新型半导体激光器光束质量媲美光纤、CO2及固体激光器

　　美国TeraDiode公司开发出了一款超高亮度的千瓦量级直接半导体激光器。该激光器在COTS半导体激光器基础上采用新的合束与整形技术，使得输出光束的光束参量积达到了3.75mm-mrad，这一数值是迄今为止见诸报道的千瓦量级直接半导体激光器中最低的。采用单根芯径为50μm，数值孔径为0.15的光纤耦合输出时，在单一中心波长下该激光器的输出功率达到了2030W。这种尾纤输出的两千瓦直接半导体激光器具有与工业用光纤和CO2激光器相比拟的亮度，比现今最好的直接半导体激光器的输出光束亮度高十倍以上，适用于工业中的材料处理，包括金属薄片的切割和焊接。

　　1. 前 言

　　直接半导体激光器具有效率高、排列紧凑、波长范围广，低成本、可靠性高等特点。这些优势对其他激光器来说是很吸引人的。但是，直接半导体激光器的输出光束质量存在问题，因此它的应用范围受到限制，主要用来作激光器的泵浦源，包括大体积固体激光器（棒状或盘片激光器）和光纤激光器。换句话说，他们主要被当成亮度转换器使用。所以，目前应用在切割和焊接方面的高亮度工业激光器主要还是二氧化碳、光纤和大体积固体激光器。

　　TeraDiode公司首次研制出一款直接半导体激光器，它采用革命性的光束整形技术，使输出功率和光束质量达到工业级激光器的要求。这项技术可以使激光器在保持较高光束质量的情况下达到数十千瓦的输出功率。使用这台激光器切割标准厚度的金属，其切割质量可以和目前工业上用的激光器不相上下。

　　千瓦量级直接半导体激光器有着广泛的市场潜力。在工业上，类似金属薄片切割，栓孔焊接等工业加工过程需要足够的激光亮度。高性能光纤和固体激光器需要窄线宽超高亮度激光器作泵浦源，其线宽应小于4nm。定向能武器的应用对激光要求很高，需要光束在接近衍射极限的情况下达到10千瓦以上的输出功率。传统的直接半导体激光器价格便宜，可靠性高。但在实现特殊材料加工或泵浦相关应用时缺乏足够的亮度。而这款高功率高亮度尾纤输出的直接半导体激光器提供了优越的效率、价格和可靠性，其特性适合工业和军事领域的应用。

　　半导体激光器是效率最高的激光器，但有数据显示，它们的空间亮度一般比其他工业用千瓦量级激光器低。这些千瓦量级激光器包括二氧化碳、光纤、大体积固体和盘片激光器。例如，在金属薄片的切割和焊接中，经常使用光束参量积（BPP）范围在3～10mm-mrad的激光器。在千瓦量级激光器中，这台尾纤输出激光器具有明显较高的BPP值。尽管半导体激光器的固有空间亮度低，但在近几年仍取得了显著发展。使用粗糙的波分复用技术，可以使千瓦量级半导体激光器的BPP范围在20mm-mrad以内（相当于芯径400μm，数值孔径0.1的输出光纤）。然而，在高亮度工业应用上，它的BPP仍然需要显著改善。

　　TeraDiode公司已经开发出超高亮度尾纤输出半导体激光器，这个激光器使用了新型合束与整形技术。此款尾纤输出直接半导体激光器可以从芯径为50μm的光纤中传输光功率为2040W的单波长光束，输出光纤数值孔径为0.18（包含90%的功率）。这种激光器的BPP为3.75mm-mrad，相比其他已有的尾纤输出直接半导体激光器的BBP值要低很多。所以，激光器中心波长在整个功率范围内是稳定的。

　　2. 技术方法

　　TeraDiode公司已经开发出尾纤输出半导体激光器，激光器使用了光波合束技术（WBC），获得了比现有商用激光器还要高几个数量级的亮度。WBC的外腔用于两个目的：1） 稳定中心波长;2） 增加亮度。一个半导体激光阵列放置在外腔中，这个外腔由一个变换透镜，一个衍射光栅和一个输出耦合器组成（如图7）。图示中三个激光器中任何一个发出的光的波长都是固定的，如图用红、绿、蓝三种颜色所示。亮度增强特征在图中用两条黑色光束表示，代表三条基本光束在输出耦合器上空间叠加。 输出光束质量和阵列中的单个基本输出光束质量几乎相同。如果保持每条基本光束的光功率不变，当知道基本光束数量，就可以得到总输出功率。

　　TeraDiode公司将被动冷却半导体激光巴条用于所有商用产品中。这种被动冷却半导体激光巴条非常可靠，其寿命超过20000小时，平均无故障时间超过100，000小时。这些激光巴条可以用标准工业冷却剂冷却，而且冷气剂无需电流控制。论文提到的所有高亮度直接半导体激光器都使用了这种被动冷却半导体激光巴条。