顧波

1.中國光學學會激光加工專委會 北京 100081 2.美國玻色光子公司 北京 100081

1 近紅外波長高功率激光器的局限

在過去的幾十年中，高功率連續(xù)激光器已經(jīng)成為現(xiàn)代制造業(yè)中的通用工具，涵蓋了焊接、熔覆、表面處理、硬化、釬焊、切割、3D打印與增材制造等應用領域。大功率連續(xù)激光器技術的第一個發(fā)展高峰出現(xiàn)在2000年之前，當時研發(fā)出了高功率10.6μm波長的二氧化碳（CO2）激光器和近紅外1064nm波長的半導體泵浦Nd：YAG固體激光器。但是，二氧化碳激光器因其波長的原因，很難通過光纖傳輸，對工業(yè)應用造成一定困難；而固體激光器則受到亮度和功率放大能力的限制。2000年之后，高功率工業(yè)光纖激光器開始出現(xiàn)，成為可通過光纖傳輸并且具有高亮度、高功率激光器的解決方案。如今，光纖激光器已在絕大多數(shù)應用中替代了二氧化碳激光器，已經(jīng)被有效地應用在眾多工業(yè)加工應用中。特別是近年來，它已經(jīng)成為工業(yè)激光器的主力軍，例如激光焊接和切割，它比二氧化碳激光器具有更高的速度、效率和可靠性。

但是，這些連續(xù)高功率光纖激光器，一般在近紅外（NIR）波長下工作，其波長在1μm以內(nèi)，這對許多應用來說都沒問題。比如它適用于吸收率超過50%的鋼的加工，但是由于某些金屬會反射90%或更多入射在其表面上的近紅外激光輻射，因此受到限制。尤其是用近紅外激光焊接諸如銅和金等黃色金屬，由于吸收率低，這意味著需要大量的激光功率才能啟動焊接過程。通常有兩種激光焊接工藝：熱傳導模式焊接（其中材料僅被熔化和回流）和深熔模式焊接（其中激光使金屬氣化并且蒸氣壓形成空腔或鎖孔）。深熔模式焊接導致激光束被高度吸收，因為激光束在穿過材料傳播時會與金屬和金屬蒸氣發(fā)生多次相互作用。但是，以近紅外激光啟動鎖孔需要相當大的入射激光強度，尤其是在被焊接的材料具有高反射性時。而且一旦形成了鎖眼，吸收率就會急劇上升，高功率近紅外激光在熔池中產(chǎn)生的高金屬蒸氣壓會導致飛濺和孔隙，因此需要小心控制激光功率或焊接速度，以防止過多的飛濺物從焊縫中噴出。當熔池凝固時，金屬蒸氣和工藝氣體中的“氣泡”還可能會被捕獲，從而在焊接接縫處形成孔隙。這種孔隙會弱化焊接強度并增加接頭電阻率，從而導致焊接接頭質量降低。因此，近紅外激光對于加工諸如銅等在1μm處吸收率＜5%的材料來說具有很大的挑戰(zhàn)性。為了更好地加工這些高反射率材料，人們采用了通過在加工材料上產(chǎn)生等離子體以增加材料對激光的吸收率等方法。但是，因為這些方法將使材料加工限制在深度滲透工藝范圍內(nèi)，所以對薄材料不能用熱傳導模式焊接，同時也存在濺射發(fā)生和控制能量沉積等固有的風險。因此，在加工有色金屬等高反射材料時，以及在水下應用中，現(xiàn)有的波長1μm激光系統(tǒng)都有其局限性。

為了開發(fā)這些近紅外激光受制的應用領域，人們必須對新的激光光源進行研究。另外，為了減少溫室氣體，新能源汽車正在用電動發(fā)動機代替汽油發(fā)動機和內(nèi)燃機。而電動發(fā)動機特別是動力電池構造中采用了很多銅材料，這就產(chǎn)生了對可靠的銅加工解決方案的巨大需求，同時在其他可再生能源系統(tǒng)如風力渦輪機中，也有著同樣廣泛的應用需求。

2 高功率藍光激光的誕生

工業(yè)激光技術的發(fā)展，一直是沿著生產(chǎn)技術和社會新要求的路線圖而發(fā)展的。過去60年，從數(shù)字經(jīng)濟和社會，到可持續(xù)能源，再到健康生活，激光技術為解決人類未來的重要任務作出了巨大貢獻。今天，從生產(chǎn)技術到汽車工程、醫(yī)療技術、測量和環(huán)境技術，再到信息和通信技術，激光技術已經(jīng)成為我國經(jīng)濟許多核心領域不可或缺的一部分。隨著金屬加工技術的不斷進步和用戶要求的不斷提高，激光器需要在成本和能效以及激光系統(tǒng)性能方面進行創(chuàng)新。能有效加工高反射金屬的市場需求，激發(fā)了藍色高功率激光技術的發(fā)展，并定將打開金屬加工新技術的大門。

對于有色金屬，其對光能量的吸收隨著光波長的減短而增加。例如，銅對500nm以下波長的光吸收會比紅外光增加至少50%以上，因此短光波長更適合于銅的加工。問題在于，開發(fā)這些工業(yè)應用的短波長高功率激光器比較困難，幾乎沒有高功率選項可用，即使已存在的選項也是價格昂貴和低效率。例如，市場上有一些基于倍頻的固態(tài)激光源可在此波長范圍內(nèi)使用，產(chǎn)生波長為515nm和532nm（綠色光譜）激光。然而，這些激光源依賴于其非線性光學晶體將泵浦激光能量轉換為目標波長的能量，轉換過程會導致較高的功率損耗，同時激光器需要復雜的冷卻系統(tǒng)以及復雜的光學設置。

為了應對這一挑戰(zhàn)，人們把目光放到了藍光半導體激光器上。一是由于藍光有其特定的屬性。高反射率金屬材料對藍光的吸收率很高，這意味著藍光對高反材料（如銅等）金屬加工有著巨大的優(yōu)勢。如圖1所示，銅對藍光的吸收比紅外線吸收要高13×（13倍）以上。此外，銅熔化時吸收率變化不大。一旦藍色激光開始焊接，相同的能量密度將使焊接繼續(xù)進行。藍光激光焊接具有內(nèi)在的良好控制和少瑕疵，其結果是快速和高質量的銅焊縫。同時，藍光在海水中吸收較少，因此傳程較長，這使得開拓水下激光材料加工領域變得現(xiàn)實。此外，藍光相對容易轉換為白光，因此可以使用藍色激光非常緊湊地實現(xiàn)泛光燈和其他照明應用。二是基于氮化鎵材料的半導體激光器可直接產(chǎn)生波長450nm的激光，而無需進一步倍頻，因此具有更高的能量轉換效率。

圖1 藍光物理性能

波長為450n m的激光對銅材料的加工效率比1μm的波長有望提高近20倍。與傳統(tǒng)的近紅外激光焊接工藝相比，高功率的藍色激光在數(shù)量和質量上均具有優(yōu)勢。數(shù)量上的優(yōu)勢：提高了焊接速度，拓寬了工藝范圍，可直接轉化為更快的生產(chǎn)效率，以及最大程度地減少生產(chǎn)停機時間。質量上的優(yōu)勢：可獲得更大的工藝范圍，無飛濺和無孔隙的高質量焊縫，以及更高的機械強度和更低的電阻率。焊接質量的一致性可大大提高生產(chǎn)良品率（見圖2）。此外，藍色激光還可以進行導熱焊接模式，這是近紅外激光所無法實現(xiàn)的（見圖3）。

圖2 厚度為254μm銅箔上深熔焊接的橫截面

圖3 厚度為500μm銅片中導熱焊接模式截面

3 高功率藍光激光的發(fā)展

隨著2014年諾貝爾物理學獎的獲得和全球環(huán)保意識的不斷增強，氮化鎵（GaN）發(fā)光器件受到了廣泛關注，尤其是在照明領域。通過不斷提高藍光半導體器件的高亮度和高輸出，藍光半導體激光器已進入批量生產(chǎn)時代，但是它主要用于投影儀光源，替換投影儀中的燈，與產(chǎn)生綠色或紅色光的磷光體一起使用。由于藍光半導體激光器與燈泡相比具有更長的壽命和更小的尺寸[1]，因此近年來它們已迅速普及在照明和顯示應用中。但是對激光加工而言，需要比這些照明用的藍光激光具有更高的功率。而由于藍光激光具有如上所述的眾多優(yōu)點，因此人們一直在努力研發(fā)激光加工用的高功率藍光激光。

由于藍色單個激光半導體芯片僅具有幾瓦的輸出功率，而其將功率提高到更高的功率范圍是非常耗時且昂貴的。為了開拓藍光激光的巨大應用潛力而所需的高功率，將需要新的技術方法。迄今為止，藍光半導體激光的每個芯片的實際功率在單個波長下約5W[2]，因此合束多個芯片輸出的光束組合技術對于獲得更高的功率輸出是必不可少的。光束組合的方法分為相干方法和非相干方法。其中，非相干方法比較實用，無需在激光器之間進行精細的相位控制。非相干方法包括在空間上組合多個光束的空間組合方法，在偏振分束器中組合正交偏振光的偏振組合方法，以及在同軸上組合不同波長的波長組合方法。每種方法都有其優(yōu)點和缺點，并且還可以組合使用每種方法。其中，空間組合適合于組合多個相同波長的激光芯片以獲得高功率輸出[3]。迄今為止，兩種高功率合成方法最為成功，以下作個簡單介紹。

第一種方法是采用激光巴條（Laser Bars）技術，即在氮化銦鎵（InGaN）材料的晶片上系統(tǒng)地生成激光單芯片（Single Emitter），先將多個單獨的激光芯片高效地集成到一個所謂的激光巴條，每個激光巴條可產(chǎn)生至少50W的藍光。然后通過適當?shù)碾娺B接、冷卻散熱，以及使用特殊的光學器件，將多個半導體激光巴條安裝組合成一個半導體激光堆棧（Stack）。整個半導體激光器可以用一個或數(shù)個半導體激光堆棧組合而成，如圖4所示。目前，激光巴條技術可以達到2kW的藍光功率[4]。

圖4 半導體激光巴條（Laser Bars）技術的光束合成

第二種方法是采用半導體激光單管（S i n g l e Emitter）技術。這些激光器具有獨特的“基于單管芯片”的設計功能，對每個氮化鎵（GaN）激光單管的輸出分別進行準直。如果像巴條技術那樣，用一個透鏡共同對所有激光單管進行準直，則合成后的光束發(fā)散（BPP）不可避免地會增加。而將每個激光單管分別與自己的專用透鏡進行準直，即可盡量保持合成后的光束發(fā)散不變，將光束BPP降至最低，從而提高激光的亮度（見圖5）。并且，當?shù)壖す鈫喂茏裱漕A期的發(fā)展路線而不斷提升單管激光功率時，這種獨特的“單管芯片”設計提供了最好的整體激光系統(tǒng)功率提升的途徑。并且，激光單管技術產(chǎn)生了目前可以達到1.5kW輸出功率的最佳光束質量，這對于振鏡掃描的激光遠程加工提供了保障[5]。這種掃描系統(tǒng)常用于電池、電動汽車和消費電子產(chǎn)品制造。激光輸出功率和停留時間可以在掃描操作過程中進行調整，通過允許在單個掃描圖案中解決不同的接合幾何形狀和材料厚度，從而最大化生產(chǎn)率。表1顯示了藍光半導體激光器與近紅外半導體激光器和綠光固體激光器相比較的優(yōu)越性。

圖5 半導體激光器單管技術光束合成

表1 藍光半導體激光器與近紅外半導體激光器和綠光固體激光器的比較

4 藍光半導體激光材料加工應用案例[4，5]

1）圖6顯示了藍光半導體激光器和振鏡掃描系統(tǒng)用于動力電池制造。藍光有著寬大的工藝窗口，可以處理電池制造的每個階段，能焊接更厚和多種材料，如銅、金和幾毫米厚的不銹鋼。它是制造棱柱形電池、電池外殼以及電池組和電池集成的理想選擇。

圖6 藍光激光器寬大的工藝窗口可以處理電池制造的每個階段

2）采用450nm波長的藍光半導體光源，可以在導熱模式下熔化銅材料，從而可以精確調整薄銅材料的熔池幾何形狀（見圖7）。穩(wěn)定的能量吸收和導熱過程的精確控制對于深熔焊接薄銅材料尤其重要，主要是因為它有助于防止因高壓而導致對薄材料的切斷或飛濺的產(chǎn)生。這些現(xiàn)象尤其可能在焊接堆疊的薄銅箔時發(fā)生，由于堆疊箔的翹曲，其可能會產(chǎn)生難以控制的不規(guī)則間隙（見圖8）。在34個堆疊的銅箔上采用580W藍光半導體激光器和2m/min的速度進行對接焊接時，可以在最小的孔隙率和低咬邊的情況下形成＞0.8mm的焊縫寬度。對于在箔堆疊的邊緣上進行角焊，成功地將箔的末端熔化成高橫截面積，并完全附著到固體箔上。在對接和邊緣焊接中，均可以實現(xiàn)完美的機械連接以及非常好的導電性。

3）圖9顯示了用100W藍光激光器搭接焊接銅箔的結果。在3張銅箔以30μm厚度堆疊的狀態(tài)下，以約10mm/s的速度從頂部表面用激光掃描銅箔。由于芯徑為100μm的光纖輸出以1∶1的投影比集中，因此樣品表面的激光光斑直徑也為100μm，獲得了良好的焊接質量，抑制了熱量對碎屑和周圍環(huán)境的影響。

4）圖10顯示了3D打印機的示例，該打印機能夠采用大阪大學開發(fā)的藍光半導體激光器制成純銅。在粉末床上實現(xiàn)了100μ m的激光聚焦光斑直徑，可以層壓具有高電導率和高熱導率的純銅，在此之前很難用近紅外激光熔化，預計該技術將應用于航空航天和電動汽車等工業(yè)領域。

圖7 銅材料熔池幾何形狀

圖8 34個堆疊的銅箔（每個厚度11μm）連接焊接之間的接頭橫截面

圖9 純銅薄板進行搭接焊接的結果

圖10 3D打印應用

5）更大的滲透深度也開辟了電動汽車應用領域，電動汽車制造商正在轉向采用棒狀繞組設計，以最大程度地提高熱效率和電效率，這三種藍色激光發(fā)夾式焊縫顯示出一致的質量，這對于提高生產(chǎn)效率至關重要，如圖11所示。藍色激光可以產(chǎn)生發(fā)夾式焊接，這對于高密度高強度的電動機制造很重要。

圖11 電動汽車制造中的應用

6）高功率和高亮度還增加了焊接過程的靈活性，從而有可能擴展加工材料范圍。例如，黃銅中的銅和鋅具有明顯不同的熱性能，這對高品質的焊接提出了挑戰(zhàn)，但藍色工業(yè)激光很容易處理，現(xiàn)在可以焊接家電生產(chǎn)中常用的黃銅材料，如圖12所示。初步研究表明，藍色激光將能有效地解決焊接異種金屬的難題。因為每種材料具有獨特的熱學、光學和力學性能，所以異種金屬焊接是一個挑戰(zhàn)。異種金屬的焊接通常會導致形成金屬間化合物，即不同合金的區(qū)域，損害了接頭的力學性能和電氣性能以及一致性。而最新一代的藍光半導體激光器的工藝參數(shù)范圍廣，可以焊接異種材料，且缺陷最少。雖然黃銅中的銅和鋅具有明顯不同的熱性能，這對高品質的焊接提出了挑戰(zhàn)，但對藍光半導體激光而言，則很容易處理。

圖12 在黃銅焊接中的應用

5 結束語

2kW藍光半導體激光器已經(jīng)在金屬加工，特別是高反射金屬材料加工中顯示出了它的優(yōu)勢。藍光半導體激光器的亮度和功率還在不斷提高到新的界限，這也將導致更多更廣的應用范圍。例如，藍色激光的增材制造能力正在繼續(xù)探索中（見圖10）。此外，除了高效的金屬材料加工外，藍光半導體激光器期待跨部門的應用，特別是機械工程部門將能夠在水下用藍光進行激光材料加工。對于制造業(yè)來說，這當然是一個巨大的優(yōu)勢。另外，照明行業(yè)也可以使用基于藍光半導體激光高質量的照明技術。

物聯(lián)網(wǎng)和人工智能的興起，已促使工業(yè)領域開始出現(xiàn)新的模式轉變。由于激光加工技術具有融合數(shù)控技術和遠程處理等天然優(yōu)勢，且無需更換工具，因此將在下一代智能制造領域里發(fā)揮主導作用。高功率藍光半導體激光的興起， 給激光技術帶來了又一個驚喜。雖然基于高功率藍光半導體激光的加工應用才剛剛起步，但隨著未來技術和工藝的發(fā)展和進步，它有可能成為下一代尖端智能制造的核心工具之一。