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金屬鈑金新聞

激光材料加工前沿:藍(lán)光激光在有色金屬加工領(lǐng)域飛躍發(fā)展

星之球科技 來源:富昌電子2022-01-06 我要評論(0 )   

應(yīng)用于材料加工的激光光源發(fā)展迅速。全新藍(lán)光激光棒的光功率可以高達(dá)100瓦。紅外激光棒可實(shí)現(xiàn)以前被認(rèn)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...

應(yīng)用于材料加工的激光光源發(fā)展迅速。全新藍(lán)光激光棒的光功率可以高達(dá)100瓦。紅外激光棒可實(shí)現(xiàn)以前被認(rèn)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(dá)到一個全新水平。另外,值得注意的是藍(lán)光波長激光棒,其在實(shí)驗室中的光功率可達(dá)100瓦(W)。這是一個巨大飛躍,因為不到十年前,藍(lán)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(jìn)行精確加熱。典型的應(yīng)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(shù)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(dǎo)體激光器的應(yīng)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(yùn)固態(tài)激光器相比,它的效率更高,結(jié)構(gòu)更緊湊。其核心是半導(dǎo)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(dǎo)體激光器的光源,此類激光器的光功率目前可以達(dá)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(zhuǎn)換效率(WPE)和光束質(zhì)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(xué)系統(tǒng)復(fù)雜性。光束質(zhì)量決定了可以耦合進(jìn)光纖的激光功率的大小,適當(dāng)?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(yīng)用得到了較為廣泛的普及。


大功率藍(lán)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(jī)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(zhì)實(shí)現(xiàn)連接導(dǎo)通。這時,由于高工作電流,這些連接會受到較高熱應(yīng)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(yīng)用實(shí)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(jìn)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(dāng)融化的銅“沸騰”后,會形成孔隙并產(chǎn)生飛濺。焊接質(zhì)量差也會影響其導(dǎo)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(lán)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(dāng)波長低于500 nm時,可實(shí)現(xiàn)最高的系統(tǒng)效率。


圖1:銅、金等有色金屬對藍(lán)光的吸收能力比紅外波長強(qiáng)得多。


目前藍(lán)光工業(yè)半導(dǎo)體激光器的光功率可達(dá)到幾百瓦到幾千瓦。開發(fā)基礎(chǔ)的大功率藍(lán)光激光二極管是其中的關(guān)鍵任務(wù)。在不到十年前,其輸出功率還在毫瓦至幾瓦范圍內(nèi),可用于藍(lán)光驅(qū)動器、投影機(jī)或汽車頭燈等應(yīng)用?,F(xiàn)在,藍(lán)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(dá)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(lán)光激光器和相應(yīng)的高功率激光二極管。


圖2:艾邁斯歐司朗光電半導(dǎo)體在10年內(nèi)將藍(lán)光激光二極管的轉(zhuǎn)換效率提高近三倍。圖中所示為最大效率值和相應(yīng)的光功率。


與紅外系統(tǒng)類似,藍(lán)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(diǎn)可能會破壞整個激光棒。因此,第一步需要驗證和改進(jìn)芯片制程和一致性,接下來是從設(shè)計和工藝步驟上進(jìn)行優(yōu)化。2018年,艾邁斯歐司朗推出了全球首款藍(lán)光激光棒。在實(shí)驗室中,這款激光棒可在60 A的電流下實(shí)現(xiàn)98 W的輸出功率。功率為50 W時的最高效率達(dá)到46%。2019年,開發(fā)人員將其功率突破了100 W大關(guān),達(dá)到107 W(圖3)。


照片3:安裝在主動冷卻散熱器上的藍(lán)光激光棒的輸出功率和效率特性曲線。


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 m。400 m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?dāng)_,并避免產(chǎn)生額外的熱量。通過這種設(shè)置,可以確保閾值電流恒定在4.5 A。在30 A / 50 W的工作點(diǎn),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(zhǔn)直,并有效地耦合到玻璃光纖中?;谶@些激光棒優(yōu)異的性能,2019年首款光功率超過1 kW的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器問世。


圖4:適用于有色金屬的藍(lán)光:基板(CoSA) PLPCOS 450E上的單個發(fā)射器可提供5 W功率。波長為450 nm。


藍(lán)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(gòu)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(yīng)用,基于單個發(fā)射器設(shè)計系統(tǒng)是一種有效的方法。除了采用經(jīng)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(hù)二極管。借助多路復(fù)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(shí)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(lǐng)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(guān)注的重點(diǎn)。幾十年來,艾邁斯歐司朗一直專注于生產(chǎn)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(jì)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。


圖5:20世紀(jì)70年代以來,大功率激光二極管性能越來越高。


值得注意的是,該激光器輸出功率達(dá)到400 W,效率則提高至70%(在300 W時)。2011年,當(dāng)輸出功率為250 W且效率達(dá)到60%時,艾邁斯歐司朗和其他半導(dǎo)體激光器公司似乎都遇到了現(xiàn)有技術(shù)的瓶頸。在輸出較高,且芯片內(nèi)的相對溫度較高時,效率會下降,這反過來又會產(chǎn)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(jìn)展。艾邁斯歐司朗的任務(wù)就是提供具有高效率、高輸出功率、良好光束質(zhì)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(dá)到65%。該激光棒由25個發(fā)射點(diǎn)組成。在300 W工作點(diǎn),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(yùn)行情況下,310 W時的可靠性較高。接下來,將轉(zhuǎn)向800-1060 nm的其他波長繼續(xù)研究。


照片6:大功率激光棒SPL BKxx-40-25-10B可提供250 W的光功率。它由25個發(fā)射點(diǎn)組成,每個發(fā)射點(diǎn)寬200 m,波長為940、976或1020 nm。


目前,用于材料加工的紅外產(chǎn)品組合包括800至1060 nm波長的大功率激光棒,光功率高達(dá)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(shè)計的迷你棒,其可在準(zhǔn)連續(xù)波工作條件下實(shí)現(xiàn)高達(dá)500 W功率。它們適用于刻印、泵浦、美容應(yīng)用(如脫毛)或遠(yuǎn)程傳感等應(yīng)用。波長為915和976 nm的單個發(fā)射具有不同的發(fā)射點(diǎn)寬度,用于耦合至不同的光纖幾何結(jié)構(gòu)中,每個發(fā)射器功率為25 W。


結(jié)論


大功率藍(lán)光激光二極管和紅外激光棒的創(chuàng)紀(jì)錄效率使材料加工應(yīng)用向前邁進(jìn)了一大步。五十多年來,艾邁斯歐司朗光電半導(dǎo)體一直致力于半導(dǎo)體激光二極管的研發(fā)。世界上首款輸出功率達(dá)到100瓦的藍(lán)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(shù)領(lǐng)域始終處于領(lǐng)先地位的印證。雷根斯堡工廠負(fù)責(zé)激光芯片的生產(chǎn)和開發(fā),目前正在持續(xù)擴(kuò)展這一領(lǐng)域。僅在過去的兩年中,紅外激光芯片的生產(chǎn)能力就翻了一番。


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