?摘要

近年來，藍(lán)光半導(dǎo)體激光器發(fā)展迅速。對于銅、金和高強(qiáng)度鋁等高反射率材料，藍(lán)光激光的吸收率比紅外激光高5-10倍，能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量和一致性的焊接效果，熔池穩(wěn)定無飛濺。隨著藍(lán)色半導(dǎo)體激光技術(shù)的發(fā)展，行業(yè)對更高亮度和可靠性的需求日益增長。
基于實(shí)際應(yīng)用背景，我們設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款穩(wěn)定的高亮度藍(lán)光激光器研發(fā)。通過BPP理論和ZEMAX仿真計(jì)算，利用偏振和光纖耦合技術(shù)實(shí)現(xiàn)48個(gè)5.5W藍(lán)光激光芯片到105μm芯徑、0.22NA光纖的高效率耦合。輸出功率超過250W，耦合效率超過90%，電光效率超過35%。此高亮度藍(lán)光激光器已通過多項(xiàng)可靠性測試，包括7000小時(shí)的加速老化測試、85℃高溫存儲、-40℃低溫存儲、-20℃~70℃溫度循環(huán)測試、振動和機(jī)械沖擊測試，在醫(yī)療、3D打印和焊接等領(lǐng)域擁有重要的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞: 藍(lán)光激光，高亮度，高可靠性，光纖耦合
1.引言
隨著輕量化發(fā)展趨勢的出現(xiàn)，新能源汽車、3C電子和航空航天等應(yīng)用對材料加工提出了新的需求。傳統(tǒng)的鐵基材料在機(jī)械、電氣、熱和化學(xué)性能方面面臨更大的挑戰(zhàn)。銅、鋁、鈦、金等有色金屬及其復(fù)合材料的應(yīng)用越來越廣泛。新材料和應(yīng)用對激光加工提出了新的需求和挑戰(zhàn)。
銅具有優(yōu)異的電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率和成本優(yōu)勢，廣泛用于電子產(chǎn)品和動力電池的制造。精確可靠的銅加工解決方案面臨著更高的要求。由于銅對藍(lán)光激光的吸收率遠(yuǎn)高于紅外激光，它可以有效解決紅外激光焊接過程中出現(xiàn)的濺射、氣孔和內(nèi)部缺陷等問題，實(shí)現(xiàn)精密高質(zhì)量的加工。近年來，關(guān)于藍(lán)光激光的研究越來越多[1]，對藍(lán)光芯片失效機(jī)制的研究也在不斷深入[2,3]。隨著高功率藍(lán)色半導(dǎo)體激光技術(shù)的突破，藍(lán)光被視為下一代先進(jìn)智能制造的核心工具之一。
高功率藍(lán)光激光的發(fā)展推動了基于銅的3D打印技術(shù)的發(fā)展。使用藍(lán)光作為加工光源可以大大減少加工過程中的激光反射，提高能量利用率，同時(shí)伴隨更快的加工速度和更高的加工質(zhì)量。本文重點(diǎn)介紹了滿足這些要求的穩(wěn)定高亮度的解決方案。
2.光學(xué)和機(jī)械設(shè)計(jì)
為了獲得相對理想的耦合效率，光學(xué)參數(shù)需要滿足以下關(guān)系[4]：
 
din是入射光束的光斑直徑，θin是入射光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角的全角度，dcore是光纖纖芯的直徑，θmax是光纖的最大入射角的全角度，NA是光纖的數(shù)值孔徑，BPPlaser是激光束的BPP（光束參數(shù)乘積），BPPf是激光芯片快軸方向的BPP，BPPS是激光芯片慢軸方向的BPP，BPPF是光纖的BPP，m,n是快軸和慢軸上疊加的芯片數(shù)量。
結(jié)合BPP（光束參數(shù)乘積）理論，設(shè)計(jì)沿快軸方向堆疊12個(gè)藍(lán)光芯片，并沿慢軸方向堆疊兩列，結(jié)合偏振合束，實(shí)現(xiàn)48個(gè)藍(lán)光激光芯片耦合到105μm芯徑光纖。
設(shè)計(jì)使用非球面透鏡對藍(lán)光芯片的輸出光束進(jìn)行預(yù)準(zhǔn)直，由于半導(dǎo)體芯片的發(fā)射特性，快軸和慢軸方向之間存在顯著的BPP差異，經(jīng)過非球面透鏡的準(zhǔn)直后，快軸方向的光斑尺寸過大，同時(shí)慢軸方向存在較大的殘余發(fā)散角，因此，選擇使用基于伽利略望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)的柱透鏡組進(jìn)行二次光束整形。
快軸方向的光束能量分布接近于高斯分布，邊緣能量較少。為了充分利用光纖的BPP，我們使用柱透鏡組將慢軸方向的光束擴(kuò)展5倍，并將快軸方向的光束減小6.75倍，最后使用非球面聚焦透鏡將快軸和慢軸方向的光束同時(shí)耦合到光纖中。光學(xué)設(shè)計(jì)仿真結(jié)果如圖1所示。

圖1. 光學(xué)設(shè)計(jì)示意圖
空間光束排列如圖2(a)所示，光纖入射端面的仿真聚焦光斑尺寸約為56μm * 62μm，如圖2(b)所示。

                         圖2. (a) 空間光束排列                                                 (b)光纖入射端面的聚焦光斑
我們設(shè)計(jì)了一個(gè)復(fù)合材料組合的水冷散熱方案，如圖3所示。整體尺寸為217mm * 159mm * 103.6mm。設(shè)計(jì)了銅水冷通道模塊結(jié)構(gòu)以確保良好的散熱性能，并采用輕量級鋁合金框架設(shè)計(jì)以確保機(jī)械強(qiáng)度。通過設(shè)計(jì)仿真，已確認(rèn)了不同材料組合的最佳結(jié)合方案及工藝。

圖3. 機(jī)械設(shè)計(jì)
3.結(jié)果和可靠性測試
在水溫20℃的條件下，通過105μm芯徑、0.22NA光纖獲得了250W的藍(lán)光激光纖外輸出功率，PIV數(shù)據(jù)如圖4所示。中心波長為451.3nm。耦合效率超過90%，且0.17NA/0.22NA功率占比超過90%，適用于高亮度應(yīng)用。這款高亮度藍(lán)光激光器通過了各種可靠性測試，包括85℃高溫存儲、-40℃低溫存儲、-20℃~70℃溫度循環(huán)測試、振動和機(jī)械沖擊測試，以及7000小時(shí)加速老化測試。測試結(jié)果如圖5所示。

圖 4. 功率和電壓測試數(shù)據(jù)

                    圖 5. (a) 低溫存儲                                                                        (b)高溫存儲

    圖 5.                      (c) 振動和機(jī)械沖擊                                                        (d) 溫度循環(huán)

圖 5. (e) 加速老化測試
基于105μm高亮度藍(lán)光激光器模塊，通過光纖合束器進(jìn)行模塊合束，我們實(shí)現(xiàn)了600μm纖芯直徑0.22NA光纖2kW的藍(lán)光激光輸出，如圖6所示。    

圖 6. (a) 2kW測試數(shù)據(jù)                  (b) 2kW藍(lán)光激光器布局
4.結(jié)論
隨著藍(lán)光激光技術(shù)的快速發(fā)展，藍(lán)光在越來越多的應(yīng)用中展示出卓越的優(yōu)勢。我們實(shí)現(xiàn)了一種高功率和高亮度的藍(lán)光激光設(shè)計(jì)，通過105μm芯徑、0.22NA光纖，實(shí)現(xiàn)了250W的藍(lán)光輸出。耦合效率超過90%，且0.17NA/0.22NA功率占比超過90%，適用于高亮度應(yīng)用。7000多小時(shí)的老化測試結(jié)果顯示出穩(wěn)定且高可靠性的藍(lán)光激光輸出，這一設(shè)計(jì)具備大規(guī)模生產(chǎn)能力，是3D銅粉打印、醫(yī)療應(yīng)用和銅焊接的理想光源選擇。


轉(zhuǎn)載請注明出處。

凱普林激光前沿高亮度藍(lán)光半導(dǎo)體激光器