原创 蓝光激光器——革新工业金属加工领域的“进击者”

激光成为无数应用场景的技术标准已将近60年。而蓝光激光器，正在成为革新工业金属加工领域的“进击者”。

在1960年开发首台实用激光器后，Theodore H. Maiman声称“激光是寻找问题的解决方案”。以此为原点，问题接踵而至，激光器不断演进，目前，激光器已成为工业、科学和研究领域最重要，用途最广泛的工具。然而，这种 “光放大器” 仍面临诸多挑战。

1光，通用工具

激光焊接接头极其稳定，可承受巨大的机械载荷。如此强大的焊接方法正符合汽车和金属加工行业的需求。如今，光纤激光器已经被有效地应用在众多工业加工应用中，成为工业激光器的主力军，例如激光焊接和切割。

但是，这些连续高功率的光纤激光器，一般在近红外（NIR）波长下工作，其波长在1µm以内，这对许多应用来说都没问题，比如它适用于吸收率超过50%的钢的加工，但它无法在所有金属上产生令人满意的效果。

例如，某些金属会反射90%或更多入射在其表面上的近红外激光辐射，尤其是用近红外激光焊接诸如铜和金等黄色金属，由于吸收率低，这意味着需要大量的激光功率才能启动焊接过程。

然而，要使电动汽车普及，那么铜的工业化加工非常重要。因为电池和电动汽车所需用铜量远超传统汽车。但所有优良的导电材料同时也会传递热量。加上铜的高反射率，导致难以通过受控的方式来提供足够的能量使铜熔解。

2击败红外的蓝光

“铜和金等高反射率金属对蓝光光谱的吸收量是红外的7到20倍，” 艾迈斯欧司朗雷根斯堡激光技术专家Harald König博士补充道，“解决方案在于采用蓝光范畴内波长更短的光用于有色金属的工业加工。”

首先，蓝光有其特定的属性。高反射率金属材料对蓝光的吸收率很高，这意味着蓝光对高反材料（如铜等）金属加工有着巨大的优势。

其次，铜熔化时吸收率变化不大。一旦蓝色激光开始焊接，相同的能量密度将使焊接继续进行。

最后，蓝光激光焊接具有内在的良好控制和少瑕疵，其结果是快速和高质量的铜焊缝。

此外，蓝光还具有其他优势：

例如，蓝光在海水中吸收较少，因此传程较长，这使得开拓水下激光材料加工领域变得现实。

再者，蓝光相对容易转换为白光，因此可以使用蓝色激光非常紧凑地实现泛光灯和其他照明应用。

此外，基于氮化镓材料的半导体激光器可直接产生波长450nm的激光，而无需进一步倍频，因此具有更高的能量转换效率。

这也让蓝光半导体激光器逐渐成为业内关注的焦点。

这似乎很容易，毕竟，蓝光半导体灯具在90年代中期就已出现。但最初并不存在可供开发出可靠的蓝光激光器半导体层的基板。“我们发射器的输出和效率远低于工业应用所需水平，”König说道，“五年前，只有几款输出仅数瓦的独立激光器芯片能够用于蓝光光谱范围内的应用。这只能满足激光表演的需要，之后能用于汽车前照灯和投影仪。”长久以来，将蓝光激光用于功率需求高出数倍的有色金属加工是完全不可想像的。

3提高标准

发射器的输出需要提高。König指向用于测试蓝光激光器的装置。“我们努力将功率提高到千瓦级。在过去几年中，我们稳步提高单个发射器的效率和输出，使功率超过两瓦，效率提高了近40%。但仅优化单个发射器无法取得重大突破。”

之后产生了集中蓝光激光器功率的想法。König将23个独立发射器并联到一厘米长的激光棒中。“项目开始时，几乎没人相信这种方法会对蓝光激光器有效。毕竟，只要有一个存在缺陷的发射器，就会破坏激光棒的整体性能，甚至熔化半导体。”

该项目得到联邦教育和研究部（BMBF）的支持，其目的在于证明大功率蓝光激光棒的可行性。关键要素包括所谓的外延工艺（在半导体基板上形成各层）和芯片设计。氮化镓层需要在晶圆上逐个原子形成高品质同质层。经过一系列严格的实验，输出、同质性和可靠性都有所提高。同时，芯片设计和高品质发射器数量也得到了优化。

4、突破，实现水下切割

经过三年的艰苦奋斗，终于在2019年取得突破。激光棒输出达到107瓦，创下纪录，同时转换效率达到最佳值46%。首次证明激光棒方案对蓝光激光器同样适用。输出功率跨入了千瓦级别。在世界首款蓝光高输出激光棒的基础上，合作公司Laserline于2019年6月推出首款激光功率高达1,500W的二极管激光器。

这款二极管激光器甚至可高精度熔解、切割和焊接纯铜。该激光器可准确进行平滑焊接，其精度足以满足高灵敏度电子器件、薄铜箔和铜片或焊接智能手机电池中薄金属片的要求。

而且它甚至可在水下工作。这开启了全新应用领域，如焊接港口设施和船舶附件，或用于维修海上风电场、桥梁和船闸。

5、潜在应用领域的扩大

总的来说，蓝光激光器提高了焊接速度，可直接转化为更快的生产效率，以及最大程度地减少生产停机时间；焊接质量的一致性可大大提高生产良品率；无飞溅和无孔隙的高质量焊缝，以及更高的机械强度和更低的电阻率等独特优势拓宽了工艺范围。此外，蓝色激光还可以进行导热焊接模式，这也是近红外激光所无法实现的。

但研究仍在继续，市场需要更高的输出、效率和耐用性。

随着蓝光TO封装单管市场化，价格降低，功率提高，各种工业制造和光纤耦合技术不断丰富，人们意识到发展高功率蓝光激光器的可行性。作为材料处理芯片的核心供应商，艾迈斯欧司朗已经推出了5W EEL蓝光多模激光二极管，用于满足市场对蓝光激光芯片的多种需求，特别是蓝光切割焊接，正好可用于新能源车锂电池的加工处理。

当然，应用领域不仅局限于材料加工。

由于蓝光转换为白光的过程相对容易，未来蓝光激光二极管可用作高输出光源，替代传统照明解决方案。蓝光激光二极管超明亮，免维护，可用于机场照明或体育场馆泛光照明。蓝光激光器——寻找问题的解决方案，现在已不再缺少潜在应用领域了。