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(wú)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(lái)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(gè)全新水平。另外，值得注意的是藍(lán)光波長(zhǎng)激光棒，其在實(shí)驗(yàn)室中的光功率可達(dá)100瓦（W）。這是一個(gè)巨大飛躍，因?yàn)椴坏绞昵?，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(duì)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(jì)，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(chǎng)份額。目前，大功率半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用也越來(lái)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(gè)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(zhǎng)、光功率、電光轉(zhuǎn)換效率（WPE）和光束質(zhì)量。這些是衡量一個(gè)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(zhǎng)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(zhǎng)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(dòng)汽車或儲(chǔ)能系統(tǒng)的鋰離子電池中，每個(gè)電池通過(guò)銅介質(zhì)實(shí)現(xiàn)連接導(dǎo)通。這時(shí)，由于高工作電流，這些連接會(huì)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(huì)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(zhǎng)。

但是銅會(huì)反射大量紅外波長(zhǎng)，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(lái)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(duì)較差。一旦銅在高溫下熔化，它就會(huì)大量吸收紅外光。當(dāng)融化的銅“沸騰”后，會(huì)形成孔隙并產(chǎn)生飛濺。焊接質(zhì)量差也會(huì)影響其導(dǎo)電性等性能。圖1顯示了金和銅的光譜吸收對(duì)比情況。銅吸收藍(lán)光的能力是紅外光的12倍，同時(shí)也是綠光的1.2倍。對(duì)于金來(lái)說(shuō)，這些系數(shù)分別為50和2.2。因此，在加工中，當(dāng)波長(zhǎng)低于500 nm時(shí)，可實(shí)現(xiàn)最高的系統(tǒng)效率。

圖1：銅、金等有色金屬對(duì)藍(lán)光的吸收能力比紅外波長(zhǎng)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(kāi)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(dòng)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(lái)了高速的發(fā)展，輸出效率和功率有了長(zhǎng)足的提升。艾邁斯歐司朗不斷提高其450 nm單個(gè)發(fā)射器的效率，從2008年功率為60毫瓦時(shí)15%的效率提高至現(xiàn)在功率為2.2瓦時(shí)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(jì)劃（EFFILAS）的組成部分，BLAULAS項(xiàng)目致力于開(kāi)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(kāi)始，專家們對(duì)這種方法能否成功用于銦鎵氮（InGaN）材料系統(tǒng)表示懷疑。因?yàn)樗哂邢鄬?duì)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(huì)破壞整個(gè)激光棒。因此，第一步需要驗(yàn)證和改進(jìn)芯片制程和一致性，接下來(lái)是從設(shè)計(jì)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(yàn)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(shí)的最高效率達(dá)到46%。2019年，開(kāi)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(dòng)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(zhǎng)1.2 mm，由23個(gè)發(fā)射器組成，每個(gè)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(guò)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(guò)1 kW的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器問(wèn)世。

圖4：適用于有色金屬的藍(lán)光：基板（CoSA） PLPCOS 450E上的單個(gè)發(fā)射器可提供5 W功率。波長(zhǎng)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(duì)于幾十瓦的光功率應(yīng)用，基于單個(gè)發(fā)射器設(shè)計(jì)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(hào)。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(guò)將多光束整合在一個(gè)光模塊中，CoSA單個(gè)發(fā)射器路線也可用于實(shí)現(xiàn)千瓦級(jí)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(gè)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(lái)，艾邁斯歐司朗一直專注于生產(chǎn)和開(kāi)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(lái)，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(lái)，大功率激光二極管性能越來(lái)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(shí)）。2011年，當(dāng)輸出功率為250 W且效率達(dá)到60%時(shí)，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(duì)溫度較高時(shí)，效率會(huì)下降，這反過(guò)來(lái)又會(huì)產(chǎn)生熱量，從而降低輸出效率。

作為光子計(jì)劃的組成部分，EKOLAS項(xiàng)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(kāi)發(fā)人員研制出波長(zhǎng)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(shí)的效率達(dá)到65%。該激光棒由25個(gè)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(cè)試表明，在長(zhǎng)期運(yùn)行情況下，310 W時(shí)的可靠性較高。接下來(lái)，將轉(zhuǎn)向800-1060 nm的其他波長(zhǎng)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(gè)發(fā)射點(diǎn)組成，每個(gè)發(fā)射點(diǎn)寬200 m，波長(zhǎng)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(zhǎng)的大功率激光棒，光功率高達(dá)250 W，808 nm波長(zhǎng)時(shí)效率為60%，900 nm波長(zhǎng)時(shí)效率超過(guò)65%。此外，還有一款專為光束有效耦合至光纖而設(shè)計(jì)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(zhǎng)為915和976 nm的單個(gè)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(gè)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(lái)，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(lái)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(kāi)發(fā)，目前正在持續(xù)擴(kuò)展這一領(lǐng)域。僅在過(guò)去的兩年中，紅外激光芯片的生產(chǎn)能力就翻了一番。