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2008-12-17 10:41

激光快速成型系統(tǒng)新型能量源的研究

引言

現(xiàn)有激光快速成型系統(tǒng)使用的激光光源大都是氣體激光器。氣體激光器具有體積大、可靠性差、壽命短、光譜固定不可選等缺點，因而我們要研究新型的能量源。與氣體激光器和其他固體激光器相比，半導體激光器具有體積小，功耗低，壽命長，光譜可選等優(yōu)點而成為許多領(lǐng)域如固體激光器的泵浦、激光打印、掃描、顯示、數(shù)據(jù)存取、遙感、光通信等的重要光源。而另一種國際上近來發(fā)展的可應(yīng)用于快速成型技術(shù)的激光器-光纖激光器具有散熱面積大、光束質(zhì)量好、體積小巧等優(yōu)點，也已在高精度激光加工、光通信、激光雷達系統(tǒng)、空間技術(shù)、激光醫(yī)學等領(lǐng)域得到應(yīng)用。

1 高功率半導體激光器線陣

高功率半導體激光器線陣是由分立的激光源經(jīng)過特殊加工方法形成一定間距的發(fā)光陣列，所發(fā)激光束經(jīng)快軸、慢軸準直透鏡準直后，保證在前方工作平面上形成一條一定寬度的激光束;兩排這樣的線陣交叉補償組合形成一連續(xù)的線陣能量源。各激光源由微機控制，其發(fā)光與否可實現(xiàn)激光束的變長線。

1.1 微透鏡準直器

如圖1所示，高功率半導體激光器出射光束的發(fā)散角大，慢軸方向約為10°，快軸方向則可達40°。另外，它的發(fā)光面尺寸大，慢軸方向可達150μm甚至200μm，大于光纖端面尺寸，所以提高光纖禍合效率尤其困難。只有使用非球面透鏡將激光光束匯聚到光纖輸人端，才能提高禍合效率。德國LIMO 公司使用微柱面透鏡陣列對線陣半導體激光器(laser bar)進行光纖藕合。其中快軸方向使用一條狀平凸柱面透鏡，慢軸方向使用一微柱面透鏡陣列。如圖2所示，其中1為半導體激光器線陣，2為快軸準直器，3為慢軸準直器。準直后的剩余發(fā)散角可按下面公式進行計算。

式中 : α為準直后的剩余發(fā)散角;d為激光元出射尺寸;NA為孔徑光欄直徑;somax為微透鏡陣列到激光元出射面的最大距離;K為激光束功率下降到中心1/d2值的直徑所對應(yīng)的發(fā)散角。

1.2 激勵電源

采用精密大電流可調(diào)電流源與限流功率開關(guān)組成的激勵電源。要求低導通電阻、高響應(yīng)速度和有防浪涌限流保護。目前，商品化的半導體激光器線陣(激光二極管厘米條)激光元并聯(lián)連接，均由專用的大電流恒流電源供電。如OPTO POWER公司的40W半導體激光器線陣可用OPCPS4005電源提供高達50A的電流，但無法獨立驅(qū)動。.對于能分別驅(qū)動的高功率半導體激光器線陣而言，每個激光元功率不到1W，僅需小于2A驅(qū)動電流。國外市場有相應(yīng)的商品電源，如THORLAB公司的LD3000模塊，可提供最大為2.5A的恒流電流，具有保護激光器的慢啟動功能，和外接電流控制端，線陣的每一個激光元可用一個模塊來驅(qū)動，但成本較高。

2 高功率光纖激光器線陣

高功率光纖激光器線陣采用多個高功率半導體激光器與多排光纖耦合，再利用準直鏡陣列對出射光束進行準直，保證在規(guī)定距離的作面上形成激光束線陣。

2.1 高功率光纖激光器關(guān)鍵技術(shù)

1)包層泵浦技術(shù)

采用雙端非對稱泵浦作為大功率雙包層光纖激光器的泵浦方式。雙端非對稱泵浦存在最佳光纖長度使輸出功率最大。當雙端泵浦功率分別為60w和240w時，光纖長度為16m時光纖輸出功率最大。另外，腔鏡對光纖輸出功率也有一定的影響，前端鏡對激光信號應(yīng)該具有很高的反射率，而輸出鏡的反射率應(yīng)越小越好。

2)泵浦耦合技術(shù)

采用泵浦耦合技術(shù)能有效地將半導體激光器泵浦耦合進行雙包層光纖。理論計算，此種耦合方法的耦合效率可以達到90%以上。微型棱鏡耦合法對光源的光束質(zhì)量要求較低，一般的大功率半導體激光器陣列經(jīng)過光束整形都能滿足要求。另外，它對光纖本身幾乎沒有損耗，而且易于加工，是比較理想的雙包層光纖耦合技術(shù)。