根據(jù)商用大功率半導(dǎo)體激光堆的偏振性和慢軸遠場特性，結(jié)合商用光學(xué)設(shè)計軟件ZEMAX將兩個600W的半導(dǎo)體激光堆利用GlanTaylor棱鏡進行偏振耦合并準趕聚焦輸出配以自制加上頭獲得激光加工系統(tǒng)。系統(tǒng)輸出功率大于1000W．在焦距100m處光斑大小約為1mm×6mm(能量大于95％)。平均能培密度人于1.6×10000W／平方厘米，利用該激光系統(tǒng)對U74鋼軌的表面以1050mm／min進掃描，獲得表面相變硬化層深度約為0．25mm，表而硬度從250 HV10／20提高到800HV10／20至900H

    與傳統(tǒng)的工業(yè)用CO2激光器和YAG激光器相比，大功率半導(dǎo)體激光器不僅具有體積小、能耗小、維護周期長的固有優(yōu)勢，而且能提供更高的加工效率：金屬在半導(dǎo)體激光的輸出波段808mm附近吸收率遠高于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(dǎo)體激光器越來越多的運用于工業(yè)領(lǐng)域，特別是由于其特有的快、慢軸不對稱輸出，通過簡單的光學(xué)系統(tǒng)即可獲得具有較大縱寬比的高亮度大光斑，使其滿足在金屬表面熔覆、相變硬化等中等光功率密度需求、較大激光作用區(qū)域的領(lǐng)域更是具有普通CO2、YAG激光不可比擬的優(yōu)勢。
   
    目前，國外該類激光加工系統(tǒng)已大量運用于工業(yè)生產(chǎn)中，而國內(nèi)的半導(dǎo)體激光器研究主要面向于泵浦源領(lǐng)域，尚未見文獻報道專門針對工業(yè)應(yīng)用的半導(dǎo)體激光加工系統(tǒng)。本文采用偏振耦合技術(shù)結(jié)合簡單的光學(xué)系統(tǒng)獲得了千瓦級半導(dǎo)體激光系統(tǒng)并用于U74鋼軌的表面相變硬化，使其表面硬度提高三倍以上。
   
    1 偏振耦合系統(tǒng)及光路設(shè)計
   
    由于半導(dǎo)體激光器自身結(jié)構(gòu)原因，其光束質(zhì)量較差，必須通過必要的手段改善其輸出光束質(zhì)量以同時滿足工業(yè)加工所需的高亮度和長焦距。目前大功率半導(dǎo)體激光器均采用應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，重空穴帶和輕空穴帶分離，輸出光偏振度大于98％，因此偏振耦合技術(shù)是提高大功率半導(dǎo)體激光器亮度的有效途徑。Glan-Taylor棱鏡屬于空氣隙格蘭型棱鏡，視場內(nèi)光的偏振分布均勻，透射光側(cè)向平移小，損傷閾值高，適合高功率激光的偏振應(yīng)用。其缺點在于對稱視場角小，通常為80左右(全角)。本文中采用的激光器為美國Night公司NL-VSA-10-L600W連續(xù)輸出半導(dǎo)體激光堆，波長為808mm，偏振特性為TM模式，每個堆由10個帶快軸準直(FAC)的激光bar構(gòu)成，在快軸方向上發(fā)散角為0．25°，光束質(zhì)量高；慢軸方向光束質(zhì)量差，其分布狀態(tài)是激光系統(tǒng)的設(shè)計基礎(chǔ)。
   
    圖1a為距激光堆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°全角范圍，因此可直接利用Glan-Taylor棱鏡進行偏振耦合。

    圖1b為所采用的偏振耦合結(jié)構(gòu)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(cè)面未經(jīng)折射進入，合柬角約為103。。棱鏡中光軸方向與紙平面平行，半導(dǎo)體激光堆A(直路)輸出的TM偏振光偏振方向垂直于激光器結(jié)平面，通過二分之一波片正入射進入Glan-Tay-lor棱鏡，偏振方向與晶體主平面平行，形成低折射率e光通過棱鏡，傳播方向保持不變：半導(dǎo)體激光堆B(旁路)輸出的TM偏振光偏振方向和晶體主平面垂直，O光在晶體中空氣間隙處發(fā)牛全反射與e光形成合束出射。偏振耦合輸出的激光傳輸特性與直路(旁路)單路輸出相同只是偏振狀態(tài)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(xué)軟件zemax的非序列模塊進行優(yōu)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；偏振耦合輸出后利用f=350mm的柱面鏡對慢軸方向進行準直，最后通過f=100mm的聚焦鏡對光束進行聚焦，整個光路如圖2所示。

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

    2 系統(tǒng)輸出功率及光斑測試
   
    根據(jù)以上設(shè)計思路搭建光路實測其輸出功率，并利用德國PROMETEC UFFl00光斑質(zhì)量分析儀測試其焦點位置處光斑形貌，圖4為整個激光系統(tǒng)及各分路的P-l曲線，當驅(qū)動電流為65A時，系統(tǒng)輸出功率為1005W，光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率約為84％。圖5為焦距附近的光斑分布，由于PROMETECUFF100光斑質(zhì)量分析儀的最大探測窗口為4mm×4mm，而系統(tǒng)慢軸方向光束聚焦后的尺寸大于該測量窗口，因此慢軸方向的光斑突然截止，但其整體分布形貌與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系統(tǒng)與設(shè)計吻合，功率密度分布能夠滿足激光表面處理需求。

    3 U74鋼軌的表面相變硬化
   
    利用該激光系統(tǒng)輔以自主開發(fā)的加工頭(如圖6)以U74鋼軌為基底進行了初步的表面硬化實驗。將鋼軌試樣表面進行去污、去銹處理，用氫氣作為保護氣體，激光光束沿試樣表面法線方向入射沿光斑的短軸方向進行快速掃描。圖7為輸出功率700W，掃描速度1050mm／min時獲得的硬化層表面及截面形貌，硬化層寬度約為4．5mm，厚度約為0．25mm。利用HXD一1000型顯微硬度計對硬化層進行分析，經(jīng)過表面相變硬化后材料表面硬度達到800 HV10／20至900HV10／20，比基體硬度提高約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(jié)果及討論
   
    根據(jù)激光堆的偏振性和遠場特性利用Glan-Taylor棱鏡將兩個激光堆進行偏振耦合并通過簡單的光學(xué)系統(tǒng)準直聚焦輸出配以自制的加工頭獲得了KW級半導(dǎo)體激光加工系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)對U74鋼軌表面進行掃描獲得相變硬化層，表面硬度提高三倍以上。實驗中發(fā)現(xiàn)，采用該偏振耦合結(jié)構(gòu)，整體能量損耗比較大，這是由于Glan-Taylor棱鏡透射比通常僅為85％左右；而直路功率高于旁路(如圖4)主要是因為目前商用Glan-Taylor棱鏡主要針對直路透射，因此晶體結(jié)構(gòu)角相對旁路而言沒有最優(yōu)化，導(dǎo)致部分光沒有發(fā)生全反射損失掉，因此如果訂制晶體可一定程度上提高旁路效率。另一方面，如圖7，硬化層截面兩端厚度有所下降是由于系統(tǒng)輸出光斑不是完全的平頂光束，該問題可通過在系統(tǒng)中增加平頂化光學(xué)設(shè)計，但會破壞系統(tǒng)簡潔性增加成本，這由激光加工系統(tǒng)具體使用需求所決定#p#分頁標題#e#