kW级光纤耦合输出半导体激光器研究

摘要

光纤耦合输出半导体激光器由于体积小、重量轻、可靠性好、寿命长、成本低和可柔性传输等特点，在泵浦、工业加工、医疗、军事和科学研究等领域得到了越来越广泛的应用。由于其有源层结构的特点，导致快慢轴方向的光束质量相差很大，使它的直接应用受到了一定的限制。因此，研究高功率高效率的光束整形和光纤耦合技术，已成为半导体激光器发展的一个主流方向。
　　本论文的研究目的是研制kW级光纤耦合输出半导体激光器样机。对光纤耦合输出半导体激光器的国内外现状进行了调研，并研究了当前成熟的光束整形技术。从实验所用叠阵的相关参数出发，本论文主要进行了以下研究工作：
　　（1）论文对半导体激光器作了详细的介绍，并对其光束传输特性进行了阐述。
　　（2）设计了kW级光纤耦合输出半导体激光器系统。通过光束整形、光束合束以及光纤耦合技术，将8个叠阵的输出光束耦合到800μm/0.22NA的光纤中，并用Zemax对系统进行模拟仿真。
　　（3）对设计的kW级光纤耦合输出半导体激光器系统进行了实验研究。实验将6个叠阵输出的光束耦合到1000μm/0.22NA的光纤中，其输出功率为2020W，实验室对该半导体激光器进行了激光融覆实验，取得了较好的实验结果，可应用于激光制造与再制造行业。
　　（4）在对目前比较成熟的光束整形技术研究基础之上，针对现有叠阵光束整形—―切割-平移-重排需多棱镜堆且分布进行的缺点，提出基于棱镜内部全内反射的新型叠阵光束整形方法—―切割-旋转-重排一步光束整形法。该光束整形装置仅采用一个多层反射式棱镜堆就可实现将二维离散点光源阵列整形为二维密集排列面光源阵列，消除了不发光区域，同时匀化了快慢轴方向的光束质量。基于该技术，设计了kW级光纤耦合输出半导体激光器系统，通过Zemax模拟获得的输出功率为1056W。

目录

声明

第一章 绪 论

1.1 大功率半导体激光器

1.2 大功率半导体激光器光纤耦合技术

1.3 本论文的研究目的及意义

1.4 本论文研究内容

第二章 半导体激光器的光束传输特性

2.1 半导体激光器的光束特性

2.2 半导体激光器的工作原理及结构参数

2.3 半导体激光器光束质量的评价

2.4 本章小结

第三章 半导体激光器的光束整形及非相干合束

3.1 半导体激光器光束整形

3.2 半导体激光器非相干合束

3.3 本章小结

第四章 kW级光纤耦合输出半导体激光器光学设计

4.1 kW级半导体激光器光学系统设计

4.2 kW级半导体激光器样机结构

4.3 本章小结

第五章 kW级光纤耦合输出半导体激光器实验研究

5.1 半导体激光叠阵光源

5.2 kW级半导体激光器模块实验

5.3 多模块合束扩展功率实验

5.4 光纤耦合实验

5.5 实验结果及分析

5.6 本章小结

第六章 半导体激光叠阵的切割-旋转棱镜整形设计

6.1 光源的选择

6.2 偏振合束技术

6.3 光束整形技术

6.4 光纤耦合技术

6.5 本章小结

第七章 总结和展望

7.1 论文总结

7.2 展望

攻读硕士学位期间所完成的学术成果

致谢

参考文献