根據(jù)商用大功率半導(dǎo)體激光堆的偏振性和慢軸遠(yuǎn)場特性，結(jié)合商用光學(xué)設(shè)計(jì)軟件ZEMAX將兩個(gè)600W的半導(dǎo)體激光堆利用GlanTaylor棱鏡進(jìn)行偏振耦合并準(zhǔn)趕聚焦輸出配以自制加上頭獲得激光加工系統(tǒng)。系統(tǒng)輸出功率大于1000W．在焦距100m處光斑大小約為1mm×6mm(能量大于95％)。平均能培密度人于1.6×10000W／平方厘米，利用該激光系統(tǒng)對(duì)U74鋼軌的表面以1050mm／min進(jìn)掃描，獲得表面相變硬化層深度約為0．25mm，表而硬度從250 HV10／20提高到800HV10／20至900H
與傳統(tǒng)的工業(yè)用CO2激光器和YAG激光器相比，大功率半導(dǎo)體激光器不僅具有體積小、能耗小、維護(hù)周期長的固有優(yōu)勢(shì)，而且能提供更高的加工效率：金屬在半導(dǎo)體激光的輸出波段808mm附近吸收率遠(yuǎn)高于CO2和YAG激光，如金屬Al，其吸收率分別是YAG和CO2激光的3倍和15倍。目前，大功率半導(dǎo)體激光器越來越多的運(yùn)用于工業(yè)領(lǐng)域，特別是由于其特有的快、慢軸不對(duì)稱輸出，通過簡單的光學(xué)系統(tǒng)即可獲得具有較大縱寬比的高亮度大光斑，使其滿足在金屬表面熔覆、相變硬化等中等光功率密度需求、較大激光作用區(qū)域的領(lǐng)域更是具有普通CO2、YAG激光不可比擬的優(yōu)勢(shì)。
目前，國外該類激光加工系統(tǒng)已大量運(yùn)用于工業(yè)生產(chǎn)中，而國內(nèi)的半導(dǎo)體激光器研究主要面向于泵浦源領(lǐng)域，尚未見文獻(xiàn)報(bào)道專門針對(duì)工業(yè)應(yīng)用的半導(dǎo)體激光加工系統(tǒng)。本文采用偏振耦合技術(shù)結(jié)合簡單的光學(xué)系統(tǒng)獲得了千瓦級(jí)半導(dǎo)體激光系統(tǒng)并用于U74鋼軌的表面相變硬化，使其表面硬度提高三倍以上。
1 偏振耦合系統(tǒng)及光路設(shè)計(jì)
由于半導(dǎo)體激光器自身結(jié)構(gòu)原因，其光束質(zhì)量較差，必須通過必要的手段改善其輸出光束質(zhì)量以同時(shí)滿足工業(yè)加工所需的高亮度和長焦距。目前大功率半導(dǎo)體激光器均采用應(yīng)變量子阱結(jié)構(gòu)，重空穴帶和輕空穴帶分離，輸出光偏振度大于98％，因此偏振耦合技術(shù)是提高大功率半導(dǎo)體激光器亮度的有效途徑。Glan-Taylor棱鏡屬于空氣隙格蘭型棱鏡，視場內(nèi)光的偏振分布均勻，透射光側(cè)向平移小，損傷閾值高，適合高功率激光的偏振應(yīng)用。其缺點(diǎn)在于對(duì)稱視場角小，通常為80左右(全角)。本文中采用的激光器為美國Night公司NL-VSA-10-L600W連續(xù)輸出半導(dǎo)體激光堆，波長為808mm，偏振特性為TM模式，每個(gè)堆由10個(gè)帶快軸準(zhǔn)直(FAC)的激光bar構(gòu)成，在快軸方向上發(fā)散角為0．25°，光束質(zhì)量高；慢軸方向光束質(zhì)量差，其分布狀態(tài)是激光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。
圖1a為距激光堆1m處實(shí)驗(yàn)獲得的激光堆600W輸出時(shí)慢軸方向遠(yuǎn)場分布曲線。由圖可知，激光堆慢軸方向遠(yuǎn)場分布基本滿足二階超高斯分布。95％以上的能量在8°全角范圍，因此可直接利用Glan-Taylor棱鏡進(jìn)行偏振耦合。
圖1b為所采用的偏振耦合結(jié)構(gòu)示意圖，采用改進(jìn)型OE雙光Glan-Taylor棱鏡，使需全反射的0光沿棱鏡的側(cè)面未經(jīng)折射進(jìn)入，合柬角約為103。。棱鏡中光軸方向與紙平面平行，半導(dǎo)體激光堆A(直路)輸出的TM偏振光偏振方向垂直于激光器結(jié)平面，通過二分之一波片正入射進(jìn)入Glan-Tay-lor棱鏡，偏振方向與晶體主平面平行，形成低折射率e光通過棱鏡，傳播方向保持不變：半導(dǎo)體激光堆B(旁路)輸出的TM偏振光偏振方向和晶體主平面垂直，O光在晶體中空氣間隙處發(fā)牛全反射與e光形成合束出射。偏振耦合輸出的激光傳輸特性與直路(旁路)單路輸出相同只是偏振狀態(tài)由單路的線偏光變成了圓偏振光，因此輸出光功率密度則提高了一倍。利用光學(xué)軟件zemax的非序列模塊進(jìn)行優(yōu)化，模擬光源采用光源陣列，慢軸方向光場分布采用圖1中所示二階超高斯分布；偏振耦合輸出后利用f=350mm的柱面鏡對(duì)慢軸方向進(jìn)行準(zhǔn)直，最后通過f=100mm的聚焦鏡對(duì)光束進(jìn)行聚焦，整個(gè)光路如圖2所示。
圖3為計(jì)算得到焦點(diǎn)處光斑能量分布，此時(shí)光斑大小約為1mmx6mm(能量大于95％)，平均功率密度大于1.6×10000W／平方厘米，滿足激光表面處理的需求。
2 系統(tǒng)輸出功率及光斑測(cè)試
根據(jù)以上設(shè)計(jì)思路搭建光路實(shí)測(cè)其輸出功率，并利用德國PROMETEC UFFl00光斑質(zhì)量分析儀測(cè)試其焦點(diǎn)位置處光斑形貌，圖4為整個(gè)激光系統(tǒng)及各分路的P-l曲線，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流為65A時(shí)，系統(tǒng)輸出功率為1005W，光學(xué)系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率約為84％。圖5為焦距附近的光斑分布，由于PROMETECUFF100光斑質(zhì)量分析儀的最大探測(cè)窗口為4mm×4mm，而系統(tǒng)慢軸方向光束聚焦后的尺寸大于該測(cè)量窗口，因此慢軸方向的光斑突然截止，但其整體分布形貌與zemax計(jì)算得到光斑分布(如圖3)基本一致，這說明實(shí)際所得激光系統(tǒng)與設(shè)計(jì)吻合，功率密度分布能夠滿足激光表面處理需求。
3 U74鋼軌的表面相變硬化
利用該激光系統(tǒng)輔以自主開發(fā)的加工頭(如圖6)以U74鋼軌為基底進(jìn)行了初步的表面硬化實(shí)驗(yàn)。將鋼軌試樣表面進(jìn)行去污、去銹處理，用氫氣作為保護(hù)氣體，激光光束沿試樣表面法線方向入射沿光斑的短軸方向進(jìn)行快速掃描。圖7為輸出功率700W，掃描速度1050mm／min時(shí)獲得的硬化層表面及截面形貌，硬化層寬度約為4．5mm，厚度約為0．25mm。利用HXD一1000型顯微硬度計(jì)對(duì)硬化層進(jìn)行分析，經(jīng)過表面相變硬化后材料表面硬度達(dá)到800 HV10／20至900HV10／20，比基體硬度提高約3倍至4倍，達(dá)到廠使用1．8KWCO2激光相變硬化U74鋼軌的硬度指標(biāo)。
4 結(jié)果及討論
根據(jù)激光堆的偏振性和遠(yuǎn)場特性利用Glan-Taylor棱鏡將兩個(gè)激光堆進(jìn)行偏振耦合并通過簡單的光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直聚焦輸出配以自制的加工頭獲得了KW級(jí)半導(dǎo)體激光加工系統(tǒng)。采用該系統(tǒng)對(duì)U74鋼軌表面進(jìn)行掃描獲得相變硬化層，表面硬度提高三倍以上。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，采用該偏振耦合結(jié)構(gòu)，整體能量損耗比較大，這是由于Glan-Taylor棱鏡透射比通常僅為85％左右；而直路功率高于旁路(如圖4)主要是因?yàn)槟壳吧逃肎lan-Taylor棱鏡主要針對(duì)直路透射，因此晶體結(jié)構(gòu)角相對(duì)旁路而言沒有最優(yōu)化，導(dǎo)致部分光沒有發(fā)生全反射損失掉，因此如果訂制晶體可一定程度上提高旁路效率。另一方面，如圖7，硬化層截面兩端厚度有所下降是由于系統(tǒng)輸出光斑不是完全的平頂光束，該問題可通過在系統(tǒng)中增加平頂化光學(xué)設(shè)計(jì)，但會(huì)破壞系統(tǒng)簡潔性增加成本，這由激光加工系統(tǒng)具體使用需求所決定#p#分頁標(biāo)題#e#
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