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蓝光激光器的应用

  蓝光激光器是指波长位于400nm-500nm区间且光源呈蓝色的激光器。应用蓝光激光器具有波长短、衍射效应小、能量高等特性,在材料加工、光信息存储、显示技术、通信技术、激光医疗等都有广阔的应用前景。为更直观地呈现蓝光激光器的工艺效果,小凯特意请同事现场操作拍摄了视频:
蓝光激光器
蓝光激光器和光纤激光器焊接对比
 
  蓝光激光器的优势:波长越短意味着更高的光子能量,利于提升材料对激光的吸收率。如下图所示,相较于工业加工常用的光纤激光器,金属材料在450nm处的吸收率提升了10-60%,尤其对铜、金等高反射金属材料吸收率的提升更为明显。蓝光激光器在铜的焊接上所需的能耗比红外激光器低84%,在金的焊接上甚至要低92%。这意味着,当红外激光器需要10 kW的激光功率来焊接铜或金材时,使用蓝光激光器仅需要约1 kW或0.5 kW的功率。
 
  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。
 
  同时,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。此外,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。
蓝色激光的性能优势源于基本物理原理
 
  总的来说,蓝光激光器提高了激光焊接速度,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,这是近红外激光所无法实现的。
 
  蓝光激光器的发展
 
  红绿激光器应用广泛且早已实现产业化。相较而言,蓝光激光器受材料、成本、技术等因素影响,起步较晚,发展相对缓慢。
 
  2015年,德国半导体激光器厂商DILAS公司首次推出一款波长为450nm的蓝光可视光半导体激光系统,最大输出功率25W,采用光纤芯径为200μm或400μm,可以扩展至100W,可用于材料加工;同年,日本岛津公司宣布成功研制光纤耦合型高亮度蓝光直接二极管激光器“BLUE IMPACT”,采用蓝光氮化镓类半导体激光,是全球首个完成产品化的激光加工用光源。
 
  早期的蓝光激光器功率较低,无法直接用于工业加工,并未获得过多关注。直至近年,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。如:德国公司Laserline基于半导体叠阵空间光整形技术实现了2000W 600μm NA0.22及800W 400μm NA0.22 的光纤耦合输出。美国公司NUBURU基于VBG密集光谱合束实现了1500W 105μm NA0.22光纤耦合输出。国内联赢也推出了1000W 800μm NA0.22的蓝光激光器。上文视频中的激光器是凯普林于2021年1月推出的蓝光1000W 330μm NA0.22 产品,填补了市场空白。
 
  为了提升千瓦级蓝光半导体光源系统的可靠性,匹配自动化耦合及装调设备,紧凑产品结构,凯普林采用光纤合束器进行功率扩展。而且用于光纤合束的单个模块,内置了多个子单元。由于蓝光芯片对环境异常敏感,为了提高蓝光产品的寿命,凯普林对每个子单元都作了特殊处理,有效保证光源的长期可靠性。
 
  蓝光激光器因其独特的封装技术,保证了蓝光产品功率稳定性高,产品寿命长及可靠性好的优势。
 
  除了特殊芯片保护设计之外,凯普林蓝光子单元还具有光路设计紧凑的优势,有利于缩短光程,提升光纤耦合输出时0.15/0.22NA内的能量占比,保证了更高的功率能够进入更细的光纤,从而提高了整机系统合束输出的光束质量及合束的可靠性。
 
  从上文视频中,我们可以看到整个焊接过程中,焊缝表面成型稳定,光亮且无任何飞溅;40X 显微镜下,焊缝内部未发现气孔。
 
  随着技术的日臻成熟,高亮度蓝光光源在未来高端装备制造中的需求量将非常可观,并发挥重要作用。凯普林将持续深耕,为客户提供专业优质的服务及先进可靠的产品,为推动中国激光事业的发展不懈奋斗。

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