高插座效率、低運(yùn)營成本的直接二極管激光器

　　傳統(tǒng)光纖傳送的二極管激光器的光束質(zhì)量相對較差(“直接二極管”激光器)插座效率可以達(dá)到40％左右，但僅限于傳導(dǎo)焊、釬焊以及表面處理應(yīng)用。如果常規(guī)半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量提高到約40 mm?mrad，一個(gè)直接二極管系統(tǒng)的插座效率會(huì)下降到約32％。

　　為了挖掘直接二極管系統(tǒng)的效率優(yōu)勢，進(jìn)一步提高光束質(zhì)量，通快開發(fā)了新的設(shè)計(jì)理念并運(yùn)用到光纖傳導(dǎo)的二極管激光器上，輸出功率達(dá)4 kW。其依據(jù)是使用光纖耦合二極管模塊，此模塊具有下列特點(diǎn)：二極管模塊提供輸出功率100 W的激光，輸出光纖直徑僅100μm，數(shù)值孔徑(NA)小于0.12，見圖1。

　　同束腰尺寸一起，數(shù)值孔徑直接關(guān)系到光束質(zhì)量：在給定束腰直徑下，光束的數(shù)值孔徑越小，聚焦性越好。相同的聚焦直徑下具有更低數(shù)值孔徑的二極管激光器可以獲得更大的工作距離和焦深；相同的工作距離下聚焦直徑則更??；聚焦直徑相同時(shí)，則擁有更緊湊的光學(xué)系統(tǒng)。

圖1 長壽命的二極管模塊

通快高功率直接半導(dǎo)體激光器單元由多個(gè)二極管模塊和一個(gè)光纖合束器組成。從來自多達(dá)19個(gè)模塊的光束組合進(jìn)入單一的輸出光纖，這樣一個(gè)單元可以輸出高達(dá)1900 W的激光。這19個(gè)光纖拼接形成一個(gè)錐形光纖束，其直徑約為單個(gè)二極管模塊光纖的5倍，所以輸出光纖約500μm。光纖合束器是工業(yè)級別的，損失可以忽略不計(jì)。

　　當(dāng)幾個(gè)單獨(dú)的模塊以這種方式合束，輸出效率和單個(gè)模塊相同，但光束質(zhì)量會(huì)變差。相對于單個(gè)模塊約5 mm?mrad的光束參數(shù)積(BPP)，由19模塊合束而成的單元的BPP約為30 mm?mrad。

　　波長合束技術(shù)　　

　　高于1900 W的輸出功率可以由多個(gè)波長光束耦合實(shí)現(xiàn)。在整個(gè)系統(tǒng)中單個(gè)激光模塊單元的光束質(zhì)量得以保持，同時(shí)功率可以通過增加不同波長的光束來提高。

　　粗波合束是一個(gè)眾所周知的技術(shù)。各個(gè)模塊單元產(chǎn)生的激光束通過光纖傳導(dǎo)，并在光纖末端輸出。從光纖纖芯輸出的光束基于BPP以一定角度發(fā)散。BPP被定義為束腰半徑和光束發(fā)散角的乘積。對于采用光纖傳導(dǎo)的激光器，這等同于光纖纖芯半徑和發(fā)散半角的乘積，或基本上等同于光纖纖芯半徑和光纖數(shù)值孔徑的乘積。因而，對于給定光纖直徑下，數(shù)值孔徑越小，光束質(zhì)量就越高，光束聚焦性越好。

　　發(fā)散光束準(zhǔn)直后，經(jīng)由特殊的介質(zhì)涂層鏡與來自另一個(gè)激光模塊單元的準(zhǔn)直光束合束。一個(gè)波長的光束由鏡面反射，和另一個(gè)波長的透射光束，合成一束包括了雙波長光束和兩倍功率的平行光。更多的光束能以類似的方式合束。通快TruDiode激光器具有專利的技術(shù)革新，大大降低了不同波長合束的差異性并因此使一個(gè)合并光束具有極窄的波長光譜(優(yōu)于±50 nm)，例如圖2。

圖2 Tru Diode 3006二極管激光器

　　一旦合束，準(zhǔn)直后的激光束可以通過耦合器耦合到光纖中。在這種情況下，使用600μm纖芯的光纖，允許即插即用和快速更換。當(dāng)輸出功率高達(dá)1 kW時(shí)，可使用較小的光纖，例如，800 W功率可通過400μm光纖傳導(dǎo)。

　　由于波長很接近，現(xiàn)在其他二極管激光技術(shù)中出現(xiàn)的缺點(diǎn)是可以避免的。這些激光器的光束質(zhì)量類似于早期光泵系統(tǒng)，因此可以直接替代。相比燈抽運(yùn)固體激光器，這是首次使用直接二極管激光進(jìn)行深熔焊接達(dá)到相同，甚至更好的效果。使用這個(gè)激光技術(shù)，可以在以前使用光抽運(yùn)激光的工業(yè)應(yīng)用中修正很多缺點(diǎn)，例如較小的工作距離、較大的聚焦直徑、或更大的光學(xué)器件。

更高的效率，降低運(yùn)營成本

與現(xiàn)有的二極管激光器相比，這里談及的直接半導(dǎo)體激光技術(shù)(已經(jīng)存在一年了)可以顯著提高效率，降低經(jīng)營成本。雖然良好的光束質(zhì)量在傳統(tǒng)的堆疊式二極管激光器中對系統(tǒng)效率有負(fù)面影響，但優(yōu)秀的光束質(zhì)量已經(jīng)是這些激光器的核心，此概念的應(yīng)用也不會(huì)產(chǎn)生進(jìn)一步的重大損失。因此，它有可能實(shí)現(xiàn)效率高達(dá)40％，而同時(shí)保持較高的光束質(zhì)量，這種結(jié)合從未達(dá)到過。這提高了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，可以顯著降低電力成本。相比燈抽運(yùn)系統(tǒng)，節(jié)約能源高達(dá)到15倍或更多。

圖3 a.二極管系統(tǒng)的光學(xué)平臺(tái)

b.輸出3KW，兩個(gè)光斑尺寸下焊接熔深與焊接速度的關(guān)系

　　除了高效率，采用被動(dòng)冷卻的二極管降低了激光器的運(yùn)行成本。與主動(dòng)冷卻的方式相比，二極管的使用壽命大大延長。因此，二極管已經(jīng)不再是“易耗品”，而與任何其他激光器組件沒什么不同，這就避免了昂貴的二極管更換費(fèi)用。歸功于激光器結(jié)構(gòu)的模塊化和靈活性，輸出功率和輸出光路的數(shù)量可以在現(xiàn)場完成升級。

　　直接二極管架構(gòu)的應(yīng)用包括深熔焊接、傳導(dǎo)焊、釬焊、熱處理、激光金屬熔覆。例如，運(yùn)用3 kW直接二極管激光器在低碳鋼上，在滲透深度和焊接速度上變現(xiàn)是優(yōu)異的(見圖3)。由于波長的原因(約950nm)，焊道表面質(zhì)量高，而且不需要等離子抑制氣，焊縫氧化現(xiàn)象不明顯。小孔焊接的焊縫截面顯示了這種激光器的優(yōu)良性能(見圖4)

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

　　由于目前最先進(jìn)的技術(shù)如碟片和光纖激光器，都依賴于二極管模塊抽運(yùn)激光介質(zhì)來轉(zhuǎn)換為一個(gè)更長波長的激光改善光束質(zhì)量，高達(dá)40％的功率與效率都在此過程中損失掉了。通過直接使用二極管激光模塊，顯著的插座效率，更小的占地，更具成本效益的產(chǎn)品誕生了。