10 kW級直接輸出半導(dǎo)體激光熔覆光源的研制與熱效應(yīng)分析

林星辰，張亞維，朱洪波*，劉 云，秦 莉，寧永強(qiáng)，王立軍

(1.中國科學(xué)院 長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長春 130033;2.哈爾濱工程大學(xué) 理學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150001)

1 引 言

由于半導(dǎo)體激光器具有電光轉(zhuǎn)換效率高、可靠性高、免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)[1-4]，其在激光加工領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用[5-6]。尤其是在電光轉(zhuǎn)化效率方面，半導(dǎo)體激光器的優(yōu)勢更加明顯。半導(dǎo)體激光器的電光轉(zhuǎn)換效率是CO2激光器的4～5倍，是全固態(tài)激光器的3～4倍[7-10]。此外，通常大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)射波長為800～1 000 nm，各種金屬材料在此波段材料具有較高的吸收率，鋁的吸收率為13.5%，鐵的吸收率為33%，分別是CO2激光器10.6 μm波段處吸收率的9倍和5倍，因此高功率連續(xù)輸出半導(dǎo)體激光加工光源成為了國際上的研究熱點(diǎn)。Stephen Brookshier等人采用半導(dǎo)體激光疊陣進(jìn)行空間合成，研制出波長為976 nm、連續(xù)輸出功率達(dá)8 kW的半導(dǎo)體激光加工光源，電光轉(zhuǎn)換效率為45%[11]。Baumann等人通過對半導(dǎo)體激光疊陣進(jìn)行光束整形，并對其進(jìn)行波長合成，研制出輸出功率為10 kW的半導(dǎo)體激光源，電光轉(zhuǎn)換效率為50%，光源采用光纖進(jìn)行傳輸，通過對加工頭的光學(xué)模組進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以實(shí)現(xiàn)2～5 mm不同直徑范圍的多種光斑輸出[12]。在上述的研究工作中，研究重點(diǎn)都集中在半導(dǎo)體激光光源的設(shè)計(jì)與研制上，并沒有對10 kW級的半導(dǎo)體激光加工光源熱效應(yīng)進(jìn)行分析及論述。在功率如此大的激光光源內(nèi)，過大的熱效應(yīng)有可能造成光源內(nèi)部的光學(xué)元件基體的破裂及膜層的損傷，從而影響整個光源的可靠性[13-14]，因此對10 kW級半導(dǎo)體激光光源熱管理技術(shù)的研究尤顯重要。

本文以半導(dǎo)體激光疊陣為單元器件，采用偏振合成技術(shù)和波長合成技術(shù)相結(jié)合，將2只915 nm和2只976 nm半導(dǎo)體激光疊陣進(jìn)行合成，研制出了萬瓦級半導(dǎo)體激光器。實(shí)驗(yàn)中還對光源內(nèi)部的易損光學(xué)元件的熱效應(yīng)進(jìn)行了模擬分析并設(shè)計(jì)有效的散熱結(jié)構(gòu)，使其最高溫度從442.2 K下降到320 K，同時對應(yīng)的熱應(yīng)力從75.4 MPa下降到14 MPa，大幅提升了激光光源的可靠性。采用熱分析對光源內(nèi)部的易損光學(xué)元件進(jìn)行了模擬，并采用自行設(shè)計(jì)的冷卻系統(tǒng)對其進(jìn)行冷卻，從而減小光學(xué)元件的熱應(yīng)力，有效提升了半導(dǎo)體激光光源的可靠性。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 光學(xué)設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體激光疊陣是由多個激光bar條組成，以二維面陣結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)激光輸出，因此能夠產(chǎn)生千瓦級的功率輸出，在大功率半導(dǎo)體激光熔覆光源的研制中，主要采用疊陣作為單元光源[15]。實(shí)驗(yàn)中采用915 nm和976 nm半導(dǎo)體激光疊陣進(jìn)行合成，每個疊陣有25層bar條，每個bar條在122 A注入電流下的輸出功率可達(dá)110 W。由于半導(dǎo)體激光快慢軸方向發(fā)散角較大，通常為70°×9°(95%能量分布)，因此首先采用快軸準(zhǔn)直鏡對疊陣中每層bar條進(jìn)行光束準(zhǔn)直，實(shí)驗(yàn)中采用LIMO公司的快軸準(zhǔn)直鏡，型號為FAC850，有效焦距為0.9 mm。由于bar條的填充因子為50%，每個發(fā)光點(diǎn)之間只有200 μm的間距，而目前商用的慢軸準(zhǔn)直微透鏡陣列周期均為500 μm，無法對本bar條進(jìn)行準(zhǔn)直，因此在本工作中，采用自行設(shè)計(jì)的200 mm焦距的柱面鏡對慢軸進(jìn)行準(zhǔn)直。通過準(zhǔn)直后，快軸和慢軸的發(fā)散角分別降至7 mrad和54 mrad(95% 能量分布)。隨后將同一波長的半導(dǎo)體激光器通過偏振合成鏡進(jìn)行合成，利用半波片將其中一路半導(dǎo)體激光的偏振態(tài)旋轉(zhuǎn)90°，兩路激光束偏振態(tài)相差90°的激光通過偏振合成鏡時，P光發(fā)生透射，S光發(fā)生反射，這樣就實(shí)現(xiàn)了偏振合成。將兩個波長的疊陣都經(jīng)過偏振合成后，再采用波長合成技術(shù)對兩個波長的光束進(jìn)行合成。波長合成是提升半導(dǎo)體激光光源功率輸出的一種有效手段，通常采用二色分光鏡實(shí)現(xiàn)兩個不同波長的激光合成。實(shí)驗(yàn)中兩個波長的半導(dǎo)體激光疊陣的波長間隔為60 nm，波長合成主要使二色分光鏡的透射曲線的過渡區(qū)準(zhǔn)確位于兩束激光波長間隔的中間，這樣915 nm的激光將發(fā)生反射，976 nm的激光將發(fā)生透射，從而實(shí)現(xiàn)波長合成，整個激光合成結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖2為所用的二色分光鏡的膜系曲線。

圖1 半導(dǎo)體激光器光路合成模型圖 Fig.1 Optical path combination model of diode laser

圖2 二色分光鏡的膜系曲線 Fig.2 Coating curve of dichroic beam splitter

根據(jù)實(shí)際應(yīng)用中對激光加工的要求，本文設(shè)計(jì)了300 mm的聚焦鏡組，由于半導(dǎo)體激光器準(zhǔn)直后快慢軸發(fā)散角不同，因此通過計(jì)算，理論上聚焦光斑尺寸為2.5 mm×16 mm，呈矩形分布，可以滿足激光熔覆快速大面積加工的要求。

2.2 熱效應(yīng)分析

由于半導(dǎo)體激光光源的輸出功率達(dá)10 kW，因此有必要對光源的熱效應(yīng)進(jìn)行分析。半導(dǎo)體激光疊陣通常采用成熟的微通道冷卻散熱技術(shù)，因此本文主要討論光源內(nèi)部的光學(xué)元件的散熱[16-17]。

在如此高的激光功率密度下，透鏡的溫度會因?yàn)闊嵛斩@著上升，并在鏡子表面產(chǎn)生溫度梯度變化。溫度梯度會引起熱應(yīng)力，導(dǎo)致透鏡破裂。在光源內(nèi)部所有光學(xué)元件中，聚焦鏡組中最后一片透鏡承受的功率密度最高，本文將對此進(jìn)行詳細(xì)討論。本文采用COMSOL有限元分析軟件對透鏡的熱應(yīng)力進(jìn)行模擬分析，透鏡的基底材料熔石英對半導(dǎo)體激光器的吸收系數(shù)α為0.05 m-1，熔石英的熱導(dǎo)率為1.3 W/(m·K)。公式(1)為熱源方程：

(1)

其中，P代表合成后激光光源輸出的總功率，S代表激光束在透鏡上的輻射面積，z為透鏡的厚度。在自由傳導(dǎo)散熱條件下，在COMSOL中將自由傳導(dǎo)系數(shù)設(shè)為10 W/(m2·K)，將環(huán)境溫度設(shè)為293 K。圖3為模擬結(jié)果，可見透鏡上的最大溫度達(dá)到442.2 K，最大熱應(yīng)力(馮·米塞斯應(yīng)力)超過75.4 MPa，這將導(dǎo)致透鏡的破裂。為了減小熱應(yīng)力，保證激光光源的穩(wěn)定性，設(shè)計(jì)了具有水冷結(jié)構(gòu)的聚焦鏡筒。如圖4所示，在聚焦鏡筒的側(cè)壁上設(shè)計(jì)了多個直徑為3 mm的水冷通道，水冷通道呈等間距分布。冷卻水從注水口通入，然后通過環(huán)形通道后分別進(jìn)入水冷通道，最后再匯集到一起從出水口流出，從而使透鏡的熱量隨冷卻水的流動被有效帶走?？梢钥闯鏊渫ǖ赖臄?shù)量對透鏡的熱應(yīng)力有很大的影響。

圖3 自由傳導(dǎo)散熱時鏡頭溫度和熱應(yīng)力的模擬結(jié)果圖 Fig.3 Simulations of temperature and thermal stress distribution under free conduction thermal dissipation

圖4 聚焦鏡桶的散熱結(jié)構(gòu)圖 Fig.4 Thermal dissipation structure of focusing lens holder

圖5 冷卻水通道數(shù)量與溫度和熱應(yīng)力的關(guān)系圖 Fig.5 Temperature and thermal stress varying with water channels

圖6 6個水冷通道下聚焦鏡筒的溫度和熱應(yīng)力分布圖 Fig.6 Temperature and thermal stress distribution of focusing lens holder with six water channels

圖5為透鏡的溫度和熱應(yīng)力隨水冷通道數(shù)量的變化情況。當(dāng)水流量設(shè)置為5 L/min，溫度設(shè)為293 K，通過判定雷諾數(shù)，采用湍流模式模擬冷卻水，通過流體計(jì)算得出模擬結(jié)果，如圖6所示。隨著水冷通道數(shù)量的增加，溫度和熱應(yīng)力在開始階段快速下降，當(dāng)數(shù)量超過6個以后，聚焦鏡筒的散熱能力趨于飽和，此時，再增加水冷通道數(shù)量對透鏡溫度及熱應(yīng)力的影響并不大。將水冷通道數(shù)量設(shè)為6個并對透鏡的熱效應(yīng)進(jìn)行模擬，透鏡的最高溫度從442.2 K 降至320 K，相應(yīng)的熱應(yīng)力從75.4 MPa降至14 MPa，熱效應(yīng)明顯下降。

3 結(jié)果分析

如上文2.1中所述，通過偏振合成和波長合成相結(jié)合的方法，4只半導(dǎo)體激光疊陣實(shí)現(xiàn)了功率合成。整個激光光源采用水冷方式進(jìn)行冷卻，水冷溫度設(shè)為293 K，功率和效率隨電流的變化曲線如圖7所示。在輸入電流為122 A下，整個激光光源的輸出功率可達(dá)10 120 W，電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)46%。從圖7中可以看出，整個PI曲線呈線性分布，這說明采用微通道冷卻可以使半導(dǎo)體激光疊陣在整個工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的功率輸出。

圖7 功率和效率隨電流的變化曲線 Fig.7 Output power and efficiency versus operating current

圖8 可靠性測試前(a)后(b)的光斑圖 Fig.8 Profiles of focusing spot before(a) and after(b) the reliability test

半導(dǎo)體激光疊陣的初始電光轉(zhuǎn)換效率約為50%，但是經(jīng)過合成后，整個激光光源的電光轉(zhuǎn)換效率降至46%，主要原因有以下幾點(diǎn)：(1)實(shí)驗(yàn)中所用的半導(dǎo)體激光器疊陣為線偏振光輸出，由于半導(dǎo)體激光器量子阱結(jié)構(gòu)及材料組分的限制，半導(dǎo)體激光器輸出激光的偏振度在98%～99%之間，這會在偏振合成過程中產(chǎn)生一定的功率損失[18]。(2)由于鍍膜工藝的限制，實(shí)驗(yàn)中所用的偏振合成膜系和波長合成膜系很難達(dá)到理論設(shè)計(jì)值，通常P偏振態(tài)的激光入射到偏振合成鏡上時，透過率為96%，S偏振態(tài)的激光入射到偏振合成鏡上時，反射率為99%，這樣在偏振合成環(huán)節(jié)會產(chǎn)生大約2.5%的平均損耗。同樣在波長合成環(huán)節(jié)，也會產(chǎn)生大約2.5%的平均損耗。(3)由于光源內(nèi)部的反射鏡和透射鏡的反射率和透過率也不能達(dá)到100%，這些較小的損耗積累將會產(chǎn)生較大的損耗，這也是光源功率損失的一部分因素。

采用自行設(shè)計(jì)的聚焦鏡組，合成后的光束聚焦為2.5 mm×16 mm的矩形光斑，與之前的理論計(jì)算值相同。

為了驗(yàn)證光源的可靠性，本文對半導(dǎo)體激光器進(jìn)行了24 h的可靠性測試實(shí)驗(yàn)，在光源外部光路中利用分光鏡將99.9%的激光分光，然后利用功率計(jì)進(jìn)行接收，再采用Spiricon公司的光束分析儀對聚焦光斑變化情況進(jìn)行監(jiān)測。圖8給出了激光光源在可靠性測試前后的光斑變化情況。可以看出，經(jīng)過長時間的可靠性測試，光斑沒有明顯變化，這說明光源內(nèi)部的散熱結(jié)構(gòu)有效地減小了透鏡因?yàn)闊釕?yīng)力而產(chǎn)生的形變。激光器可以穩(wěn)定可靠地長時間工作，滿足激光熔覆、激光熱處理的要求。

4 結(jié) 論

本文研制了應(yīng)用于激光熔覆、激光熱處理領(lǐng)域的10 kW級高可靠性大功率半導(dǎo)體激光光源，光源內(nèi)部將偏振合成技術(shù)和波長合成技術(shù)相結(jié)合，在122 A的注入電流下，輸出功率達(dá)10 120 W，電光轉(zhuǎn)化效率為46%。通過自行設(shè)計(jì)的聚焦鏡后，合成后的光斑聚焦為2.5 mm×16 mm的矩形光斑，可滿足工業(yè)中大面積快速激光熔覆、激光熱處理的需求。實(shí)驗(yàn)中對激光光源的熱效應(yīng)進(jìn)行了分析，采用自行設(shè)計(jì)的散熱系統(tǒng)對光源內(nèi)部的光學(xué)元件進(jìn)行散熱，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的激光功率輸出，而且光斑分布沒有發(fā)生變化，驗(yàn)證了該半導(dǎo)體激光器可以長時間連續(xù)工作，展示了其在激光熔覆、激光熱處理等應(yīng)用中的良好應(yīng)用前景。