高插座效率、低运营成本的直接二极管激光器

　　传统光纤传送的二极管激光器的光束质量相对较差(“直接二极管”激光器)插座效率可以达到40％左右，但仅限于传导焊、钎焊以及表面处理应用。如果常规半导体激光器光束质量提高到约40 mm•mrad，一个直接二极管系统的插座效率会下降到约32％。

　　为了挖掘直接二极管系统的效率优势，进一步提高光束质量，通快开发了新的设计理念并运用到光纤传导的二极管激光器上，输出功率达4 kW。其依据是使用光纤耦合二极管模块，此模块具有下列特点：二极管模块提供输出功率100 W的激光，输出光纤直径仅100μm，数值孔径(NA)小于0.12，见图1。

　　同束腰尺寸一起，数值孔径直接关系到光束质量：在给定束腰直径下，光束的数值孔径越小，聚焦性越好。相同的聚焦直径下具有更低数值孔径的二极管激光器可以获得更大的工作距离和焦深；相同的工作距离下聚焦直径则更小；聚焦直径相同时，则拥有更紧凑的光学系统。

图1 长寿命的二极管模块

通快高功率直接半导体激光器单元由多个二极管模块和一个光纤合束器组成。从来自多达19个模块的光束组合进入单一的输出光纤，这样一个单元可以输出高达1900 W的激光。这19个光纤拼接形成一个锥形光纤束，其直径约为单个二极管模块光纤的5倍，所以输出光纤约500μm。光纤合束器是工业级别的，损失可以忽略不计。

　　当几个单独的模块以这种方式合束，输出效率和单个模块相同，但光束质量会变差。相对于单个模块约5 mm•mrad的光束参数积(BPP)，由19模块合束而成的单元的BPP约为30 mm•mrad。

　　波长合束技术　　

　　高于1900 W的输出功率可以由多个波长光束耦合实现。在整个系统中单个激光模块单元的光束质量得以保持，同时功率可以通过增加不同波长的光束来提高。

　　粗波合束是一个众所周知的技术。各个模块单元产生的激光束通过光纤传导，并在光纤末端输出。从光纤纤芯输出的光束基于BPP以一定角度发散。BPP被定义为束腰半径和光束发散角的乘积。对于采用光纤传导的激光器，这等同于光纤纤芯半径和发散半角的乘积，或基本上等同于光纤纤芯半径和光纤数值孔径的乘积。因而，对于给定光纤直径下，数值孔径越小，光束质量就越高，光束聚焦性越好。

　　发散光束准直后，经由特殊的介质涂层镜与来自另一个激光模块单元的准直光束合束。一个波长的光束由镜面反射，和另一个波长的透射光束，合成一束包括了双波长光束和两倍功率的平行光。更多的光束能以类似的方式合束。通快TruDiode激光器具有专利的技术革新，大大降低了不同波长合束的差异性并因此使一个合并光束具有极窄的波长光谱(优于±50 nm)，例如图2。

图2 Tru Diode 3006二极管激光器

　　一旦合束，准直后的激光束可以通过耦合器耦合到光纤中。在这种情况下，使用600μm纤芯的光纤，允许即插即用和快速更换。当输出功率高达1 kW时，可使用较小的光纤，例如，800 W功率可通过400μm光纤传导。

　　由于波长很接近，现在其他二极管激光技术中出现的缺点是可以避免的。这些激光器的光束质量类似于早期光泵系统，因此可以直接替代。相比灯抽运固体激光器，这是首次使用直接二极管激光进行深熔焊接达到相同，甚至更好的效果。使用这个激光技术，可以在以前使用光抽运激光的工业应用中修正很多缺点，例如较小的工作距离、较大的聚焦直径、或更大的光学器件。

更高的效率，降低运营成本

与现有的二极管激光器相比，这里谈及的直接半导体激光技术(已经存在一年了)可以显著提高效率，降低经营成本。虽然良好的光束质量在传统的堆叠式二极管激光器中对系统效率有负面影响，但优秀的光束质量已经是这些激光器的核心，此概念的应用也不会产生进一步的重大损失。因此，它有可能实现效率高达40％，而同时保持较高的光束质量，这种结合从未达到过。这提高了系统的经济性，可以显著降低电力成本。相比灯抽运系统，节约能源高达到15倍或更多。

图3 a.二极管系统的光学平台

b.输出3KW，两个光斑尺寸下焊接熔深与焊接速度的关系

　　除了高效率，采用被动冷却的二极管降低了激光器的运行成本。与主动冷却的方式相比，二极管的使用寿命大大延长。因此，二极管已经不再是“易耗品”，而与任何其他激光器组件没什么不同，这就避免了昂贵的二极管更换费用。归功于激光器结构的模块化和灵活性，输出功率和输出光路的数量可以在现场完成升级。

　　直接二极管架构的应用包括深熔焊接、传导焊、钎焊、热处理、激光金属熔覆。例如，运用3 kW直接二极管激光器在低碳钢上，在渗透深度和焊接速度上变现是优异的(见图3)。由于波长的原因(约950nm)，焊道表面质量高，而且不需要等离子抑制气，焊缝氧化现象不明显。小孔焊接的焊缝截面显示了这种激光器的优良性能(见图4)

图4 a.焊接速度1m/min，平板上3kW光束的焊接 b.拐角处2kW的光束焊接

　　由于目前最先进的技术如碟片和光纤激光器，都依赖于二极管模块抽运激光介质来转换为一个更长波长的激光改善光束质量，高达40％的功率与效率都在此过程中损失掉了。通过直接使用二极管激光模块，显著的插座效率，更小的占地，更具成本效益的产品诞生了。