高功率高亮度半导体激光器合束进展

半导体激光器体积小、效率高,但单元输出功率低、光束质量差限制了其应用。介绍了提升半导体激光器功率及光束质量的最新进展,对各种技术途径和实验结果进行了综述报道,并具体介绍了中国科学院长春光学精密机械与物理研究所近年来在高亮度半导体激光器芯片及合束方面取得的进展。     

中红外半导体激光器合束技术研究进展(特邀)

中红外半导体激光器体积小、效率高,在环境检测、空间通讯及军事国防等领域具有重要的应用前景。但是中红外半导体激光器单元器件输出功率低,限制了其在以上领域的应用。激光合束技术是能够实现中红外半导体激光器功率提升的重要途径。文中详细介绍了几种用于中红外半导体激光器的合束方法及中红外半导体激光器合束方面的最新进展。     

半导体激光器在塑料焊接中的应用

在形形色色的塑料加工工具中，ＣＯ２激光器在近些年被证实是塑料切割、钻孔以及雕刻的理想工具。激光技术的最新发展更引发了人们对使用高功率半导体激光器进行塑料焊接的兴趣。 半导体激光器在输出功率、转换效率、可靠性以及耗费等方面持续地改进和提高，是引发人们对使用高功率半导体激光器进行工业加工产生兴趣的原因，因为上述这些品质都是适合工业应用必不可少的关键品质。半导体激光器的体积紧凑是相比其他成熟激光器的另一个重要的优点，尤其适合于自动化生产和使用机器人的环境。小巧而耗电省的激光器可以被直接固定在机械手上，…     

半导体激光器相干合束技术（特邀）

大功率高光束质量半导体激光器在激光加工、激光通信、科学研究等方面有着广泛的应用,提高半导体激光器的功率和光束质量一直都是国际的研究前沿和学科热点。合束技术是提高半导体激光器输出功率最简单有效的方法。非相干合束技术提高输出功率往往以损失空间、偏振或光谱特性为代价,在对光束特性要求不高的场合应用较为成熟。相干合束技术在提高半导体激光器输出功率的同时还能提高光束质量、压窄频谱宽度,是高亮度窄线宽半导体激光技术发展的重要方向。本文简述了相干合束技术的原理及要求,从锁相技术出发,综述了半导体激光器相干合束技术近年来的发展现状,总结了主动锁相和被动锁相的优缺点,主动锁相技术采用主振荡放大结构通过相位负反馈技术实现锁相,在合束单元数量上具有优势,能获得大功率相干输出,但结构较为复杂。被动锁相技术结构简单,一般通过外腔的衍射效应或者共腔技术实现单元间的相位锁定,具备自组织锁相特点,但不易获得高功率输出。最后对半导体激光器相干合束技术的未来发展进行了展望。     

半导体激光器在焊接汽车塑料零件中的应用

1 引言 自20世纪80年代中期,CO2激光器和YAG激光器就已应用于汽车零件的焊接、打孔、切割和表面改性等加工.近年来,虽然市场上出售的半导体激光器的性价比都比较高,但由于聚焦性能等问题则很难用于金属零件的加工.与金属相比,塑料的融点低且容易控制激光的吸收率,因此可采用低输出功率、低聚焦性能的激光进行焊接.本文介绍了半导体激光器在塑料焊接中的应用和日本丰田汽车公司现已实用化的激光焊接技术.     

940 nm高功率半导体激光器研究

报道了一种采用大光学腔结构的InGaAs/GaAs/AlGaAs应变量子阱高功率半导体激光器。在量子阱能级本征值方程的数值求解基础上 ,优化了InGaAs阱层材料的In组份含量 ;采用大光学腔结构以有效降低垂直于结平面方向的光束发散角及腔面的光功率密度 ,实现器件的高功率、低发散角光。设计的激光器外延结构采用分子束外延 (MBE)方法生长 ,成功获得具有较低激射阈值的 94 0nm波长激光器外延片。对 10 0 μm条形 ,10 0 0 μm腔长的制备器件测试表明 ,器件的最大连续输出功率达到 2W ,峰值波长为 939.4nm ,远场水平发散角为 10° ,垂直发散角为 30°。器件的阈值电流为 30 0mA。     

基于半导体激光合束技术的高效点火光源研究

随着半导体激光技术的快速发展,以半导体激光为核心光源的激光点火技术得到越来越广泛的应用。本文开展了高效激光点火光源的研究,设计出一种单光纤双波长输出的光学结构,将高功率976 nm点火激光和低功率1310 nm检测激光通过空间合束以及波长合束技术耦合到芯径为105μm,数值孔径(NA)为0.22的光纤中,获得了输出功率大于10 W的976 nm点火激光以及输出功率大于1 m W的1310 nm检测激光,其中高功率点火激光的耦合效率超过90%;通过自聚焦透镜对出纤激光进行光束整形,与自由输出光束相比,整形后出射光斑发散角减小了,入射到点火药剂上的光功率密度增大了,点火效率提高了。实验结果表明,所设计的分光镜膜系以及光路结构可实现光路自检以及高功率点火激光的输出功率同步自检,满足该领域对于点火光源高效率、高可靠性的应用要求。     

半导体激光器密集波长合束技术研究综述

半导体激光器自发明以来,凭借其自身高稳定性、高光电转换效率、体积小等优势被广泛应用在各个领域,但是由于其快慢轴光束质量差异较大,影响了其应用范围.密集波长合束技术作为一种有效提高半导体激光亮度的方法,是当前的研究热点.文中分析了国内外高功率、高光束质量半导体激光器密集波长合束技术发展状况,讨论了合束技术特点,展望了发展...     

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.     

高功率半导体激光堆栈双波长合束及聚焦系统

针对两种波长的直接高功率半导体激光堆栈,为适应半导体激光在材料加工方面的需求,设计一种双波长合束及长焦距光学系统。首先,利用快慢轴准直镜对两种波长的激光堆栈进行初步准直,然后,用双波长合束镜将其合束。进而,利用倒置开普勒望远系统原理对慢轴光束进一步扩束准直,最终,用快慢轴聚焦镜实现同步聚焦。利用光参数积原理对聚焦系统进行理论分析,并根据瑞利长度公式计算出焦深。用ZEMAX软件对整个光路进行光线追迹,得出模拟结果。根据理论分析和软件模拟,开展相应实验。经合束和聚焦,实现焦距300 mm,焦点尺寸2.0 mm4.0 mm的聚焦光斑,输出功率5 000 W,功率密度达104瓦级。最后讨论该系统影响因素。聚焦光斑可用于激光熔覆,表面处理等工艺。     

大光束光纤耦合半导体激光准直系统

光纤耦合半导体激光器广泛的应用在国防、商业、工业等领域,对其光学准直是一项重要的工作。文中详细的介绍非球面透镜设计方法,设计了数值孔径NA=0.37,光纤芯径φ=600μm的大光束光纤耦合半导体激光非球面准直透镜,准直透镜的焦距f=50mm。从像质评定可以看出,非球面准直镜几乎接近衍射极限,整个系统的波像差小于0.3λ。实验结果证明,采用非球面准直系统,能提高光能的利用率,并获得高效准直光束。     

带空间滤波器的激光聚焦系统对多模激光的聚焦

本文简单介绍了使用带空间滤波器的激光聚焦系统对多模激光进行聚焦的结果。     

激光宽带聚焦系统的研究

从理论上研究了一种简易可行的光学装置,它可以将单模高斯激光(TEM_(00))会聚为不同尺寸的带形光斑,并且沿光斑的长度方向具有较均匀的能量分布.     

基于像散曲面微透镜的半导体激光准直研究

为了实现半导体激光器的光束准直,分析了半导体激光器光束沿快、慢轴方向的准直原理。采用单个半导体激光器作为被准直单元,提出了基于像散曲面微透镜的半导体激光器光束准直方法。讨论了半导体激光器填充因子对像散曲面微透镜准直性能的影响。对填充因子0.5的半导体激光器进行模拟验证。准直后,快轴方向剩余发散角约为0.34,慢轴方向剩余发散角约为2.69。结果表明,像散曲面微透镜不但可以对高填充因子的半导体激光器光束进行准直,而且准直后出射光斑面积小。该研究为高功率半导体激光器堆栈光束的准直提供了可行性方案。     

二极管激光光谱合束技术实验研究

为了研究基于光栅-外腔的二极管激光阵列光谱合束,利用存在离轴像差情况下耦合效率模型,数值模拟了系统各参量对耦合效率的影响,可知耦合效率随着离轴距离和横模阶次增加而下降;单个单元将被压窄至0.05nm。应用光栅-外腔实现了单条二极管激光阵列光谱合束,获得了10.1W的连续输出,斜效率为0.45W/A,慢轴方向光束质量因子Mx2=17.6,整个阵列的光谱被展宽到15nm,单个单元的线宽被压窄到0.1nm。结果表明,光谱合束能改善二极管激光阵列的光束质量,压窄单个单元的线宽。     

激光二极管光束整形技术

阐述了对LD输出光束进行整形的必要性。在国内首次对目前常用的一些典型的光束整形技术的整形原理、关键技术及整形效果进行了分析、比较和评价。     

二极管激光器快轴光束准直

二极管激光器泵浦模块输出光束发散角小、指向精度高,但其中的快轴准直(FAC)微透镜装调工艺不能满足大功率模块的应用要求,针对此问题,分析了快轴准直微透镜的光束准直原理,简述了应用FAC透镜时的参数选择和装调问题.通过光学成像方法实时监测二极管激光巴条(bar)的近场像和远场像,对FAC透镜分别进行粗调节和细调节,获得了...     

激光扫描弧形柱面聚焦系统的研究

为了解决在柱面等曲面上激光打孔的问题和提高打孔成型效果,提出了一种扫描弧形柱面聚焦方案,系统将CO2激光器发射的脉冲激光调制后,入射到柱面聚焦镜压缩为线性光斑,之后经由旋转反射棱镜实现激光扫描,线性扫描光斑在经过弧形柱面聚焦镜后在曲面上聚焦为圆形光斑,实现了对光束的整形和曲面打孔。结果表明实现了在曲面上0.15mm大小的光斑,满足了包括烟支在内的工业生产需求,与传统的平面聚焦打孔方式相比本方案有更大的应用空间。     

脉冲半导体激光器光束并合技术研究

为了提高脉冲半导体激光器达到远场的能量密度,提出采用多个脉冲半导体激光器并合的方法来解决。介绍了光束并合的原理,并且就影响光束并合的因素进行了理论分析与推导,然后采用Matlab模拟分析了各个激光器出光时间同步性对光束合成功率密度与脉宽的影响,以及采用Zemax仿真分析了各个激光器间的轴线平行性以及激光器与准直系统间的同轴性对合成光斑质量的影响,最后通过具体的距离选通实验,验证了光束并合是一种有效地图像提高远场能量密度的手段。     

双光束激光焊接的试验研究

双光束激光焊接因其良好的过程稳定性和低的气孔率已经成为激光焊接的一个研究方向,本实验以45号钢为材料研究了成一定角度的CO2激光双光束的焊接特性.通过观察焊缝外貌形态和截面形状,研究焦斑间距和其他工艺参数对一定角度的双光束焊接的影响.