藍(lán)激光作為半導(dǎo)體激光領(lǐng)域的一個新方向，相較于近紅外波長激光器，銅、金和鋁等有色金屬材料的吸收率均有數(shù)倍到數(shù)十倍提升。隨著工業(yè)界對高質(zhì)量激光制造的要求越來越高，高性能藍(lán)光光源逐步應(yīng)用于焊接、熱處理和增材制造等材料成形領(lǐng)域，市場前景廣闊。本文分析了高功率高亮度藍(lán)激光在材料加工領(lǐng)域的優(yōu)勢，總結(jié)了藍(lán)光半導(dǎo)體激光器的發(fā)展歷程、金屬加工領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀，提出了一些對高功率藍(lán)激光器發(fā)展方向的思考。
半導(dǎo)體激光器是一種電光轉(zhuǎn)換器件，近50年來取得了快速發(fā)展和豐碩成果，在科學(xué)研究和工程技術(shù)中有著廣泛的滲透和應(yīng)用。它利用半導(dǎo)體材料作為增益介質(zhì)，通過電子在能級間躍遷發(fā)光的原理，利用由半導(dǎo)體晶體構(gòu)成的諧振腔和平行反射鏡，在電注入下實現(xiàn)光振蕩、反饋，并最終產(chǎn)生光的輻射放大，從而實現(xiàn)激光輸出[9]。
圖1 半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)圖藍(lán)激光作為半導(dǎo)體激光領(lǐng)域的一個新方向，近年來快速發(fā)展出諸多應(yīng)用。其中，得益于450nm短波段的獨特優(yōu)勢，相較于近紅外波長激光器，針對有色金屬材料（尤其銅、金）的吸收率提高了數(shù)倍到數(shù)十倍（如圖2）[1]。高性能藍(lán)光光源為銅、金等有色金屬材料高質(zhì)量激光加工提供了新技術(shù)，也使得這項技術(shù)能夠在材料加工、消費電子、汽車和新能源等國民經(jīng)濟(jì)和軍事國防領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，市場前景廣闊，已成為激光領(lǐng)域國際競爭制高點。國內(nèi)多家研究單位和企業(yè)正在進(jìn)行攻關(guān)功率GaN基藍(lán)光半導(dǎo)體激光芯片。
圖2 金、銅激光吸收率曲線
目前國內(nèi)對芯片的開發(fā)在逐步追趕，對工業(yè)應(yīng)用的開發(fā)走在前沿，但在藍(lán)光光源系統(tǒng)功率、光束質(zhì)量和可靠性等關(guān)鍵性能上，我國與國際水平、產(chǎn)業(yè)需求仍有一定差距，制約了藍(lán)光激光在高附加值高端制造中的應(yīng)用推廣。
藍(lán)激光對有色金屬領(lǐng)域的焊接特性
紫銅激光焊接技術(shù)是最能體現(xiàn)藍(lán)激光器在焊接領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢。由于銅對近紅外激光的吸收率非常低、吸收率波動大，而且銅本身具有良好的導(dǎo)熱性，因此在進(jìn)行激光焊接時容易出現(xiàn)焊縫成形差、易變形、熱裂紋、飛濺、氣孔等焊接缺陷[2]。利用紫銅材料對藍(lán)光激光的高吸收率，實現(xiàn)了紫銅激光焊接技術(shù)的突破。在焊接過程中，能夠快速將能量轉(zhuǎn)化為熱能，導(dǎo)致紫銅表面熔化并形成熔池，隨后通過熱傳導(dǎo)向工件內(nèi)部傳遞熱量，從而實現(xiàn)了無飛濺、無氣孔的焊接效果[4]。
圖3 不同溫度下純銅對近紅外激光的吸收曲線
藍(lán)激光焊接系統(tǒng)采用凱普林藍(lán)光激光器作為光源，配備準(zhǔn)直聚焦焊接頭、光纖-藍(lán)光復(fù)合焊接頭以及工作臺，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)和脈沖等多種焊接方式。該系統(tǒng)在搭接焊和對接焊方面表現(xiàn)出色，尤其適用于高反射材料，如銅、金、不銹鋼和合金的焊接。
圖4 凱普林藍(lán)光1000W系統(tǒng)及其焊接頭
焊接過程中使用He（或者Ar）氣作為保護(hù)氣氛，驗證了不同流量、焊接速度、功率和離焦量下的焊接工藝。藍(lán)激光既可對厚度為20μm的銅箔做多層疊焊，也可實現(xiàn)0.3mm、0.6mm等不同厚度紫銅對接焊。焊接過程中，焊縫表面成型穩(wěn)定，無飛濺，表面光滑；40X顯微鏡下，焊縫內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)氣孔。另外除了薄片銅的疊焊與對接焊，在新能源電極發(fā)卡、電子芯片鈹青銅引腳焊接等，藍(lán)激光均有優(yōu)良的焊接表現(xiàn)。針對厚板焊接，考慮到藍(lán)光無法實現(xiàn)深熔焊且光斑較大的特點，我們探索了藍(lán)光和紅光的復(fù)合應(yīng)用方案。紅光可以實現(xiàn)小芯徑高功率，以提高熔深，而藍(lán)光則利用銅高吸收率迅速熔化材料，同時增強對紅光的吸收率。此外，藍(lán)光的大光斑還能擴大熔池，延緩熔池凝固，從而在一定程度上實現(xiàn)低飛濺、低氣孔率和高質(zhì)量焊接。
圖5 凱普林500/1000W藍(lán)光焊接0.3/0.6 mm T2 Cu 結(jié)果
藍(lán)光激光在焊接不銹鋼方面也具有一定的優(yōu)勢。由于不銹鋼對藍(lán)光的吸收率較高，藍(lán)光激光能夠有效地將能量轉(zhuǎn)化為熱量，快速熔化不銹鋼表面，實現(xiàn)高質(zhì)量的焊接。同時，藍(lán)光激光有較高能量密度和較小的熱影響區(qū)，有助于減少熱變形和焊接區(qū)域的氧化，從而提高焊接質(zhì)量。圖6（a）為3KW紅外激光融化不銹鋼表面，圖6（b）為500W藍(lán)激光融化不銹鋼表面，融化過程可以看出，藍(lán)激光熔池更穩(wěn)定，無金屬飛濺。
圖6 凱普林藍(lán)光加工304SUS結(jié)果對于鋁及銅鋁復(fù)合材料的焊接，藍(lán)光激光也具有一定的適用性。鋁材料對藍(lán)光的吸收率相對較低，但是通過合適的功率密度和光斑形狀，藍(lán)光激光也能夠?qū)崿F(xiàn)對鋁材料的有效焊接。此外，可以考慮采用復(fù)合應(yīng)用的方式，結(jié)合藍(lán)光和紅光激光來提高對鋁材料的焊接效果，以克服鋁材料對藍(lán)光的吸收率較低的限制[3]。綜合考慮材料特性和激光特性，可以設(shè)計出適合鋁材料焊接的藍(lán)光激光方案，以滿足不同應(yīng)用場景的需求。
另外藍(lán)光也為銅鋁的復(fù)合焊接提供了新的可能性，由于紅外激光在焊接時高溫，導(dǎo)致銅鋁復(fù)合時產(chǎn)生大量脆性的金屬間化合物，復(fù)合應(yīng)用藍(lán)光和紅光激光也可以在銅鋁復(fù)合材料的焊接中發(fā)揮作用，以提高焊接質(zhì)量和效率。
圖7 凱普林藍(lán)光500W焊接T2CU+1060AL及1060AL
藍(lán)激光及其與紅外激光的復(fù)合光源，在有色金屬焊接和增材制造領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，顯著提高了能量轉(zhuǎn)換效率和制造過程的穩(wěn)定性。
激光合束是一個將多束單元激光耦合成一束的過程，它基于半導(dǎo)體激光的相位、光強、偏振及光譜等特性，利用光學(xué)元件的折射、反射及衍射效應(yīng)，改變或不改變激光單元的振蕩特性，來提高輸出功率、增加激光亮度及改善光束質(zhì)量。非相干合束是目前實現(xiàn)高功率半導(dǎo)體激光輸出的主要方式，可以根據(jù)合束光源的譜寬及合束單元的波長間隔作為區(qū)分[6]。1.藍(lán)光半導(dǎo)體激光芯片進(jìn)展
1994年赤崎勇和天野浩教授首先報道了基于氮化鎵雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)。1996年日本日亞公司中村修二領(lǐng)導(dǎo)的科研團(tuán)隊研制出世界上第一支GaN基紫光激光器。2014年，氮化鎵基LED的發(fā)明者赤崎勇、天野浩和中村修二教授被授予當(dāng)年的諾貝爾物理學(xué)獎[8]。目前大功率藍(lán)光激光器主要采用倒裝結(jié)構(gòu)以降低其熱阻。國際上日本日亞公司和德國歐司朗公司報道了斜率效率2 W/A的藍(lán)光激光器，在良好散熱封裝的條件下單管輸出光功率均達(dá)到5W以上。表1 各團(tuán)隊藍(lán)激光單發(fā)光點芯片進(jìn)展
以上數(shù)據(jù)均來源于公開報道，不代表各團(tuán)隊的最高水平。另外夏普、三安、格恩和鎵悅等公司研發(fā)團(tuán)隊在藍(lán)光半導(dǎo)體激光芯片研發(fā)上也均有長足進(jìn)步，接近國際領(lǐng)先水平。由于芯片結(jié)構(gòu)、封裝工藝及腔面處理等技術(shù)的日趨成熟，藍(lán)光半導(dǎo)體激光功率短時間內(nèi)的一條提升路徑是依賴慢軸發(fā)光區(qū)條寬的提升。不考慮增加條寬帶來晶格錯位的可靠性風(fēng)險前提下，平衡條寬增加與功率提升對激光模塊最終輸出影響的一個重要指標(biāo)是單管亮度是否提升。同時由于藍(lán)光半導(dǎo)體激光器，受限于芯片晶格易錯位，腔面膜層易吸附空氣中其他物質(zhì)，在發(fā)展初期易出現(xiàn)功率退化的問題。通過芯片制造與封裝工藝的共同改進(jìn)。目前長期壽命已得到解決，凱普林250W模塊在高溫高電流條件下加速老化超7000h，功率衰減約5%，達(dá)到工業(yè)應(yīng)用的可靠性級別。
圖8 凱普林高功率激光模塊壽命測試采用激射波長相同或相近的激光單元進(jìn)行光束整形，空間合束、偏振合束以及光纖合束，是多個不同波長激光合束的基礎(chǔ)[6]?？臻g合束是將多束激光空間堆疊，增加功率的同時光束質(zhì)量變差; 偏振合束利用半導(dǎo)體激光線偏振特性，將兩束振動方向相互垂直的光束通過偏振合束鏡，實現(xiàn)光束重合的方式輸出，功率提高近一倍，光束質(zhì)量不變。
另外由于GaN材料具有具有較大的光學(xué)各向異性，在制備藍(lán)光芯片時能夠更容易地實現(xiàn)高偏振度。同時GaN材料的電子能帶結(jié)構(gòu)也對其高偏振度起到了重要作用[8]。所以，相較紅外半導(dǎo)體激光芯片約92%偏振度，藍(lán)光偏振度可以達(dá)到99%乃至更高，偏振合束效率也就更高。
圖9 凱普林空間光合束以及偏振合束原理圖
單管合束光源基于激光單管，其慢軸光束質(zhì)量相對好，無需光束整形，快慢軸準(zhǔn)直后，直接通過快軸方向的密集空間排布和整體偏振合束實現(xiàn)耦合。由于激光單元間隔大，熱竄擾影響小，藍(lán)光激光單管可工作在5瓦級功率[9]。采用數(shù)十個單管合束，可實現(xiàn)單波長幾十瓦至三百瓦功率從100～200μm芯徑光纖輸出，具有亮度高、成本低及可靠性好等優(yōu)勢。美國NUBURU、德國FBH、中國聯(lián)贏、銳科與凱普林等，均已報道實現(xiàn)從100μm光纖輸出功率大于100W的單波長激光模塊。其中凱普林推出105μm@250W藍(lán)光模塊，是目前商用領(lǐng)域報道的亮度比較領(lǐng)先的多單管單波長合束產(chǎn)品。
圖10 凱普林藍(lán)光激光器密集空間排布技術(shù)疊陣合束光源基于微通道水冷疊陣，采用高功率厘米激光巴條，需先對光斑整形后才能合束[6]，單層激光疊陣輸出功率可達(dá)50~75W，采用數(shù)十層疊陣合束，可實現(xiàn)數(shù)百瓦至上千瓦功率從300～800μm光纖輸出，也可作為直接光源應(yīng)用。通過波長擴展，可將功率提升至更高。德國Laserline公司在該技術(shù)領(lǐng)域具有優(yōu)勢，采用高亮度的激光bar， 通過棱鏡堆光束整形，推出了500到4KW激光器產(chǎn)品。
圖11 Laserline開發(fā)的藍(lán)光激光器光纖合束器是在熔融拉錐光纖束（Taper Fused Fiber Bundle，TFB）的基礎(chǔ)上制備的光纖器件。它是將一束光纖剝?nèi)ネ扛矊?，然后以一定方式排列在一起，在高溫中加熱使之熔化，同時向相反方向拉伸光纖束，光纖加熱區(qū)域熔融成為熔錐光纖束[10]。從錐腰切斷后，將錐區(qū)輸出端與一根輸出光纖熔接。光纖合束技術(shù)，可以將多個單獨的光纖束合并成一個大直徑的束，從而實現(xiàn)更高的光功率傳輸。
圖12 凱普林藍(lán)光激光器光纖技術(shù)原理圖
為獲得滿足激光材料加工需求的大功率和高亮度，國外知名研究機構(gòu)和公司已開展大量藍(lán)光半導(dǎo)體激光器合束、光纖耦合及應(yīng)用技術(shù)研究。目前NUBURU公司已推出1500W、芯徑120μm、NA0.22光纖耦合輸出產(chǎn)品；Laserline利用藍(lán)光堆棧和光束切割重排技術(shù)實現(xiàn)了4000W、芯徑600μm、NA0.1光纖耦合輸出；日本SHIMADZU利用多單管空間合束及光纖合束技術(shù)實現(xiàn)了1000W、芯徑400μm、NA0.22的光纖耦合輸出；在國內(nèi)，銳科激光實現(xiàn)了1500W、芯徑 600μm、NA0.22的光纖耦合輸出，聯(lián)贏激光發(fā)布了1000W、芯徑 800μm、NA0.22的藍(lán)光與光纖激光復(fù)合輸出系統(tǒng)，廣東粵港澳大灣區(qū)硬科院推出了800W、芯徑 800μm、NA0.22的藍(lán)光光纖耦合激光器，凱普林公司2023年在國內(nèi)率先推出搭載藍(lán)光105μm@250 W模塊的2000W、芯徑600μm、NA0.22藍(lán)光激光器系統(tǒng)并交付客戶。
圖13 凱普林250W高亮度及2000W高功率藍(lán)光半導(dǎo)體激光器
波長合束是利用半導(dǎo)體激光的光譜特性，波長不同的兩束激光入射到二向分色鏡，一束光透過，一束光反射，獲得功率提高近一倍、光束質(zhì)量不變的激光輸出，采用不同波段的二向分色鏡，可實現(xiàn)不同波長的激光合束[11]，如圖14所示。
圖14 粗波長合束示意圖常規(guī)合束方式的相鄰波長間隔很難于25nm，在430nm到492nm藍(lán)光波長，采用粗波長合束，合束波段最多不超過3線?？紤]合束過程中的損耗以及430nm、490nm附近的芯片效率損耗，激光功率及亮度提升有限。因此采用密集光譜合束，是藍(lán)光半導(dǎo)體激光提高輸出亮度的一條可行的路徑。在光束質(zhì)量一定條件下，為提高合束激光功率及亮度，降低相鄰波長間隔增加合束單元數(shù)量是目前切實可行的方案， 它需從兩方面同時考慮：一是改善半導(dǎo)體激光器的光譜特性，減小譜寬、增強光譜穩(wěn)定性，降低激光單元自身光譜不定性影響；二是增加合束元件鍍膜曲線的陡度，減小合束元件透射波段和反射波段的波長間隔[6]。對比紅外半導(dǎo)體激光，藍(lán)光激光器由于優(yōu)異的偏振特性，光譜穩(wěn)定性，以及較小的光譜寬度?？擅庥谑褂猛馇籚BG鎖波，在實現(xiàn)密集波長合束方向有著良好的應(yīng)用前景[11]。
圖15 德國Directphotonics在紅外波段實現(xiàn)間隔4nm的5波長合束德國 Directphotonics 采用密集波長合束技術(shù)，實現(xiàn)了波長間隔為4nm的5束激光合束。目前該公司已推出了功率500～2000W、光束質(zhì)量5mm·mrad、芯徑100 μm的紅外光纖耦合半導(dǎo)體激光源產(chǎn)品， 應(yīng)用于金屬切割。相同的技術(shù)可以應(yīng)用于藍(lán)光半導(dǎo)體激光器。華中科技大學(xué)唐霞輝老師課題組團(tuán)隊做了相關(guān)研究工作。實現(xiàn)了波長間隔為10nm的5束激光合束，合束效率26.54%，光束質(zhì)量達(dá)到3.75mm·mrad。光譜合束技術(shù)利用單片色散元件可同時實現(xiàn)多束波長間隔低至0.1nm的激光合束，進(jìn)一步提高合束單元數(shù)量，其原理如圖16所示，多束不同波長的激光分別以不同角度入射到色散元件，并在色散元件處重合，然后在元件色散作用下沿相同方向衍射輸出，各光束在近場和遠(yuǎn)場均相互重疊，獲得功率為單元光束之和而光束質(zhì)量與單元光束一致的合束激光輸出[6]。為了實現(xiàn)窄間隔光譜合束，通常采用色散強的衍射光柵作為合束元件。
圖16 光譜合束的基本原理面光柵結(jié)合外腔鏡反饋無須對激光單元光譜進(jìn)行獨立控制，難度及成本明顯降低，也是目前實現(xiàn)高功率、高亮度半導(dǎo)體激光輸出的最佳方案之一。是實現(xiàn)目前高性能光譜合束的主要方式，其原理如圖17所示[6]。
圖17 面光柵結(jié)合外腔反饋式光譜合束結(jié)構(gòu)示意圖美國Teradiode公司，采用波長光束組合（WBC）技術(shù)，在2022年報道了以及400W、50um光纖輸出與1000W、100um光纖輸出的藍(lán)光產(chǎn)品。并在2023國際會議上展示了1000W、芯徑50μm、NA0.1光纖輸出和1800W、芯徑100μm、NA0.1光纖輸出產(chǎn)品，是目前國際最高亮度的藍(lán)光產(chǎn)品。直接將高功率半導(dǎo)體激光的亮度提高2個數(shù)量級，為高功率、高亮度藍(lán)光半導(dǎo)體激光器發(fā)展指明新方向，可以直接應(yīng)用在厚板金屬切割、遠(yuǎn)程激光焊接等。
藍(lán)激光作為半導(dǎo)體激光領(lǐng)域的一個新方向，相較于1080nm的近紅外波長激光器，銅、金和鋁等有色金屬材料的吸收率均有數(shù)倍到數(shù)十倍提升，同時對于鈦、鎳和鐵等金屬的吸收率也有一定程度的提高。
1) 高功率藍(lán)激光器將會引領(lǐng)激光制造領(lǐng)域的變革，進(jìn)一步提高藍(lán)激光器的亮度和降低成本是未來的發(fā)展趨勢。在有色金屬的增材制造、熔覆和焊接領(lǐng)域?qū)⒈毁x予越來越廣泛的應(yīng)用場景。
2) 在藍(lán)光亮度低與成本高的階段，藍(lán)激光與近紅外激光的復(fù)合光源，在成本可控的前提下，可以顯著提高現(xiàn)有光源的能量轉(zhuǎn)換效率和制造過程的穩(wěn)定性。
3）發(fā)展光譜合束技術(shù)，解決其工程化問題，結(jié)合高亮度的激光單元技術(shù)，實現(xiàn)千瓦級高亮度藍(lán)光半導(dǎo)體激光源，并探索新的合束技術(shù)，有著重要意義。隨著激光器功率與亮度的提升，無論是作為直接作用光源還是間接光源，藍(lán)激光將在國防和工業(yè)領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。參考文獻(xiàn)：
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