工业级蓝光激光器为反射性金属加工带来颠覆性改变

工业级蓝光激光器的重要性

工业激光器在切割、焊接、钻孔等加工领域发挥着重要作用。这些激光器通常工作在红外波段，这对某些应用很有效，但红外波长不适合加工反射性金属，包括金、铝、镍、铜等，其中铜是最常用也是最重要的一种材料，在电子制造和汽车制造等行业广泛应用。

众所周知，虽然铜对红外激光的吸收率很低，但对蓝光的吸收率却很高。图1中给出了金、铝、铜和其他金属对红外光和蓝光的吸收情况。因此，在加工铜等反射性金属方面，人们一直渴望能有高功率蓝光激光器横空出世。

图1：几乎每种反射性金属，对蓝光的吸收率都远大于对红外光的吸收。

高功率蓝光激光器的发展有赖于以下三个方面的进步： 

● 蓝光半导体材料（GaN）的可用性；              

● 合适的微观和宏观光学元件的发展；              

● 工程专业知识的发展，能够有效地将光源和光学元件集成到一个紧凑、坚固、可靠的高功率系统中。

工业级蓝光激光器

消费电子和通用照明市场的增长，推动了氮化镓（GaN）二极管激光器的发展。GaN激光器发射波长在450nm附近的蓝光。一个典型的二极管激光器只能输出2~3W的功率，这不足以用于工业加工；另外，由于光束高度不对称，单个二极管的光学质量也不好。

要实现工业级的蓝光激光器，必须将多个二极管的输出合束到一起，同时还要保持原有的亮度。此外，耦合效率也必须非常高，因为系统内过多的能量损耗会导致内部热损伤、性能衰退和系统不可靠。

Nuburu公司利用一种创新的设计解决了这些挑战。这种设计将多芯片封装的激光器输出与相应的光学元件相结合，利用空间和偏振光学元件，将多个单一光束整合到一起（见图2），制成了高功率工业级蓝光激光器AO系列，它们为铜等反射性金属材料的加工带来了颠覆性的进步。

图2：基于芯片的AO激光器设计，为每个二极管光束提供单独的准直光学元件。

这种直接二极管设计，直接将电能转换为蓝光，相比于使用闪光灯或二极管激光器作为激励源产生红外光、或是借助倍频晶体将红外光转换成绿光，效率大幅提升。 

当然这种方法也面临挑战。例如，每个二极管激光器的输出是不对称的，必须单独调节以改善光束的对称性。AO系列是由一个4×5的蓝光二极管阵列构成的。基于芯片的设计，使得每个二极管的输出都能与它自己的光学元件主动对准，使发射的每束光都对称。

然后，来自四个独立阵列的光，通过交错反射镜，形成一个由5×16个空间偏移波束组成的集成阵列（见图3），得到一个输出波长450nm、功率200W的模块，并且光束高度对称（见图4）。该模块是AO-150的核心，AO-150是2017年首次上市的150W蓝光激光器。

图3：交错反射镜和光学元件将单个光束组合成5×16的阵列。

图4：高度对称的光束最大化了光学效率和最终性能。

一年后，NUBURU发布了功率500W的蓝光激光器AO-500，它展示了前所未有的材料加工性能。AO-500集成了四个独立的200W模块，使用交错反射镜和偏振镜以最小的损耗组合光束（见图5）。非球面透镜将光束聚焦为一个光斑，该光斑耦合进入芯径400μm的光纤，耦合效率超过90%。

图5：在高功率下获得高性能的关键是采用能优化效率的光学设计。

必须优化光学效率，以确保蓝光稳定可靠，适合工厂应用。效率低下就会产生多余的热量，这有可能降低光学元件的性能和寿命。高效率，再加上选择高功率QBH光纤和主动冷却式二极管阵列，实现了卓越的热控制和稳定性，使得输出功率每千小时下降不到3%。加之设计功率裕度，这就确保了激光器的可靠性和稳定性，足以在具有挑战性的制造环境中部署。

AO-500采用模块化设计，光纤和200W模块都可以移除和替换，输出功率的变换小于1%。AO系列激光器已经部署在世界各地的生产环境中——不仅因为其可靠性，而且因为它为铜和其他反射性金属的加工带来了前所未有的性能。

激光焊接

Nuburu蓝光工业激光器的一个重要应用是铜焊接。铜对蓝光的吸收率更高；光源的高亮度更能提高焊接性能。

单光束调节的理论优势，在于能显著提升可测量的性能。例如，AO-500能以超过每分钟3.5米的焊接速度，焊接30个厚度10μm的铜箔。它每平方厘米的输出功率高达1.4MW，能够以每分钟超过2.1米的速度，实现厚度500μm的铜的全熔透焊接。所有焊缝基本上都是无排放和无飞溅的（见图6）。AO系列激光器可以产生对接焊缝、搭接焊缝、堆焊、边缘焊缝等工艺，即使是在非常具有挑战性的几何结构中。这些焊接类型对电池制造、电机装配和消费电子制造等应用至关重要。需要注意的是，其他替代焊接方法（如超声波焊接）需要不同的接触头来焊接每个产品，而AO系列只需要简单调节光束参数即可。

图6：40个厚度10μm的箔材焊接，显示了无与伦比的焊接质量，既没有空隙，也没有飞溅。

蓝光激光器还可焊接异质金属。例如，铜对于某些电子制造而言必不可少，但价格相对较高，而铝是一种价格较低的替代品，在某些环节，使用铝就足以胜任了。由于铝和铜的熔点不同，对光的吸收也不同，因此将它们焊接在一起是一项艰难的工作。接头的不稳定性和变化会导致“金属间化合物”的形成——许多焊接方法固有的不规则热吸收导致的化学和物理结构不一致的区域。NUBURU的蓝光激光器在焊接异质金属时，金属间化合物形成最少（见图7）。

图7：蓝光激光器实现了铜和镀镍钢之间的异质材料焊接。

蓝光激光器的优势让许多行业受益。例如，锂电池的制造需要在每个电池单元中连接许多薄铜箔（使用铝箔的也很多）。飞溅产生的短路会减少电池容量；空隙会增加接头的电阻；宽接头会减少铜箔的“工作区域”。所有这些问题都可以通过蓝光激光焊接得到解决：它在铜箔上形成了一个狭窄、干净、一致的接头。如图8所示，电池制造包括在更高的组装水平上连续多层铜接头。蓝光激光在每一步中都有帮助。

图8：电池制造需要将较厚的凸耳和薄箔焊接到一起，这是一项艰难的任务，但蓝光激光能轻松驾驭。

激光已经成为汽车制造业必不可少的工具，随着铜在汽车装配中越来越重要，蓝光激光也将变得同样重要。例如，高效电机正朝着需要细销焊接的棒状绕组设计发展。蓝光激光焊接的灵活性和功率，可以在最小的体积内实现最高质量的接头。

这些同样的优势延伸到消费电子组装、太阳能电池板制造和新兴应用领域，例如生物信号与成像以及增材制造。

光明的前景

工业级蓝光激光器在铜焊接中具有明显优势，这种优势也可以扩展到其他材料加工中。蚀刻、切割和其他材料加工，都可以受益于强大可靠的高功率、高亮度工业级蓝光激光源。与任何新技术一样，在不久的将来肯定会有很多与蓝光激光器相关的新应用出现——甚至有些应用是我们今天都无法想象的。