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大功率半导体激光器合束技术及应用研究

张志军  
【摘要】:面对激光加工广泛应用于金属材料焊接、熔覆、表面硬化等工业领域的市场前景,考虑到半导体激光器不同于其他类型高功率激光器在于其体积和重量小、效率高、免维护、成本低以及波长较短是金属材料的高吸收波段等特点,所以本文选用半导体激光作为激光加工光源进行研究。要实现高质量、宽范围的激光加工,光源必须同时满足两项重要指标:高功率和高光束质量。为了解决这个问题,本论文对半导体激光的光束整形、合束以及散热技术进行了深入的研究。光束整形可以有效改善半导体激光的光束质量;合束技术可以成倍的提高半导体激光的总功率;散热技术则可以保证半导体激光的使用寿命。通过研究这些技术可以推进半导体激光在激光加工领域中的应用。 本论文分别对cm-bar合束和单管合束进行了系统实验研究,还对mini-bar合束进行了设计模拟,同时根据不同类型的合束方式,分别对他们的散热技术进行了研究。主要工作内容和成果如下: (1)在大通道工业水冷条件下,以cm-bar作为发光单元,采用了空间合束、偏振合束和波长合束相结合的技术,设计了以808、880、938、976nm为波长的四波段光源,最终研制出了2218W光纤耦合模块,光纤芯径仅为600μm,数值孔径NA=0.22,实现了高功率高光束质量的激光输出,快慢轴的光参量积仅为20.5mm.mrad x23.5mm.mrad。该技术指标目前国内未见报道。 同时考虑到mini-bar其慢轴光束质量不到cm-bar的一半,提出了采用mini-bar作为发光单元的方案,采用915nm和976nm两个波长,设计出了可以满足200μm光纤的500W光源。 (2)以808nm单管为发光单元,采用空间合束和偏振合束组合的技术,以阶梯固定的排列方式进行设计,通过微透镜对单管的快慢轴进行准直,降低了各个发光点出现的指向误差,提高了亮度,最终研制出了102.4W输出光纤耦合模块,光纤芯径200μm,数值孔径NA0.22时,耦合效率大于85%。 (3)针对百瓦级单管合束模块,提出了一种利用嵌入式热管和TEC结合的风冷散热方法,按照热-流耦合场计算,建立了取热器件与激光发热器件的热耦合模型,通过ANSYS软件模拟和频率红移法实验测量,验证了实验的可行性。最终研制出了热阻<0.254℃/W的百瓦级全固态、小型化风冷散热系统模块。并且申请发明专利2项,发表文章2篇。 (4)针对2KW cm-bar合束模块的高度集成、高热流密度的特点,采用了大通道水冷板散热结构,根据热耗散功率,优化了冷却水流速、进口温度、水冷板管道尺寸等参数,利用ANSYS软件模拟,得到了在离子水流量为17.1L/min,进水温度为22℃,压差为33581Pa时,水冷板表面最大温度不超过31℃,根据“频率红移法”对大通道水冷板散热的效果进行测量,与模拟结果基本吻合,实现了千瓦级大通道水冷板散热。


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