應用于材料加工的激光光源發展迅速。全新藍光激光棒的光功率可以高達100瓦。紅外激光棒可實現以前被認為幾乎無法企及的效率。
大功率激光二極管作為材料加工激光系統的光源正在發揮著越來越重要的作用。紅外激光棒具有極高的光功率，其功率和效率目前已達到一個全新水平。另外，值得注意的是藍光波長激光棒，其在實驗室中的光功率可達100瓦（W）。這是一個巨大飛躍，因為不到十年前，藍光激光二極管只有幾瓦的功率。
適用于材料加工的高能光束
高功率密度令激光輻射成為一種高效的工具，可以將定量的能量傳輸到工件特定區域，并在非接觸的情況下對這些區域進行精確加熱。典型的應用包括各種金屬和塑料的雕刻、涂層、焊接和切割等。根據VDMA 2019的《激光技術世界》統計，目前用于金屬切割和焊接的大功率激光工具占據了全球材料加工激光系統45%左右的市場份額。目前，大功率半導體激光器的應用也越來越廣泛，它既可直接用作激光加工工具，也可以用于泵浦光纖或固態激光器。與二氧化碳激光器或閃光燈抽運固態激光器相比，它的效率更高，結構更緊湊。其核心是半導體激光二極管，通常為光功率較高的激光棒。多個激光棒堆疊在一起可用作工業半導體激光器的光源，此類激光器的光功率目前可以達到100千瓦（kW）。
用于材料加工的激光二極管的核心參數包括波長、光功率、電光轉換效率（WPE）和光束質量。這些是衡量一個完整系統效率以及成本效益的必需參數。較高的光功率和效率可減少系統所需的激光芯片數量，從而降低耦合和冷卻成本以及光學系統復雜性。光束質量決定了可以耦合進光纖的激光功率的大小，適當的波長則能夠確保加工材料充分吸收激光能量。目前，由于大多數使用激光加工的材料可吸收約1 μm波長的光，所以在激光加工行業中，紅外激光器的應用得到了較為廣泛的普及。
大功率藍光激光器
銅是電氣工程中最重要的原材料之一，在電池、電機或斷路器的電力傳輸等方面發揮著核心作用。例如，在用于電動汽車或儲能系統的鋰離子電池中，每個電池通過銅介質實現連接導通。這時，由于高工作電流，這些連接會受到較高熱應力的影響。傳統的焊接接頭在這樣的情況下會不夠穩定，因此激光焊接的應用實現了高速的增長。
但是銅會反射大量紅外波長，其他有色金屬（如金或鋁）也有類似情況（圖1）。如果采用紅外激光來進行加工，就需要非常高的激光功率。除了能耗高之外，工藝的可控性也相對較差。一旦銅在高溫下熔化，它就會大量吸收紅外光。當融化的銅“沸騰”后，會形成孔隙并產生飛濺。焊接質量差也會影響其導電性等性能。圖1顯示了金和銅的光譜吸收對比情況。銅吸收藍光的能力是紅外光的12倍，同時也是綠光的1.2倍。對于金來說，這些系數分別為50和2.2。因此，在加工中，當波長低于500 nm時，可實現最高的系統效率。
圖1：銅、金等有色金屬對藍光的吸收能力比紅外波長強得多。
目前藍光工業半導體激光器的光功率可達到幾百瓦到幾千瓦。開發基礎的大功率藍光激光二極管是其中的關鍵任務。在不到十年前，其輸出功率還在毫瓦至幾瓦范圍內，可用于藍光驅動器、投影機或汽車頭燈等應用。現在，藍光激光二極管迎來了高速的發展，輸出效率和功率有了長足的提升。艾邁斯歐司朗不斷提高其450 nm單個發射器的效率，從2008年功率為60毫瓦時15%的效率提高至現在功率為2.2瓦時效率達到46%。為了將工業二極管激光器光源用于有色金屬加工，必須繼續提高其將其性能水平。作為政府資助的光子計劃（EFFILAS）的組成部分，BLAULAS項目致力于開發更高功率和效率的藍光激光器和相應的高功率激光二極管。
圖2：艾邁斯歐司朗光電半導體在10年內將藍光激光二極管的轉換效率提高近三倍。圖中所示為最大效率值和相應的光功率。
與紅外系統類似，藍光系統也依賴于大功率激光棒。一開始，專家們對這種方法能否成功用于銦鎵氮（InGaN）材料系統表示懷疑。因為它具有相對較高的晶體缺陷密度，甚至在某些情況下，具有缺陷的發射點可能會破壞整個激光棒。因此，第一步需要驗證和改進芯片制程和一致性，接下來是從設計和工藝步驟上進行優化。2018年，艾邁斯歐司朗推出了全球首款藍光激光棒。在實驗室中，這款激光棒可在60 A的電流下實現98 W的輸出功率。功率為50 W時的最高效率達到46%。2019年，開發人員將其功率突破了100 W大關，達到107 W（圖3）。
照片3：安裝在主動冷卻散熱器上的藍光激光棒的輸出功率和效率特性曲線。
這款激光棒寬9.2 mm，腔長1.2 mm，由23個發射器組成，每個發射器的孔徑寬度為30 m。400 m的間距可確保7.5%的低填充系數，這可防止相鄰發射器之間的熱串擾，并避免產生額外的熱量。通過這種設置，可以確保閾值電流恒定在4.5 A。在30 A / 50 W的工作點，橫向和垂直輻射角（慢軸和快軸發散角）約為7°和37°（95%能量的值）。即使在工作電流發生變化的情況下，慢軸發散角也始終低于8°。因此，激光波束可與現有的透鏡系統很好地準直，并有效地耦合到玻璃光纖中。基于這些激光棒優異的性能，2019年首款光功率超過1 kW的藍光半導體激光器問世。
圖4：適用于有色金屬的藍光：基板（CoSA） PLPCOS 450E上的單個發射器可提供5 W功率。波長為450 nm。
藍光激光棒SPL BD45-12-23-00B具有50 W的輸出功率，在25°C條件下，連續波（CW）工作效率為38%。大功率激光棒是構建緊湊型高輸出功率激光器光源的首選。對于幾十瓦的光功率應用，基于單個發射器設計系統是一種有效的方法。除了采用經典的TO封裝型的發射器，也可以選擇使用PLPCOS 450E板上芯片（CoSA）型號。該激光器可提供5 W的光功率，具有45 μm寬發射器和集成式ESD保護二極管。借助多路復用工藝，通過將多光束整合在一個光模塊中，CoSA單個發射器路線也可用于實現千瓦級的二極管激光器。
紅外激光器：突破效率限制
紅外二極管激光器已在工業材料加工領域使用了多年。隨著這些系統的普及，整個系統的成本和能源效率成為人們關注的重點。幾十年來，艾邁斯歐司朗一直專注于生產和開發基于鋁鎵銦砷化物（AlGaInAs）或鎵銦磷化物（GaInP）的紅外激光二極管和激光棒。自20世紀70年代以來，CW激光器的輸出功率從幾瓦增加到目前的400 W。
圖5：20世紀70年代以來，大功率激光二極管性能越來越高。
值得注意的是，該激光器輸出功率達到400 W，效率則提高至70%（在300 W時）。2011年，當輸出功率為250 W且效率達到60%時，艾邁斯歐司朗和其他半導體激光器公司似乎都遇到了現有技術的瓶頸。在輸出較高，且芯片內的相對溫度較高時，效率會下降，這反過來又會產生熱量，從而降低輸出效率。
作為光子計劃的組成部分，EKOLAS項目取得了一定進展。艾邁斯歐司朗的任務就是提供具有高效率、高輸出功率、良好光束質量和較高可靠性的激光棒。2020年2月，開發人員研制出波長為1000 nm和1020 nm的激光棒，其最大光功率為400 W，最高效率為300 W時的效率達到65%。該激光棒由25個發射點組成。在300 W工作點，橫向光束角最大為9°，可確保光束有效耦合至光纖。根據老化測試表明，在長期運行情況下，310 W時的可靠性較高。接下來，將轉向800-1060 nm的其他波長繼續研究。
照片6：大功率激光棒SPL BKxx-40-25-10B可提供250 W的光功率。它由25個發射點組成，每個發射點寬200 m，波長為940、976或1020 nm。
目前，用于材料加工的紅外產品組合包括800至1060 nm波長的大功率激光棒，光功率高達250 W，808 nm波長時效率為60%，900 nm波長時效率超過65%。此外，還有一款專為光束有效耦合至光纖而設計的迷你棒，其可在準連續波工作條件下實現高達500 W功率。它們適用于刻印、泵浦、美容應用（如脫毛）或遠程傳感等應用。波長為915和976 nm的單個發射具有不同的發射點寬度，用于耦合至不同的光纖幾何結構中，每個發射器功率為25 W。
結論
大功率藍光激光二極管和紅外激光棒的創紀錄效率使材料加工應用向前邁進了一大步。五十多年來，艾邁斯歐司朗光電半導體一直致力于半導體激光二極管的研發。世界上首款輸出功率達到100瓦的藍光激光棒，以及紅外激光二極管效率的顯著提高，這些表現都是幾十年來艾邁斯歐司朗在該技術領域始終處于領先地位的印證。雷根斯堡工廠負責激光芯片的生產和開發，目前正在持續擴展這一領域。僅在過去的兩年中，紅外激光芯片的生產能力就翻了一番。
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