Research on modularization of 500 W blue semiconductor laser based on beam combination

波长450 nm的大功率蓝光半导体激光器因其对铜的吸收率是常见红外波段激光的10倍，在针对高反材料(以铜为代表)的加工应用中具有巨大的优势，能够显著提高加工质量和加工效率^[1-4]。然而，蓝光半导体激光器要实现高功率和高稳定性面临着诸多挑战，包括可靠性和效率低等问题^[5-6]。此外，蓝光激光二极管(laser diode, LD)芯片功率较低且价格昂贵，研发成本较高，很难作为高功率光源直接投入使用^[7]。因此，为应对高反材料加工领域对高功率、高稳定性蓝光激光器的迫切需求^[8-9]，进一步研究和发展大功率蓝光半导体激光器是当务之急。合束技术被证明可作为有效手段解决以上难题，基于激光输出的偏振特性、光场特征，通过应用光学或物理光学方法来改善光束质量，提高输出功率。空间合束和偏振合束是光束合成基本方法，应用它们可以决定激光系统最终输出特性^[10-11]。空间合束技术通过反射或折射手段，将多个光斑在空间上进行叠加，压缩死区^[12]。参与合束的发光单元数量越多，输出功率随之增加，但光束质量也逐渐降低^[13]。偏振合束技术通过半波片和偏振合束器将两束振动方向垂直的线偏振光合为1束，可以将输出光功率翻倍，但在光路中只能使用1次^[14]。

迄今为止，国内外对于大功率蓝光半导体激光器的研究均取得一定成果。日本和德国等企业在蓝光LD芯片的研发方面不断提高功率、标准化封装形式，实现高功率蓝光半导体激光器产业化。2019年，德国LASERLINE公司通过空间合束和偏振合束技术成功研发出全球首台千瓦级蓝光半导体激光器^[15-16]。同年，日本岛津公司推出了100 W、100 μm芯径光纤输出的高光束质量蓝光激光器，其光束质量在当时处于世界领先水平^[17]。2020年，美国NUBURU公司开发出当前全球亮度最高千瓦级激光器AI-1500，可输出1500 W蓝光激光，并采用了空间合束、偏振合束和光谱合束技术^[18]。中国的蓝光半导体激光器技术相对较晚起步，与世界顶尖水平仍然存在一定差距。2017年，北京工业大学报道了采用光纤捆绑合束成功实现最大功率152 W蓝光半导体激光器输出的研究工作。2020年，深圳联赢激光发布国内首款自主研发高功率千瓦级蓝光激光器，其功率可达1.1 kW。

本文作者研制了基于150 W阵列式蓝光单元的500 W蓝光半导体激光模块。根据单元的激光特性，通过空间合束技术，缩小慢轴光斑空隙并实现两个单元快轴光斑叠加，基于偏振合束技术，将输出功率翻倍，大幅增加激光功率密度。通过设计与模块光学结构高度对应的冷却系统，实现高稳定性500 W蓝光激光输出。相较于其它大功率蓝光半导体激光器，该模块具有体积小、重量轻、成本低和稳定性高等优势，并可作为2 kW及4 kW激光器的部分合束模块。

本文中基于空间合束技术，使用反射镜组，在快轴上对光斑进行折叠，并在慢轴上叠加两个相同激光单元，减少死区面积。采用偏振合束将两个相同光斑进行叠加，实现功率倍增，同时不影响光束质量。使用柱面凹透镜和柱面凸透镜的光束整形方法，实现光斑较短边扩束，得到正方形光斑，整体设计如图 1所示。此设计保留了后续光束叠加的可能性，能够匀化快慢轴光束质量，进一步提升功率，实现光纤耦合输出。

Figure 1.  Schematic view overall design for 500 W module

蓝光单管激光器光束质量好，然而其发光功率较小，当前二极管单管功率仅为5 W，无法满足直接应用要求。因此，采用多发光点阵列排布激光器成为1种较为理想的选择。使用150 W多发光点阵列式蓝光激光单元作为光源模块，光束质量用光参量积(beam-parameter product, BPP)来表示，即为光束束腰半径与光束发散半角的乘积^[19-21]，对于本文中所用的阵列式多发光点输出单元，相关参数如表 1所示。光束在快慢轴方向上光束质量相差过大，单个激光单元光参量积为快轴28 mm·mrad，慢轴0.99 mm·mrad。

图 2为本文中所使用的单个激光单元相关数据。图 2a为光斑轮廓图，可观察到光斑之间存在较大“死区” (光斑间隙)，影响光束质量。图 2b和图 2c为发光阵列在温度T是25 ℃和75 ℃下输出功率、输出电压与输出电流之间关系，可观察到功率与电流呈线性关系，且在较低温度下，同一电流下的输出电压和输出功率较高，可见温度对输出性能有显著影响。

Figure 2.  Data of single module

对于表 1中列出的多阵列发光单元，每个发光点都可看作1个小型半导体激光器，其增益谱宽较大，产生多纵模振荡；空间模式可以分为光场沿横向、侧向分布的横模和侧模。由于有源区厚度很小，输出横模受限，常为单模工作；而侧模因有源区宽度较大产生多模式输出。对其模式特性进行研究，不同模式对应的辐射场可进行拟合^[22]：

式中：x对应侧向坐标；t为时间；A_{m, l}表示模式在侧向和纵向的复振幅；W为侧向增益区宽度；c为光速；整数m(取0, 1, 2, …)为相应纵向模式阶数；l(取1, 2, 3，…)为侧向模式阶数; 导模波长λ_{m, l}^[22]可以表示为：

式中：λ_{0, 1}表示m=0且l=1时的导模波长；L为增益区长度；n为波导有效折射率；n_g为群折射率。将所有模式对应辐射场E_{m, l}(x, t)叠加，总辐射场分布可描述为^[22]：

式中：M为获得激发的纵模数目；m₀为增益中心纵模阶数。

如图 3所示，在阈值电流(0.32 A)下对单个发光点模式进行测量，由于电流较小，只有4组纵模组被激发，近场模式分布如图 3a所示，激光能量主要集中在纵模组1、2、3、4内，且主要分布于纵模组3和4的中间两个光斑中。纵模组1、2为左侧3个光斑及右侧两个光斑的组合，符合侧模模式理论中l为2阶和3阶；l=1阶及l>3阶模式因能量占比少，无法被观测到。纵模组3和4表现为4个几乎并列光斑，中间两光斑尺寸较大，能量较高，是由于3、4纵模组l=2阶侧模都与相邻纵模组l=4阶模式发生重叠，且能量在各个模式中分布不均；中间两光斑能量是l=2阶两个模式与l=4阶侧模中间两模式能量叠加，因而光斑亮度高、能量大。在远场图像(见图 3b)中，因图 3a中纵模组1、2本身能量较小，经历傅里叶变换后进一步衰减，图像中只出现纵模组3、4。近场模式经过傅里叶变换后，l阶侧模退化为双峰结构，除l=1阶侧模是1个光斑外，l阶侧模均为2个光斑，远场模式结构主要是一个纵模组的l为1、2、3和4阶侧模的双峰结构，并且在l=4阶侧模位置处，存在另一相邻纵模组的l=2阶侧模。由此可见，每个发光点中模式转化为具有波长和空间位置的平面模式结构后，具有周期性的模式空间规律^[23]。

Figure 3.  Spatial distribution of single emitting point mode under threshold current^[23]

实验中所使用多阵列激光光单元准直方式为使用快慢轴一体式准直镜，由于LD特性，快轴发光长度(1 μm)相对较小，发散角较大(40°~50°)，而慢轴发光长度较大(15 μm)，发散角较小(8°~10°)。准直后快轴光斑显著大于慢轴光斑，且快轴方向发散角明显小于慢轴方向，观测到结果与理论相符。图 4a为快轴空间合束示意图。快轴发光点间距6 mm, 光斑大小4 mm~4.5 mm，为压缩快轴方向发光死区，使用阶梯状分离式反射镜组。使用4个29 mm×7.5 mm方片反射镜，在快轴方向以5 mm间距阶梯式斜放，使其与光束传播方向成45°，在改变光线方向的同时将快轴发光死区压缩3 mm。需要注意的是，考虑到机械结构、装配误差及实际光斑大小差异产生的挡光、漏光现象，进而导致功率衰减和漫反射引起安全问题，实际压缩死区大小会稍小于理论上死区。快轴整形后光参量积为0.855 mm·mrad，光斑轮廓如图 4b所示。

Figure 4.  Fast-axis spot compression

对于光斑慢轴，发光点之间距离较大且准直后发散角较大，本文中基于两个独立激光单元进行空间合束，通过特制镀膜反射镜片叠加光束，实现光斑重叠并使功率翻倍。图 5a展现慢轴空间合束过程。经过快轴整形后两个激光单元A和B的光束在慢轴方向上通过一个特制玻璃板进行叠加。为确保慢轴方向上发光死区被完全填充，避免挡光所导致的功率损耗，在玻璃板上交替排列7对镀有450 nm高反膜的方形区域和中空方形区域，实现两个激光单元光束透反交错传播。玻璃板位于两单元中间，确保两个单元光程一致。受慢轴发散角影响，玻璃板与发光单元距离不应过大，选择为50 mm。在这个距离，每个发光点光斑宽度相等，且与相应方形区域透射和反射部分相对应。单个发光点光斑宽度1.1 mm，每对方形区域中反射区宽1.2 mm，中空区宽1.1 mm。光斑可绝大部分通过玻璃板并形成高效率叠加。在长度方面，玻璃板与光路呈45°放置，玻璃板长度需超过光斑快轴大小2倍。图 5a以7对交错光中1对为例说明两个单元合束过程。单元A光束直接透射通过玻璃板中空部分，单元B光束在玻璃板上镀膜部分发生反射，使光束产生90°转向，与单元A光束以相同传播方向从玻璃板出射。两组激光充分填充光斑间空隙，增加总体功率且不改变总光斑大小，提高整体功率密度。慢轴方向经过空间合束后光斑轮廓如图 5b所示，可以观察到死区基本已填充，慢轴光束质量28 mm·mrad。

Figure 5.  Slow-axis spatial beam combining

根据表 1中的数据，所使用的激光单元输出97%横电(transverse electric, TE)模单偏振光，偏振方向与慢轴平行，属于p光。对于激光偏振特性，可用以下3个参量来描述：

式中：对于模m，I_m表示光强; sin(2θ)描述偏振度；V_m为偏振方向与水平坐标轴角度；E_m^-和E_m⁺为激光的两个正交分量。对于本文中所使用激光单元，发出的是单模线偏振光，将单元A和单元B光斑通过空间合束后，引入单元C和单元D，结构与单元A和B相同，在光路中添加一个光轴与偏振方向成45°的半波片，使得单元C和D输出激光偏振方向改变90°，由p光变为s光。

如图 6a所示，4个激光单元光束交汇处放置1个薄膜干涉型偏振合束器。合束器由棱镜对组成，棱镜重合处镀有多层折射率不同的介质膜，当p光以布儒斯特角入射时，在薄膜上反射率为0，实现完全透射；相对的，s光在薄膜上发生全反射，实现两个方向上激光束完全重合。通过偏振合束技术，提高功率密度且理论输出功率达到500 W。

Figure 6.  Polarization beam combiner and beam expander system

经过偏振合束后，理论出口处获得16 mm×20 mm长方形光斑。为方便输出，本文中提出光束整形方法，设计伽利略扩束系统对较短一边进行扩束，使输出光斑为正方形。相较于开普勒扩束系统，伽利略扩束系统由1个负透镜和1个正透镜组成，两者之间距离为两透镜焦距差。伽利略式系统较紧凑，可最小化整形系统导致像差。而开普勒扩束系统中光束在两个透镜之间产生1个焦点，较少用于处理高能量光束。

扩束结构如图 6a所示，选择焦距-75 mm柱面凹透镜及焦距100 mm柱面凸透镜组组成扩束系统。光束在X方向上得到1.33倍扩束，而在Y方向上光线大小保持不变，最终获得20 mm×21 mm近正方形光斑，如图 6b所示。

使用空间合束与偏振合束，对4个激光单元进行低损耗组合叠加与光束整形，通过柱面镜光束整形系统，输出完整正方形光斑，最终得到超过500 W、光斑20 mm×21 mm的准直光斑。

基于自主研制的激光模块样机进行各项性能测试。图 7a为样机及测试平台。其中LD₁~LD₄为4个蓝光输出单元；M₁、M₂、M₄、M₅为快轴反射镜组；M₃、M₆为空间合束镜；M₇为半波片；M₈为偏振合束镜；M₉、M₁₀为扩束镜组，样机大小170 mm×170 mm，重量小于5 kg，可直接安装至工业机器人上，外加焊接头进行铜的焊接应用。经过稳定性测试，在外接水冷装置使得样机工作在恒定温度情况下，模块连续工作1 h，功率稳定。图 7b为输出情况，输出21 mm×22 mm光斑。

Figure 7.  Prototype and output laser spot

基于半导体激光器特性，连续大功率工作时发热严重，高热不仅影响输出功率，且容易损伤器件，本文中提出了针对模块光路的冷却系统。在模块背面设计有多条水道通过，外接大功率水冷机对样机稳定性进行测试。图 8a为样机水冷系统底板设计。安装在各单元背面，分为两组，每组之间独立冷却，冷却水经水道流经光源下方，水道呈“之”字形循环4次，与发光单元4排发光阵列对应，冷却水在单元位置多次回转循环，每条水道正对于每列发光点，极大程度扩大冷却面积，提高系统冷却效率，水从右方出水口流出底板，返回水冷机，完成循环。理论散热情况如图 8b所示，输入水温20℃时对4个额定功率150 W光源单元进行冷却，单元中心温度保持25℃，边缘部分区域温度超过30℃，满足实验条件。经实验验证，此水冷结构可以明显改善合束激光器的功率稳定性。

Figure 8.  Design of prototype cooling system

图 9为激光单元在不同电流下输出功率和最终合束输出效率，以及功率随时间变化曲线。根据实验结果，偏振合束主要损耗由偏振合束器引起，测得对p光透射率为96.40 %，对s光反射率为94.96%，偏振合束功率损耗为22.7 W。在快慢轴空间合束系统，功率损耗88.1 W，为主要损耗因素，考虑到光束遮挡以及反射损耗，结合图 7b中实际光斑情况，光斑尺寸大于仿真值，且分布较不均匀，单元间光束大小不一致，同单元发光点也并非等距输出，分布不对称。经过讨论及分析，单元发光点排列出现类似巴条中smile效应，即发光点在快慢轴上空间分布有一定误差，通过空间合束系统时，光束与反射镜产生一定交错，部分光无法按预期通过反射镜间隙或被反射镜反射，导致最终功率降低且光斑分布不均。光斑面积大于理论值由大功率下慢轴激发模式增加，发散角产生一定扩大引起。此外，样机制造中工程误差也对效率降低产生一定影响。由图 9c可以看出，在1 h内，样机输出功率除最初4 min波动较大，输出功率均在501 W、误差2 W之内，波动范围为输出功率的0.7%，稳定性较高。观察图 9可知，模块最终输出效率随电流增大而稳步降低，在工作电流3.3 A时，4个激光单元直接输出功率616 W，扩束后稳定输出功率为501 W。

Figure 9.  Prototype experiment data

此外，在测试了模块性能后，可对模块做进一步设计，方案如图 10所示。在已研制500 W蓝光半导体激光模块的基础上，根据模块输出激光快慢轴光束质量相差较大的特性，可沿快轴方向将4~8个模块进行空间合束，通过一块在两斜面镀有450 nm增反膜的三角棱镜M₉以及方形反射镜片M₁~M₈将各模块光线合束为1束总激光，再进行后续扩束、聚焦，理论输出功率可达到2 kW~4 kW，可直接适用于铜材料的激光焊接或熔覆应用，由于合束后光束快慢轴光束质量之差较单模块激光要小许多，因此也可耦合进入光纤以获得更广泛应用。

Figure 10.  Design of 4 kW blue laser

通过研究设计模型和光学仿真，从原理上论证模块设计合理性与可行性。采用非相干合束中空间合束和偏振合束技术，将多个蓝光激光单元光束组合。为便于光束输出，使用光束整形系统进行光斑形状调整，设计相应冷却装置，最终得到可直接应用于铜材料激光焊接的高稳定性蓝光半导体激光模块。该模块能够稳定输出功率为501 W的21 mm×22 mm方形准直光，合束效率81.3%，亮度提升到单个单元的3.37倍，模块工作稳定，功率波动小于0.7%，模块大小为170 mm×170 mm，重量小于5 kg，可直接安装至工业机器人上外加焊接头进行铜的焊接应用。相比同等功率激光器，本文中所设计模块在稳定性、效率和体积方面具有一定优势。后续研究可以继续采用空间合束，在快轴叠加多模块基础上得到更高功率稳定输出蓝光，并通过光纤耦合输出以实现更广泛应用。