根據商用大功率半導體(ti) 激光堆的偏振性和慢軸遠場特性，結合商用光學設計軟件ZEMAX將兩(liang) 個(ge) 600W的半導體(ti) 激光堆利用GlanTaylor棱鏡進行偏振耦合並準趕聚焦輸出配以自製加上頭獲得激光加工係統。係統輸出功率大於(yu) 1000W．在焦距100m處光斑大小約為(wei) 1mm×6mm(能量大於(yu) 95％)。平均能培密度人於(yu) 1.6×10000W／平方厘米，利用該激光係統對U74鋼軌的表麵以1050mm／min進掃描，獲得表麵相變硬化層深度約為(wei) 0．25mm，表而硬度從(cong) 250 HV10／20提高到800HV10／20至900H

    與(yu) 傳(chuan) 統的工業(ye) 用CO2激光器和YAG激光器相比，大功率半導體(ti) 激光器不僅(jin) 具有體(ti) 積小、能耗小、維護周期長的固有優(you) 勢，而且能提供更高的加工效率：金屬在半導體(ti) 激光的輸出波段808mm附近吸收率遠高於(yu) CO2和YAG激光，如金屬Al，其吸收率分別是YAG和CO2激光的3倍和15倍。目前，大功率半導體(ti) 激光器越來越多的運用於(yu) 工業(ye) 領域，特別是由於(yu) 其特有的快、慢軸不對稱輸出，通過簡單的光學係統即可獲得具有較大縱寬比的高亮度大光斑，使其滿足在金屬表麵熔覆、相變硬化等中等光功率密度需求、較大激光作用區域的領域更是具有普通CO2、YAG激光不可比擬的優(you) 勢。
   
    目前，國外該類激光加工係統已大量運用於(yu) 工業(ye) 生產(chan) 中，而國內(nei) 的半導體(ti) 激光器研究主要麵向於(yu) 泵浦源領域，尚未見文獻報道專(zhuan) 門針對工業(ye) 應用的半導體(ti) 激光加工係統。本文采用偏振耦合技術結合簡單的光學係統獲得了千瓦級半導體(ti) 激光係統並用於(yu) U74鋼軌的表麵相變硬化，使其表麵硬度提高三倍以上。
   
    1 偏振耦合係統及光路設計
   
    由於(yu) 半導體(ti) 激光器自身結構原因，其光束質量較差，必須通過必要的手段改善其輸出光束質量以同時滿足工業(ye) 加工所需的高亮度和長焦距。目前大功率半導體(ti) 激光器均采用應變量子阱結構，重空穴帶和輕空穴帶分離，輸出光偏振度大於(yu) 98％，因此偏振耦合技術是提高大功率半導體(ti) 激光器亮度的有效途徑。Glan-Taylor棱鏡屬於(yu) 空氣隙格蘭(lan) 型棱鏡，視場內(nei) 光的偏振分布均勻，透射光側(ce) 向平移小，損傷(shang) 閾值高，適合高功率激光的偏振應用。其缺點在於(yu) 對稱視場角小，通常為(wei) 80左右(全角)。本文中采用的激光器為(wei) 美國Night公司NL-VSA-10-L600W連續輸出半導體(ti) 激光堆，波長為(wei) 808mm，偏振特性為(wei) TM模式，每個(ge) 堆由10個(ge) 帶快軸準直(FAC)的激光bar構成，在快軸方向上發散角為(wei) 0．25°，光束質量高；慢軸方向光束質量差，其分布狀態是激光係統的設計基礎。
   
    圖1a為(wei) 距激光堆1m處實驗獲得的激光堆600W輸出時慢軸方向遠場分布曲線。由圖可知，激光堆慢軸方向遠場分布基本滿足二階超高斯分布。95％以上的能量在8°全角範圍，因此可直接利用Glan-Taylor棱鏡進行偏振耦合。

    圖1b為(wei) 所采用的偏振耦合結構示意圖，采用改進型OE雙光Glan-Taylor棱鏡，使需全反射的0光沿棱鏡的側(ce) 麵未經折射進入，合柬角約為(wei) 103。。棱鏡中光軸方向與(yu) 紙平麵平行，半導體(ti) 激光堆A(直路)輸出的TM偏振光偏振方向垂直於(yu) 激光器結平麵，通過二分之一波片正入射進入Glan-Tay-lor棱鏡，偏振方向與(yu) 晶體(ti) 主平麵平行，形成低折射率e光通過棱鏡，傳(chuan) 播方向保持不變：半導體(ti) 激光堆B(旁路)輸出的TM偏振光偏振方向和晶體(ti) 主平麵垂直，O光在晶體(ti) 中空氣間隙處發牛全反射與(yu) e光形成合束出射。偏振耦合輸出的激光傳(chuan) 輸特性與(yu) 直路(旁路)單路輸出相同隻是偏振狀態由單路的線偏光變成了圓偏振光，因此輸出光功率密度則提高了一倍。利用光學軟件zemax的非序列模塊進行優(you) 化，模擬光源采用光源陣列，慢軸方向光場分布采用圖1中所示二階超高斯分布；偏振耦合輸出後利用f=350mm的柱麵鏡對慢軸方向進行準直，最後通過f=100mm的聚焦鏡對光束進行聚焦，整個(ge) 光路如圖2所示。

    圖3為(wei) 計算得到焦點處光斑能量分布，此時光斑大小約為(wei) 1mmx6mm(能量大於(yu) 95％)，平均功率密度大於(yu) 1.6×10000W／平方厘米，滿足激光表麵處理的需求。
 

    2 係統輸出功率及光斑測試
   
    根據以上設計思路搭建光路實測其輸出功率，並利用德國PROMETEC UFFl00光斑質量分析儀(yi) 測試其焦點位置處光斑形貌，圖4為(wei) 整個(ge) 激光係統及各分路的P-l曲線，當驅動電流為(wei) 65A時，係統輸出功率為(wei) 1005W，光學係統轉換效率約為(wei) 84％。圖5為(wei) 焦距附近的光斑分布，由於(yu) PROMETECUFF100光斑質量分析儀(yi) 的最大探測窗口為(wei) 4mm×4mm，而係統慢軸方向光束聚焦後的尺寸大於(yu) 該測量窗口，因此慢軸方向的光斑突然截止，但其整體(ti) 分布形貌與(yu) zemax計算得到光斑分布(如圖3)基本一致，這說明實際所得激光係統與(yu) 設計吻合，功率密度分布能夠滿足激光表麵處理需求。

    3 U74鋼軌的表麵相變硬化
   
    利用該激光係統輔以自主開發的加工頭(如圖6)以U74鋼軌為(wei) 基底進行了初步的表麵硬化實驗。將鋼軌試樣表麵進行去汙、去鏽處理，用氫氣作為(wei) 保護氣體(ti) ，激光光束沿試樣表麵法線方向入射沿光斑的短軸方向進行快速掃描。圖7為(wei) 輸出功率700W，掃描速度1050mm／min時獲得的硬化層表麵及截麵形貌，硬化層寬度約為(wei) 4．5mm，厚度約為(wei) 0．25mm。利用HXD一1000型顯微硬度計對硬化層進行分析，經過表麵相變硬化後材料表麵硬度達到800 HV10／20至900HV10／20，比基體(ti) 硬度提高約3倍至4倍，達到廠使用1．8KWCO2激光相變硬化U74鋼軌的硬度指標。

    4 結果及討論
   
    根據激光堆的偏振性和遠場特性利用Glan-Taylor棱鏡將兩(liang) 個(ge) 激光堆進行偏振耦合並通過簡單的光學係統準直聚焦輸出配以自製的加工頭獲得了KW級半導體(ti) 激光加工係統。采用該係統對U74鋼軌表麵進行掃描獲得相變硬化層，表麵硬度提高三倍以上。實驗中發現，采用該偏振耦合結構，整體(ti) 能量損耗比較大，這是由於(yu) Glan-Taylor棱鏡透射比通常僅(jin) 為(wei) 85％左右；而直路功率高於(yu) 旁路(如圖4)主要是因為(wei) 目前商用Glan-Taylor棱鏡主要針對直路透射，因此晶體(ti) 結構角相對旁路而言沒有最優(you) 化，導致部分光沒有發生全反射損失掉，因此如果訂製晶體(ti) 可一定程度上提高旁路效率。另一方麵，如圖7，硬化層截麵兩(liang) 端厚度有所下降是由於(yu) 係統輸出光斑不是完全的平頂光束，該問題可通過在係統中增加平頂化光學設計，但會(hui) 破壞係統簡潔性增加成本，這由激光加工係統具體(ti) 使用需求所決(jue) 定#p#分頁標題#e#