蓝光激光器有前途吗?

过去这些年推动激光技术应用主要有两条路线:第一条是突破技术瓶颈不断提升输出功率,带来的单瓦激光价格的大幅下滑,使用成本极大地降低;第二条是新型激光器技术不断出现以及应用技术趋于成熟,同时带来了新的应用拓展,市场需求增加。



功率提升可以算是一种垂直发展,而新型激光器可当作是激光技术的横向发展。功率提升已谈过很多,这里不讲。重点关注未来新型激光器怎么发展,过去的10年,从光纤脉冲到光纤连续,从单模到多模,又从绿光说到紫外,碟片、半导体、皮秒、飞秒等激光类型均被谈论研究过。飞秒激光器之后,激光的新技术路线是什么?这是困扰笔者两年的一个问题。

有人说是阿秒激光器(attosecond),但目前阿秒激光是科研热点,全球还没有成熟的商用阿秒激光器成品案例。这两年,蓝光激光器逐渐兴起,并得到行业人士关注。这是一种新型的激光器,它的出现能给激光应用带来什么变化,蓝光激光器的发展有前途吗?


海外蓝光激光器的发展

蓝光激光器是波长约450nm,输出光谱位于蓝色波段的光源。工业用蓝光激光器主要是一种半导体激光器,目前已知较早做的是德国半导体激光器厂商DILAS公司,在2015年4月就推出一款波长为450nm的蓝光可视光半导体激光系统,最大输出功率25瓦,采用光纤芯径为200µm或400μm,可以扩展至100瓦,可用于材料加工。

同样是在2015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”,该激光器采用了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。这款产品在2015年年末荣获了象征日本尖端技术的“超级制造产品零件大奖”。到2019年2月,岛津宣布与大阪大学合作开发出输出功率达到1KW的蓝光半导体激光器。

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早期的蓝光激光器功率很小,并没有得到太多的关注,直到2017年后人们才意识到要发展高功率蓝光激光器。一般来说,蓝色半导体激光只能以单体输出,在实现高功率输出时,光束尺寸就会增大,难以保证在保持小光束尺寸的同时实现高功率输出。选择耦合方式可以解决这个问题,即准备多个蓝色的光源,让发出的光线通过透镜汇集成光纤。通过光纤输出激光,这样不仅容易操作,而且通过将多个激光单元连接在一起,可以很容易地增加激光功率输出。

在一个为期三年的德国政府研究计划EffiLAS(高效大功率激光束源)的支持下,德国Laserline公司研制的第一台蓝光千瓦级半导体激光器诞生了,2018年推出了500瓦的样机,2019年在上海光博会首次展示了全球第一款1KW商用蓝光半导体激光器。至2020年初,该公司已经宣布实现2KW蓝光激光器产品商用。

美国NUBURU公司也是一家主要研发蓝光激光器的企业,最早在2017年研制出蓝光半导体激光器,继而在2018年推出150W,在2019年推出500W蓝光激光器,到2020年更是推出了1500超高亮度蓝光激光器。在2020年12月NUBURU宣布完成了新一轮2000万美元的融资。

2020年2月,媒体报道了松下公司成功推出了全球最强亮度的蓝光激光器,报道说其功率为135 W。在直接二极管激光器(DDL)上,采用多波长光束组合(WBC)技术,产生高质量输出光束。采用这种技术,只需增加激光源数量,就可以调整功率,同时保持光束质量。所产生的激光强度,可能比传统蓝光激光系统高出两个量级。这一技术部分源于TeraDiode(TDI)公司,2017 年被松下收购。TDI是一家生产高功率高亮度半导体激光器的公司,也是全球唯一能够做出半导体激光器用于金属切割的厂家。


中国蓝光激光器的发展

进入2020年,中国的研究单位和企业陆续跟进,推出了蓝光半导体激光器。在5月份,深圳联赢激光宣布推出国内首款蓝光半导体激光器,功率为1KW级,波长为455nm,在焊接铜材时属于热传导焊接,焊接过程无飞溅,熔池稳定,焊后焊缝平整,外观良好。

几乎在同一时间,长期专注于第三代半导体发光材料研究的北京大学光电研究院也成功研制了工业级蓝光半导体激光器。

到了9月份,广东粤港澳大湾区硬科技创新研究院宣布推出工业级蓝光半导体直接输出激光器,该产品输出功率500瓦,功率稳定性小于±2%,结构紧凑,适合用于高反材料的焊接、熔覆,3D打印等。为了确保产品性能,硬科院还推出5台蓝光激光器招募企业,提供免费使用一年的试验。

也是在9月,在上海工博会上,国内光纤激光器领头羊武汉锐科激光宣布推出了蓝光光纤输出半导体激光器。当时介绍:蓝色激光进行焊接吸收率更高,是红外波段的10倍左右。目前在锐科网页可查到一款500瓦的蓝光激光器,该款激光器主要应用在金、银、铜等有色金属的焊接,可应用于新能源电池焊接、3C以及合金的焊接等领域。

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目前国内外的蓝光激光器在技术上均属于半导体激光器的一类,国内半导体激光器领头羊----北京凯普林光电自然不会缺席,凯普林在没有任何宣传的情况下默默上线了自己的一款波长445nm/200瓦的蓝光半导体激光器。经笔者询问凯普林技术人员,该款产品最早是凯普林在2019年美国西部光电展上就已经推出的。这么算来,凯普林的产品才是国内第一款国产的蓝光激光器。


蓝光激光应用前景巨大

蓝光激光相比于红外激光,在铜材料上有着更高的吸收率,两者相差接近10倍。假设加工同样条件材质的铜材料,使用红外激光使用的是4000瓦,而改用蓝光激光可能800瓦就能达到同样的加工效果。

生活中,在电池、马达电机、发电涡轮机以及燃气炉等大量使用了铜材料,另外在一些电子产品元器件很多地方也用了铜材质,相对于红外激光,蓝光半导体激光器对铜材料加工拥有很大优势。只要未来应用工艺成熟,蓝光激光加工的需求量会非常可观。新型激光器技术的突破往往会带来新的材料加工应用,蓝光激光器也会是一个很好的应用市场突破。




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