半導(dǎo)體激光因其豐富的光譜帶寬以及直接的電激勵(lì)方式，在光譜選擇、高電光效率和連續(xù)光輸出、長(zhǎng)期壽命上具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。激光的波長(zhǎng)越短，對(duì)應(yīng)的光束衍射極限BPP越小，聚焦本領(lǐng)越強(qiáng)，可耦合進(jìn)芯徑更小的光纖。同時(shí)，波長(zhǎng)越短，意味著更高的光子能量，將有利于提升材料對(duì)激光的吸收率。如圖1所示，相較于工業(yè)加工常用的光纖激光器，金屬材料在450nm處的吸收率提升了10-60%，尤其對(duì)銅、金等高反射金屬材料吸收率的提升更為明顯。藍(lán)光激光器的出現(xiàn)，顯著提高了激光在金屬材料加工領(lǐng)域的能量利用率，這將導(dǎo)致材料加工領(lǐng)域出現(xiàn)革命性進(jìn)展。

圖1

大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，與紅外激光加工效果對(duì)比，高功率藍(lán)光激光器不僅在焊接和熔覆過(guò)程中幾乎不引入的氣孔和飛濺，而且大大降低了對(duì)光源功率的要求，因此在高反金屬材料加工領(lǐng)域，藍(lán)光激光器凸顯出了其絕對(duì)優(yōu)勢(shì)[1]。

近年來(lái)，激光光源市場(chǎng)已經(jīng)有千瓦級(jí)藍(lán)光半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品，如：德國(guó)公司Laserline基于半導(dǎo)體疊陣空間光整形技術(shù)實(shí)現(xiàn)了2000W 600μm NA0.22及800W 400μm NA0.22 的光纖耦合輸出[2]。美國(guó)公司NUBURU基于VBG密集光譜合束實(shí)現(xiàn)了1500W 105μm NA0.22光纖耦合輸出[3]。國(guó)內(nèi)聯(lián)贏也推出了1000W 800μm NA0.22的藍(lán)光激光器[4]。為了滿足國(guó)內(nèi)外客戶對(duì)高性?xún)r(jià)比，高功率高亮度，高可靠性及功率穩(wěn)定性藍(lán)光產(chǎn)品的需求，凱普林于2021年1月成功推出了藍(lán)光1000W 330μm NA0.22 產(chǎn)品，填補(bǔ)了市場(chǎng)空白。

光學(xué)設(shè)計(jì)：

為了提升千瓦級(jí)藍(lán)光半導(dǎo)體光源系統(tǒng)的可靠性，匹配自動(dòng)化耦合及裝調(diào)設(shè)備，緊湊產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，凱普林采用了光纖合束器進(jìn)行功率擴(kuò)展，光路原理見(jiàn)圖2。

圖2 凱普林1000W藍(lán)光激光器光路原理圖

用于光纖合束的單個(gè)模塊，內(nèi)置了多個(gè)子單元。由于藍(lán)光芯片對(duì)環(huán)境異常敏感，為了提高藍(lán)光產(chǎn)品的壽命，凱普林對(duì)每個(gè)子單元都作了特殊處理，有效保證光源的長(zhǎng)期可靠性。凱普林藍(lán)光子單元實(shí)物圖及模塊實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 凱普林藍(lán)光產(chǎn)品子單元實(shí)物圖及模塊實(shí)物圖

為了讓客戶對(duì)凱普林藍(lán)光產(chǎn)品的可靠性有更直觀的了解，圖4展示了凱普林藍(lán)光產(chǎn)品的壽命數(shù)據(jù)�？梢钥闯�，凱普林因其獨(dú)特的封裝技術(shù)，保證了藍(lán)光產(chǎn)品功率穩(wěn)定性高，產(chǎn)品壽命及可靠性好的優(yōu)勢(shì)。

圖4 凱普林藍(lán)光模塊壽命數(shù)據(jù)

除了特殊芯片保護(hù)設(shè)計(jì)之外，凱普林藍(lán)光子單元還具有光路設(shè)計(jì)緊湊的優(yōu)勢(shì)，有利于縮短光程，提升光纖耦合輸出時(shí)0.15/0.22NA內(nèi)的能量占比，保證了更高的功率能夠進(jìn)入更細(xì)的光纖，從而提高了整機(jī)系統(tǒng)合束輸出的光束質(zhì)量及合束的可靠性。凱普林藍(lán)光產(chǎn)品的單個(gè)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)160W 105μm光纖耦合輸出，0.15NA/0.22NA能量占比≥93%，模塊仿真的光斑排列圖以及實(shí)際測(cè)量能量占比擬合曲線見(jiàn)圖5：

圖5 光斑排列和NA能量占比測(cè)試圖

模塊及合束測(cè)試：

實(shí)現(xiàn)芯徑330微米0.22NA光纖輸出1000W的藍(lán)色激光，至少需要7只模塊合束。我們對(duì)7只合束模塊進(jìn)行了功率測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)如圖6。同時(shí)，基于凱普林藍(lán)光研發(fā)團(tuán)隊(duì)積累的完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的光纖熔融拉錐及熔接技術(shù)，電源控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，QBH傳輸光纜制備技術(shù)，凱普林藍(lán)光1000W系統(tǒng)具有高集成度，高可靠性的優(yōu)勢(shì)。合束后的功率測(cè)試見(jiàn)圖7。

圖6 7只組件的功率曲線

圖7 模塊合束功率

高反金屬焊接測(cè)試：

凱普林藍(lán)光1000W系統(tǒng)見(jiàn)圖8，長(zhǎng)*寬*高：420mm*900mm*600mm，為了測(cè)試系統(tǒng)性能，我們選擇了銅（T2), 不銹鋼及鋁合金（1060）作為焊接樣品，從光纖端面到工件臺(tái)上焦點(diǎn)的成像比例為1.5X，焊接過(guò)程中使用了He（或者Ar）氣作為保護(hù)氣氛，流量、焊接速度、功率、離焦量及對(duì)應(yīng)的金相圖見(jiàn)下圖9-圖13：整個(gè)焊接過(guò)程中，焊縫表面成型穩(wěn)定，無(wú)任何飛濺，表面光滑；40X 顯微鏡下，焊縫內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)氣孔。

圖8 凱普林藍(lán)光1000W系統(tǒng)及其焊接頭

圖9 藍(lán)光 500W: 0.5mm 光斑大小 加工 0.3mm T2 Cu 結(jié)果

圖10 藍(lán)光 1000W: 0.5mm 光斑大小 加工 0.6mm T2 Cu 結(jié)果

圖11 藍(lán)光 1000W: 0.5mm 光斑大小 加工 1mm 304SUS結(jié)果

圖12 藍(lán)光 500W: 0.5mm 光斑大小 加工 0.5mm 1060 AL結(jié)果

圖13 藍(lán)光 1000W: 0.5mm 光斑大小 疊焊銅鋁結(jié)果

這款激光器將于3月17日-19日慕尼黑上海光博會(huì)上在W3館3640凱普林光電展臺(tái)同步展出，歡迎前來(lái)咨詢(xún)。

結(jié)論：

基于完全的自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，凱普林藍(lán)光團(tuán)隊(duì)制作了160W 105μm 高占比光纖耦合輸出模塊，并利用7*1合束器實(shí)現(xiàn)了330微米NA0.22光纖輸出1000W，成功推出了高功率高亮度工業(yè)級(jí)藍(lán)光激光器，填補(bǔ)了市場(chǎng)的空白，并滿足了3C電子行業(yè)客戶及鋰電池焊接行業(yè)客戶對(duì)高反材料金屬的加工需求。

我們相信，高亮度藍(lán)光光源在未來(lái)高端裝備制造中將發(fā)揮出更加重要的作用。凱普林藍(lán)光團(tuán)隊(duì)將攻克技術(shù)難關(guān)，不負(fù)眾望，砥礪前行，為客戶提供專(zhuān)業(yè)優(yōu)質(zhì)的服務(wù)及先進(jìn)可靠的產(chǎn)品，為推動(dòng)中國(guó)激光事業(yè)的發(fā)展不懈奮斗！