高插座效率、低運營成本的直接二極管激光器

　　傳統(tǒng)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(dǎo)焊、釬焊以及表面處理應(yīng)用。如果常規(guī)半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量提高到約40 mm?mrad，一個直接二極管系統(tǒng)的插座效率會下降到約32％。

　　為了挖掘直接二極管系統(tǒng)的效率優(yōu)勢，進一步提高光束質(zhì)量，通快開發(fā)了新的設(shè)計理念并運用到光纖傳導(dǎo)的二極管激光器上，輸出功率達4 kW。其依據(jù)是使用光纖耦合二極管模塊，此模塊具有下列特點：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(shù)值孔徑(NA)小于0.12，見圖1。

　　同束腰尺寸一起，數(shù)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(shù)值孔徑越小，聚焦性越好。相同的聚焦直徑下具有更低數(shù)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?。痪劢怪睆较嗤瑫r，則擁有更緊湊的光學(xué)系統(tǒng)。

圖1 長壽命的二極管模塊

通快高功率直接半導(dǎo)體激光器單元由多個二極管模塊和一個光纖合束器組成。從來自多達19個模塊的光束組合進入單一的輸出光纖，這樣一個單元可以輸出高達1900 W的激光。這19個光纖拼接形成一個錐形光纖束，其直徑約為單個二極管模塊光纖的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。

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

　　波長合束技術(shù)　　

　　高于1900 W的輸出功率可以由多個波長光束耦合實現(xiàn)。在整個系統(tǒng)中單個激光模塊單元的光束質(zhì)量得以保持，同時功率可以通過增加不同波長的光束來提高。

　　粗波合束是一個眾所周知的技術(shù)。各個模塊單元產(chǎn)生的激光束通過光纖傳導(dǎo)，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(dǎo)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(shù)值孔徑的乘積。因而，對于給定光纖直徑下，數(shù)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)涂層鏡與來自另一個激光模塊單元的準直光束合束。一個波長的光束由鏡面反射，和另一個波長的透射光束，合成一束包括了雙波長光束和兩倍功率的平行光。更多的光束能以類似的方式合束。通快TruDiode激光器具有專利的技術(shù)革新，大大降低了不同波長合束的差異性并因此使一個合并光束具有極窄的波長光譜(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，可使用較小的光纖，例如，800 W功率可通過400μm光纖傳導(dǎo)。

　　由于波長很接近，現(xiàn)在其他二極管激光技術(shù)中出現(xiàn)的缺點是可以避免的。這些激光器的光束質(zhì)量類似于早期光泵系統(tǒng)，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行深熔焊接達到相同，甚至更好的效果。使用這個激光技術(shù)，可以在以前使用光抽運激光的工業(yè)應(yīng)用中修正很多缺點，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，降低運營成本

與現(xiàn)有的二極管激光器相比，這里談及的直接半導(dǎo)體激光技術(shù)(已經(jīng)存在一年了)可以顯著提高效率，降低經(jīng)營成本。雖然良好的光束質(zhì)量在傳統(tǒng)的堆疊式二極管激光器中對系統(tǒng)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(yīng)用也不會產(chǎn)生進一步的重大損失。因此，它有可能實現(xiàn)效率高達40％，而同時保持較高的光束質(zhì)量，這種結(jié)合從未達到過。這提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟性，可以顯著降低電力成本。相比燈抽運系統(tǒng)，節(jié)約能源高達到15倍或更多。

圖3 a.二極管系統(tǒng)的光學(xué)平臺

b.輸出3KW，兩個光斑尺寸下焊接熔深與焊接速度的關(guān)系

　　除了高效率，采用被動冷卻的二極管降低了激光器的運行成本。與主動冷卻的方式相比，二極管的使用壽命大大延長。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(jié)構(gòu)的模塊化和靈活性，輸出功率和輸出光路的數(shù)量可以在現(xiàn)場完成升級。

　　直接二極管架構(gòu)的應(yīng)用包括深熔焊接、傳導(dǎo)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(xiàn)是優(yōu)異的(見圖3)。由于波長的原因(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(xiàn)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

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