高功率半导体激光器的设计与应用

Bernd Köhler，Thomas Brand，Matthias Haag，Jens Biesenbach DILAS公司

1. 引言

高功率半导体激光器系统作为发展成熟的激光光源，在材料加工和固体激光器泵浦领域具有广泛应用。尽管高功率半导体具备转换效率高、功率高、可靠性强、寿命长、体积小以及成本低等诸多优点，但是光谱亮度相对较差则是一个不容忽视的缺点。半导体激光器bar条典型的光谱带宽大约是3～6nm，而且峰值波长会受工作电流和工作温度的影响而发生漂移。

通常，掺钕固体晶体是对其相对较宽的808nm吸收带进行泵浦，标准的半导体激光器系统能很容易地满足808nm泵浦的光谱要。但是在过去几年里，随着半导体激光器bar条的工作电流和功率的不断提高，导致在从阈值电流上升到工作电流的过程中产生了更大的波长漂移。为了确保在整个工作范围内实现稳定、有效的泵浦，需要控制泵浦半导体激光器的光谱，使其光谱带宽始终与激活激光介质的吸收带宽相匹配。

另一方面，光纤激光器的迅速发展，也增加了对其他波长的泵浦源的需求。例如，泵浦波长为1080nm左右的标准掺镱光纤激光器，就需要915nm、940nm和980nm的光纤耦合半导体激光器系统，特别是980nm泵浦区尤为重要，因为掺镱材料在该泵浦区具有较高的吸收系数和较窄的吸收带宽。

另一个新的泵浦波长是在888nm泵浦Nd：YVO4，与808nm泵浦相比，888nm泵浦的优势在于该波长处于各向同性吸收区，即在所有偏振方向上具有相同的吸收系数，并且量子亏损小。[1]

对于光谱线宽要求最高的应用之一是碱金属蒸汽激光器（如铷或铯）的光泵浦，这类应用需要的线宽大约为10GHz。对于这些应用，要实现有效泵浦，控制半导体激光器泵浦源的光谱。[2]

由多个半导体激光器bar条构成的高功率半导体激光器系统的另一缺点在于相对较差的光束质量和亮度B，公式（1）是B的定义。半导体激光器光束的亮度由激光功率P以及慢轴和快轴方向上的光束参数乘积（BPP）a所确定。[3]

ST 系列高功率光纤耦合半导体激光器

ST系列高功率光纤耦合半导体激光器是一款结构紧凑、维护和运行成本低廉、有显著节能效果的半导体激光器系统（如工作时长按八小时算比光纤激光器节能20％）。此激光器通常用于激光焊接，切割塑料和金属，以及许多其他的制造工艺上（如退火、回火或软钎焊等）。

特性:

交钥匙系统，可定制的OEM系统

易于集成，设计紧凑

手动和远程操作状态的界面

可控的半导体激光器操作，激光器模块更换方便

免维护，被动水冷，每年检查一次水冷系统（纯净水，颗粒过滤器）

严格按照安全标准操作（光纤插头和断线检测，互锁，争停界面，激光警示灯等）

可选设备：光纤长度可选 (5, 10, 20 m,

各种激光加工的激光头可选

电转换效率为 30%, 同功率等级的CO2激光器的转换率约为 6 - 8 % ，光纤激光器约为 20 - 25 %

应用:

金属和塑料的切割和焊接

激光退火、回火或软钎焊

参数: 2KW光纤耦合半导体激光器，也可根据客户要求提供其他功率的激光器

激光模块 电源

半导体激光器 AV-70 最大输出电压 2 x 80V

最大运行电流 75A 最大输出电流 75A

最大运行电压 2 x 80V 最小上升时间 100us

冷却 被动水冷却 最大脉冲频率 10kHz

激光模块传感器 功能监控，温度监控 运行模式 脉冲，剖面

光束指示 切换开/关 控制单元（可选远程终端） 显示器，手轮，钥匙开关，启动/停止，急停

重量 ~70kg 界面 以太网， can-bus,

profibus, RS232, SPS-接口

制冷机 机架系统

制冷机型号 类型 19” system

冷却方式 尺寸(HxWxD 1650x565x800mm3

环境空气温度范围 重量(不含激光模块 ~100kg

自来水温度范围 电压输入 400VAC±10%

自来水最小流量 最大电流 32A

Ⅸ激光杂志　２００２年第２３卷第５期ＬＡＳＥＲ　ＪＯＵＲＮＡＬ（Ｖｏ１．２３．Ｎｏ．５．２００２）　１９　

高功率线阵半导体激光器光纤耦合设计　

武德勇　高松信严地勇唐淳　．　

（中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川Ｉ绵阳９ｌ　９一ｌ　０ｌ　３信箱，绵阳６２ｌ　９００）　提要：本文通过分析商功率线阵半导体激光器的激光输出特性，设计ｒ‘种徼台阶反射镜阵列对其进行光束变换，并分　

别采用几何光线追迹法和高斯光束的＾ＢＣＤ定律，模拟计算了光束变换情况。订笄＝结果表明，本文设计的光束变换系统，可将ｌＯｍｍ　

宽的线阵半导体激光器的输ｊｊ＿：激光耦合进一根芯径为８００　ｍ，数值礼径ＮＡ≥０．３７的光纤中。　

关键词：半导体激光器：光束变换：光纤耦合　Ｔｈｅ　ｄ　ｅ　ｓｉ　ｇｎ　ａｂ０ｕｔ　ｈｉ　ｇｈ　Ｐ０－ｅｒ　ｌ　ａｓｅｒ　ｄｉ　０ｄｅ　ｌｉ　ｎｅａｒ　ａｒｒａＹ　ｃｏｉ１Ｐ１ｉ　ｎｇ　－ｉｔｈ　０Ｐｔｉ　ｃ　ｆｉ　ｂｅｒ　

Ｗｕ　Ｄｅｙｏｎｇ　Ｇａｏ　Ｓｈｏｎｇｘ　ｉｎｇ　Ｙａｎ　ｄ　ｉ　ｙｏｎｇ　Ｔａｎｇ　Ｃｈｕｎ　

（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ＾ＰＰｌｉｅｄ　ＥｌｅｃｔｔｏｎｉｃＳ，Ｃ／￣ＥＰ，Ｐ．０．Ｂｏｘ　９ｌ９一ｌ０１３，Ｍｉａｎｙａｎｇ　６２ｌ９００，）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ｏｐｔｉｃ　ｃｈａｒａｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｌａｓｅｒ　ｄｉｏｄｅ　ｌｉｎｅａｒ　ａｒｒａｙ　ｉＳ　ａｎａｌｙｚｅｄ。ａｎｄ　ａ　ｍｉＣｒｏ—ｓｔｅｐ　

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高功率光纤耦合半导体激光器在连续和脉冲高功率光纤激光器中的应用

高功率光纤耦合半导体激光器在连续和脉冲高功率光纤激光器中的应用

胡小波 深圳市明鑫科技发展有限公司

童志鹏 郑鸿章 深圳市众望达光电有限公司

本文阐述了高功率光纤耦合半导体激光器在连续和脉冲光纤激光中的应用，通过实验研究，得到了输出功率30W的1060nm的连续光纤激光输出以及20kW的脉冲峰值功率输出。

连续和脉冲光纤激光器具有光束质量好，可靠性高，转换效率高，风冷，免维护，体积小等特点。非常适合于激光雷达、激光打标、激光钻孔、激光加工、激光医疗等领域。明鑫科技对高功率连续和脉冲光纤激光器进行了相应的研究，并取得了实质性的成果。

明鑫科技研发的光纤激光器采用美国的目前业界最为先进的高功率光纤耦合半导体激光器，由众望达独家代理。

高功率光纤耦合半导体激光器具有如下优点：

1、高功率，单个管芯通过105/125um的多模光纤耦合，输出功率可以达到7瓦，用7x1的多模泵浦合束器的把7个这样的管芯的耦合，通过200um纤芯的光纤输出功率可以达到60瓦，

2、只须散热器加简单的风冷，也可以外加热电冷却器，。

3、体积很小，具有目前业界最小的封装尺寸

4、高可靠性，泵浦二极管其可靠运转寿命超过20万小时。

高功率光纤耦合半导体激光器具体性能指标如下表所示：

性能指标：

参数 数值 单位 备注

工作波长 808、 915、 975 nm

输出功率 4、 7、 6 W 对应波长

光纤类型 多模100/125/250 um