基于陶瓷焊接的半導體激光器合束及聚焦研究

汪 菲，唐霞輝*，鐘理京，許成文，胡 千，姚 巍

(1.華中科技大學 光學與電子信息學院，武漢 430074； 2.深圳華中科技大學研究院，深圳 518057)

引 言

Al2O3陶瓷由于其高硬度、高熔點、抗氧化、耐高溫、耐磨損和抗腐蝕等優異性能[1]，可作為鋼管的內襯來增強運輸管道的性能及使用壽命[2]。傳統方法一般采用法蘭盤連接和電弧焊接方法連接陶瓷復合鋼管，但是由于Al2O3陶瓷焊接性能差，導致接頭處密封性、強度和耐腐蝕性差[3]。激光焊接陶瓷內襯管是目前重要的國際發展趨勢，半導體激光器的輸出光為平頂波光束，焊縫一致性好，非常適合用于作氧化物和非氧化物陶瓷焊接的激光光源[4]。

隨著半導體激光器光束整形、合束技術以及封裝散熱技術的發展，其功率水平和光束質量都有了很大提高，已經成為金屬表面硬化、聚合物及金屬焊接、薄片切割以及醫療領域的直接應用激光光源[5-9]。德國的Laserline公司利用“多堆棧模塊”、偏振合束及波長合束技術已研制出應用于抽運源的光纖耦合半導體激光器，輸出功率可達25kW，耦合光纖芯徑2mm，數值孔徑(numerical aperture，NA)為0.2，輸出光束的質量為200mm·mrad[10]。美國的Teradiode公司最新利用波長合束技術研制出的光纖耦合半導體激光器輸出功率達到4680W，光纖芯徑為100μm，數值孔徑小于0.08，輸出光束質量為3.5mm·mrad，這是迄今為止報道的所有千瓦級直接半導體激光器中最高的光束質量，此激光器可應用于金屬板的切割焊接等領域，性能可媲美如今廣泛應用在切割焊接領域的光纖激光器、CO2激光器等，且相比之下，此半導體激光器具有更高的效率(50%)[11]。Coherent 公司的直接半導體激光器HighLight D 系列具有高的功率和靈活的輸出光斑形狀，且能提供自由空間光束傳輸，是理想的激光熱處理、熔覆和焊接應用光源。

作者旨在根據陶瓷半導體激光焊接工藝以及對光束特性的要求，設計一套基于單管的半導體激光器陶瓷焊接系統，輸出功率可達800W以上，并且可以輸出不同長寬比的矩形光斑，滿足陶瓷激光焊接的不同應用場合下的需求。通過實驗得出陶瓷焊接對半導體激光器的光束特性要求，然后對半導體激光器單管進行快、慢軸準直，空間重排，偏振合束及波長合束，設計用于半導體激光器直接輸出的菲涅耳聚焦系統，從而得到光強分布均勻的輸出光斑。

1 Al2O3陶瓷焊接對半導體激光光束的要求

1.1 陶瓷激光焊接實驗條件

實驗中采用由3kW半導體激光器、聚焦鏡頭、激光水冷卻電源及控制系統、焊接機械手系統及外部控制2自由度變拉機和控制系統等組成的激光焊接系統對兩部分Al2O3陶瓷進行激光填料焊接，如圖1所示。兩塊Al2O3內襯塊中間夾著焊料條，形成“三明治”結構，并將“三明治”固定在夾具上，一起放在激光器正下方，激光束垂直入射于焊料表面，焊接方向與焊料方向平行，確定焊接功率及焊料寬度對焊縫成形的影響規律。

Fig.1 Schematic of Al2O3 ceramic laser filler welding

1.2 工藝參量對陶瓷焊接的影響

不同的焊料寬度決定了焊料表面受激光輻照的面積不同，從而導致焊料與基材表面不同的溫度場分布。圖2是6組不同寬度的焊料在最佳工藝下的焊接截面圖。在一定的光斑大小(寬度3.0mm)下，當焊料寬度較小時，激光輻照在基材表面的面積較多，即基材表面受到激光熱作用較大，而基材韌性差，快速的升溫和降溫使得基材的剩余熱應力過大，從而產生了裂紋(見圖2a和圖2b中單箭頭處)；繼續增加焊料寬度，激光輻照在焊料表面的面積增大，輻照在基材表面的面積減少，基材中溫度梯度小，剩余熱應力小，所以基材中沒有裂紋形成，然而，在中間層中有氣孔存在(見圖2c和圖2d中單箭頭處)；焊料寬度為3.0mm時，激光照射光束全部作用于焊料表面，焊料熔融并潤濕基材的界面，與基材界面結合良好，中間層沒有氣孔等缺陷。此外，由于基材不是通過激光的熱作用加熱，而是通過焊料傳導而來的熱量加熱，此熱量比激光直接加熱所致的熱量小很多，因此基材中的熱應力小，沒有裂紋形成；焊料寬度為3.5mm時，焊料中大部分直接接受激光熱作用，并以焊料中間處為中心進行橫向和縱向的熱傳導，熱量由中心向外擴散，遠離中心處熱量少，溫度相對較低。小部分焊料通過熱傳導來的溫度熔融，邊緣處的部分焊料因為熱傳導溫度不夠，并未熔融和潤濕界面，此時未熔焊料與基材存在縫隙(見圖2f中單箭頭處)，并且中間層中還存在一些氣孔，該接頭結合并不牢固。由上可知，當焊料寬度與光斑寬度一致時，基材中無裂紋形成，焊接質量最好。

Fig.2 Cross profiles of different solder widths

a—1.0mm b—1.5mm c—2.0mm d—2.5mm e—3.0mm f—3.5mm

激光功率閾值是指激光熱導焊向深熔焊接轉變的臨界值，在此激光功率閾值處，材料對激光有較高的吸收率，易實現深熔焊[12]。實驗中設置焊料寬度為3.0mm，測量焊接試樣接頭橫截面在不同激光功率作用下的焊縫寬度及熔深尺寸，得到熔深、熔寬隨激光功率變化的曲線圖,如圖3所示。可以看出，當功率為400W～600W時，此時焊縫的熔深的變化趨勢比較小，屬于熱導焊。隨著功率增加到700W，焊縫的熔深急劇。原因在于，激光功率達到閥值時，焊材部分汽化形成“小孔”，激光直接穿過“小孔”照射到小孔底部，使得焊件對激光吸收率增加，從而焊縫的熔深急劇增加。因此，其它參量一定時，焊件的激光閥值功率為700W，此時焊件對激光利用率最大。

Fig.3 Weld depth and weld width with different laser powers

可以得出，當光斑尺寸大小與焊料寬度一致，光斑均勻性較好，半導體激光功率在700W以上時，焊接質量最佳。本文中將基于此要求，設計輸出功率超過800W、可靈活改變光斑形狀大小的半導體激光器系統，滿足不同應用場合下的陶瓷焊接需求。

2 基于陶瓷焊接的半導體激光器系統設計

2.1 半導體激光器整形合束結構設計

與線陣和疊陣半導體激光器相比，單管半導體激光器具有以下幾個方面的優點[13]：首先半導體激光器(laser diode,LD)單管的輸出光束質量更好，不會有線陣和疊陣中會產生的“smile”效應，因此不需要太過復雜的光學整形元件；其次LD單管散熱簡單，只需通過風冷的方式就可散熱，而半導體激光器疊陣通常需要使用去離子水采用微通道熱沉進行散熱，導致微通道易被腐蝕；再者LD單管采用串聯的方式連接，可以降低驅動電流。

本文中所采用的半導體激光器單管波長分別為915nm，940nm和980nm，單管輸出功率為10W，快、慢軸方向的光束質量(beam parameter product, BPP)B如下：

(1)

式中，BFA，θFA和wFA分別表示快軸方向(fast axis,FA)的光束質量、發散角以及束腰半徑，BSA，θSA和wSA分別表示慢軸方向(slow axis,SA)的光束質量、發散角以及束腰半徑。

可以看出，快軸光束質量比慢軸好得多，將20個半導體激光器單管，采用串聯方式連接并排布在階梯狀熱沉上，每一個激光器分別用快、慢軸準直鏡進行準直，然后通過反射鏡反射后實現光束在快軸方向的疊加，達到提高輸出功率并且勻化光束質量的目的。

基于以上20個單管構成的模塊的半導體激光器陶瓷焊接系統結構圖如圖4所示。通過測量半導體激光器偏振特性可知,該半導體激光器均以TE模式輸出，偏振度很高，可以通過以下公式計算偏振度：

(2)

式中，D表示半導體激光器偏振度，PTE表示測得的TE模式功率，PTM表示測得的TM模式功率。利用偏振合束能達到成倍提高輸出功率以及亮度的目的，提高程度取決于偏振合束效率，可表示為：

η=Po/(P1+P2)(3)

式中，η表示偏振合束效率，Po表示合束后的功率大小，P1和P2表示被合束的兩個模塊單元的輸出功率大小。

Fig.4 Designing scheme of diode laser system applied in ceramic welding

焊料對于波長范圍在800nm～1000nm內的半導體激光的吸收率相差不大，所以可以利用多個波長間隔相差不大的模塊提高亮度，通過選用合適的色散元件來實現，此時決定合束效率的是波長耦合器的透射率曲線中兩種待合束波長的透過率和反射率，值越接近1則合束效率越高，對于波長間隔相距很短的待合束波長，則需要透射率曲線的上升斜率更陡峭，對耦合器件的要求更高[14]。

2.2 菲涅耳聚焦系統設計

聚焦透鏡采用自主設計的菲涅耳聚焦系統，由一塊菲涅耳透鏡和一塊柱透鏡組成，它能夠在控制輸出光斑形狀的同時，有效地提高輸出光斑的均勻性。弧形基面菲涅耳透鏡原理如圖5a所示，F處點光源發出的光線，在弧形基面處產生折射，到達點F′處，則第i楞的楞高度角θi可表示為[15]：

cosωi′sin(ui+ωi′)-sinui′]/[cosui′-

sinωi′sin(ui+ωi′)]}(4)

式中，n=n1/n2(n1=1為標準大氣壓下的空氣折射率，n2為透鏡材料的折射率)，ui為第i楞入射光與光軸FF′的夾角，ui′為第i楞出射光與光軸FF′的夾角，f和f′分別為F和F′到光軸O′點的距離，R為菲涅耳透鏡的圓弧曲率半徑，r為球冠的外廓半徑，ωi′為第i楞透鏡入射面的法線與光軸的夾角。對于本文中所設計的為平板楞朝內型菲涅耳透鏡[16](結構如圖5b所示)，楞高角度可表示為：

(5)

Fig.5 Schematic of Fresnel lens

a—principle of Fresnel lens b—Fresnel lens with flat base and inward ridge

光束聚焦勻化系統的優劣一般通過焦斑的均勻性來評價[17]，焦斑均勻性可通過對焦斑強度的所有取樣點取均方根MRMS來表示：

(Ij≥0.8Imax)(6)

M=1-MRMS(7)

通過(5)式可計算出設計的菲涅耳透鏡的各楞高角度，在建模軟件中繪制出菲涅耳透鏡的3維模型，并導入到ZEMAX軟件中進行系統仿真與優化得到最佳的透鏡參量，就能根據需要靈活地控制輸出光斑的形狀和大小，并且輸出光斑均勻度可達93.85%。

3 半導體激光器整形實驗裝置

基于多單管的偏振合束實驗裝置如圖6所示。分別將20個LD單管進行快、慢軸準直，并在快軸方向疊加后，通過半波片改變一個模塊輸出光的偏振態，與另一模塊通過偏振分束立方體進行偏振合束。

Fig.6 Experimental device of polarization combination based on single tube

實驗中所用到的偏振耦合器件為THORLABS公司生產的偏振分束立方體PBS201，該分束立方體通過電介質分束膜來反射s偏振分量，但允許p分量通過，從而分離s和p偏振光分量。從該器件對于不同波長的p偏振和s偏振光的透過率曲線可以得出，對于實驗中使用的940nm半導體激光器，此分束立方體對于p偏振光束的透過率為98.15%，對s偏振光束透過率為0.04%，可以滿足進行高效率偏振合束的要求。偏振分束鏡被安裝在水平位移臺和旋轉位移臺及棱鏡調整架上，可以調整偏振分束鏡沿著x,y,z方向的位移以及繞x,y,z軸的旋轉6個方向的自由度。測試儀器為PRIMES公司的型號為BeamMonitor BM60的光束分析儀，可準確測量光斑直徑和特定位置處光斑能量分布圖/曲線，其主要參量為：響應激光波長0.8μm～1.1μm，所測功率范圍100W～12kW，最大響應功率密度10kW/cm2，超過最大功率密度，系統會飽和而無法準確測量。

4 光束整形實驗結果與分析

首先測試由20個單管組成的模塊在不同驅動電流下的輸出功率，可以得出模塊的P-I特性曲線，如圖7所示。不同位置處的光強分布圖如圖8所示。閾值電流為0.36A，當電流為11.91A時，功率最大可以達到196.12W。

Fig.7 Relationship of power and current of diode laser module

對于單個半導體激光器單元，一般采用寬增益區結構的矩形或錐形諧振腔。在垂直于P-N結(快軸)方向，強波導作用只允許最低階本征模式存在，遠場分布近似為基模高斯分布；在平行于P-N結(慢軸)方向，弱波導作用使得多個波導本征模式同時存在，遠場分布近似認為是“頂帽型”分布或超高斯分布[14]。本文中使用的半導體激光合束模塊是由20個單管在快軸方向疊加而成，因此模塊的慢軸方向與單管的慢軸相同，呈現出超高斯及平頂高斯分布，如圖8所示。由于單管經過準直后的快軸發散角較小，在傳播距離不夠遠時(z=0cm)，可以看到快軸方向光強分布呈現多個尖峰。隨著光束傳播足夠遠后，在測量位置z=130cm處，各半導體激光單元發出的光束在快軸方向相互充分疊加，呈現出與單個半導體激光器的快軸方向相同的基模高斯分布形式。可以計算出經過準直后的模塊剩余發散角為：θSA=6.50mrad，θFA=7.34mrad。

Fig.8 Spot profiles of diode laser module on different positionsa—z=0cm b—z=130cm

Fig.9 Light intensity distribution after polarization combinationa—before adjusting b—after adjusting

使用光束分析儀測量到的偏振合束后的光場分布特性如圖9所示。其中圖9a為校準前在測試平面測得的光斑分布圖，通過位移臺以及棱鏡支架調整偏振分束鏡的位置與傾斜角度，使得兩個半導體激光器模塊的光束在傳播方向上完全重合，保證光束質量不受損失，圖9b為經過校準后的偏振合束輸出光斑。使用功率計分別測量兩個激光器在不同的驅動電流下合束后的功率以及損失的功率，并且計算其合束效率，結果見表1。

Table 1 Output power of polarization combination and the combining efficiency under different drive currents

currentofLD1/AcurrentofLD2/Aoutputpoweraftercombination/Wlossofpower/Wcombiningefficiency/%1．040．9819．030．3498．241．661．4938．190．6798．282．912．5077．311．3798．264．913．57117．402．1298．235．374．59157．102．8498．226．645．62195．903．6698．178．217．43291．207．8597．3711．9611．85384．1013．4296．62

從表1中可以看出，合束效率平均在96%～98%之間，當單個激光器輸出功率為200W時，合束后總的輸出功率為384.10W，損耗的功率為13.42W，合束效率為96.62%，實現了高效率的偏振合束。隨著電流的增加，單個激光器的輸出功率的增長，合束效率有輕微的下降，這是因為器件的偏振相關損耗和偏振相關增益(包括材料特性、波導作用和腔面反射率的因素)在激光振蕩的作用下被不同程度地反復放大，導致偏振度有波動，從而使偏振合束效率有略微下降的趨勢，但是總體的合束效率依然可以滿足實際應用需求。

對楞間距為1mm的菲涅耳透鏡聚焦系統進行實驗驗證，利用光束分析儀測量其焦點處的光場分布如圖10所示。可以看出,光斑在x軸方向由于只通過一個柱透鏡進行聚焦，光束被聚焦得較窄，y軸方向是通過菲涅耳透鏡聚焦，光場分布均勻性較好，光斑的上升沿很短。該聚焦光斑應用于陶瓷焊接時可以使得焊縫的一致性更好，焊接質量更佳。

Fig.10 Light field distribution on the focal plane

使用色散元件將偏振合束后的915nm模塊、940nm模塊以及980nm模塊進行波長合束，輸出功率能夠超過800W，聚焦光斑均勻性較好，并且可以通過合理設計菲涅耳聚焦透鏡的參量，從而獲得不同形狀尺寸的矩形光斑，使得該系統可以成功應用于不同場合下的Al2O3陶瓷焊接生產中。

5 結 論

本文中通過實驗分析了陶瓷激光焊接對半導體激光光束特性的參量要求，從而設計了一套基于半導體激光器單管的陶瓷焊接系統。

(1)當半導體激光器光斑尺寸與焊料寬度一致，光斑均勻性較高，激光功率在700W以上時，此時基材中不會出現裂紋，中間層無氣孔，焊接質量最佳，對激光的利用率最高。

(2)將20個單管經過整形重排后進行偏振合束實驗，整形后慢軸方向剩余發散角為6.50mrad，快軸方向為7.34mrad，得到最大合束功率384W，合束效率為96.62%，實現了高效的偏振耦合輸出。使3個不同波長的經過偏振合束后的模塊進行波長合束，輸出功率可達800W以上。

(3)設計的菲涅耳聚焦系統可以根據要求靈活改變光斑的形狀大小，輸出光斑均勻度可達93.85%，能夠滿足陶瓷焊接在不同場合下的需求。

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