現(xiàn)在，半導(dǎo)體激光器終于攻克了材料加工領(lǐng)域的圣杯——切割，一批新的半導(dǎo)體激光器進(jìn)入了全球工業(yè)激光器市場(chǎng)。垂直腔面發(fā)射激光器（VCSELs）現(xiàn)在能達(dá)到的功率水平使其能完美地應(yīng)用在幾種較低亮度的工業(yè)應(yīng)用中。該產(chǎn)品體積小、容易安裝，具有高成本效益的激光源，在塑料焊接以及熱塑性復(fù)合材料原位激光強(qiáng)化的自動(dòng)鋪帶中能充分發(fā)揮VCSELs的優(yōu)勢(shì)，因而與傳統(tǒng)工藝相比有著很大的吸引力。
垂直腔面發(fā)射激光器在工業(yè)市場(chǎng)還是一個(gè)新面孔，但已經(jīng)能用于低功率應(yīng)用的批量生產(chǎn)。其單個(gè)二極管輸出功率在1–10mW范圍內(nèi)，主要應(yīng)用于數(shù)據(jù)通信，也用在傳感器、手勢(shì)識(shí)別和許多其他低功率應(yīng)用中，這一日漸增長(zhǎng)的市場(chǎng)在2014年達(dá)到約5億美金的規(guī)模。
圖1：左圖為9.6kW VCSEL激光模塊，右圖為光強(qiáng)分布與工件距離間的關(guān)系。
VCSEL應(yīng)與目前的高功率半導(dǎo)體激光器區(qū)別對(duì)待，后者是邊發(fā)射激光器。在邊發(fā)射激光器中，半導(dǎo)體中的激光腔是與晶圓表面平行的條狀。當(dāng)晶圓切開(kāi)后，發(fā)射器就變成了激光器，同時(shí)在兩側(cè)還有兩個(gè)切割邊緣作為反射鏡。發(fā)射出的是高度不對(duì)稱的光束，然后通過(guò)各種光路合并到更高功率的光束中。
相比之下，垂直腔面發(fā)射激光器的激光腔垂直于晶圓表面。最大的VCSELs直徑大約為20μm，并能發(fā)射10mW的完美的圓形光束。在Philips Photonics的高功率芯片中，1.9×2.0mm的芯片上就有2200個(gè)這樣的VCSEL微激光陣列，能發(fā)射大于7W的形狀非常均勻的光束。因?yàn)椴恍枰虚_(kāi)，所以VCSELs可以進(jìn)行晶圓層級(jí)測(cè)試，并且可以用標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝和設(shè)備來(lái)封裝，成本和LED封裝差不多。通過(guò)將這些芯片陣列封裝后組合到高功率千瓦級(jí)模塊中，可以實(shí)現(xiàn)較高的功率水平。
圖1展示了一個(gè)激光模塊從40×208mm表面發(fā)射輸出功率為9.6kW的光束。VCSEL模塊發(fā)出的光不需要進(jìn)一步使用光學(xué)元件，它本身就非常均勻。右邊顯示的是光強(qiáng)分布和發(fā)射器與目標(biāo)之間距離的關(guān)系。在距離達(dá)到100mm之前，光強(qiáng)分布保持得非常均勻。由于光束由數(shù)以百計(jì)的芯片組組成，所以可以單獨(dú)處理，從而有可能產(chǎn)生動(dòng)態(tài)變化的光束分布。
高功率VCSEL系統(tǒng)的功率密度是100kW/cm2，并且可以通過(guò)增加微光學(xué)元件將其提高至1kW/cm2以上。相比其他激光器，甚至是千瓦級(jí)別的，VCSEL系統(tǒng)非常緊湊、堅(jiān)固耐用、易于集成，并且具有成本優(yōu)勢(shì)，這些優(yōu)點(diǎn)使它更容易與非激光加熱解決方案來(lái)競(jìng)爭(zhēng)。
工業(yè)過(guò)程中的VCSELs
垂直腔面發(fā)射激光器介于傳統(tǒng)和激光加熱方法之間，已經(jīng)在大量應(yīng)用中成功接受了考驗(yàn)。下面將更詳細(xì)地介紹塑料加工領(lǐng)域中的兩個(gè)例子。其他應(yīng)用還包括太陽(yáng)能電池金屬化燒結(jié)，類似的還有印刷電路板、印刷電子或是電池制造中的金屬化工藝。
垂直腔面發(fā)射激光器還能局部增強(qiáng)先進(jìn)高強(qiáng)度鋼（AHSSs）的韌性，讓這些高性能鋼可以被沖壓和軋制。汽車行業(yè)對(duì)此特別感興趣，因?yàn)槭褂肁HSS能幫助他們實(shí)現(xiàn)更輕的車身設(shè)計(jì)。
垂直腔面發(fā)射激光器能夠模擬熱量，這是它在某些工藝?yán)鐫L動(dòng)式加工中有別于其他激光器和傳統(tǒng)加熱源的地方。VCSEL模塊允許在窄的激光作用區(qū)進(jìn)行輸出功率的單獨(dú)轉(zhuǎn)換和連續(xù)控制（圖2）。因此，在所有模塊寬度范圍內(nèi)，可以任意選擇加熱分布并隨時(shí)間而變化。
圖2：左邊是帶有選擇性激活激光區(qū)的4.8kW的模塊，中間是通過(guò)對(duì)激光區(qū)進(jìn)行單獨(dú)控制而實(shí)現(xiàn)的定制式的光強(qiáng)分布，右邊是在滾動(dòng)式加工中使用的結(jié)構(gòu)化加熱。
例如，為了讓整個(gè)樣品上的熱量分布均勻，不管是在燒結(jié)之后還是作為獨(dú)立的系統(tǒng)，一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方法就是，用更高光強(qiáng)照射邊緣以抵消沿邊緣發(fā)生的熱損傷（圖2中心）。通過(guò)配上熱成像攝像機(jī)或是傳感器，可以進(jìn)一步獲得閉環(huán)反饋，以控制VCSEL源中的單個(gè)加熱單元，從而能調(diào)整工件上的光強(qiáng)分布。
金屬化線、表面涂層或膠粘劑活化都可能需要結(jié)構(gòu)化的加熱模式?？蓡蝹€(gè)訪問(wèn)的VCSEL芯片通過(guò)在連續(xù)的加工中使用變化的光強(qiáng)分布來(lái)實(shí)現(xiàn)這一要求，而無(wú)需額外的光學(xué)元件（圖2，右）。
激光加熱用于飛機(jī)碳纖維鋪帶
碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）和其他纖維增強(qiáng)的零部件在航空航天工業(yè)中屬于最先進(jìn)的領(lǐng)域，并且慢慢開(kāi)始在汽車行業(yè)得到應(yīng)用。目前，最復(fù)雜的復(fù)合部件均采用熱固性基體材料。越來(lái)越多的零件通過(guò)用自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)來(lái)鋪設(shè)纖維帶。一旦鋪好，就需要將零件放入高壓釜中加工，這會(huì)對(duì)生產(chǎn)線帶來(lái)瓶頸。
改為纖維增強(qiáng)熱塑性材料，可以解決這個(gè)問(wèn)題，主要是在原位材料強(qiáng)化過(guò)程中使用自動(dòng)纖維鋪放技術(shù)以及高能熱源。在此應(yīng)用中，理想的熱源能實(shí)現(xiàn)均勻的纖維分布，并可以在閉環(huán)反饋過(guò)程中得到控制，以保持溫度穩(wěn)定。雖然使用光纖激光器和半導(dǎo)體激光器有較好的效果，但是要想獲得均勻的正方形或矩形光強(qiáng)分布還需要額外的光學(xué)元件，而像焊接和切割中使用的高強(qiáng)度是完全不需要的。
圖3：安裝在碳纖維鋪放頭上的VCSEL系統(tǒng)（圖片由AZL亞深工業(yè)大學(xué)的T. Weiler和Fraunhofer IPT的D. Werner提供）
垂直腔面發(fā)射激光器系統(tǒng)可以滿足自動(dòng)纖維鋪放系統(tǒng)中的原位加熱的所有要求， 而無(wú)需額外的光學(xué)元件，同時(shí)比光纖激光器的成本更低。圖3顯示的安裝在德國(guó)亞琛Fraunhofer IPT的設(shè)備正在測(cè)試中。
在使用多個(gè)鋪帶頭的鋪帶設(shè)備中，垂直腔面發(fā)射激光器系統(tǒng)的特點(diǎn)使其在不需要使用所有鋪帶頭時(shí)能關(guān)閉光束的部分區(qū)域，從而在幾何形狀方面能實(shí)現(xiàn)更多靈活性。VCSEL激光系統(tǒng)也特別吸引了熱固性自動(dòng)鋪帶的關(guān)注，后者的溫度不會(huì)太高，但工作窗口要小得多，因此需要更嚴(yán)格地控制激光功率和光強(qiáng)分布。
微流控裝置的焊接
最近流行的詞語(yǔ)是個(gè)性化醫(yī)療和芯片實(shí)驗(yàn)室（lab-on-a-chip）。微流控裝置涉及為DNA測(cè)序準(zhǔn)備DNA樣品，或?yàn)獒t(yī)療診斷執(zhí)行一個(gè)或多個(gè)實(shí)驗(yàn)室步驟。新的應(yīng)用包括標(biāo)準(zhǔn)血液測(cè)試，只需用針點(diǎn)刺到的一點(diǎn)點(diǎn)血，而不需要抽血。
規(guī)模較小的微流控裝置制造很有挑戰(zhàn)性。它們通常由丙烯酸或聚酯層組成，其中至少有一個(gè)是結(jié)構(gòu)化的。通常使用具有良好光束質(zhì)量的激光器，并配備掃描儀，來(lái)將所選的區(qū)域焊接在一起，或是活化每層之間的膠粘劑。掃描儀設(shè)置的靈活性使得可以快速裝備新工具，特別是在研發(fā)階段。
圖4：左圖是典型的微流控裝置（由Fraunhofer ILT提供），右圖是使用帶光罩的標(biāo)準(zhǔn)VCSEL模塊焊接而成的微流體結(jié)構(gòu)（1秒加工時(shí)間）。
隨著這項(xiàng)技術(shù)成為主流，有必要將其放大到大批量的制造中，使其成為一種快速、經(jīng)濟(jì)高效的方法。使用光罩技術(shù)能在幾秒鐘內(nèi)焊接很多設(shè)備，以及能覆蓋較大面積的高能量、均勻的光源，這時(shí)就需要垂直腔面發(fā)射激光器來(lái)大顯身手了。VCSELs可以擴(kuò)展到較大面積，而不需要移動(dòng)零部件或其他光學(xué)元件，并且可以很好地集成到焊接系統(tǒng)中。這樣能一次性加工幾托盤設(shè)備，比使用傳統(tǒng)的激光源更具成本效益（圖4）。
小結(jié)
許多工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程需要加熱用來(lái)退火、干燥、熔化和固化。目前，這些都需要許多工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)，包括傳統(tǒng)的爐、氣焊炬、燈和熱風(fēng)鼓風(fēng)機(jī)，還有修改激光器以生成較大的光斑。傳統(tǒng)方法通常不能對(duì)溫度或是加熱分布進(jìn)行很好的閉環(huán)控制，但是具有成本優(yōu)勢(shì)。傳統(tǒng)的激光器通過(guò)設(shè)計(jì)可以生成很高的強(qiáng)度，但是成本高昂，特別是還需要額外的光學(xué)元件。
VCSELs是一種新型的固態(tài)光源，是獨(dú)特的光子加熱系統(tǒng)。非常緊湊，并且無(wú)需維護(hù)，成本較低，可以取代傳統(tǒng)的加熱系統(tǒng)。精確的控制、均勻的光強(qiáng)分布以及能設(shè)計(jì)加熱模式，并且可以在數(shù)毫秒間進(jìn)行更改，因此，相比修改標(biāo)準(zhǔn)的高功率激光系統(tǒng)來(lái)適用加熱應(yīng)用，VCSELs具有更明顯的優(yōu)勢(shì)。
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