現在，半導體激光器終于攻克了材料加工領域的圣杯——切割，一批新的半導體激光器進入了全球工業激光器市場。垂直腔面發射激光器（VCSELs）現在能達到的功率水平使其能完美地應用在幾種較低亮度的工業應用中。該產品體積小、容易安裝，具有高成本效益的激光源，在塑料焊接以及熱塑性復合材料原位激光強化的自動鋪帶中能充分發揮VCSELs的優勢，因而與傳統工藝相比有著很大的吸引力。
垂直腔面發射激光器在工業市場還是一個新面孔，但已經能用于低功率應用的批量生產。其單個二極管輸出功率在1–10mW范圍內，主要應用于數據通信，也用在傳感器、手勢識別和許多其他低功率應用中，這一日漸增長的市場在2014年達到約5億美金的規模。
圖1：左圖為9.6kW VCSEL激光模塊，右圖為光強分布與工件距離間的關系。
VCSEL應與目前的高功率半導體激光器區別對待，后者是邊發射激光器。在邊發射激光器中，半導體中的激光腔是與晶圓表面平行的條狀。當晶圓切開后，發射器就變成了激光器，同時在兩側還有兩個切割邊緣作為反射鏡。發射出的是高度不對稱的光束，然后通過各種光路合并到更高功率的光束中。
相比之下，垂直腔面發射激光器的激光腔垂直于晶圓表面。最大的VCSELs直徑大約為20μm，并能發射10mW的完美的圓形光束。在Philips Photonics的高功率芯片中，1.9×2.0mm的芯片上就有2200個這樣的VCSEL微激光陣列，能發射大于7W的形狀非常均勻的光束。因為不需要切開，所以VCSELs可以進行晶圓層級測試，并且可以用標準的半導體工藝和設備來封裝，成本和LED封裝差不多。通過將這些芯片陣列封裝后組合到高功率千瓦級模塊中，可以實現較高的功率水平。
圖1展示了一個激光模塊從40×208mm表面發射輸出功率為9.6kW的光束。VCSEL模塊發出的光不需要進一步使用光學元件，它本身就非常均勻。右邊顯示的是光強分布和發射器與目標之間距離的關系。在距離達到100mm之前，光強分布保持得非常均勻。由于光束由數以百計的芯片組組成，所以可以單獨處理，從而有可能產生動態變化的光束分布。
高功率VCSEL系統的功率密度是100kW/cm2，并且可以通過增加微光學元件將其提高至1kW/cm2以上。相比其他激光器，甚至是千瓦級別的，VCSEL系統非常緊湊、堅固耐用、易于集成，并且具有成本優勢，這些優點使它更容易與非激光加熱解決方案來競爭。
工業過程中的VCSELs
垂直腔面發射激光器介于傳統和激光加熱方法之間，已經在大量應用中成功接受了考驗。下面將更詳細地介紹塑料加工領域中的兩個例子。其他應用還包括太陽能電池金屬化燒結，類似的還有印刷電路板、印刷電子或是電池制造中的金屬化工藝。
垂直腔面發射激光器還能局部增強先進高強度鋼（AHSSs）的韌性，讓這些高性能鋼可以被沖壓和軋制。汽車行業對此特別感興趣，因為使用AHSS能幫助他們實現更輕的車身設計。
垂直腔面發射激光器能夠模擬熱量，這是它在某些工藝例如滾動式加工中有別于其他激光器和傳統加熱源的地方。VCSEL模塊允許在窄的激光作用區進行輸出功率的單獨轉換和連續控制（圖2）。因此，在所有模塊寬度范圍內，可以任意選擇加熱分布并隨時間而變化。
圖2：左邊是帶有選擇性激活激光區的4.8kW的模塊，中間是通過對激光區進行單獨控制而實現的定制式的光強分布，右邊是在滾動式加工中使用的結構化加熱。
例如，為了讓整個樣品上的熱量分布均勻，不管是在燒結之后還是作為獨立的系統，一個簡單的解決方法就是，用更高光強照射邊緣以抵消沿邊緣發生的熱損傷（圖2中心）。通過配上熱成像攝像機或是傳感器，可以進一步獲得閉環反饋，以控制VCSEL源中的單個加熱單元，從而能調整工件上的光強分布。
金屬化線、表面涂層或膠粘劑活化都可能需要結構化的加熱模式。可單個訪問的VCSEL芯片通過在連續的加工中使用變化的光強分布來實現這一要求，而無需額外的光學元件（圖2，右）。
激光加熱用于飛機碳纖維鋪帶
碳纖維增強塑料（CFRP）和其他纖維增強的零部件在航空航天工業中屬于最先進的領域，并且慢慢開始在汽車行業得到應用。目前，最復雜的復合部件均采用熱固性基體材料。越來越多的零件通過用自動纖維鋪放技術來鋪設纖維帶。一旦鋪好，就需要將零件放入高壓釜中加工，這會對生產線帶來瓶頸。
改為纖維增強熱塑性材料，可以解決這個問題，主要是在原位材料強化過程中使用自動纖維鋪放技術以及高能熱源。在此應用中，理想的熱源能實現均勻的纖維分布，并可以在閉環反饋過程中得到控制，以保持溫度穩定。雖然使用光纖激光器和半導體激光器有較好的效果，但是要想獲得均勻的正方形或矩形光強分布還需要額外的光學元件，而像焊接和切割中使用的高強度是完全不需要的。
圖3：安裝在碳纖維鋪放頭上的VCSEL系統（圖片由AZL亞深工業大學的T. Weiler和Fraunhofer IPT的D. Werner提供）
垂直腔面發射激光器系統可以滿足自動纖維鋪放系統中的原位加熱的所有要求， 而無需額外的光學元件，同時比光纖激光器的成本更低。圖3顯示的安裝在德國亞琛Fraunhofer IPT的設備正在測試中。
在使用多個鋪帶頭的鋪帶設備中，垂直腔面發射激光器系統的特點使其在不需要使用所有鋪帶頭時能關閉光束的部分區域，從而在幾何形狀方面能實現更多靈活性。VCSEL激光系統也特別吸引了熱固性自動鋪帶的關注，后者的溫度不會太高，但工作窗口要小得多，因此需要更嚴格地控制激光功率和光強分布。
微流控裝置的焊接
最近流行的詞語是個性化醫療和芯片實驗室（lab-on-a-chip）。微流控裝置涉及為DNA測序準備DNA樣品，或為醫療診斷執行一個或多個實驗室步驟。新的應用包括標準血液測試，只需用針點刺到的一點點血，而不需要抽血。
規模較小的微流控裝置制造很有挑戰性。它們通常由丙烯酸或聚酯層組成，其中至少有一個是結構化的。通常使用具有良好光束質量的激光器，并配備掃描儀，來將所選的區域焊接在一起，或是活化每層之間的膠粘劑。掃描儀設置的靈活性使得可以快速裝備新工具，特別是在研發階段。
圖4：左圖是典型的微流控裝置（由Fraunhofer ILT提供），右圖是使用帶光罩的標準VCSEL模塊焊接而成的微流體結構（1秒加工時間）。
隨著這項技術成為主流，有必要將其放大到大批量的制造中，使其成為一種快速、經濟高效的方法。使用光罩技術能在幾秒鐘內焊接很多設備，以及能覆蓋較大面積的高能量、均勻的光源，這時就需要垂直腔面發射激光器來大顯身手了。VCSELs可以擴展到較大面積，而不需要移動零部件或其他光學元件，并且可以很好地集成到焊接系統中。這樣能一次性加工幾托盤設備，比使用傳統的激光源更具成本效益（圖4）。
小結
許多工業生產過程需要加熱用來退火、干燥、熔化和固化。目前，這些都需要許多工藝來實現，包括傳統的爐、氣焊炬、燈和熱風鼓風機，還有修改激光器以生成較大的光斑。傳統方法通常不能對溫度或是加熱分布進行很好的閉環控制，但是具有成本優勢。傳統的激光器通過設計可以生成很高的強度，但是成本高昂，特別是還需要額外的光學元件。
VCSELs是一種新型的固態光源，是獨特的光子加熱系統。非常緊湊，并且無需維護，成本較低，可以取代傳統的加熱系統。精確的控制、均勻的光強分布以及能設計加熱模式，并且可以在數毫秒間進行更改，因此，相比修改標準的高功率激光系統來適用加熱應用，VCSELs具有更明顯的優勢。
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
