基于陶瓷焊接的半导体激光器合束及聚焦研究

汪 菲，唐霞辉*，钟理京，许成文，胡 千，姚 巍

(1.华中科技大学 光学与电子信息学院，武汉 430074； 2.深圳华中科技大学研究院，深圳 518057)

引 言

Al2O3陶瓷由于其高硬度、高熔点、抗氧化、耐高温、耐磨损和抗腐蚀等优异性能[1]，可作为钢管的内衬来增强运输管道的性能及使用寿命[2]。传统方法一般采用法兰盘连接和电弧焊接方法连接陶瓷复合钢管，但是由于Al2O3陶瓷焊接性能差，导致接头处密封性、强度和耐腐蚀性差[3]。激光焊接陶瓷内衬管是目前重要的国际发展趋势，半导体激光器的输出光为平顶波光束，焊缝一致性好，非常适合用于作氧化物和非氧化物陶瓷焊接的激光光源[4]。

随着半导体激光器光束整形、合束技术以及封装散热技术的发展，其功率水平和光束质量都有了很大提高，已经成为金属表面硬化、聚合物及金属焊接、薄片切割以及医疗领域的直接应用激光光源[5-9]。德国的Laserline公司利用“多堆栈模块”、偏振合束及波长合束技术已研制出应用于抽运源的光纤耦合半导体激光器，输出功率可达25kW，耦合光纤芯径2mm，数值孔径(numerical aperture，NA)为0.2，输出光束的质量为200mm·mrad[10]。美国的Teradiode公司最新利用波长合束技术研制出的光纤耦合半导体激光器输出功率达到4680W，光纤芯径为100μm，数值孔径小于0.08，输出光束质量为3.5mm·mrad，这是迄今为止报道的所有千瓦级直接半导体激光器中最高的光束质量，此激光器可应用于金属板的切割焊接等领域，性能可媲美如今广泛应用在切割焊接领域的光纤激光器、CO2激光器等，且相比之下，此半导体激光器具有更高的效率(50%)[11]。……