美國(guó)TeraDiode公司開發(fā)出了一款超高亮度的千瓦量級(jí)直接半導(dǎo)體激光器。該激光器在COTS半導(dǎo)體激光器基礎(chǔ)上采用新的合束與整形技術(shù)，使得輸出光束的光束參量積達(dá)到了3.75mm-mrad，這一數(shù)值是迄今為止見(jiàn)諸報(bào)道的千瓦量級(jí)直接半導(dǎo)體激光器中最低的。采用單根芯徑為50μm，數(shù)值孔徑為0.15的光纖耦合輸出時(shí)，在單一中心波長(zhǎng)下該激光器的輸出功率達(dá)到了2030W。這種尾纖輸出的兩千瓦直接半導(dǎo)體激光器具有與工業(yè)用光纖和CO2激光器相比擬的亮度，比現(xiàn)今最好的直接半導(dǎo)體激光器的輸出光束亮度高十倍以上，適用于工業(yè)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(dǎo)體激光器具有效率高、排列緊湊、波長(zhǎng)范圍廣，低成本、可靠性高等特點(diǎn)。這些優(yōu)勢(shì)對(duì)其他激光器來(lái)說(shuō)是很吸引人的。但是，直接半導(dǎo)體激光器的輸出光束質(zhì)量存在問(wèn)題，因此它的應(yīng)用范圍受到限制，主要用來(lái)作激光器的泵浦源，包括大體積固體激光器（棒狀或盤片激光器）和光纖激光器。換句話說(shuō)，他們主要被當(dāng)成亮度轉(zhuǎn)換器使用。所以，目前應(yīng)用在切割和焊接方面的高亮度工業(yè)激光器主要還是二氧化碳、光纖和大體積固體激光器。

　　TeraDiode公司首次研制出一款直接半導(dǎo)體激光器，它采用革命性的光束整形技術(shù)，使輸出功率和光束質(zhì)量達(dá)到工業(yè)級(jí)激光器的要求。這項(xiàng)技術(shù)可以使激光器在保持較高光束質(zhì)量的情況下達(dá)到數(shù)十千瓦的輸出功率。使用這臺(tái)激光器切割標(biāo)準(zhǔn)厚度的金屬，其切割質(zhì)量可以和目前工業(yè)上用的激光器不相上下。

　　千瓦量級(jí)直接半導(dǎo)體激光器有著廣泛的市場(chǎng)潛力。在工業(yè)上，類似金屬薄片切割，栓孔焊接等工業(yè)加工過(guò)程需要足夠的激光亮度。高性能光纖和固體激光器需要窄線寬超高亮度激光器作泵浦源，其線寬應(yīng)小于4nm。定向能武器的應(yīng)用對(duì)激光要求很高，需要光束在接近衍射極限的情況下達(dá)到10千瓦以上的輸出功率。傳統(tǒng)的直接半導(dǎo)體激光器價(jià)格便宜，可靠性高。但在實(shí)現(xiàn)特殊材料加工或泵浦相關(guān)應(yīng)用時(shí)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(dǎo)體激光器提供了優(yōu)越的效率、價(jià)格和可靠性，其特性適合工業(yè)和軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。

　　半導(dǎo)體激光器是效率最高的激光器，但有數(shù)據(jù)顯示，它們的空間亮度一般比其他工業(yè)用千瓦量級(jí)激光器低。這些千瓦量級(jí)激光器包括二氧化碳、光纖、大體積固體和盤片激光器。例如，在金屬薄片的切割和焊接中，經(jīng)常使用光束參量積（BPP）范圍在3～10mm-mrad的激光器。在千瓦量級(jí)激光器中，這臺(tái)尾纖輸出激光器具有明顯較高的BPP值。盡管半導(dǎo)體激光器的固有空間亮度低，但在近幾年仍取得了顯著發(fā)展。使用粗糙的波分復(fù)用技術(shù)，可以使千瓦量級(jí)半導(dǎo)體激光器的BPP范圍在20mm-mrad以內(nèi)（相當(dāng)于芯徑400μm，數(shù)值孔徑0.1的輸出光纖）。然而，在高亮度工業(yè)應(yīng)用上，它的BPP仍然需要顯著改善。

　　TeraDiode公司已經(jīng)開發(fā)出超高亮度尾纖輸出半導(dǎo)體激光器，這個(gè)激光器使用了新型合束與整形技術(shù)。此款尾纖輸出直接半導(dǎo)體激光器可以從芯徑為50μm的光纖中傳輸光功率為2040W的單波長(zhǎng)光束，輸出光纖數(shù)值孔徑為0.18（包含90%的功率）。這種激光器的BPP為3.75mm-mrad，相比其他已有的尾纖輸出直接半導(dǎo)體激光器的BBP值要低很多。所以，激光器中心波長(zhǎng)在整個(gè)功率范圍內(nèi)是穩(wěn)定的。

　　2. 技術(shù)方法

　　TeraDiode公司已經(jīng)開發(fā)出尾纖輸出半導(dǎo)體激光器，激光器使用了光波合束技術(shù)（WBC），獲得了比現(xiàn)有商用激光器還要高幾個(gè)數(shù)量級(jí)的亮度。WBC的外腔用于兩個(gè)目的：1） 穩(wěn)定中心波長(zhǎng);2） 增加亮度。一個(gè)半導(dǎo)體激光陣列放置在外腔中，這個(gè)外腔由一個(gè)變換透鏡，一個(gè)衍射光柵和一個(gè)輸出耦合器組成（如圖7）。圖示中三個(gè)激光器中任何一個(gè)發(fā)出的光的波長(zhǎng)都是固定的，如圖用紅、綠、藍(lán)三種顏色所示。亮度增強(qiáng)特征在圖中用兩條黑色光束表示，代表三條基本光束在輸出耦合器上空間疊加。 輸出光束質(zhì)量和陣列中的單個(gè)基本輸出光束質(zhì)量幾乎相同。如果保持每條基本光束的光功率不變，當(dāng)知道基本光束數(shù)量，就可以得到總輸出功率。

　　TeraDiode公司將被動(dòng)冷卻半導(dǎo)體激光巴條用于所有商用產(chǎn)品中。這種被動(dòng)冷卻半導(dǎo)體激光巴條非?？煽?，其壽命超過(guò)20000小時(shí)，平均無(wú)故障時(shí)間超過(guò)100，000小時(shí)。這些激光巴條可以用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)冷卻劑冷卻，而且冷氣劑無(wú)需電流控制。論文提到的所有高亮度直接半導(dǎo)體激光器都使用了這種被動(dòng)冷卻半導(dǎo)體激光巴條。