半導(dǎo)體激光列陣慢軸準(zhǔn)直和聚焦特性

丁 鵬,曹銀花,祁俊峰,王曉薇,左鐵釧

(1.北京工業(yè)大學(xué)激光工程研究院,北京 100124;

2.中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所海特光電有限責(zé)任公司,北京 100083)

半導(dǎo)體激光器具有體積小、質(zhì)量輕、壽命長和光電轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn),在光通信、泵浦固體激光器、激光材料加工和軍事等方面得到了廣泛的應(yīng)用[1-2].單管半導(dǎo)體激光器由于受腔面災(zāi)變失效的影響,最大輸出功率通常為瓦的量級(jí),半導(dǎo)體激光器制作成列陣(array)形式可以實(shí)現(xiàn)更高功率輸出.目前國際標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體激光列陣條寬 10mm,端面處一維橫向排列若干發(fā)光單元,常見的有 19、25、49個(gè)等幾種.

由于大功率半導(dǎo)體激光器采用量子阱波導(dǎo),輸出光束快慢軸光場不對(duì)稱是其最大弱點(diǎn),并且由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的衍射效應(yīng),大功率半導(dǎo)體激光器出射光束的發(fā)散角大,在垂直于結(jié)平面的快軸方向?yàn)?30°～40°(FWHM),在平行于結(jié)平面的慢軸方向一般為 8°～10°(FWHM).這樣大的發(fā)散角,限制了其在許多場合的應(yīng)用.必須進(jìn)行快慢軸的準(zhǔn)直,減小發(fā)散角,才能改善光束質(zhì)量.目前常用的方法是對(duì)半導(dǎo)體激光束整形[3],將光束分割、旋轉(zhuǎn)后重排.可以通過選擇光束分割數(shù)目使快慢軸光參積近似相等,聚焦后的光束比較容易耦合進(jìn)光纖,但整形器結(jié)構(gòu)復(fù)雜,功率損失較大.將半導(dǎo)體激光器應(yīng)用于材料表面熔覆、相變硬化等場合,可以使用矩形焦斑[4].基于半導(dǎo)體激光堆棧的物理結(jié)構(gòu),將光束快、慢軸準(zhǔn)直后聚焦于同一焦平面,即可得到矩形焦斑.這種方法結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、功率損失小.對(duì)于快軸準(zhǔn)直,一般采用圓柱透鏡、雙圓柱透鏡和非球面微透鏡等方法[5].對(duì)于半導(dǎo)體激光列陣的慢軸準(zhǔn)直,也有許多方法[6].本文采用長焦距的柱面透鏡準(zhǔn)直慢軸光束,通過實(shí)驗(yàn)測量和軟件模擬,確定合適的慢軸準(zhǔn)直參數(shù),并進(jìn)行了不銹鋼輻照實(shí)驗(yàn).

1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)中采用 300W連續(xù)半導(dǎo)體激光堆棧,它由 5個(gè) 60W列陣沿 y方向堆疊組成,每個(gè)列陣在 x方向排列有 49個(gè)發(fā)光單元,中心波長 808nm.快軸方向已經(jīng)過非球面微透鏡準(zhǔn)直,發(fā)散角小于 0.25°.慢軸方向發(fā)散角隨輸出光功率增大而增加,根據(jù)實(shí)驗(yàn)測定,輸出功率大于 150W后,發(fā)散角最大值可達(dá)到 10°(FWHM).

采用 2塊平凸柱面透鏡組成望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng),對(duì)慢軸光束準(zhǔn)直后聚焦.大功率半導(dǎo)體激光列陣由于橫向排列有多個(gè)發(fā)光單元,出射光束為非同心光束,如果準(zhǔn)直透鏡焦距較小,對(duì)于距離光軸較遠(yuǎn)的發(fā)光單元,產(chǎn)生較大像差,準(zhǔn)直效果不理想.實(shí)驗(yàn)中采用的慢軸準(zhǔn)直鏡為焦距大于 60mm的幾種長焦柱面透鏡.用光斑質(zhì)量診斷儀測量聚焦后腰斑大小,實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示.

圖 1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.1 Sketch of the devices

2 軟件模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

大功率半導(dǎo)體激光器應(yīng)用在光制造等能量加工場合,比較受關(guān)注的是如何獲得高的功率密度,即小的聚焦光斑直徑,不同于光學(xué)成像系統(tǒng)要求的小的像差.實(shí)驗(yàn)中測量了聚焦后腰斑的直徑和對(duì)焦平面的偏離程度 .M1使用了焦距 f1=60、100、200、250、300mm的柱面透鏡,M2使用焦距 f2=30、60、100、150、200 mm的柱面透鏡,兩透鏡組合成 8種光路.在 Zemax軟件中對(duì)光路進(jìn)行模擬,使用非連續(xù)模式,光束發(fā)散角10°,每個(gè)發(fā)光單元分析 5 000條光線,忽略偏振態(tài)的影響,為簡單起見,2塊透鏡之間距離都是 50mm.

表 1列出了半導(dǎo)體激光列陣經(jīng)過 8種透鏡組合的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)聚焦后的腰斑直徑和對(duì)焦平面偏離量的模擬值和實(shí)際測量值.可以看出,準(zhǔn)直透鏡焦距 f1相同時(shí),聚焦透鏡焦距 f2的變化對(duì)腰斑直徑和對(duì)焦面偏離量有較大影響.由于平凸透鏡的球差為負(fù),腰斑在焦平面之前.

表 1 8種透鏡組合光路的腰斑直徑和離焦量的模擬、測量值Tab le 1 Simu lation and test resu lts of the focus spot diam eter and defocus va lue for 8 light paths mm

半導(dǎo)體激光列陣的端面是一維橫向排列的發(fā)光單元,排列方向垂直于光軸方向.軸上單元的像差主要是球差,遠(yuǎn)離光軸的軸外單元的像差包括球差和軸外慧差[7].圖 2以 f1=200mm,f2=100mm為例,模擬了像差的產(chǎn)生.箭頭方向表示光軸,豎線表示焦平面,圖 2(d)中聚焦光斑最小處在焦面前 11.2mm處,腰斑直徑 8.1mm.其中 4種組合光路的模擬圖見圖 3,由圖 3可以看出,準(zhǔn)直透鏡焦距 f1從 100增加到200mm,準(zhǔn)直效果變好,但光路的長度和口徑都有了顯著增加.

半導(dǎo)體激光經(jīng)過 f1=200mm,f2=100mm的透鏡組合后,進(jìn)行了 316L不銹鋼試樣的輻照實(shí)驗(yàn).試樣尺寸為 100mm×50mm×2mm,快軸采用 f=38.1mm的柱面透鏡聚焦,快軸方向焦斑長度為 1.0mm,焦斑面積為 8.2mm2,功率為 250W,功率密度為 3.05 kW/cm2.燒蝕試樣橫截面如圖 4所示,圖 5為光束輻照方向,圖 6為焦點(diǎn)處光斑光強(qiáng)立體分布圖.

隨著輻照時(shí)間從 1 s增加到 3 s,燒蝕熔化區(qū)深度和寬度逐漸加大,深寬比約為 0.5未變,屬于熱導(dǎo)焊接.輻照時(shí)間 3 s時(shí),熔化區(qū)深度為 400μm,寬度為 800μm,表面溝槽深度為 200μm.在輻照區(qū)域出現(xiàn)蒸發(fā)溝槽,說明激光輻照區(qū)域的材料表面溫度已經(jīng)超過其蒸發(fā)閾值,隨著輻照時(shí)間增加,溝槽深度明顯增加,且實(shí)驗(yàn)中觀察到材料的飛濺現(xiàn)象.由于金屬材料對(duì)激光的吸收率可近似地表示為

其中,c為光速;λ為激光波長[8];σ0為材料電導(dǎo)率.對(duì)于波長為808 nm的半導(dǎo)體激光,鋼鐵材料對(duì)其吸收率大于波長較長的 YAG激光和二氧化碳激光.在激光聚焦光斑能量密度較低的情況下,仍然能使材料的激光輻照區(qū)域達(dá)到較高溫度而出現(xiàn)蒸發(fā)溝槽.

3 結(jié)束語

采用 2塊平凸柱面透鏡組成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)對(duì)半導(dǎo)體激光列陣慢軸進(jìn)行準(zhǔn)直和聚焦,準(zhǔn)直鏡焦距 f1增大,使得發(fā)散角減小,準(zhǔn)直效果變好,但光路體積和調(diào)節(jié)誤差敏感性增加.聚焦鏡焦距 f2減小,使得腰斑尺寸減小,功率密度增加,但被加工材料的光反射量增加.而且 f2較小的聚焦鏡產(chǎn)生的光斑在焦平面附近沿光軸方向功率密度變化較大,材料表面較小的起伏也會(huì)影響材料表面的功率密度.由于像差的影響,聚焦后腰斑不在焦平面上,將工件從焦平面做相應(yīng)偏離,可以獲得最高功率密度.由于材料對(duì) 808 nm波長吸收高,功率密度達(dá) kW/cm2量級(jí)時(shí),在 316L不銹鋼表面出現(xiàn)蒸發(fā)溝槽.本文系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)試方便、功率損失小、激光器體積小,適于移動(dòng)和野外作業(yè).因腰斑光強(qiáng)為矩形分布,故本系統(tǒng)在熔覆、表面硬化等直接應(yīng)用的場合是一種理想的光源.

[1]郭明秀,李勁東,付文強(qiáng).千瓦級(jí)半導(dǎo)體抽運(yùn)的固體熱容板條激光器[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2007,27(2):280-286.GUO Ming-xiu,LIJin-dong,FU Wen-qiang,etal.Kilowatt laser diode pumped solid-state heat capacity[J].Slab Laser Acta Optica Sinaca,2007,27(2):280-286.(in Chinese)

[2]任旭升,檀慧明,錢龍生.半導(dǎo)體泵浦固體激光器在激光加工中的應(yīng)用[J].激光技術(shù)與應(yīng)用,2005(11):1-4.REN Xu-sheng,TAN Hui-ming,QIAN Long-sheng.Applications of diode pumped solid-state laser in lasersmanufacturing[J].Laser Technology and App lication,2005(11):1-4.(in Chinese)

[3]楊華軍,胡渝,謝康.大功率半導(dǎo)體激光束非球面準(zhǔn)直系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國激光,2007,34(12):1607-1611.YANG Hua-jun,HU Yu,XIE Kang.Optimization design for aspheric collimation system of high-power semiconductor laser beam[J].Chinese Journal of Lasers,2007,34(12):1607-1611.(in Chinese)

[4]FRIEDRICH B.Industrial applications of high powerdiode lasers inmaterials processing[J].Applied Surface Science,2003,209:125-136.

[5]熊鈴鈴,羅亞梅,梁一平.雙曲柱面—平面透鏡對(duì)半導(dǎo)體激光光束的準(zhǔn)直性能[J].激光雜志,2006,27(2):33-35.XIONG Ling-ling,LUO Ya-mei,LIANG Yi-ping.The collimating performance of hyperboloid cylinder-p lane lens to the beam of laser diode bar[J].Laser Journal,2006,27(2):33-35.(in Chinese)

[6]BODO E.Cylindrical zoom optics for high power diode lasers[J].Proceeding of SPIE,2000,39:185-192.

[7]趙凱華,鐘錫華.光學(xué)(上冊(cè))[M].北京:北京大學(xué)出版社,1982:107-109.

[8]左鐵釧.21世紀(jì)的先進(jìn)制造-激光技術(shù)與工程[M].北京:科學(xué)出版社,2007:29-33.