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激光快速成型系统新型能量源的研究 |
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作者：王小妮 韩超 朱林泉 马巧梅 |
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引言
现有激光快速成型系统使用的激光光源大都是气体激光器。气体激光器具有体积大、可靠性差、寿命短、光谱固定不可选等缺点，因而我们要研究新型的能量源。与气体激光器和其他固体激光器相比，半导体激光器具有体积小，功耗低，寿命长，光谱可选等优点而成为许多领域如固体激光器的泵浦、激光打印、扫描、显示、数据存取、遥感、光通信等的重要光源。而另一种国际上近来发展的可应用于快速成型技术的激光器-光纤激光器具有散热面积大、光束质量好、体积小巧等优点，也已在高精度激光加工、光通信、激光雷达系统、空间技术、激光医学等领域得到应用。
1 高功率半导体激光器线阵
高功率半导体激光器线阵是由分立的激光源经过特殊加工方法形成一定间距的发光阵列，所发激光束经快轴、慢轴准直透镜准直后，保证在前方工作平面上形成一条一定宽度的激光束;两排这样的线阵交叉补偿组合形成一连续的线阵能量源。各激光源由微机控制，其发光与否可实现激光束的变长线。
1.1 微透镜准直器
图 1 半导体激光器阵列出射光束示意图
如图1所示，高功率半导体激光器出射光束的发散角大，慢轴方向约为10°，快轴方向则可达40°。另外，它的发光面尺寸大，慢轴方向可达150μm甚至200μm，大于光纤端面尺寸，所以提高光纤祸合效率尤其困难。只有使用非球面透镜将激光光束汇聚到光纤输人端，才能提高祸合效率。德国LIMO 公司使用微柱面透镜阵列对线阵半导体激光器(laser bar)进行光纤藕合。其中快轴方向使用一条状平凸柱面透镜，慢轴方向使用一微柱面透镜阵列。如图2所示，其中1为半导体激光器线阵，2为快轴准直器，3为慢轴准直器。准直后的剩余发散角可按下面公式进行计算。
图2 准直原理图
式中 : α为准直后的剩余发散角;d为激光元出射尺寸;NA为孔径光栏直径;somax为微透镜阵列到激光元出射面的最大距离;K为激光束功率下降到中心1/d2值的直径所对应的发散角。
1.2 激励电源
采用精密大电流可调电流源与限流功率开关组成的激励电源。要求低导通电阻、高响应速度和有防浪涌限流保护。目前，商品化的半导体激光器线阵(激光二极管厘米条)激光元并联连接，均由专用的大电流恒流电源供电。如OPTO POWER公司的40W半导体激光器线阵可用OPCPS4005电源提供高达50A的电流，但无法独立驱动。.对于能分别驱动的高功率半导体激光器线阵而言，每个激光元功率不到1W，仅需小于2A驱动电流。国外市场有相应的商品电源，如THORLAB公司的LD3000模块，可提供最大为2.5A的恒流电流，具有保护激光器的慢启动功能，和外接电流控制端，线阵的每一个激光元可用一个模块来驱动，但成本较高。
2 高功率光纤激光器线阵
高功率光纤激光器线阵采用多个高功率半导体激光器与多排光纤耦合，再利用准直镜阵列对出射光束进行准直，保证在规定距离的作面上形成激光束线阵。
2.1 高功率光纤激光器关键技术
1)包层泵浦技术
采用双端非对称泵浦作为大功率双包层光纤激光器的泵浦方式。双端非对称泵浦存在最佳光纤长度使输出功率最大。当双端泵浦功率分别为60w和240w时，光纤长度为16m时光纤输出功率最大。另外，腔镜对光纤输出功率也有一定的影响，前端镜对激光信号应该具有很高的反射率，而输出镜的反射率应越小越好。
2)泵浦耦合技术
采用泵浦耦合技术能有效地将半导体激光器泵浦耦合进行双包层光纤。理论计算，此种耦合方法的耦合效率可以达到90%以上。微型棱镜耦合法对光源的光束质量要求较低，一般的大功率半导体激光器阵列经过光束整形都能满足要求。另外，它对光纤本身几乎没有损耗，而且易于加工，是比较理想的双包层光纤耦合技术。
3)透镜准直阵列
由于准直镜的剩余发散角与前焦距成反比，故透镜的焦距越长，剩余发散角越小。在保证光斑尺寸的情况下，可使工作距离增长，这有利于工件的预热。但焦距越长，准直透镜阵列的节距越宽，减小了光能量密度及加工精度。
3 结论
1)半导体激光器线阵特点：①工作距离短，工件预热困难；②激光器线阵散热器设计困难；③激光器阵列加工及装配精度要求高；④阵列激光元的一致性好；⑤激光元间距、发光面位置精度高。
2)光纤激光器线阵特点：①工作距离长，工件预热容易；②多排光纤无需散热；③多排光纤组装相对容易；④光纤耦合工艺复杂；⑤准直微透镜光路调整困难。(end)
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(12/16/2008) |
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