蓝光半导体激光的产生方法及应用优势

    获得蓝光半导体激光的方法通常有三种：一种是直接发射蓝光的激光二极管LD；一种是LD倍频的蓝色光源；一种是LD泵浦通过非线性光学手段获得的蓝色激光器。早期也有使用氩离子激光器产生蓝光的案例。蓝光半导体激光器与蓝色光电二极管LED等一样，一般采用GaN类半导体材料直接获得蓝光激光。另外，使用光导波型元件将红外半导体激光器输出光转换成1/2波长的光，例如使用850 nm的红外半导体激光器，可获得425 nm左右的蓝紫色激光。

蓝光半导体激光器稳定性高、电光效率高、光谱宽度，比全固态蓝光激光器大，减少了散斑。高功率蓝光激光器广泛应用于激光加工（如铜、金）、医疗、水下通信、激光泵浦，以及超扁平电池、电动汽车的可充电电池和电动机的铜材料焊接等。

尤其是针对铜材料的激光加工，极具优势。在近红外范围，铜的吸收率通常为2%~5%，而铜在蓝色波长范围内的吸收率提高了约12倍，对于金的吸收率提高约40倍。因此，高功率蓝色激光系统具有完全取代目前已用于某些高反射率材料系统的传统IR激光系统的潜力。

蓝光半导体激光国外发展动态

    蓝光GaN功率激光二极管的最新发展是使每个发射极的光输出功率高达5 W，结合空间合束、偏振合束、光纤合束、光纤捆绑等方式提高输出功率可以获得高功率的蓝光半导体激光器。

    01 美国

    美国NUBURU在2017年首次将高功率蓝光激光器引入了工业市场当中。开发的AO系列是由一个4×5的蓝光二极管阵列构成，通过交错反射镜，形成一个由5×16个空间偏移波束组成的集成阵列（见图1），得到一个输出波长450 nm、功率200 W的模块。

2020年，NUBURU发布了功率500 W的蓝光激光器AO-500，集成了四个独立的200 W模块，使用交错反射镜和偏振镜以最小的损耗组合光束，如图2所示。非球面透镜将光束聚焦为一个光斑，该光斑耦合进入芯径400 μm的光纤，耦合效率超过90%。

2020年推出的新款Al-1500蓝光激光器是美国NUBURU首款连续输出功率高达1.5 kW（图3），可匹配100 μm芯径QBH光纤输出，光束质量BPP值<11 mm·mrad。可在320 mm焦距位置保持450 μm光斑直径，且扫描范围可覆盖110 mm×110 mm。配合NUBURU BlueWeld系列焊接头，可焊透约1.5 mm厚度的无氧铜，配合振镜使用，应用于3D成型及熔覆、汽车及3C产品制造、电机转子制造、新能源电池的电芯焊接的蓝光激光器。

    02 日本

    日亚公司提供的蓝光单管功率不断提高，图4是他们公司生产的5 W蓝光半导体激光器TO9封装单管示意图。除此之外，还报道了斜率效率为 1.8 W/A、光功率约5 W的蓝光激光器。索尼公司报道了斜率效率为1.8 W/A、光功率约5.2 W的蓝光激光器。德国欧司朗报道了斜率效率为1.6 W/A、光功率为4.5 W的蓝光激光器。

2019年2月，日本岛津宣布与大阪大学合作开发出输出功率达到1 kW的蓝光半导体激光器。日本NEDO项目开发了以铜粉为原料的激光3D打印机。同年，该项目组报导成功从100 μm芯径的光纤中输出了200 W功率，功率密度达到了2.5 MW/cm²，通过组合多个200 W蓝光激光器，实现了一个kW级的激光器[3]。

蓝光半导体激光国内研究现状

    国内的蓝光激光器发展也十分迅速。2017年北京工业大学实现了152 W耦合光纤芯径为400 μm的蓝光激光器。由于2020年国内新能源行业加大扩产，动力锂电设备需求增加，联赢激光全年新签订单15.08亿元，千瓦级蓝光激光器在新能源行业实现量产转移。2021年，联赢激光又推出了功率为1 kW，光纤芯径为800 μm，光束质量为NA0.22的蓝光激光器。

2011年，武汉锐科激光推出蓝光500 W、1.5 kW光纤输出半导体激光器，满足了3C电子行业客户及锂电池焊接行业客户对高反材料金属的加工需求，其参数对比如表1。

表1 锐科蓝光光纤输出半导体激光器参数

2021年1月，凯普林成功推出了功率为1 kW330 μmNA0.22蓝光产品。

蓝光半导体激光在铜材料中的焊接应用

    近年来，随着电动汽车行业的发展，铜材料的需求量大大提升，传统的红外激光器难以处理工业中铜、金等有色高反高导热的金属材料，主要原因在于铜等材料对红外波长的吸收率一般低于5%，并且红外激光焊接铜的过程中往往运行不稳定，从而导致废品率提升。

    01 单一蓝光激光焊接

    凯普林1000 W蓝光系统，长×宽×高：700 mm×540 mm×810 mm，为了测试系统性能，我们选择了铜（T2）、不锈钢及铝合金 （1060）作为焊接样品，从光纤端面到工件台上焦点的成像比例为1.5X，焊接过程中使用了He （或者Ar）气作为保护气体，在整个焊接过程中，焊缝表面成型稳定，无任何飞溅，表面光滑；40X显微镜下，焊缝内部未发现气孔。

    02 蓝光半导体激光——光纤激光复合焊接

    Laserline提出了复合光源概念。从理论上讲，最大熔深可以通过提高输出功率来改变。使用500 W的输出功率，蓝色激光的最大焊接熔深为0.3~0.4 mm。使用1 kW的蓝光，熔深为0.6～0.7 mm[4]。采用1 kW蓝色加3 kW红外线和2 m/min的进给速度，可以达到1.45 mm的焊接熔深。在以相同的进给速度将红外激光功率增加到3.5 kW或4 kW后，可以实现1.91 mm或2.36 mm的焊接穿透深度。如果使用2 mm薄板的对接，可以使用1 kW的蓝色加上3 kW的红外线，进给速度为2 m/min，获得超过3 mm的焊接渗透深度[4]。

蓝光复合焊接技术是通过联赢自主研发的蓝光复合焊接出射头将红外激光及蓝光激光复合在一起，使两束激光的轴线在空间上重合，如图7所示，红外激光进行深熔焊接，蓝光激光具备预热缓冷的作用，并适度进行热传导焊接。

结束语

    蓝光激光器在铜材加工方面具有积极的加工作用，并且通过复合光源可弥补蓝光激光器功率密度低的应用劣势。利用光纤激光器高功率密度的特性，能够快速且稳定地形成匙孔，与此同时，再利用铜材对蓝光的高吸收特性，使得铜材能够快速地被加热，以及减缓熔池的凝固速度，最大限度的减少铜材焊接中气孔和飞溅的问题，使得无飞溅、高稳定性、高品质的厚铜材焊接成为可能。

    01 作者简介

唐霞辉，华中科技大学光电信息学院教授、博士生导师，激光加工国家工程研究中心副主任。主要从事高功率激光器、激光先进制造技术等研究。研究高功率、高光束质量CO₂激光器及其在超大规模集成电路退火应用；高功率半导体激光器光束整形、光谱合束。

翁彬惠，华中科技大学光电信息学院本科生，主要从事蓝光半导体激光器合束方面的研究。

郑暤翾，华中科技大学光电信息学院硕士研究生，主要从事蓝光大功率半导体激光器方面的研究。

胡烜瑜，华中科技大学光电信息学院硕士研究生，主要从事蓝光大功率半导体激光器方面的研究。

肖瑜，华中科技大学光电信息学院副教授，硕士生导师，主要从事半导体激光外腔合束技术、激光光场调控的研究与开发。

    02 参考文献

1.M.Pelaprat,M.Zediker,M.Finuf,etal.,The Blue  Light  District[J].Photonics Views,2020,1,61

2. 张义威.大功率蓝光半导体激光器光纤合束的研究[D].华中科技大学，2021.

3.M Suwa,N Wakabayashi,T Hiroki,et al.,Development of BLUE IMPACT,a 450nm-wavelength  light  source  for  laser processing,Proc.SPIE10900,High-Power Diode     Laser Technology XVII,109000A(4 March 2019)M.Rütering:Hybrid Solution Moves  Boundaries  of  Copper  Welding, PhotonicsViews,2019,16(5):46

4. 国 内 首 款 自 主 研 发 高 功 率 千 瓦 级 蓝 光 激 光 器

https://www.laserfair.com/news/202005/09/75910.html