應用于材料加工的激光光源發(fā)展迅速。全新藍光激光棒的光功率可以高達100瓦。紅外激光棒可實現(xiàn)以前被認為幾乎無法企及的效率。

大功率激光二極管作為材料加工激光系統(tǒng)的光源正在發(fā)揮著越來越重要的作用。紅外激光棒具有極高的光功率，其功率和效率目前已達到一個全新水平。另外，值得注意的是藍光波長激光棒，其在實驗室中的光功率可達100瓦（W）。這是一個巨大飛躍，因為不到十年前，藍光激光二極管只有幾瓦的功率。

? 適用于材料加工的高能光束

高功率密度令激光輻射成為一種高效的工具，可以將定量的能量傳輸?shù)焦ぜ囟▍^(qū)域，并在非接觸的情況下對這些區(qū)域進行精確加熱。典型的應用包括各種金屬和塑料的雕刻、涂層、焊接和切割等。根據(jù)VDMA 2019的《激光技術世界》統(tǒng)計，目前用于金屬切割和焊接的大功率激光工具占據(jù)了全球材料加工激光系統(tǒng)45%左右的市場份額。目前，大功率半導體激光器的應用也越來越廣泛，它既可直接用作激光加工工具，也可以用于泵浦光纖或固態(tài)激光器。與二氧化碳激光器或閃光燈抽運固態(tài)激光器相比，它的效率更高，結構更緊湊。其核心是半導體激光二極管，通常為光功率較高的激光棒。多個激光棒堆疊在一起可用作工業(yè)半導體激光器的光源，此類激光器的光功率目前可以達到100千瓦（kW）。

用于材料加工的激光二極管的核心參數(shù)包括波長、光功率、電光轉換效率（WPE）和光束質量。這些是衡量一個完整系統(tǒng)效率以及成本效益的必需參數(shù)。較高的光功率和效率可減少系統(tǒng)所需的激光芯片數(shù)量，從而降低耦合和冷卻成本以及光學系統(tǒng)復雜性。光束質量決定了可以耦合進光纖的激光功率的大小，適當?shù)牟ㄩL則能夠確保加工材料充分吸收激光能量。目前，由于大多數(shù)使用激光加工的材料可吸收約1 μm波長的光，所以在激光加工行業(yè)中，紅外激光器的應用得到了較為廣泛的普及。

大功率藍光激光器 ?

銅是電氣工程中最重要的原材料之一，在電池、電機或斷路器的電力傳輸?shù)确矫姘l(fā)揮著核心作用。例如，在用于電動汽車或儲能系統(tǒng)的鋰離子電池中，每個電池通過銅介質實現(xiàn)連接導通。這時，由于高工作電流，這些連接會受到較高熱應力的影響。傳統(tǒng)的焊接接頭在這樣的情況下會不夠穩(wěn)定，因此激光焊接的應用實現(xiàn)了高速的增長。

但是銅會反射大量紅外波長，其他有色金屬（如金或鋁）也有類似情況（圖1）。如果采用紅外激光來進行加工，就需要非常高的激光功率。除了能耗高之外，工藝的可控性也相對較差。一旦銅在高溫下熔化，它就會大量吸收紅外光。當融化的銅“沸騰”后，會形成孔隙并產生飛濺。焊接質量差也會影響其導電性等性能。圖1顯示了金和銅的光譜吸收對比情況。銅吸收藍光的能力是紅外光的12倍，同時也是綠光的1.2倍。對于金來說，這些系數(shù)分別為50和2.2。因此，在加工中，當波長低于500 nm時，可實現(xiàn)最高的系統(tǒng)效率。

目前藍光工業(yè)半導體激光器的光功率可達到幾百瓦到幾千瓦。開發(fā)基礎的大功率藍光激光二極管是其中的關鍵任務。在不到十年前，其輸出功率還在毫瓦至幾瓦范圍內，可用于藍光驅動器、投影機或汽車頭燈等應用?，F(xiàn)在，藍光激光二極管迎來了高速的發(fā)展，輸出效率和功率有了長足的提升。艾邁斯歐司朗不斷提高其450 nm單個發(fā)射器的效率，從2008年功率為60毫瓦時15%的效率提高至現(xiàn)在功率為2.2瓦時效率達到46%。為了將工業(yè)二極管激光器光源用于有色金屬加工，必須繼續(xù)提高其將其性能水平。作為政府資助的光子計劃（EFFILAS）的組成部分，BLAULAS項目致力于開發(fā)更高功率和效率的藍光激光器和相應的高功率激光二極管。

與紅外系統(tǒng)類似，藍光系統(tǒng)也依賴于大功率激光棒。一開始，專家們對這種方法能否成功用于銦鎵氮（InGaN）材料系統(tǒng)表示懷疑。因為它具有相對較高的晶體缺陷密度，甚至在某些情況下，具有缺陷的發(fā)射點可能會破壞整個激光棒。因此，第一步需要驗證和改進芯片制程和一致性，接下來是從設計和工藝步驟上進行優(yōu)化。2018年，艾邁斯歐司朗推出了全球首款藍光激光棒。在實驗室中，這款激光棒可在60 A的電流下實現(xiàn)98 W的輸出功率。功率為50 W時的最高效率達到46%。2019年，開發(fā)人員將其功率突破了100 W大關，達到107 W（圖3）。

這款激光棒寬9.2 mm，腔長1.2 mm，由23個發(fā)射器組成，每個發(fā)射器的孔徑寬度為30 μm。400 μm的間距可確保7.5%的低填充系數(shù)，這可防止相鄰發(fā)射器之間的熱串擾，并避免產生額外的熱量。通過這種設置，可以確保閾值電流恒定在4.5 A。在30 A / 50 W的工作點，橫向和垂直輻射角（慢軸和快軸發(fā)散角）約為7°和37°（95%能量的值）。即使在工作電流發(fā)生變化的情況下，慢軸發(fā)散角也始終低于8°。因此，激光波束可與現(xiàn)有的透鏡系統(tǒng)很好地準直，并有效地耦合到玻璃光纖中。基于這些激光棒優(yōu)異的性能，2019年首款光功率超過1 kW的藍光半導體激光器問世。

藍光激光棒SPL BD45-12-23-00B具有50 W的輸出功率，在25°C條件下，連續(xù)波（CW）工作效率為38%。大功率激光棒是構建緊湊型高輸出功率激光器光源的首選。對于幾十瓦的光功率應用，基于單個發(fā)射器設計系統(tǒng)是一種有效的方法。除了采用經典的TO封裝型的發(fā)射器，也可以選擇使用PLPCOS 450E板上芯片（CoSA）型號。該激光器可提供5 W的光功率，具有45 μm寬發(fā)射器和集成式ESD保護二極管。借助多路復用工藝，通過將多光束整合在一個光模塊中，CoSA單個發(fā)射器路線也可用于實現(xiàn)千瓦級的二極管激光器。

? 紅外激光器：突破效率限制

紅外二極管激光器已在工業(yè)材料加工領域使用了多年。隨著這些系統(tǒng)的普及，整個系統(tǒng)的成本和能源效率成為人們關注的重點。幾十年來，艾邁斯歐司朗一直專注于生產和開發(fā)基于鋁鎵銦砷化物（AlGaInAs）或鎵銦磷化物（GaInP）的紅外激光二極管和激光棒。自20世紀70年代以來，CW激光器的輸出功率從幾瓦增加到目前的400 W。

值得注意的是，該激光器輸出功率達到400 W，效率則提高至70%（在300 W時）。2011年，當輸出功率為250 W且效率達到60%時，艾邁斯歐司朗和其他半導體激光器公司似乎都遇到了現(xiàn)有技術的瓶頸。在輸出較高，且芯片內的相對溫度較高時，效率會下降，這反過來又會產生熱量，從而降低輸出效率。

作為光子計劃的組成部分，EKOLAS項目取得了一定進展。艾邁斯歐司朗的任務就是提供具有高效率、高輸出功率、良好光束質量和較高可靠性的激光棒。2020年2月，開發(fā)人員研制出波長為1000 nm和1020 nm的激光棒，其最大光功率為400 W，最高效率為300 W時的效率達到65%。該激光棒由25個發(fā)射點組成。在300 W工作點，橫向光束角最大為9°，可確保光束有效耦合至光纖。根據(jù)老化測試表明，在長期運行情況下，310 W時的可靠性較高。接下來，將轉向800-1060 nm的其他波長繼續(xù)研究。

它由25個發(fā)射點組成，每個發(fā)射點寬200 μm，波長為940、976或1020 nm。

目前，用于材料加工的紅外產品組合包括800至1060 nm波長的大功率激光棒，光功率高達250 W，808 nm波長時效率為60%，900 nm波長時效率超過65%。此外，還有一款專為光束有效耦合至光纖而設計的迷你棒，其可在準連續(xù)波工作條件下實現(xiàn)高達500 W功率。它們適用于刻印、泵浦、美容應用（如脫毛）或遠程傳感等應用。波長為915和976 nm的單個發(fā)射具有不同的發(fā)射點寬度，用于耦合至不同的光纖幾何結構中，每個發(fā)射器功率為25 W。

結a論a

大功率藍光激光二極管和紅外激光棒的創(chuàng)紀錄效率使材料加工應用向前邁進了一大步。五十多年來，艾邁斯歐司朗光電半導體一直致力于半導體激光二極管的研發(fā)。世界上首款輸出功率達到100瓦的藍光激光棒，以及紅外激光二極管效率的顯著提高，這些表現(xiàn)都是幾十年來艾邁斯歐司朗在該技術領域始終處于領先地位的印證。雷根斯堡工廠負責激光芯片的生產和開發(fā)，目前正在持續(xù)擴展這一領域。僅在過去的兩年中，紅外激光芯片的生產能力就翻了一番。

本文作者：李躍，艾邁斯歐司朗集團市場總監(jiān)，大中華區(qū)可視化與激光業(yè)務產品線負責人

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