针对两种波长的直接高功率半导体激光堆栈, 为适应半导体激光在材料加工方面的需求, 设计一种双波长合束及长焦距光学系统。首先, 利用快慢轴准直镜对两种波长的激光堆栈进行初步准直, 然后, 用双波长合束镜将其合束。进而, 利用倒置开普勒望远系统原理对慢轴光束进一步扩束准直, 最终, 用快慢轴聚焦镜实现同步聚焦。利用光参数积原理对聚焦系统进行理论分析, 并根据瑞利长度公式计算出焦深。用ZEMAX软件对整个光路进行光线追迹, 得出模拟结果。根据理论分析和软件模拟, 开展相应实验。经合束和聚焦, 实现焦距300 mm, 焦点尺寸2.0 mm×4.0 mm的聚焦光斑, 输出功率5 000 W, 功率密度达104瓦级。最后讨论该系统影响因素。聚焦光斑可用于激光熔覆, 表面处理等工艺。

针对2 750 W直接大功率半导体激光堆栈输出的矩形光斑, 设计了一种长焦距光学系统用于激光材料加工。首先,对整形光路进行了理论分析, 利用倒置开普勒望远系统原理对慢轴光束进行扩束和准直, 再利用聚焦镜实现快慢轴同步聚焦。推导出了快慢轴聚焦光斑大小的公式并计算出焦深理论值, 分析了聚焦光斑大小的影响因素。接着, 用ZEMAX软件模拟了LD stack光源和整个光学系统并进行了光线追迹, 得到了模拟的光束变化形式及聚焦光斑尺寸。最后, 进行相应的实验验证, 实现了1.5 mm×4.0 mm的焦点光斑, 焦距250 mm, 焦深18.6 mm。讨论了整个聚焦光学系统性能的优缺点以及今后的改进方向。这种聚焦方法可以得到长焦距高功率密度聚焦光斑, 满足激光熔覆、表面处理等工艺对光源的要求。