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文稿：凱普林光電

摘要

藍(lán)激光作為半導(dǎo)體激光領(lǐng)域的一個(gè)新方向，相較于近紅外波長(zhǎng)激光器，銅、金、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(duì)高質(zhì)量激光制造的要求越來(lái)越高，高性能藍(lán)光光源逐步應(yīng)用于焊接、熱處理、增材制造等材料成形領(lǐng)域，市場(chǎng)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(shì)，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(duì)高功率藍(lán)激光器發(fā)展方向的思考。

一、引言

半導(dǎo)體激光器是一種電光轉(zhuǎn)換器件，近50年來(lái)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(guò)電子在能級(jí)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(shí)現(xiàn)光振蕩、反饋，并最終產(chǎn)生光的輻射放大，從而實(shí)現(xiàn)激光輸出。

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(gè)新方向，近年來(lái)快速發(fā)展出諸多應(yīng)用。其中，得益于450nm短波段的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，相較于近紅外波長(zhǎng)激光器，針對(duì)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）。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(xiàng)技術(shù)能夠在材料加工、消費(fèi)電子、汽車、新能源等國(guó)民經(jīng)濟(jì)和軍事國(guó)防領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)前景廣闊，已成為激光領(lǐng)域國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)制高點(diǎn)。德美日等國(guó)家已投入大量資源進(jìn)行相關(guān)技術(shù)的開(kāi)發(fā)和工程化。目前位于產(chǎn)業(yè)鏈源頭的大功率GaN基藍(lán)光半導(dǎo)體激光芯片由歐美日把持，國(guó)內(nèi)多家研究單位和企業(yè)正在進(jìn)行攻關(guān)。

圖2 金、銅激光吸收率曲線

目前國(guó)內(nèi)對(duì)芯片的開(kāi)發(fā)在逐步追趕，對(duì)工業(yè)應(yīng)用的開(kāi)發(fā)走在前沿，但在藍(lán)光光源系統(tǒng)功率、光束質(zhì)量、可靠性等關(guān)鍵性能上，我國(guó)與國(guó)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。

二、藍(lán)激光對(duì)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(shì)。由于銅對(duì)近紅外激光的吸收率非常低、吸收率波動(dòng)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(shí)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。利用紫銅材料對(duì)藍(lán)光激光的高吸收率，實(shí)現(xiàn)了紫銅激光焊接技術(shù)的突破。在焊接過(guò)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(guò)熱傳導(dǎo)向工件內(nèi)部傳遞熱量，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)飛濺、無(wú)氣孔的焊接效果。

圖3 不同溫度下純銅對(duì)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)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(tái)，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(duì)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1000 W系統(tǒng)及其焊接頭

焊接過(guò)程中使用He（或者Ar）氣作為保護(hù)氣氛，驗(yàn)證了不同流量、焊接速度、功率、離焦量下的焊接工藝。藍(lán)激光既可對(duì)厚度為20μm的銅箔做多層疊焊，也可實(shí)現(xiàn)0.3mm、0.6mm等不同厚度紫銅對(duì)接焊。焊接過(guò)程中，焊縫表面成型穩(wěn)定，無(wú)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(duì)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(duì)厚板焊接，考慮到藍(lán)光無(wú)法實(shí)現(xiàn)深熔焊且光斑較大的特點(diǎn)，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(shí)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(shí)增強(qiáng)對(duì)紅光的吸收率。此外，藍(lán)光的大光斑還能擴(kuò)大熔池，延緩熔池凝固，從而在一定程度上實(shí)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(shì)。由于不銹鋼對(duì)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(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的焊接。同時(shí)，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6a為3KW紅外激光融化不銹鋼表面，圖6b為500W藍(lán)激光融化不銹鋼表面，融化過(guò)程可以看出，藍(lán)激光熔池更穩(wěn)定，無(wú)金屬飛濺。

圖6 凱普林藍(lán)光 1000 W焊接1mm 304SUS結(jié)果

對(duì)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(duì)藍(lán)光的吸收率相對(duì)較低，但是通過(guò)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(duì)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(lái)提高對(duì)鋁材料的焊接效果，以克服鋁材料對(duì)藍(lán)光的吸收率較低的限制。綜合考慮材料特性和激光特性，可以設(shè)計(jì)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(chǎng)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(shí)高溫，導(dǎo)致銅鋁復(fù)合時(shí)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(guò)程的穩(wěn)定性。

三、高功率藍(lán)激光合束技術(shù)

激光合束是一個(gè)將多束單元激光耦合成一束的過(guò)程，它基于半導(dǎo)體激光的相位、光強(qiáng)、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(lái)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(shí)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(zhǎng)間隔作為區(qū)分。

3.1 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(bào)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(duì)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(jiǎng)。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(guó)際上日本日亞公司和德國(guó)歐司朗公司報(bào)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(duì)藍(lán)激光單發(fā)光點(diǎn)芯片進(jìn)展

同時(shí)由于藍(lán)光半導(dǎo)體激光器，受限于芯片晶格易錯(cuò)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(wèn)題。通過(guò)芯片制造與封裝工藝的共同改進(jìn)。目前長(zhǎng)期壽命以得到解決，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(jí)別。以上數(shù)據(jù)均來(lái)源于公開(kāi)報(bào)道，不帶表各團(tuán)隊(duì)的最高水平。另外夏普、三安、格恩、 鎵悅等公司研發(fā)團(tuán)隊(duì)在藍(lán)光半導(dǎo)體激光芯片研發(fā)上也均有長(zhǎng)足進(jìn)步，接近國(guó)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(shí)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(lái)晶格錯(cuò)位的可靠性風(fēng)險(xiǎn)前提下，平衡條寬增加與功率提升對(duì)激光模塊最終輸出影響的一個(gè)重要指標(biāo)是單管亮度是否提升。

圖8 凱普林高功率激光模塊壽命測(cè)試

3.2 單波長(zhǎng)合束：空間光合束、偏振合束

采用激射波長(zhǎng)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(gè)不同波長(zhǎng)激光合束的基礎(chǔ)?？臻g合束是將多束激光空間堆疊，增加功率的同時(shí)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(dòng)方向相互垂直的光束通過(guò)偏振合束鏡，實(shí)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(shí)能夠更容易地實(shí)現(xiàn)高偏振度。同時(shí)GaN材料的電子能帶結(jié)構(gòu)也對(duì)其高偏振度起到了重要作用。所以，相較紅外半導(dǎo)體激光芯片~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(duì)好，無(wú)需光束整形，快慢軸準(zhǔn)直后，直接通過(guò)快軸方向的密集空間排布和整體偏振合束實(shí)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(jí)功率。采用數(shù)十個(gè)單管合束，可實(shí)現(xiàn)單波長(zhǎng)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(shì)。美國(guó)NUBURU、德國(guó)FBH、中國(guó)聯(lián)贏、銳科與凱普林等，均已報(bào)道實(shí)現(xiàn)從100 μm 光纖輸出功率大于 100 W 的單波長(zhǎng)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(bào)道的亮度比較領(lǐng)先的多單管單波長(zhǎng)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(duì)光斑整形后才能合束，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(shí)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(guò)波長(zhǎng)擴(kuò)展，可將功率提升至更高。德國(guó)Laserline公司在該技術(shù)領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)，采用高亮度的激光bar， 通過(guò)棱鏡堆光束整形，推出了500到4KW激光器產(chǎn)品。

圖11 Laserline開(kāi)發(fā)的藍(lán)光激光器

3.3 光纖合束技術(shù)

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)ネ扛矊樱缓笠砸欢ǚ绞脚帕性谝黄?，在高溫中加熱使之熔化，同時(shí)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。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(gè)單獨(dú)的光纖束合并成一個(gè)大直徑的束，從而實(shí)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(guó)外知名研究機(jī)構(gòu)和公司已開(kāi)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(shí)現(xiàn)了4000 W、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(shí)現(xiàn)了1000W、芯徑400μm、NA0.22的光纖耦合輸出； 

在國(guó)內(nèi)，銳科激光實(shí)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(guó)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

3.4 波長(zhǎng)合束：粗波長(zhǎng)合束與密集波長(zhǎng)合束

波長(zhǎng)合束是利用半導(dǎo)體激光的光譜特性，波長(zhǎng)不同的兩束激光入射到二向分色鏡，一束光透過(guò)，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(shí)現(xiàn)不同波長(zhǎng)的激光合束，如圖14所示。

圖14 粗波長(zhǎng)合束示意圖

常規(guī)合束方式的相鄰波長(zhǎng)間隔很難于25 nm，在430nm到492nm藍(lán)光波長(zhǎng)，采用粗波長(zhǎng)合束，合束波段最多不超過(guò)3線。考慮合束過(guò)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(zhǎng)間隔增加合束單元數(shù)量是目前切實(shí)可行的方案， 它需從兩方面同時(shí)考慮:一是改善半導(dǎo)體激光器的光譜特性，減小譜寬、增強(qiáng)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(zhǎng)間隔。

對(duì)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(shí)現(xiàn)密集波長(zhǎng)合束方向有著良好的應(yīng)用前景。

圖15 德國(guó) Directphotonics 在紅外波段實(shí)現(xiàn)間隔 4nm 的 5 波長(zhǎng)合束光譜分

德國(guó) Directphotonics 采用密集波長(zhǎng)合束技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)間隔為4 nm的 5 束激光合束。目前該公司已推出了功率 500 ～ 2 000 W、光束質(zhì)量 5 mm·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(duì)做了相關(guān)研究工作。實(shí)現(xiàn)了波長(zhǎng)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3.75 mm·mrad。

3.5 光譜合束

光譜合束技術(shù)利用單片色散元件可同時(shí)實(shí)現(xiàn)多束波長(zhǎng)間隔低至 0. 1 nm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(zhǎng)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(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)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。為了實(shí)現(xiàn)窄間隔光譜合束，通常采用色散強(qiáng)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(wú)須對(duì)激光單元光譜進(jìn)行獨(dú)立控制，難度及成本明顯降低，也是目前實(shí)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(shí)現(xiàn)目前高性能光譜合束的主要方式，其原理如圖17所示。

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(guó)Teradiode公司，采用波長(zhǎng)光束組合(WBC)技術(shù)，在2022年報(bào)道了以及400W、50μm光纖輸出與1000W、100μm光纖輸出的藍(lán)光產(chǎn)品。并在2023國(guó)際會(huì)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(guó)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(gè)數(shù)量級(jí)，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。

四、總結(jié)

藍(lán)激光作為半導(dǎo)體激光領(lǐng)域的一個(gè)新方向，相較于1080nm的近紅外波長(zhǎng)激光器，銅、金、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(shí)對(duì)于鈦、鎳、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(huì)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(lái)的發(fā)展趨勢(shì)。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(lái)越廣泛的應(yīng)用場(chǎng)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(guò)程的穩(wěn)定性。

3）發(fā)展光譜合束技術(shù)，解決其工程化問(wèn)題，結(jié)合高亮度的激光單元技術(shù)，實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)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(wú)論是作為直接作用光源還是間接光源，藍(lán)激光將在國(guó)防和工業(yè)領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。