根据商用大功率半导体激光堆的偏振性和慢轴远场特性，结合商用光学设计软件ZEMAX将两个600W的半导体激光堆利用GlanTaylor棱镜进行偏振耦合并准赶聚焦输出配以自制加上头获得激光加工系统。系统输出功率大于1000W．在焦距100m处光斑大小约为1mm×6mm(能量大于95％)。平均能培密度人于1.6×10000W／平方厘米，利用该激光系统对U74钢轨的表面以1050mm／min进扫描，获得表面相变硬化层深度约为0．25mm，表而硬度从250 HV10／20提高到800HV10／20至900H

与传统的工业用CO2激光器和YAG激光器相比，大功率半导体激光器不仅具有体积小、能耗小、维护周期长的固有优势，而且能提供更高的加工效率：金属在半导体激光的输出波段808mm附近吸收率远高于CO2和YAG激光，如金属Al，其吸收率分别是YAG和CO2激光的3倍和15倍。目前，大功率半导体激光器越来越多的运用于工业领域，特别是由于其特有的快、慢轴不对称输出，通过简单的光学系统即可获得具有较大纵宽比的高亮度大光斑，使其满足在金属表面熔覆、相变硬化等中等光功率密度需求、较大激光作用区域的领域更是具有普通CO2、YAG激光不可比拟的优势。

目前，国外该类激光加工系统已大量运用于工业生产中，而国内的半导体激光器研究主要面向于泵浦源领域，尚未见文献报道专门针对工业应用的半导体激光加工系统。本文采用偏振耦合技术结合简单的光学系统获得了千瓦级半导体激光系统并用于U74钢轨的表面相变硬化，使其表面硬度提高三倍以上。

1 偏振耦合系统及光路设计

由于半导体激光器自身结构原因，其光束质量较差，必须通过必要的手段改善其输出光束质量以同时满足工业加工所需的高亮度和长焦距。目前大功率半导体激光器均采用应变量子阱结构，重空穴带和轻空穴带分离，输出光偏振度大于98％，因此偏振耦合技术是提高大功率半导体激光器亮度的有效途径。Glan-Taylor棱镜属于空气隙格兰型棱镜，视场内光的偏振分布均匀，透射光侧向平移小，损伤阈值高，适合高功率激光的偏振应用。其缺点在于对称视场角小，通常为80左右(全角)。本文中采用的激光器为美国Night公司NL-VSA-10-L600W连续输出半导体激光堆，波长为808mm，偏振特性为TM模式，每个堆由10个带快轴准直(FAC)的激光bar构成，在快轴方向上发散角为0．25°，光束质量高；慢轴方向光束质量差，其分布状态是激光系统的设计基础。

图1a为距激光堆1m处实验获得的激光堆600W输出时慢轴方向远场分布曲线。由图可知，激光堆慢轴方向远场分布基本满足二阶超高斯分布。95％以上的能量在8°全角范围，因此可直接利用Glan-Taylor棱镜进行偏振耦合。

图1b为所采用的偏振耦合结构示意图，采用改进型OE双光Glan-Taylor棱镜，使需全反射的0光沿棱镜的侧面未经折射进入，合柬角约为103。。棱镜中光轴方向与纸平面平行，半导体激光堆A(直路)输出的TM偏振光偏振方向垂直于激光器结平面，通过二分之一波片正入射进入Glan-Tay-lor棱镜，偏振方向与晶体主平面平行，形成低折射率e光通过棱镜，传播方向保持不变：半导体激光堆B(旁路)输出的TM偏振光偏振方向和晶体主平面垂直，O光在晶体中空气间隙处发牛全反射与e光形成合束出射。偏振耦合输出的激光传输特性与直路(旁路)单路输出相同只是偏振状态由单路的线偏光变成了圆偏振光，因此输出光功率密度则提高了一倍。利用光学软件zemax的非序列模块进行优化，模拟光源采用光源阵列，慢轴方向光场分布采用图1中所示二阶超高斯分布；偏振耦合输出后利用f=350mm的柱面镜对慢轴方向进行准直，最后通过f=100mm的聚焦镜对光束进行聚焦，整个光路如图2所示。

图3为计算得到焦点处光斑能量分布，此时光斑大小约为1mmx6mm(能量大于95％)，平均功率密度大于1.6×10000W／平方厘米，满足激光表面处理的需求。

2 系统输出功率及光斑测试

根据以上设计思路搭建光路实测其输出功率，并利用德国PROMETEC UFFl00光斑质量分析仪测试其焦点位置处光斑形貌，图4为整个激光系统及各分路的P-l曲线，当驱动电流为65A时，系统输出功率为1005W，光学系统转换效率约为84％。图5为焦距附近的光斑分布，由于PROMETECUFF100光斑质量分析仪的最大探测窗口为4mm×4mm，而系统慢轴方向光束聚焦后的尺寸大于该测量窗口，因此慢轴方向的光斑突然截止，但其整体分布形貌与zemax计算得到光斑分布(如图3)基本一致，这说明实际所得激光系统与设计吻合，功率密度分布能够满足激光表面处理需求。

3 U74钢轨的表面相变硬化

利用该激光系统辅以自主开发的加工头(如图6)以U74钢轨为基底进行了初步的表面硬化实验。将钢轨试样表面进行去污、去锈处理，用氢气作为保护气体，激光光束沿试样表面法线方向入射沿光斑的短轴方向进行快速扫描。图7为输出功率700W，扫描速度1050mm／min时获得的硬化层表面及截面形貌，硬化层宽度约为4．5mm，厚度约为0．25mm。利用HXD一1000型显微硬度计对硬化层进行分析，经过表面相变硬化后材料表面硬度达到800 HV10／20至900HV10／20，比基体硬度提高约3倍至4倍，达到厂使用1．8KWCO2激光相变硬化U74钢轨的硬度指标。

4 结果及讨论

根据激光堆的偏振性和远场特性利用Glan-Taylor棱镜将两个激光堆进行偏振耦合并通过简单的光学系统准直聚焦输出配以自制的加工头获得了KW级半导体激光加工系统。采用该系统对U74钢轨表面进行扫描获得相变硬化层，表面硬度提高三倍以上。实验中发现，采用该偏振耦合结构，整体能量损耗比较大，这是由于Glan-Taylor棱镜透射比通常仅为85％左右；而直路功率高于旁路(如图4)主要是因为目前商用Glan-Taylor棱镜主要针对直路透射，因此晶体结构角相对旁路而言没有最优化，导致部分光没有发生全反射损失掉，因此如果订制晶体可一定程度上提高旁路效率。另一方面，如图7，硬化层截面两端厚度有所下降是由于系统输出光斑不是完全的平顶光束，该问题可通过在系统中增加平顶化光学设计，但会破坏系统简洁性增加成本，这由激光加工系统具体使用需求所决定#p#分页标题#e#