标签: 激光雕刻

技术突围，要选择优势充分发挥领域，比如动力电池加工，比如激光雕刻。 2月7日，根据韩国研究机构SNE Research发布的最新数据显示，2023年全年，全球登记的电动汽车（EV、PHEV、HEV）动力电池装车量约为705.5GWh，同比增长38.6%。 动力电池市场的飞速发展，也将用于激光焊接的蓝色激光再次推向了聚光灯下。 1、动力电池加工，前景广阔 以动力电池焊接为例，焊接质量的决定因素除焊接工艺外，在于激光器选型，例如针对铜材料焊接的蓝光激光器应用。 “传统的红外光纤激光器在加工电池时会因为焊接出现飞溅，从而容易造成电池正负极间的短路”艾迈斯欧司朗资深系统方案工程师薄赛说道，“而蓝激光不会引发飞溅，所以相对于电池来说也更为安全。” 确实，采用450nm波长的蓝光激光光源，可以在导热模式下熔化铜材料，从而可以精确调整薄铜材料的熔池几何形状。 稳定的能量吸收和导热过程的精确控制对于深熔焊接薄铜材料尤其重要，正是因为它有助于防止因高压而导致对薄材料的切断或飞溅的产生。 此外，相比于工业加工常用的红外光源，金属材料在450nm处蓝光的吸收率普通提升。 比如铜和金两种金属，它们在1064nm光纤激光器的波段， 吸收率非常低，只有百分之2点几和百分之十。 但是在450nm蓝光波段，大家可以看到它的吸收率非常高，可以达到60%~70%，这个特性也决定了蓝激光能带来更好的加工效果。 同时，蓝激光有着宽大的工艺窗口，可以处理动力电池制造的每个阶段，能焊接更厚和多种材料，如铜、金和几毫米厚的不锈钢。它是制造动力电池、电池外壳以及电池组和电池集成的理想选择。 “这也使得蓝光激光在工业市场的前景可观。” 2、持续投入，5.5W可期 应对潜力市场，艾迈斯欧司朗目前在蓝激光应用主推以下3款产品，分别是TO56封装的2W产品，TO90封装的5W产品和COSA封装的5W产品 （如下图所示） 。 2W的PLPT5 447 KA适用于一些中小功率需求应用，比如景观照明中的星空灯以及小功率手电设备等。 对于高功率需求场景，比如激光雕刻、材料加工等通常是选用艾迈斯欧司朗的TO90产品。 COSA封装的产品可以满足更高的功率需求，但是仍存在加工封装难度较高的局限性。 “艾迈斯欧司朗观察到了蓝激光雕刻、材料加工等市场的持续增长前景，因此我们仍会持续投入和研发新产品， 包括将于今年推出的5.5W新品 。”薄赛介绍道。 3、协同研发，为客户“脱帽” 蓝激光作为新兴技术路线，其工业应用仍是新兴应用，因此客户也经常会提出不同需求。 以TO封装产品为例，在底座中间会有一个凸台，激光芯片就是焊接在这个凸台上面（如下图右侧所示），即它的“帽子”（形象说法）。 在一般应用中，客户会对其中的激光光束进行准直，起初是在“帽子”外面搭配非球面的透镜进行准直，但是经过长期使用，发现这样处理之后得到的光斑质量一般。 “经过系统测试，发现其实在离芯片最近的位置，也就是芯片出光的位置进行准直之后效果最佳。” 如果由客户将“帽子”去掉，一方面，因为凸台是通过电阻焊焊接的，在去掉的过程中，碎屑、金属等都有可能影响到芯片本身，甚至影响芯片寿命；另一方面，此番操作也会相应延长生产周期。 相比这一系列工艺不良率很高的操作，对应此类需求的定制化就显得尤为可贵。 因此，艾迈斯欧司朗单独定制了一个不带“帽子”的产品。客户在拿到产品，整合光学后再将“帽子”焊接好。如此一来，不仅减少了工艺复杂度，提升了产品良率，最终产品的光学效果也接近COSA封装，更进一步确保了产品寿命，一举赢得市场好评。 4、心有猛虎，也可细嗅蔷薇 除了在新能源材料加工领域中大有作为，在更接近普通消费者的家用等市场，激光雕刻机增长迅速。 对于普通消费者来说，如果有一台性能均衡的设备，可以方便他们去加工基本上所有的材质，那简直就是正中心意。 面对消费者的需求，市场上几乎一致选定了以蓝光激光器作为切入点。 众所周知，近几年全球的经济环境不佳，但蓝激光雕刻应用，从几年前近乎于0的市场一路增长到现在，它的增长是呈几何倍数的。 “而且我们根据市场反馈预测，近几年它的增长潜力还是很大，仍会持续增长，所以这也带来市场很关心的一个问题——我可以做些什么生意？或者说我可以开发哪类产品？” 上图中左一，即艾迈斯欧司朗客户提供的产品图。据悉，这是一种导轨桌面式产品方案，近几年在市场终端应用中反馈很不错。 疫情叠加经济的影响，让更多人意识到“向内求索”和“安顿自己”的重要性。DIY手工，因为能承载情感寄托和表达，一时风靡。 “用激光雕刻去实现很多创意想法，这类工具需求的增长非常迅速。” 也随之延伸出了便携式激光雕刻类的产品。这类产品一般以扫描振镜的方式，通过两个高速运行的马达带动镜片，让光束聚焦之后的点在物体上飞快移动，从而实现物品雕刻。 用以针对便携类场景需求，更能替代一部分传统耗材产品，比如像传统的喷码打印，现在就可直接用激光雕刻来替代，不仅无需耗材，还能在多种材质上都实现较好的雕刻效果，它的速度更可以达到桌面式产品的十倍以上。 *消费者于艾迈斯欧司朗活动现场体验手持激光雕刻机 如下所列的加工效果图，“都是由我们的客户提供的实际测试效果图。” 从上图也可看出，基于蓝光激光雕刻机对于材料加工而言主要分2大应用： 第一就是雕刻，通过在类似真皮或者橡胶等材料表面有预案的灼烧，烧出所需的图案； 第二就是切割，比如在木材或者亚克力材料上切割出特定的形状，例如积木、字谜、摆件等。 下图正是目前用在消费者终端市场的一个激光模组。 一般情况下，主流激光模组的功率都在5W~60W之间。但薄赛表示，因为激光器价格的下降，市场上主流激光模组的功率正逐年上升。 “我们起初开发消费者终端市场时，主流的蓝光激光模组功率还是5W或者10W，第二年就到了20W，2023年基本就以20W和30W为主，后面可见的趋势都将以40W或60W为主，功率在逐年增加。” 这种势头也让蓝光激光器不仅在一些新兴市场迎来增长，更会取代一部分原有产品，比如像切割亚克力的二氧化碳激光器，苦于其寿命短、价格高，目前很多客户都已经转用基于蓝光的大功率模组来取代。 这部分市场前景同样不容小觑。

随着技术的进步，成本的降低，参考LED的发展历程，相信可见激光在照明、显示以及更多领域的应用也会越来越广泛。 当人们以为手持吸尘器已经进化到宇宙尽头的时候，戴森推出了全球首款拥有智能激光吸尘系统的无绳吸尘器，全新配备激光探测功能带来肉眼可见的深度清洁。一时间，那一道绿光真的有点像歌词中唱得那般“触电般不可思议，像一个奇迹”。 而这道绿光其实就是绿色激光。 动图源自网络 1 、 绿色激光开辟新兴消费市场 当消费者使用吸尘器清洁地面垃圾或灰尘时，一般垃圾很容易看清楚，但是灰尘太小通常不容易被看见。此时，基于激光的方向性及高视觉识别，激光灰尘探测系统就可以辅助吸尘器识别看不见的灰尘粒子，确保地面被深度清洁。 那为什么选用绿色激光？ 据艾迈斯欧司朗市场工程师郑运强介绍，相比日常常见的红色激光以及泵浦固体激光器（DPSSL），就灵敏度和可视性来说，绿色激光差不多是红色激光的3.5倍（如下图左下方的视觉函数曲线中呈现）；而和DPSSL相比，绿色激光抗震动性更优，同时在低温时具备更好的稳定性。 也正是因为更好的可视性和可靠性，绿色激光二极管已经在诸多领域取代了红色激光二极管和泵浦固体激光器。 而在吸尘器这个新兴消费类应用中，绿色激光也将自身的优势发挥得淋漓尽致： 第一，它的可视性高、相干性好，能探测地面上肉眼难以看见的微小灰尘，甚至可以达到微米级； 第二，得益于激光的方向性好，绿色激光可以集中照亮前方区域； 第三，集成的PD可以控制激光的输出功率，并且可以通过IEC 60825 Class 2的安规认证； 最后，得益于激光二极管采用的完全气密性封装，使其具备业界最高等级的可靠性。 加入一个绿色激光光源，即可以极大提升吸尘这项劳动的用户体验。根据Euromonitor数据，2016-2021年，全球吸尘器市场零售量由1.18亿台增加至1.48亿台，CAGR为4.5%。此外受疫情催化影响，消费者的室内环境清洁需求增加，预计吸尘器市场规模会平稳增长。 而吸尘器将会是绿色激光非常重要的一个新兴消费市场。 2 、 多领域破局 除了吸尘器等新兴消费类应用，绿色激光也在多领域开疆拓土，激光水平仪就是其目前来讲最重要的应用之一，主要分为一字线和360°模组2种。 360°模组顾名思义就是一个能够产生360°激光线的模组，它的原理是通过激光束照射在一个锥形的反射镜上，实现360°激光照明。此模块可以替代3个一字线激光模块，可以帮助模组实现更小的尺寸以及更紧凑的设计。 当然，在激光水平仪以外，绿色激光也开拓出更多适合自己的领域，比如激光扫描枪以及激光ToF测距。 作为货物“身份证”的校验者，激光扫描枪已经和我们的日常生活紧密连接，在扫描过程中绿色激光具有自己的独特优势，比如输出功率稳定；扫描速度快；扫描距离远，可以完成直线距离超过30cm的扫描；识别率高、误码率低。 这些优势在激光ToF测距中同样显现。 激光ToF测距，即基于ToF的原理，利用激光作为发射管，APD作为接收管进行探测，从而测量它的距离。由于绿色激光相比红色激光具备更好的可视性，同时功耗较低、效率更高，因此非常适合中长距离的测距。 3 、 可见激光的兴起 半导体激光器的分类有多种方法。可见激光，便是其中很重要的一个类别。它指的是输出光波长在可见光范围内的激光，绿色激光便隶属其中。 由绿色激光的多元应用，正好可以管窥可见激光在各领域的多维落地。 郑运强表示，可见激光目前已经广泛应用工业、商业、汽车、特种照明、消费以及医疗等各种应用和市场。 有些应用跟我们的日常生活紧密相关，例如演播厅、会议室多会用到的激光投影，工程建筑装修时用到的激光水平仪，PPT演示时用到的激光笔，甚至是高端汽车中采用的激光大灯等等。 还有些我们在日常中会较少接触，例如可见激光在生命科学、医学诊断中的快速发展。在医学诊断方面，可见激光有着非常大的成本优势，譬如可以在DNA分析中替代原先较为昂贵的光源，或者利用蓝激光+SHG倍频的方式生成成本更低的UVC光源。目前，各种医学公司或者实验室等均居于医用激光二极管开发新的诊断方法跟工具，以便为患者提供护理所需要的专业及消费级设备。 就激光而言，艾迈斯欧司朗可以提供非常全面的系列产品，包括可见激光和不可见激光、垂直发射以及边发射等不同技术的产品组合。聚焦中低功率可见激光，艾迈斯欧司朗同样给出了系列方案。 譬如，多波长多光功率的选择，覆盖450nm~520nm，从10mW到110mW；其次还具备2种封装选择，TO56匹配稳健的工业应用，TO38的封装尺寸较小，适用于对尺寸要求较高的应用；此外就是密封封装，带来业界最高等级的可靠性和寿命；同时可以根据应用需要选择集成监控二极管。 4 、 大功率蓝色激光 在中低功率激光产品以外，大功率激光在显示及照明应用中具有独特优势。以大功率的LED跟激光来做类比，假设同样采用光功率4W的大功率蓝色LED跟蓝色激光，如果对比辐射亮度，如下表所示，LED的光密度为0.6W/mm 2 sr，而激光为2.7*10 5 W/mm²sr，相差了整整45万倍，由此可见，激光的功率密度要比LED高出5个数量级。 众所周知，在尺寸有限的情况下，高光功率密度的激光更有利于实现复杂光学设计以及更高的系统性能，譬如更小的光束角以及更远的照射距离。 回归艾迈斯欧司朗提供的大功率蓝色激光产品，波长都是标准的447nm，包含两类封装，光功率范围大概在1.6W~5W，均采用密封封装，具备业界最高等级的可靠性。 其中TO56封装是中功率产品的最优选择，它的发光孔径非常小，只有15um，因此可以提供一流的光束性能，非常适合需要耦合到光波导、光纤或者是需要高光功率密度的应用场合。 TO90封装为高光功率产品提供最佳的热阻跟性能，最高光功率为5W，表现稳定，适合应用在高光功率密度的工业应用。 目前，大功率可见激光最主要的应用市场就是显示，包括激光投影、激光电视、以及汽车AR-HUD等等。此外，以蓝色激光为例，大功率可见激光在照明领域同样有广泛应用，譬如激光大灯、工作灯、探照灯、户外亮化工程中所需要的景观建筑照明等等。 5 、 可见激光的未来 当就这些应用进行细究的话，会发现它们都有一个基本的共同点，它们对光源、光学系统都有着极高的要求，而大功率蓝色激光正好可以为这些基于特殊照明的应用提供自身的优势。首先，对比传统光源，激光的亮度更高；其次高功率密度的激光光源也可以使设计更加自由，进一步缩小光学及成像系统的尺寸，以更高的利用率获得更高的系统性能。 “随着技术的进步，成本的进一步降低，参考 LED 的发展历程，我们相信可见激光在照明、显示以及更多领域的应用也会越来越广泛。” 郑运强说道。 事实上，基于蓝色激光的激光雕刻/切割市场正在兴起。疫情以来，大家居家时间更多，家用消费品的需求也日益增长，特别是国外流行动手DIY，将蓝色激光用于雕刻、切割这样的DIY市场也就应运而生。未来，相信伴随技术的成熟，在消费端以外，蓝光激光在工业焊接、切割领域的机会也会日益增多。

利用蓝激光的高方向性、高强度性，通过光学系统光斑整形聚焦到加工物品上，利用激光热能的灼烧或者使雕刻表面发生化学变化产生雕刻印记（UV 印章），然后配合激光头的运行轨迹从而达到激光雕刻的目的。 目前，市场上主流用于激光雕刻应用的功率有 2W和 5W 的激光管，经过光学合束之后可以做到 10W、20W、30W、40W 的输出功率，适用不同的场合和需求，ams OSRAM 有 2 款产品在蓝激光雕刻市场占有一席之地。 技术原理（节选） 激光雕刻模组的核心部分是光学的设计，可以在激光器内部用 FAC 或者在外部用非球面透镜进行光斑准直，之后再经过合束（10W 以上模组），聚焦之后产生 um 级的光斑用于对材料进行加工。 图：激光雕刻模组分解结构

蓝光的基本物理特性和激光器的设计特点，正带来前所未有的生产力。 蓝光激光，正在酝酿一场新的风暴。 过去2年疫情原因让很多人的空间移动受到限制，但无法受限的是人类与生俱来的奇思妙想和将其快速落地的能力。 众所周知，世人苦蚊子久矣，夏夜里的“挑灯夜战”是很多人痛的领悟。一个国外博士DIY了一个高端杀蚊方式——利用计算机视觉精准定位，然后再用激光的热量将其一举歼灭。要知道，这位博士所用的激光器正是功率在1W左右，450nm波长的蓝光激光器！ 1、 “飞入寻常百姓家”的蓝光激光 作为一种生活态度，制作手工饰品在欧美风靡已久。而利用蓝光激光进行激光雕刻、打标、切割，是其非常重要的新兴市场。 特别是疫情以来，大家居家时间变得更多，家用消费品的需求也愈来愈大。而在国外，大家本就喜欢动手创作，如此，一个基于蓝光激光的DIY市场也随之发展起来，如今这股浪潮也正在影响国内。 在国内，DIY的习惯正从最早的发烧友渗透到年青一代生活的方方面面，DIY饰品、服饰、家居装饰代表着主人的审美与情趣。 据悉，蓝光激光雕刻、打标、切割的原理是利用激光的高方向性、高强度，通过光学系统把激光光束聚焦在加工物品上面，使加工物品的表面受到强大的热能而温度急剧增加，从而使该点因为高温而迅速地融化或者气化。然后配合激光头的运行轨迹，从而实现基于激光的DIY雕刻等。 “在激光的雕刻等应用上，蓝光激光可以应用在非常多的材料，比如它适用各种金属、木材或者是我们平常穿的衣服布料以及各种类型的礼品，在其上刻上特殊的符号，会使这些物品显得更有意义，”艾迈斯欧司朗市场经理郑运强介绍道。 特别是相比于其他光源，蓝光激光可以实现更小的光学或者说系统尺寸，同时也可实现更低的系统成本。因此利用蓝光激光雕刻、打标、切割非常适合对系统成本要求较高，对系统的尺寸要求较高的 DIY 消费市场。 2、 金属3D打印的未来是蓝色的 “当然，随着技术的更加成熟，蓝光激光在工业市场的应用也会越来越多。” 特别是金属3D打印。 据悉，目前正在开发的蓝光激光技术，有望在金属3D打印中，实现更快的打印速度、更高的打印分辨率和更好的打印质量。 这正是由于金属的基本物理属性决定了其吸收电磁辐射的能力，而在数十种工业应用中重要的金属对蓝光的吸收能力要比红外光强得多。尤其是铜，它对蓝光的吸收能力是红外光的13倍。 金属3D打印在本质上是小范围的连续焊接，金属粉末相当于焊料。金属粉末吸收激光能量后熔化，使其与相邻材料相连。而激光3D打印之所以具有吸引力，是因为激光在众多应用中具有独特的优势——其可以灵活地、无接触地将能量传输到精确的位置。 而铜、金、铝合金等高反射金属，为红外激光3D打印带来了2个挑战： 其一，当用高强度红外激光熔化金属粉末时，较小的粉末颗粒会大量被汽化，这就需要控制汽化颗粒的再沉积； 其二，如果使用环形激光，在激光作用之前粉末预热会浪费大量能量。 而正由于蓝光激光可以被大多数金属所吸收，因此只需较低能量即可实现可控的熔池，并将汽化降到最低。因此，与红外激光相比，蓝光激光3D打印能以较低的能量密度，打印更高密度的金属件。 就在去年，3D打印机制造商Essentium与工业激光器专家NUBURU宣布合作开发一种基于蓝光激光的新型金属3D打印机，且于今年6月完成了首批交付。新设备旨在实现工业级金属部件的高分辨率以及高吞吐量制造，项目将以“多年、数百万美元”的协议进行开发。据合作伙伴称，该系统将适用于汽车、航空航天和国防等各种关键行业。 3、 创新与突破 2017年，第一台与工业相关的蓝光激光器发布。 很快，它便证明了自身在材料加工方面的独特优势。 蓝光激光器可实现的功率密度的持续增长导致其处理的应用范围相应增长，这些范围从消费电子、电池制造、电子交通等领域一路扩张，每个应用空间都利用了蓝光的基本物理特性和激光器的设计特点，带来前所未有的生产力。 总的来说，蓝光激光器的采用是由2个主要特性驱动的：吸收的基本物理特性和提供高功率密度的激光设计。 对清洁能源的日益重视推动着用于高密度便携式储能锂离子电池的生产。 而要让锂离子电池充分普及，对金属材料铜的工业化加工尤为重要。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溶解。 正是这样的挑战，让蓝光激光在工业材料加工应用中脱颖而出。 自2017年问世以来，蓝光工业激光器的规格也在迅速提高，激光功率和亮度等关键指标快速提升，不断扩大其应用范围。早期的蓝光激光器多用于电池制造，众多的技术进步使蓝光激光可以与工业化的扫描系统集成，提高激光加工的质量和效率，因而促进消费电子的应用。而这些应用反过来又促进了电动汽车零部件连接工艺的发展，并将其应用于航空航天和医疗领域。 艾迈斯欧司朗作为业内领先的光学解决方案厂商，对于蓝光激光的发展一直起着“奠基”和“推动”作用。“以大功率蓝光激光为例，我们推出了2个封装（TO56和TO90）的蓝光激光产品（如上图所示），光功率范围在2W-5W，均采用密封封装，具有业界最高等级的可靠性，”郑运强介绍道。 TO56封装产品，PLPT5 447KA，是中功率产品的最优选择，它的发光孔径非常小，只有15μm，因此可以提供一流的光束性能，非常适合需要耦合到光波导、光纤或者是需要高光功率密度的应用场合。 TO90封装产品，PLPT9 450LB_E，是高光功率密度产品，最高光功率可达5W，可以提供最佳的热阻跟性能，包括ESD保护，适合应用在高光功率密度的工业应用（非汽车应用）。 去年12月，激光器模块制造商Convergent Photonics基于艾迈斯欧司朗CoS封装形式的新型445nm蓝光激光二极管开发其最新激光器模块，这些激光器模块非常适用于高功率工业应用和中等功率医疗应用。 今年1月初，全球领先的光学解决方案和光学设备制造商Crytur发布，其最新推出的MonaLIGHT激光模块是基于艾迈斯欧司朗的PLPT9 450LB_E这款蓝光激光二极管。 据悉，该模块能够提供LED技术无法达到的峰值光强，高达7000cd，在光通量1100lm时，电光转化效率至少为80lm/W。 而这样的合作和创新，也在随着蓝光激光的应用版图一起扩大。