摘要：  美国TeraDiode公司开发出了一款超高亮度的千瓦量级直接半导体激光器。该激光器在COTS半导体激光器基础上采用新的合束与整形技术，使得输出光束的光束参量积达到了3.75mm-mrad，这一数值是迄今为止见诸报道的千瓦量级直接半导体激光器中最低的。

关键字：  CO2激光器，半导体，

采用单根芯径为50μm，数值孔径为0.15的光纤耦合输出时，在单一中心波长下该激光器的输出功率达到了2030W。这种尾纤输出的两千瓦直接半导体激光器具有与工业用光纤和CO2激光器相比拟的亮度，比现今最好的直接半导体激光器的输出光束亮度高十倍以上，适用于工业中的材料处理，包括金属薄片的切割和焊接。

1. 前 言

直接半导体激光器具有效率高、排列紧凑、波长范围广，低成本、可靠性高等特点。这些优势对其他激光器来说是很吸引人的。但是，直接半导体激光器的输出光束质量存在问题，因此它的应用范围受到限制，主要用来作激光器的泵浦源，包括大体积固体激光器(棒状或盘片激光器)和光纤激光器。换句话说，他们主要被当成亮度转换器使用。所以，目前应用在切割和焊接方面的高亮度工业激光器主要还是二氧化碳、光纤和大体积固体激光器。

TeraDiode公司首次研制出一款直接半导体激光器，它采用革命性的光束整形技术，使输出功率和光束质量达到工业级激光器的要求。这项技术可以使激光器在保持较高光束质量的情况下达到数十千瓦的输出功率。使用这台激光器切割标准厚度的金属，其切割质量可以和目前工业上用的激光器不相上下。

千瓦量级直接半导体激光器有着广泛的市场潜力。在工业上，类似金属薄片切割，栓孔焊接等工业加工过程需要足够的激光亮度。高性能光纤和固体激光器需要窄线宽超高亮度激光器作泵浦源，其线宽应小于4nm。定向能武器的应用对激光要求很高，需要光束在接近衍射极限的情况下达到10千瓦以上的输出功率。传统的直接半导体激光器价格便宜，可靠性高。但在实现特殊材料加工或泵浦相关应用时缺乏足够的亮度。而这款高功率高亮度尾纤输出的直接半导体激光器提供了优越的效率、价格和可靠性，其特性适合工业和军事领域的应用。

半导体激光器是效率最高的激光器，但有数据显示，它们的空间亮度一般比其他工业用千瓦量级激光器低。这些千瓦量级激光器包括二氧化碳、光纤、大体积固体和盘片激光器。例如，在金属薄片的切割和焊接中，经常使用光束参量积(BPP)范围在3～10mm-mrad的激光器。在千瓦量级激光器中，这台尾纤输出激光器具有明显较高的BPP值。尽管半导体激光器的固有空间亮度低，但在近几年仍取得了显著发展。使用粗糙的波分复用技术，可以使千瓦量级半导体激光器的BPP范围在20mm-mrad以内(相当于芯径400μm，数值孔径0.1的输出光纤)。然而，在高亮度工业应用上，它的BPP仍然需要显著改善。

TeraDiode公司已经开发出超高亮度尾纤输出半导体激光器，这个激光器使用了新型合束与整形技术。此款尾纤输出直接半导体激光器可以从芯径为50μm的光纤中传输光功率为2040W的单波长光束，输出光纤数值孔径为0.18(包含90%的功率)。这种激光器的BPP为3.75mm-mrad，相比其他已有的尾纤输出直接半导体激光器的BBP值要低很多。所以，激光器中心波长在整个功率范围内是稳定的。

2. 技术方法

TeraDiode公司已经开发出尾纤输出半导体激光器，激光器使用了光波合束技术(WBC)，获得了比现有商用激光器还要高几个数量级的亮度。WBC的外腔用于两个目的：1) 稳定中心波长;2) 增加亮度。一个半导体激光阵列放置在外腔中，这个外腔由一个变换透镜，一个衍射光栅和一个输出耦合器组成(如图7)。图示中三个激光器中任何一个发出的光的波长都是固定的，如图用红、绿、蓝三种颜色所示。亮度增强特征在图中用两条黑色光束表示，代表三条基本光束在输出耦合器上空间叠加。 输出光束质量和阵列中的单个基本输出光束质量几乎相同。如果保持每条基本光束的光功率不变，当知道基本光束数量，就可以得到总输出功率。

TeraDiode公司将被动冷却半导体激光巴条用于所有商用产品中。这种被动冷却半导体激光巴条非常可靠，其寿命超过20000小时，平均无故障时间超过100，000小时。这些激光巴条可以用标准工业冷却剂冷却，而且冷气剂无需电流控制。论文提到的所有高亮度直接半导体激光器都使用了这种被动冷却半导体激光巴条。

3. 超高亮度光纤耦合尾纤输出直接半导体激光器模块

TeraDiode公司的直接半导体激光技术已经延伸至在小纤芯光纤中提高相对亮度。芯径100μm，数值孔径小于0.12，功率超过470W的激光器模型已经实现(如图8)。这个光纤耦合尾纤输出激光器模型的最大PCE为35%(如图9)。

采用两种技术测量光纤的数值孔径：1) 利用已知孔径的光纤进行的斗功率测量技术;2) 在光纤前端加一个准直透镜的环绕功率测量技术。

我们也展示了一个激光器模型，它发出的370W功率可以耦合到芯径为50μm，数值孔径为0.15的输出光纤中，相应的亮度为257MW/cm2-str。如图10。它比最先进的光纤耦合尾纤输出半导体激光器的亮度高一个数量级。

此外，TeraDiode公司展示了一个自由空间输出功率大于540W的激光器模块。这个激光器模型产生的光束可以耦合到50μm或100μm的光纤中，这种光纤是加工过的。当电流为60A时的最大PCE值为52%，当电流为85A时的最大PCE值为48%(功率为540W)。如图11展示了TeraDiode公司目前开发的激光器模型的超高效率。

TeraDiode公司展示了输出功率大于2000W的激光器模型。如图12。这种光纤是工业加工过的并且对LLK-D兼容。激光器使用了两种不同的工业加工光纤：100μm/0.13NA和50μm/0.15NA。两种光纤的参数值都是在95%的功率范围内测得的。随后我们证实，数千瓦级直接半导体激光器的BPP是最低的，其值为3.75mm-mrad。我们相信这种激光器可以当做千瓦级工业激光器使用，具有一定工业加工速度，可用于金属薄片切割。

表2为高功率，高亮度直接半导体激光器对照表。TeraDiode公司的2kW直接半导体激光器比现在最先进的直接半导体激光器的亮度高十倍以上。TeraDiode公司的直接半导体激光器拥有可以比拟千瓦级工业光纤激光器的亮度。

TeraDiode公司的基于WBC直接半导体技术可应用于任意波长半导体激光器的亮度增强，实现军事以及商业应用。在其他波长处也有潜在用途，例如对人眼更安全的工业用光纤耦合尾纤输出直接半导体激光器和对人眼更安全的定向能高亮度直接半导体激光器。

4. 工作展望

考虑到TeraDiode公司现有的直接半导体激光技术，更高功率和亮度的直接半导体激光器将被制造出来。我们期望制造出功率达到4～6千瓦，BPP范围在4mm-mrad内的直接半导体激光器。这种激光器在高速金属切割领域有更广阔的应用。 使用WBC技术，当功率和温度变化时可以保持中心波长高度稳定。这种特性对固体激光器和光纤激光器的泵浦很重要。此外，对功率为1kW的尾纤耦合输出的泵浦激光器，其线宽可以控制在2～4nm。

最后，TeraDiode公司利用高亮度光束的合束与整形方法，可实现任何波长的二极管和半导体激光器的结合。半导体激光器中心波长选择能力与TeraDiode公司提供的超高亮度方法结合，所产生的新特性有更多新的应用。比如在遥感领域，使用波长超过1μm的人眼安全半导体激光器，而在高效材料加工领域，往往使用波长小于1μm的激光器，这是因为许多材料对较短波长的光吸收更强烈。这种波长选择特性不适用于其他类型的高亮度工业激光器。