美國TeraDiode公司開發出了一款超高亮度的千瓦量級直接半導體(ti) 激光器。該激光器在COTS半導體(ti) 激光器基礎上采用新的合束與(yu) 整形技術，使得輸出光束的光束參量積達到了3.75mm-mrad，這一數值是迄今為(wei) 止見諸報道的千瓦量級直接半導體(ti) 激光器中最低的。采用單根芯徑為(wei) 50μm，數值孔徑為(wei) 0.15的光纖耦合輸出時，在單一中心波長下該激光器的輸出功率達到了2030W。這種尾纖輸出的兩(liang) 千瓦直接半導體(ti) 激光器具有與(yu) 工業(ye) 用光纖和CO2激光器相比擬的亮度，比現今最好的直接半導體(ti) 激光器的輸出光束亮度高十倍以上，適用於(yu) 工業(ye) 中的材料處理，包括金屬薄片的切割和焊接。

　　1. 前 言

　　直接半導體(ti) 激光器具有效率高、排列緊湊、波長範圍廣，低成本、可靠性高等特點。這些優(you) 勢對其他激光器來說是很吸引人的。但是，直接半導體(ti) 激光器的輸出光束質量存在問題，因此它的應用範圍受到限製，主要用來作激光器的泵浦源，包括大體(ti) 積固體(ti) 激光器(棒狀或盤片激光器)和光纖激光器。換句話說，他們(men) 主要被當成亮度轉換器使用。所以，目前應用在切割和焊接方麵的高亮度工業(ye) 激光器主要還是二氧化碳、光纖和大體(ti) 積固體(ti) 激光器。

　　TeraDiode公司首次研製出一款直接半導體(ti) 激光器，它采用革命性的光束整形技術，使輸出功率和光束質量達到工業(ye) 級激光器的要求。這項技術可以使激光器在保持較高光束質量的情況下達到數十千瓦的輸出功率。使用這台激光器切割標準厚度的金屬，其切割質量可以和目前工業(ye) 上用的激光器不相上下。

　　千瓦量級直接半導體(ti) 激光器有著廣泛的市場潛力。在工業(ye) 上，類似金屬薄片切割，栓孔焊接等工業(ye) 加工過程需要足夠的激光亮度。高性能光纖和固體(ti) 激光器需要窄線寬超高亮度激光器作泵浦源，其線寬應小於(yu) 4nm。定向能武器的應用對激光要求很高，需要光束在接近衍射極限的情況下達到10千瓦以上的輸出功率。傳(chuan) 統的直接半導體(ti) 激光器價(jia) 格便宜，可靠性高。但在實現特殊材料加工或泵浦相關(guan) 應用時缺乏足夠的亮度。而這款高功率高亮度尾纖輸出的直接半導體(ti) 激光器提供了優(you) 越的效率、價(jia) 格和可靠性，其特性適合工業(ye) 和軍(jun) 事領域的應用。

　　半導體(ti) 激光器是效率最高的激光器，但有數據顯示，它們(men) 的空間亮度一般比其他工業(ye) 用千瓦量級激光器低。這些千瓦量級激光器包括二氧化碳、光纖、大體(ti) 積固體(ti) 和盤片激光器。例如，在金屬薄片的切割和焊接中，經常使用光束參量積(BPP)範圍在3～10mm-mrad的激光器。在千瓦量級激光器中，這台尾纖輸出激光器具有明顯較高的BPP值。盡管半導體(ti) 激光器的固有空間亮度低，但在近幾年仍取得了顯著發展。使用粗糙的波分複用技術，可以使千瓦量級半導體(ti) 激光器的BPP範圍在20mm-mrad以內(nei) (相當於(yu) 芯徑400μm，數值孔徑0.1的輸出光纖)。然而，在高亮度工業(ye) 應用上，它的BPP仍然需要顯著改善。

　　TeraDiode公司已經開發出超高亮度尾纖輸出半導體(ti) 激光器，這個(ge) 激光器使用了新型合束與(yu) 整形技術。此款尾纖輸出直接半導體(ti) 激光器可以從(cong) 芯徑為(wei) 50μm的光纖中傳(chuan) 輸光功率為(wei) 2040W的單波長光束，輸出光纖數值孔徑為(wei) 0.18(包含90%的功率)。這種激光器的BPP為(wei) 3.75mm-mrad，相比其他已有的尾纖輸出直接半導體(ti) 激光器的BBP值要低很多。所以，激光器中心波長在整個(ge) 功率範圍內(nei) 是穩定的。

　2. 技術方法

　　TeraDiode公司已經開發出尾纖輸出半導體(ti) 激光器，激光器使用了光波合束技術(WBC)，獲得了比現有商用激光器還要高幾個(ge) 數量級的亮度。WBC的外腔用於(yu) 兩(liang) 個(ge) 目的：1) 穩定中心波長；2) 增加亮度。一個(ge) 半導體(ti) 激光陣列放置在外腔中，這個(ge) 外腔由一個(ge) 變換透鏡，一個(ge) 衍射光柵和一個(ge) 輸出耦合器組成。圖示中三個(ge) 激光器中任何一個(ge) 發出的光的波長都是固定的，如圖用紅、綠、藍三種顏色所示。亮度增強特征在圖中用兩(liang) 條黑色光束表示，代表三條基本光束在輸出耦合器上空間疊加。 輸出光束質量和陣列中的單個(ge) 基本輸出光束質量幾乎相同。如果保持每條基本光束的光功率不變，當知道基本光束數量，就可以得到總輸出功率。

 　　TeraDiode公司將被動冷卻半導體(ti) 激光巴條用於(yu) 所有商用產(chan) 品中。這種被動冷卻半導體(ti) 激光巴條非常可靠，其壽命超過20000小時，平均無故障時間超過100，000小時。這些激光巴條可以用標準工業(ye) 冷卻劑冷卻，而且冷氣劑無需電流控製。論文提到的所有高亮度直接半導體(ti) 激光器都使用了這種被動冷卻半導體(ti) 激光巴條。

　　3. 超高亮度光纖耦合尾纖輸出直接半導體(ti) 激光器模塊

　　TeraDiode公司的直接半導體(ti) 激光技術已經延伸至在小纖芯光纖中提高相對亮度。芯徑100μm，數值孔徑小於(yu) 0.12，功率超過470W的激光器模型已經實現。這個(ge) 光纖耦合尾纖輸出激光器模型的最大PCE為(wei) 35%。

   　采用兩(liang) 種技術測量光纖的數值孔徑：1) 利用已知孔徑的光纖進行的鬥功率測量技術；2) 在光纖前端加一個(ge) 準直透鏡的環繞功率測量技術。

　　我們(men) 也展示了一個(ge) 激光器模型，它發出的370W功率可以耦合到芯徑為(wei) 50μm，數值孔徑為(wei) 0.15的輸出光纖中，相應的亮度為(wei) 257MW/cm2-str。。它比最先進的光纖耦合尾纖輸出半導體(ti) 激光器的亮度高一個(ge) 數量級。

　　此外，TeraDiode公司展示了一個(ge) 自由空間輸出功率大於(yu) 540W的激光器模塊。這個(ge) 激光器模型產(chan) 生的光束可以耦合到50μm或100μm的光纖中，這種光纖是加工過的。當電流為(wei) 60A時的最大PCE值為(wei) 52%，當電流為(wei) 85A時的最大PCE值為(wei) 48%(功率為(wei) 540W)。展示了TeraDiode公司目前開發的激光器模型的超高效率。 

　　TeraDiode公司展示了輸出功率大於(yu) 2000W的激光器模型。。這種光纖是工業(ye) 加工過的並且對LLK-D兼容。激光器使用了兩(liang) 種不同的工業(ye) 加工光纖：100μm/0.13NA和50μm/0.15NA。兩(liang) 種光纖的參數值都是在95%的功率範圍內(nei) 測得的。隨後我們(men) 證實，數千瓦級直接半導體(ti) 激光器的BPP是最低的，其值為(wei) 3.75mm-mrad。我們(men) 相信這種激光器可以當做千瓦級工業(ye) 激光器使用，具有一定工業(ye) 加工速度，可用於(yu) 金屬薄片切割。

       TeraDiode公司的2kW直接半導體(ti) 激光器比現在最先進的直接半導體(ti) 激光器的亮度高十倍以上。TeraDiode公司的直接半導體(ti) 激光器擁有可以比擬千瓦級工業(ye) 光纖激光器的亮度。

 　　TeraDiode公司的基於(yu) WBC直接半導體(ti) 技術可應用於(yu) 任意波長半導體(ti) 激光器的亮度增強，實現軍(jun) 事以及商業(ye) 應用。在其他波長處也有潛在用途，例如對人眼更安全的工業(ye) 用光纖耦合尾纖輸出直接半導體(ti) 激光器和對人眼更安全的定向能高亮度直接半導體(ti) 激光器。

　　4. 工作展望

　　考慮到TeraDiode公司現有的直接半導體(ti) 激光技術，更高功率和亮度的直接半導體(ti) 激光器將被製造出來。我們(men) 期望製造出功率達到4～6千瓦，BPP範圍在4mm-mrad內(nei) 的直接半導體(ti) 激光器。這種激光器在高速金屬切割領域有更廣闊的應用。 使用WBC技術，當功率和溫度變化時可以保持中心波長高度穩定。這種特性對固體(ti) 激光器和光纖激光器的泵浦很重要。此外，對功率為(wei) 1kW的尾纖耦合輸出的泵浦激光器，其線寬可以控製在2～4nm。#p#分頁標題#e#

　　最後，TeraDiode公司利用高亮度光束的合束與(yu) 整形方法，可實現任何波長的二極管和半導體(ti) 激光器的結合。半導體(ti) 激光器中心波長選擇能力與(yu) TeraDiode公司提供的超高亮度方法結合，所產(chan) 生的新特性有更多新的應用。比如在遙感領域，使用波長超過1μm的人眼安全半導體(ti) 激光器，而在高效材料加工領域，往往使用波長小於(yu) 1μm的激光器，這是因為(wei) 許多材料對較短波長的光吸收更強烈。這種波長選擇特性不適用於(yu) 其他類型的高亮度工業(ye) 激光器。