 MW/cm2-str。     

基于高功率窄线宽掺镱全光纤超荧光源的光谱合束

全光纤结构超荧光光源各级均采用双包层掺镱光纤作为增益介质,中心波长为976 nm和915 nm的多模半导体激光器作为抽运源,利用窄线宽光纤布拉格光栅对宽带超荧光种子源进行滤波,经三级掺镱双包层光纤放大器放大,实现了中心波长分别为1060 nm和1078 nm的窄线宽超荧光稳定输出,输出功率分别达到57.4 W和56.6 W,斜效率分别为66.6%和66.7%,放大后的窄线宽超荧光光源3 d B光谱带宽均为0.05 nm。利用透射式衍射光栅对两路窄线宽超荧光进行光谱合束,实现了104.2 W窄线宽超荧光输出,合束效率为91.3%,光束质量M21.7。     

基于反射式Bragg体光栅的密集光谱合束数值模拟研究

基于反射式布拉格(Bragg)体光栅(VBG)的密集光谱合束是实现半导体激光器光纤耦合向高亮度发展的重要手段,建立了同时考虑发散角、光谱带宽、Bragg波长偏移量和Bragg角度偏移量的反射式VBG衍射效率计算模型。基于新建立的计算模型,提出了半导体激光器(DL)光纤耦合模块双波长合束的反射式VBG参数优化方法。结果表明:在优化选择的VBG参数下,DL光纤耦合模块双波长合束在满足入射光束(衍射效率大于90%的发散角14mrad,半峰全宽为0.3nm)中心波长偏移小于±0.49nm,入射角度相对于Bragg角偏移小于±16mrad的条件下,可达到大于98.7%的合束效率。     

基于窄线宽光栅的光纤激光器倍频技术

高功率连续绿光激光器在激光显示、生物医疗、有色金属加工等领域有着重要的应用,该研究课题已经成为激光领域的研究热点.为了实现高功率、高效率连续绿光激光的输出,利用窄带光纤光栅搭建了高功率光纤激光器,并以此为基频光源进行倍频技术的研究,得到了带宽小于50 pm的基频光纤激光器,输出功率可达100W.利用该基频激光以腔外单程方式倍频KTP晶体,实现了11.6W的532 nm绿光输出,倍频效率为11.6％;利用偏振棱镜将该基频光起偏后得到线偏振光,对透过偏振棱镜的p偏振光进行倍频实验,得到532 nm倍频光的输出功率可达7.3W,倍频效率为14.2％.以上实验证明利用窄线宽光栅来控制基频光源的光谱带宽,可提高光纤激光器的倍频效率,若将经偏振棱镜分光后被反射出去的s偏振光进行倍频,可得到532 nm绿光,利用合束技术将两束绿光进行合束,有望将绿光功率提高至14 W以上.