高功率蓝光半导体激光加工光源EI北大核心CSCD

针对目前铜、金等金属材料加工的实际应用需求,开展了连续输出功率500 W的光纤耦合输出蓝光半导体激光加工光源研究。基于平面窗口TO封装的蓝光半导体激光单管器件,设计采用长后工作距的快轴准直镜和慢轴准直镜分别准直,获得低发散角、高光束质量的单元准直光束;结合二维空间合束、偏振合束和光纤耦合,将144个蓝光单管器件耦合进200μm/NA 0.22光纤,通过ZEMAX软件对半导体激光光路进行光线追踪模拟;并从实验上实现,3 A电流驱动下,200μm/NA 0.22光纤输出连续功率523 W,电光转换效率29%。该激光光源具有直接加工铜、金等材料的能力。     

激光加工技术中激光束的研究

从激光的特性出发,研究了激光光束及计算机控制系统在激光加工方面的缺陷,探讨了改进激光光束及设计软件的方案．     

高功率激光光束特性对激光加工的影响

决定光与物质相互作用的激光束的波长、入射角、偏振特性以及时间和空间特性是激光材料加工的主要光束特性。激光束的光束质量是其空间特性的量化反映。通过对两种不同激光加工系统输出激光光束质量进行测量和计算,根据多模激光束的聚焦理论,以及对激光深熔焊接实验结果的分析,研究了光束质量对深熔焊接焊缝成形的影响。结果表明,光束质量对聚焦光束的焦斑、聚焦角和焦深的影响不仅体现了激光源的可聚焦性,而且也标志了激光源的可加工能力,这是聚焦系统和焦点位置在选择过程中应该考虑的重要因素。     

飞行光学导光系统中的空气热透镜效应

研究了激光加工用大功率ＣＯ２激光束在飞行光学导光系统中传输所产生的空气热透镜效应。实验发现当飞行光学导光系统中的空气静止时将产生空气热透镜效应,而充以一定压力的压缩空气却可以消除空气热透镜效应,实验表明无热透镜效应时,光束遵循高斯光束传输规律,而秀热透镜效应时,光束偏离高斯光束的传输规律,并影响到激光束聚焦焦点的大小和位置。另外通过激光空气热透镜效应的非线性模型计算了热透镜效应所引起的光束传输相对     

利用位相共轭激光器加工微孔

报道了利用带ＳＦ６气体池受激布里渊散射位相共轭Ｎｄ：ＹＡＧ激光器对０．１ｍｍ厚的刀片进行了微孔加工试验，初步实验结果表明，利用该激光器小的光束发散角这一优点，可加工出出口孔径为２０μｍ微孔。     

高功率激光薄膜及相关检测技术

由于基频光最后需通过三倍频元件才注入靶室，因此三倍频薄膜元件的抗激光损伤能力，将直接制约系统的能量。三倍频紫外激光薄膜的质量也将是决定系统指标的关键因素之一。在制备紫外增透膜方面，我们在基片和膜堆之间加镀缓冲层，既实现了高透射率，又改善了膜层内的电场强度分布。多次实验表明，样品在小口径元件损伤测量平台上测得的零几率损伤阈值一般大于7／cm^2（355m，10s），折算到3S约4．6／cm^2，折算到1ns为3．13／cm^2。考虑到大光束的破坏结果和小光斑的测量结果不同，我们在星光装置上进行大光束轰击破坏实验。     

美国Moore Nanotechnology System

美国Moore Nanotechnology System，LLC是著名的光学超精密加工设备制造公司，其前身是Pneumo，主要产品是超精密金刚石车床和超精密确定性磨削装置。目前，能向中国出口的金刚石车床是二轴的250UPL和450UPL，及其附件（可搭成三轴或四轴）。Nanotech的产品向以精密著称，加工效果好。为适应现代光学的发展，近年又推出S^3超精密慢速加工系统和快速进给系统，     

基于光场调制的纳秒激光图案化石墨烯研究

激光加工技术在石墨烯制备领域得到了许多应用。目前激光图案化石墨烯的方法多为激光逐点扫描, 而单次辐照实现图案化加工的方法鲜有报道。通过间光调制器改变激光的光场, 使光束聚焦成图案, 单次辐照直接在石墨烯样品上烧蚀实现图案化。控制激光能量为合适的值时可将石墨烯清晰地图案化而不损伤硅基底。通过拉曼光谱扫描成像发现石墨烯加工边缘清晰, 精度达到μm量级, 具有加工速度快、无需移动样品等特点。     

976 nm宽条形高功率半导体激光器的光束质量M2评价

为了提高976 nm宽条形高功率半导体激光器的光束质量,基于严格的二阶矩理论搭建了一套适用于高功率半导体激光器的光束质量检测装置。利用该装置测量了实验室研制的976 nm宽条形高功率半导体激光器在1～10 A工作电流下的束腰位置、束腰尺寸和远场发散角。实验结果表明,随着电流从1 A增加到10A,快轴方向束宽及远场发散角由于反导引效应有微小增加,但由于垂直方向较强的折射率导引机制使得光束参数变化很小,光束质量因子M~2仅从1. 32增加到1. 48,光束质量基本不变。慢轴方向由于反导引效应及热透镜效应而导致高阶模式激射,使得束宽及远场发散角随工作电流增加逐渐增大,光束质量因子M~2从5. 44增加到11. 76,光束质量逐渐变差。傍轴光束定义及非傍轴光束定义下的光束质量因子测试结果表明,在快轴方向,两者差别较大,不能使用傍轴光束定义近似计算;在慢轴方向,两者近似相等,可以使用傍轴光束定义近似计算。     

长脉冲强激光整束热晕实验研究

研究脉冲时间1.8ms,输出能量约200J,光束发散角2mrad的自由振荡钕玻璃光束,经2m焦距透镜聚焦后穿过充有0～0.6MPa氨的热晕池(热晕池长1m)产十的整束热晕效应。用CCD系统测量激光束腰直径的时间积分值随氨气压的变化曲线及束腰光强空间分布图象,用数字显示式能量计测量热晕吸收系数,用硅光二极管—数字采集,分析仪—Roland绘图仪—计算机处理系统,测量激光中心光强随时间的变化曲线。用KDP倍频—高速分幅相机系统记录激光场强分布随时间的畸变。并用解析理论计算值与实验结果进行了分析比较。     

非傍轴截断平顶光束的质量因子

 使用功率密度的二阶矩方法和Li提出的平顶光束模型，推导出了非傍轴截断平顶光束的束腰宽度、远场发散角和光束质量因子的解析表达式。计算结果表明：非傍轴截断平顶光束的质量因子不仅与截断参数、光束阶数有关，而且与初始束腰宽度和波长之比有关；当截断参数趋近于0时，远场发散角趋于渐近值63.435°；对于光束阶数为1和截断参数趋于无穷大的特例，计算结果分别退化为非傍轴截断高斯光束和非傍轴无截断平顶光束的结果；功率密度的二阶矩方法可用于截断光束，并克服了光束质量因子的发散困难。     

高功率固体激光装置主放大系统隔离技术实验

基于菲涅耳公式,分析了偏振光通过钕玻璃片的透射率及反射率,讨论了高功率固体激光装置离轴光束对隔离性能的影响。根据光轴和小开关晶体晶轴走偏导致的退偏损耗的原理,可以使用开关晶体的姿态去补偿光束旋转误差的退偏损耗。实验结果表明,钕玻璃片小角度变化不影响系统对偏振光选择性通过,并且利用开关晶体来补偿光束旋转误差的退偏损耗能提高系统隔离比3倍以上。关键词:高功率固体激光;主放大系统;隔离;布鲁斯特角     

神光Ⅱ升级装置远场准直系统研究

用于实现光束调整的自动准直系统不仅是保证高功率激光装置高效、安全、可靠运行的关键子系统,同时也是保证光束近场和远场质量的关键要素之一. 通过巧妙的光栅制作和照明成像系统设计,实现了高精度、模块化的远场准直系统. 其特点在于利用光栅的衍射特性,实现了远场焦斑和基准的同时离轴取样. 此系统在神光Ⅱ升级装置预放系统的实验结果表明,其光栅基准的复位精度优于8 μm,准直过程中基准的抖动低于0.59 μm;准直完成后,焦斑中心和基准中心的最大偏差优于10 μm. 此系统在实现了高精度取样、准直的前提下,不仅降低了对 关键词： 激光技术 激光光学系统 空间滤波器     

基于空间光调制器的飞秒并行加工方法研究

针对飞秒激光微加工中能量利用率和加工效率低的问题,提出一种基于空间光调制器的飞秒并行加工方法。在讨论衍射光栅入射角与衍射角关系的基础上,分析了叠加多个衍射光栅产生多光束的原理,运用GS算法对目标多光束进行优化并计算出相应的相位全息图,将该全息图加载到空间光调制器中获得了多光束。采用脉宽100 fs、波长800 nm的飞秒激光,进行聚焦PMMA样品内部的并行加工实验,观察到PMMA上多点组合的一和工字型,得到了光束能量均匀的图形。实验结果论证了该方法对于多光束并行加工控制的有效性。     

准分子激光光束均匀性的评价指标研究

 详细研究了准分子激光光束均匀性的各项评价指标，加工窗口描述了加工任务本身对光束均匀度的要求；能量分数回答了具体加工窗口即均匀度要求下的能量利用率问题；平顶因子则描述了整个光斑能量分布范围内的均匀性问题。利用激光波面分析仪对不同均匀器所获得的均匀光束进行评价比较，蝇眼透镜均匀器能量利用率高，整个光斑内的均匀效果好，但最佳均匀截面的位置动态范围小；组合棱镜均匀器均匀截面动态范围大，但整体均匀效量较差。     

飞秒激光倒锥微孔加工的反射式扫描装置设计

基于道威棱镜扫描原理,设计了由高速旋转电机驱动三片K字形排布反射镜组成的反射式扫描装置,并分析了扫描钻孔准确度.结果表明:该扫描装置可用于飞秒激光高准确度环切钻孔系统,钻孔准确度不受光束质量影响,钻孔扫描速度二倍于电机转速且钻孔效率高、兼容多光谱波段;与道威棱镜系统相比,该系统装调准确度要求低,能避免透射系统中色散引起的飞秒激光脉宽展宽现象.测试结果显示该装置可以实现直径0.05~0.2mm、加工准确度小于±2μm倒锥孔的高效率加工.     

一个非晶硅薄膜太阳能电池制备用激光刻线系统

 非晶硅薄膜太阳能电池制备过程中的激光刻线工艺要求刻线宽度在30 μm～50 μm之间,死区范围小于300 μm,刻线深度符合工艺要求。这不仅要求激光器具有较高的光束质量,而且要求光学系统具有较高的成像质量和较宽的焦深。设计了单激光器四分光路的激光刻线系统。采用设计的激光刻线装置,在1 400 mm×1 100 mm×3.2 mm玻璃基板上进行刻线试验,分别得到刻线P1,P2,P3的线宽为35 μm,50 μm和45 μm,死区范围（P1至P3的距离）为287 μm,最终深度分别为0.98 μm,0.24 μm和0.58 μm,刻线宽度和深度均符合薄膜太阳能电池制备工艺要求。     

柱透镜和弯月透镜实现半导体激光器光束整形

针对半导体激光器的发光特点,设计了半导体激光器的光束整形系统。首先采用柱透镜准直和偏转沿Y轴发散的光束;然后再采用望远系统对X轴发散的光束进行准直和扩束;最后采用弯月透镜对发射光束压缩,实现半导体激光器的光束整形,降低光束发散角,提高光束质量。利用ZEMAX软件模拟系统,结果表明,整形后输出光束沿X轴和Y轴的发散角变为4.922mrad,输出光斑直径为1.2707mm,整形系统总长度为65.6618mm,各元件的最大直径为20.52mm,输出光束质量和系统结构都优于同类产品。     

三种半导体阵列光谱组束结构的输出特性

基于光谱光束组合技术,利用光栅的衍射和外腔的反馈,并通过加入光束整形系统,将标准的半导体激光阵列的发光单元锁定在窄线宽的不同波长上,以近似平行光束沿组合方向输出,以实现半导体激光阵列输出光束质量的改善和线宽的压窄。实验中采用发光单元宽度100μm,周期500μm,由19个单元构成的标准阵列,分别对快、慢轴准直后光谱组束、光束整形后光谱组束和线宽压窄外腔组束进行了实验验证,实现了组合光束与单个发光单元近似的光束质量,同时得到了较窄的线宽输出,并对实验结果进行了分析。     

光纤组束激光的工业加工应用前景分析

为了分析光纤组束激光的工业加工应用前景,对组束激光的角偏移和腔耦合效率进行了理论分析和数值计算,结果表明组束激光输出功率可以达到10kW量级。结合双光栅组束结构,对组束激光的光束质量进行控制,结果表明此条件下优化的组束激光光束质量可以达到1.4左右。光纤组束激光在输出功率和光束质量两方面均满足工业加工的应用需求。