藍(lán)光半導(dǎo)體激光的產(chǎn)生方法及應(yīng)用優(yōu)勢
? ? 獲得藍(lán)光半導(dǎo)體激光的方法通常有三種：一種是直接發(fā)射藍(lán)光的激光二極管LD；一種是LD倍頻的藍(lán)色光源；一種是LD泵浦通過非線性光學(xué)手段獲得的藍(lán)色激光器。早期也有使用氬離子激光器產(chǎn)生藍(lán)光的案例。藍(lán)光半導(dǎo)體激光器與藍(lán)色光電二極管LED等一樣，一般采用GaN類半導(dǎo)體材料直接獲得藍(lán)光激光。另外，使用光導(dǎo)波型元件將紅外半導(dǎo)體激光器輸出光轉(zhuǎn)換成1/2波長的光，例如使用850 nm的紅外半導(dǎo)體激光器，可獲得425 nm左右的藍(lán)紫色激光。
藍(lán)光半導(dǎo)體激光器穩(wěn)定性高、電光效率高、光譜寬度，比全固態(tài)藍(lán)光激光器大，減少了散斑。高功率藍(lán)光激光器廣泛應(yīng)用于激光加工（如銅、金）、醫(yī)療、水下通信、激光泵浦，以及超扁平電池、電動汽車的可充電電池和電動機(jī)的銅材料焊接等。
尤其是針對銅材料的激光加工，極具優(yōu)勢。在近紅外范圍，銅的吸收率通常為2%~5%，而銅在藍(lán)色波長范圍內(nèi)的吸收率提高了約12倍，對于金的吸收率提高約40倍。因此，高功率藍(lán)色激光系統(tǒng)具有完全取代目前已用于某些高反射率材料系統(tǒng)的傳統(tǒng)IR激光系統(tǒng)的潛力。
藍(lán)光半導(dǎo)體激光國外發(fā)展動態(tài)
? ? 藍(lán)光GaN功率激光二極管的最新發(fā)展是使每個(gè)發(fā)射極的光輸出功率高達(dá)5 W，結(jié)合空間合束、偏振合束、光纖合束、光纖捆綁等方式提高輸出功率可以獲得高功率的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器。
? ? 01 美國
? ? 美國NUBURU在2017年首次將高功率藍(lán)光激光器引入了工業(yè)市場當(dāng)中。開發(fā)的AO系列是由一個(gè)4×5的藍(lán)光二極管陣列構(gòu)成，通過交錯(cuò)反射鏡，形成一個(gè)由5×16個(gè)空間偏移波束組成的集成陣列（見圖1），得到一個(gè)輸出波長450 nm、功率200 W的模塊。
2020年，NUBURU發(fā)布了功率500 W的藍(lán)光激光器AO-500，集成了四個(gè)獨(dú)立的200 W模塊，使用交錯(cuò)反射鏡和偏振鏡以最小的損耗組合光束，如圖2所示。非球面透鏡將光束聚焦為一個(gè)光斑，該光斑耦合進(jìn)入芯徑400 μm的光纖，耦合效率超過90%。
2020年推出的新款A(yù)l-1500藍(lán)光激光器是美國NUBURU首款連續(xù)輸出功率高達(dá)1.5 kW（圖3），可匹配100 μm芯徑QBH光纖輸出，光束質(zhì)量BPP值<11 mm·mrad。可在320 mm焦距位置保持450 μm光斑直徑，且掃描范圍可覆蓋110 mm×110 mm。配合NUBURU BlueWeld系列焊接頭，可焊透約1.5 mm厚度的無氧銅，配合振鏡使用，應(yīng)用于3D成型及熔覆、汽車及3C產(chǎn)品制造、電機(jī)轉(zhuǎn)子制造、新能源電池的電芯焊接的藍(lán)光激光器。
? ? 02 日本
? ? 日亞公司提供的藍(lán)光單管功率不斷提高，圖4是他們公司生產(chǎn)的5 W藍(lán)光半導(dǎo)體激光器TO9封裝單管示意圖。除此之外，還報(bào)道了斜率效率為 1.8 W/A、光功率約5 W的藍(lán)光激光器。索尼公司報(bào)道了斜率效率為1.8 W/A、光功率約5.2 W的藍(lán)光激光器。德國歐司朗報(bào)道了斜率效率為1.6 W/A、光功率為4.5 W的藍(lán)光激光器。
2019年2月，日本島津宣布與大阪大學(xué)合作開發(fā)出輸出功率達(dá)到1 kW的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器。日本NEDO項(xiàng)目開發(fā)了以銅粉為原料的激光3D打印機(jī)。同年，該項(xiàng)目組報(bào)導(dǎo)成功從100 μm芯徑的光纖中輸出了200 W功率，功率密度達(dá)到了2.5 MW/cm2，通過組合多個(gè)200 W藍(lán)光激光器，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)kW級的激光器[3]。
藍(lán)光半導(dǎo)體激光國內(nèi)研究現(xiàn)狀
? ? 國內(nèi)的藍(lán)光激光器發(fā)展也十分迅速。2017年北京工業(yè)大學(xué)實(shí)現(xiàn)了152 W耦合光纖芯徑為400 μm的藍(lán)光激光器。由于2020年國內(nèi)新能源行業(yè)加大擴(kuò)產(chǎn)，動力鋰電設(shè)備需求增加，聯(lián)贏激光全年新簽訂單15.08億元，千瓦級藍(lán)光激光器在新能源行業(yè)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)轉(zhuǎn)移。2021年，聯(lián)贏激光又推出了功率為1 kW，光纖芯徑為800 μm，光束質(zhì)量為NA0.22的藍(lán)光激光器。
2011年，武漢銳科激光推出藍(lán)光500 W、1.5 kW光纖輸出半導(dǎo)體激光器，滿足了3C電子行業(yè)客戶及鋰電池焊接行業(yè)客戶對高反材料金屬的加工需求，其參數(shù)對比如表1。
表1 銳科藍(lán)光光纖輸出半導(dǎo)體激光器參數(shù)
RFL-B500D |
RFL-B1500D |
|
功率/W |
500 |
1500 |
波長/nm |
430-470 |
/ |
光束質(zhì)量/mm·mrad |
44 |
66 |
光纖芯徑/um |
400 |
600 |
2021年1月，凱普林成功推出了功率為1 kW330 μmNA0.22藍(lán)光產(chǎn)品。
藍(lán)光半導(dǎo)體激光在銅材料中的焊接應(yīng)用
? ? 近年來，隨著電動汽車行業(yè)的發(fā)展，銅材料的需求量大大提升，傳統(tǒng)的紅外激光器難以處理工業(yè)中銅、金等有色高反高導(dǎo)熱的金屬材料，主要原因在于銅等材料對紅外波長的吸收率一般低于5%，并且紅外激光焊接銅的過程中往往運(yùn)行不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致廢品率提升。
? ? 01 單一藍(lán)光激光焊接
? ? 凱普林1000 W藍(lán)光系統(tǒng)，長×寬×高：700 mm×540 mm×810 mm，為了測試系統(tǒng)性能，我們選擇了銅（T2）、不銹鋼及鋁合金 （1060）作為焊接樣品，從光纖端面到工件臺上焦點(diǎn)的成像比例為1.5X，焊接過程中使用了He （或者Ar）氣作為保護(hù)氣體，在整個(gè)焊接過程中，焊縫表面成型穩(wěn)定，無任何飛濺，表面光滑；40X顯微鏡下，焊縫內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)氣孔。
? ??02 藍(lán)光半導(dǎo)體激光——光纖激光復(fù)合焊接
? ? Laserline提出了復(fù)合光源概念。從理論上講，最大熔深可以通過提高輸出功率來改變。使用500 W的輸出功率，藍(lán)色激光的最大焊接熔深為0.3~0.4 mm。使用1 kW的藍(lán)光，熔深為0.6～0.7 mm[4]。采用1 kW藍(lán)色加3 kW紅外線和2 m/min的進(jìn)給速度，可以達(dá)到1.45 mm的焊接熔深。在以相同的進(jìn)給速度將紅外激光功率增加到3.5 kW或4 kW后，可以實(shí)現(xiàn)1.91 mm或2.36 mm的焊接穿透深度。如果使用2 mm薄板的對接，可以使用1 kW的藍(lán)色加上3 kW的紅外線，進(jìn)給速度為2 m/min，獲得超過3 mm的焊接滲透深度[4]。
藍(lán)光復(fù)合焊接技術(shù)是通過聯(lián)贏自主研發(fā)的藍(lán)光復(fù)合焊接出射頭將紅外激光及藍(lán)光激光復(fù)合在一起，使兩束激光的軸線在空間上重合，如圖7所示，紅外激光進(jìn)行深熔焊接，藍(lán)光激光具備預(yù)熱緩冷的作用，并適度進(jìn)行熱傳導(dǎo)焊接。
結(jié)束語
? ? 藍(lán)光激光器在銅材加工方面具有積極的加工作用，并且通過復(fù)合光源可彌補(bǔ)藍(lán)光激光器功率密度低的應(yīng)用劣勢。利用光纖激光器高功率密度的特性，能夠快速且穩(wěn)定地形成匙孔，與此同時(shí)，再利用銅材對藍(lán)光的高吸收特性，使得銅材能夠快速地被加熱，以及減緩熔池的凝固速度，最大限度的減少銅材焊接中氣孔和飛濺的問題，使得無飛濺、高穩(wěn)定性、高品質(zhì)的厚銅材焊接成為可能。
? ? 01 作者簡介
唐霞輝，華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，激光加工國家工程研究中心副主任。主要從事高功率激光器、激光先進(jìn)制造技術(shù)等研究。研究高功率、高光束質(zhì)量CO?激光器及其在超大規(guī)模集成電路退火應(yīng)用；高功率半導(dǎo)體激光器光束整形、光譜合束。
翁彬惠，華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院本科生，主要從事藍(lán)光半導(dǎo)體激光器合束方面的研究。
鄭暤翾，華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院碩士研究生，主要從事藍(lán)光大功率半導(dǎo)體激光器方面的研究。
胡烜瑜，華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院碩士研究生，主要從事藍(lán)光大功率半導(dǎo)體激光器方面的研究。
肖瑜，華中科技大學(xué)光電信息學(xué)院副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事半導(dǎo)體激光外腔合束技術(shù)、激光光場調(diào)控的研究與開發(fā)。
? ? 02 參考文獻(xiàn)
1.M.Pelaprat,M.Zediker,M.Finuf,etal.,The Blue? Light? District[J].Photonics Views,2020,1,61
2. 張義威.大功率藍(lán)光半導(dǎo)體激光器光纖合束的研究[D].華中科技大學(xué)，2021.
3.M Suwa,N Wakabayashi,T Hiroki,et al.,Development of BLUE IMPACT,a 450nm-wavelength? light? source? for? laser processing,Proc.SPIE10900,High-Power Diode? ? ?Laser Technology XVII,109000A(4 March 2019)M.Rütering:Hybrid Solution Moves? Boundaries? of? Copper? Welding, PhotonicsViews,2019,16(5):46
4. 國 內(nèi) 首 款 自 主 研 發(fā) 高 功 率 千 瓦 級 藍(lán) 光 激 光 器
https://www.laserfair.com/news/202005/09/75910.html
