一种超高功率半导体激光准直输出设备的制作方法

本发明属于半导体激光器及激光加工，具体涉及一种超高功率半导体激光准直输出设备，主要应用于工业激光切割、焊接、表面处理等加工场景以及需要高功率、可调光斑形态的科学研究领域。

背景技术：

1、半导体激光器以其电光转换效率高、体积紧凑、寿命长等优势，在工业加工、科学研究等领域得到广泛应用。随着激光加工对功率密度和加工效率的要求不断提高，半导体激光器的输出功率已从千瓦级向万瓦级发展。目前实现高功率半导体激光输出的主要方式包括：采用单根光纤直接输出、将多根光纤拉锥合束后输出，或者将半导体激光芯片出光经快慢轴准直后通过空间合束和偏振合束输出。这些方案在一定程度上满足了万瓦级激光输出的需求，但随着应用场景对更高功率和更灵活光斑形态的要求日益增强，现有技术方案的局限性逐渐显现。

2、单根光纤输出受限于单纤耦合功率上限，难以满足更高功率的使用需求；拉锥合束虽然能够提升输出功率，但合束过程中光束质量会明显下降，影响最终加工精度和效果。空间合束和偏振合束虽然能够保持较好的光束质量，但输出光斑通常为矩形，形态单一，难以适应不同加工场景对光斑形状的多样化需求。同时，空间合束和偏振合束需要精密的光学元件和复杂的装调工艺，光学系统结构复杂、体积庞大、成本较高，且输出功率受到合束元件数量和光路布局空间的限制。

3、在超高功率激光加工、特殊科研实验等应用领域，不仅需要激光设备具备数十千瓦级的输出能力，还要求输出光斑形状能够根据加工对象和工艺需求灵活调整，同时保持优良的光束质量和长期运行稳定性。现有技术方案难以同时满足高功率、可调光斑形态、高光束质量和低成本的要求。因此，亟需一种能够在不牺牲光束质量的前提下实现超高功率输出，且输出光斑形态可灵活排布的半导体激光准直输出设备。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种超高功率半导体激光准直输出设备，用于解决现有半导体激光设备中单根光纤或拉锥合束输出功率不足且光束质量明显下降，以及空间合束和偏振合束输出光斑形态单一、光学方案复杂、成本较高、输出功率受限的问题。

2、为了解决上述问题，本发明提供一种超高功率半导体激光准直输出设备，包括：

3、半导体激光器，包括多个半导体激光器单模块，每个半导体激光器单模块包括多个半导体激光泵源和与半导体激光泵源连接的驱动电路；半导体激光器设有冷却水接口，冷却水接口与多个半导体激光器单模块的水冷板连接，多个水冷板并联设置以使各水冷板的冷却水流量和流速一致；半导体激光器还设有电源接口和通信接口，电源接口用于为半导体激光器内部器件供电，通信接口用于与外部控制设备通信并控制半导体激光器的输出功率和输出时间；

4、激光传输光缆，内部包含多根半导体激光泵源光纤，多根半导体激光泵源光纤分别连接多个半导体激光泵源并捆束设置，激光传输光缆内未设置拉锥合束结构、空间合束结构和偏振合束结构；激光传输光缆具有保护铠甲；

5、光纤捆束输出模块，包括定位结构，定位结构用于将多根半导体激光泵源光纤的输出端按照预设空间排布进行排列设置并保持各半导体激光泵源光纤输出端之间的相对位置关系，形成预设输出阵列；

6、激光准直器，设置于光纤捆束输出模块的输出端，用于对预设输出阵列输出的激光进行准直，形成近准直光斑；激光准直器设有冷却水接口，用于对激光准直器内部结构件和镜片进行散热。

7、进一步地，光纤捆束输出模块相对于激光准直器的光轴具有可调安装结构，用于调节预设输出阵列与激光准直器之间的相对角度和位置，可调安装结构包括调节螺纹副和锁紧机构。

8、进一步地，激光准直器的水冷回路为梯度散热结构，水冷回路包括对应激光准直器的准直镜片中心光路区域设置的高流量水冷通道和对应准直镜片边缘区域设置的低流量水冷通道，高流量水冷通道的流道截面积大于低流量水冷通道的流道截面积，高流量水冷通道和低流量水冷通道均与激光准直器的冷却水接口连通，形成与激光光路热量分布相匹配的差异化梯度散热体系。

9、进一步地，光纤捆束输出模块的定位结构包括阵列基板、多个微型位移执行器和阵列控制单元；阵列基板上开设有呈矩阵分布的导向通孔，导向通孔的内径大于半导体激光泵源光纤的外径，每根半导体激光泵源光纤穿过对应的导向通孔，半导体激光泵源光纤在导向通孔内具有径向活动空间；微型位移执行器固定于阵列基板上，微型位移执行器的驱动端通过夹爪或套管夹持于半导体激光泵源光纤的靠近输出端的位置，用于推动半导体激光泵源光纤的端部在导向通孔内移动；阵列控制单元与各微型位移执行器电连接，用于根据预设光斑形状参数计算各半导体激光泵源光纤端部的目标坐标，并向各微型位移执行器发送位移指令，驱动对应半导体激光泵源光纤的端部在阵列基板平面内进行二维移动，以实时动态重构光纤输出阵列的排布形状；微型位移执行器为压电陶瓷驱动器或形状记忆合金驱动器。

10、进一步地，还包括分区阶梯式功率梯度调控系统和温度传感器，分区阶梯式功率梯度调控系统包括中央控制单元和多个独立控制的功率调控分区，预设输出阵列按照空间位置划分为多个功率调控分区，每个功率调控分区包含至少一根半导体激光泵源光纤，每个功率调控分区对应设置独立的驱动电路支路；温度传感器为红外温度传感器，设置于激光准直器输出窗口处，用于实时采集输出激光作用区域的温度分布信息并向中央控制单元提供实时温度反馈信息；中央控制单元与各驱动电路支路电连接，用于根据加工材料的热传导特性、加工路径曲率以及温度传感器提供的实时温度反馈信息，对各功率调控分区分别设定阶梯式功率输出等级，使输出光斑在空间上形成预设的功率梯度分布。

11、进一步地，各半导体激光器单模块以抽屉式结构通过导轨安装于半导体激光器的机箱内，导轨设有定位销或定位面，用于保证快插式接口的插拔对中精度；各半导体激光器单模块的电源接口、通信接口和水冷接口均为快插式接口，快插式接口包括带有自密封功能的快插水管接头和带有防电弧设计的快插电气接头，使各半导体激光器单模块能够在不停机状态下进行热插拔更换。

12、进一步地，激光传输光缆在靠近光纤捆束输出模块的区段设有应力释放套管，应力释放套管内部设有螺旋弹簧骨架，螺旋弹簧骨架与保护铠甲之间填充有柔性缓冲材料；激光传输光缆的弯曲区段设有刚性限位环，刚性限位环限定激光传输光缆的最小弯曲半径。

13、本发明具有如下有益效果：

14、（1）本发明采用模块化设计，多个半导体激光器单模块通过并联水冷板保证散热一致，多根半导体激光泵源光纤直接捆束输出，不经过拉锥合束、空间合束和偏振合束，从根本上避免了合束过程引起的光束质量劣化，能够在实现80千瓦级超高功率输出的同时保持较高的光束质量。激光传输光缆内的多根光纤独立传输，输出功率可通过增加半导体激光器单模块数量灵活扩展，突破了传统合束方案在空间和成本上的限制。

15、（2）本发明光纤捆束输出模块将多根半导体激光泵源光纤的输出端按照预设空间排布排列成矩形、圆形、环形等任意阵列，输出光斑形状可根据实际加工或科研需求灵活调整，还可通过动态重构模块实时改变光斑形态，满足特殊应用场景对光斑形状和功率分布的个性化要求，显著提高了设备的适应性和加工灵活性。

16、（3）本发明激光准直器采用梯度散热结构，中心光路区域设置高流量水冷通道，边缘区域设置低流量水冷通道，精准匹配光路热量分布，消除准直镜片热畸变。