工業(yè)級(jí)藍(lán)光激光器的重要性

工業(yè)激光器在切割、焊接、鉆孔等加工領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。這些激光器通常工作在紅外波段，這對(duì)某些應(yīng)用很有效，但紅外波長不適合加工反射性金屬，包括金、鋁、鎳、銅等，其中銅是最常用也是最重要的一種材料，在電子制造和汽車制造等行業(yè)廣泛應(yīng)用。

眾所周知，雖然銅對(duì)紅外激光的吸收率很低，但對(duì)藍(lán)光的吸收率卻很高。圖1中給出了金、鋁、銅和其他金屬對(duì)紅外光和藍(lán)光的吸收情況。因此，在加工銅等反射性金屬方面，人們一直渴望能有高功率藍(lán)光激光器橫空出世。

圖1：幾乎每種反射性金屬，對(duì)藍(lán)光的吸收率都遠(yuǎn)大于對(duì)紅外光的吸收。

高功率藍(lán)光激光器的發(fā)展有賴于以下三個(gè)方面的進(jìn)步： 

● 藍(lán)光半導(dǎo)體材料（GaN）的可用性；              

● 合適的微觀和宏觀光學(xué)元件的發(fā)展；              

● 工程專業(yè)知識(shí)的發(fā)展，能夠有效地將光源和光學(xué)元件集成到一個(gè)緊湊、堅(jiān)固、可靠的高功率系統(tǒng)中。

工業(yè)級(jí)藍(lán)光激光器

消費(fèi)電子和通用照明市場的增長，推動(dòng)了氮化鎵（GaN）二極管激光器的發(fā)展。GaN激光器發(fā)射波長在450nm附近的藍(lán)光。一個(gè)典型的二極管激光器只能輸出2~3W的功率，這不足以用于工業(yè)加工；另外，由于光束高度不對(duì)稱，單個(gè)二極管的光學(xué)質(zhì)量也不好。

要實(shí)現(xiàn)工業(yè)級(jí)的藍(lán)光激光器，必須將多個(gè)二極管的輸出合束到一起，同時(shí)還要保持原有的亮度。此外，耦合效率也必須非常高，因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)過多的能量損耗會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部熱損傷、性能衰退和系統(tǒng)不可靠。

Nuburu公司利用一種創(chuàng)新的設(shè)計(jì)解決了這些挑戰(zhàn)。這種設(shè)計(jì)將多芯片封裝的激光器輸出與相應(yīng)的光學(xué)元件相結(jié)合，利用空間和偏振光學(xué)元件，將多個(gè)單一光束整合到一起（見圖2），制成了高功率工業(yè)級(jí)藍(lán)光激光器AO系列，它們?yōu)殂~等反射性金屬材料的加工帶來了顛覆性的進(jìn)步。

圖2：基于芯片的AO激光器設(shè)計(jì)，為每個(gè)二極管光束提供單獨(dú)的準(zhǔn)直光學(xué)元件。

這種直接二極管設(shè)計(jì)，直接將電能轉(zhuǎn)換為藍(lán)光，相比于使用閃光燈或二極管激光器作為激勵(lì)源產(chǎn)生紅外光、或是借助倍頻晶體將紅外光轉(zhuǎn)換成綠光，效率大幅提升。 

當(dāng)然這種方法也面臨挑戰(zhàn)。例如，每個(gè)二極管激光器的輸出是不對(duì)稱的，必須單獨(dú)調(diào)節(jié)以改善光束的對(duì)稱性。AO系列是由一個(gè)4×5的藍(lán)光二極管陣列構(gòu)成的。基于芯片的設(shè)計(jì)，使得每個(gè)二極管的輸出都能與它自己的光學(xué)元件主動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，使發(fā)射的每束光都對(duì)稱。

然后，來自四個(gè)獨(dú)立陣列的光，通過交錯(cuò)反射鏡，形成一個(gè)由5×16個(gè)空間偏移波束組成的集成陣列（見圖3），得到一個(gè)輸出波長450nm、功率200W的模塊，并且光束高度對(duì)稱（見圖4）。該模塊是AO-150的核心，AO-150是2017年首次上市的150W藍(lán)光激光器。

圖3：交錯(cuò)反射鏡和光學(xué)元件將單個(gè)光束組合成5×16的陣列。

圖4：高度對(duì)稱的光束最大化了光學(xué)效率和最終性能。

一年后，NUBURU發(fā)布了功率500W的藍(lán)光激光器AO-500，它展示了前所未有的材料加工性能。AO-500集成了四個(gè)獨(dú)立的200W模塊，使用交錯(cuò)反射鏡和偏振鏡以最小的損耗組合光束（見圖5）。非球面透鏡將光束聚焦為一個(gè)光斑，該光斑耦合進(jìn)入芯徑400μm的光纖，耦合效率超過90%。

圖5：在高功率下獲得高性能的關(guān)鍵是采用能優(yōu)化效率的光學(xué)設(shè)計(jì)。

必須優(yōu)化光學(xué)效率，以確保藍(lán)光穩(wěn)定可靠，適合工廠應(yīng)用。效率低下就會(huì)產(chǎn)生多余的熱量，這有可能降低光學(xué)元件的性能和壽命。高效率，再加上選擇高功率QBH光纖和主動(dòng)冷卻式二極管陣列，實(shí)現(xiàn)了卓越的熱控制和穩(wěn)定性，使得輸出功率每千小時(shí)下降不到3%。加之設(shè)計(jì)功率裕度，這就確保了激光器的可靠性和穩(wěn)定性，足以在具有挑戰(zhàn)性的制造環(huán)境中部署。

AO-500采用模塊化設(shè)計(jì)，光纖和200W模塊都可以移除和替換，輸出功率的變換小于1%。AO系列激光器已經(jīng)部署在世界各地的生產(chǎn)環(huán)境中——不僅因?yàn)槠淇煽啃?，而且因?yàn)樗鼮殂~和其他反射性金屬的加工帶來了前所未有的性能。

激光焊接

Nuburu藍(lán)光工業(yè)激光器的一個(gè)重要應(yīng)用是銅焊接。銅對(duì)藍(lán)光的吸收率更高；光源的高亮度更能提高焊接性能。

單光束調(diào)節(jié)的理論優(yōu)勢，在于能顯著提升可測量的性能。例如，AO-500能以超過每分鐘3.5米的焊接速度，焊接30個(gè)厚度10μm的銅箔。它每平方厘米的輸出功率高達(dá)1.4MW，能夠以每分鐘超過2.1米的速度，實(shí)現(xiàn)厚度500μm的銅的全熔透焊接。所有焊縫基本上都是無排放和無飛濺的（見圖6）。AO系列激光器可以產(chǎn)生對(duì)接焊縫、搭接焊縫、堆焊、邊緣焊縫等工藝，即使是在非常具有挑戰(zhàn)性的幾何結(jié)構(gòu)中。這些焊接類型對(duì)電池制造、電機(jī)裝配和消費(fèi)電子制造等應(yīng)用至關(guān)重要。需要注意的是，其他替代焊接方法（如超聲波焊接）需要不同的接觸頭來焊接每個(gè)產(chǎn)品，而AO系列只需要簡單調(diào)節(jié)光束參數(shù)即可。

圖6：40個(gè)厚度10μm的箔材焊接，顯示了無與倫比的焊接質(zhì)量，既沒有空隙，也沒有飛濺。

藍(lán)光激光器還可焊接異質(zhì)金屬。例如，銅對(duì)于某些電子制造而言必不可少，但價(jià)格相對(duì)較高，而鋁是一種價(jià)格較低的替代品，在某些環(huán)節(jié)，使用鋁就足以勝任了。由于鋁和銅的熔點(diǎn)不同，對(duì)光的吸收也不同，因此將它們焊接在一起是一項(xiàng)艱難的工作。接頭的不穩(wěn)定性和變化會(huì)導(dǎo)致“金屬間化合物”的形成——許多焊接方法固有的不規(guī)則熱吸收導(dǎo)致的化學(xué)和物理結(jié)構(gòu)不一致的區(qū)域。NUBURU的藍(lán)光激光器在焊接異質(zhì)金屬時(shí)，金屬間化合物形成最少（見圖7）。

圖7：藍(lán)光激光器實(shí)現(xiàn)了銅和鍍鎳鋼之間的異質(zhì)材料焊接。

藍(lán)光激光器的優(yōu)勢讓許多行業(yè)受益。例如，鋰電池的制造需要在每個(gè)電池單元中連接許多薄銅箔（使用鋁箔的也很多）。飛濺產(chǎn)生的短路會(huì)減少電池容量；空隙會(huì)增加接頭的電阻；寬接頭會(huì)減少銅箔的“工作區(qū)域”。所有這些問題都可以通過藍(lán)光激光焊接得到解決：它在銅箔上形成了一個(gè)狹窄、干凈、一致的接頭。如圖8所示，電池制造包括在更高的組裝水平上連續(xù)多層銅接頭。藍(lán)光激光在每一步中都有幫助。

圖8：電池制造需要將較厚的凸耳和薄箔焊接到一起，這是一項(xiàng)艱難的任務(wù)，但藍(lán)光激光能輕松駕馭。

激光已經(jīng)成為汽車制造業(yè)必不可少的工具，隨著銅在汽車裝配中越來越重要，藍(lán)光激光也將變得同樣重要。例如，高效電機(jī)正朝著需要細(xì)銷焊接的棒狀繞組設(shè)計(jì)發(fā)展。藍(lán)光激光焊接的靈活性和功率，可以在最小的體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)最高質(zhì)量的接頭。

這些同樣的優(yōu)勢延伸到消費(fèi)電子組裝、太陽能電池板制造和新興應(yīng)用領(lǐng)域，例如生物信號(hào)與成像以及增材制造。

光明的前景

工業(yè)級(jí)藍(lán)光激光器在銅焊接中具有明顯優(yōu)勢，這種優(yōu)勢也可以擴(kuò)展到其他材料加工中。蝕刻、切割和其他材料加工，都可以受益于強(qiáng)大可靠的高功率、高亮度工業(yè)級(jí)藍(lán)光激光源。與任何新技術(shù)一樣，在不久的將來肯定會(huì)有很多與藍(lán)光激光器相關(guān)的新應(yīng)用出現(xiàn)——甚至有些應(yīng)用是我們今天都無法想象的。