尖端蓝光激光器

尖端蓝光激光器

激光成为无数应用场景的技术标准已将近60年。而蓝光激光器正在革新工业金属加工领域。

“激光是寻找问题的解决方案” Theodore H. Maiman声称,他于1960年开发首台实用激光器。随后,问题接踵而至。因此,激光器目前已成为工业、科学和研究领域最重要,用途最广泛的工具。但这种 “光放大器” 仍面临诸多挑战。

光,通用工具

激光焊接接头极其稳定,可承受巨大的机械载荷。如此强大的焊接方法正符合汽车和金属加工行业的需求。截至目前,红外激光器已用于焊接,但无法在所有金属上产生令人满意的效果。此项技术无法处理世界上应用最广泛的金属,这种金属就是铜。

如果要使电动汽车普及,那么铜的工业化加工非常重要。因为电池和电动汽车所需用铜量远超传统汽车。但所有优良的导电材料同时也会传递热量。加上铜的高反射率,导致难以通过受控的方式来提供足够的能量使铜熔解。

击败红外光的蓝光

“铜和金等高反射率金属对蓝光光谱的吸收量是红外的7到20倍,” 欧司朗雷根斯堡激光技术专家Harald König博士解释道,“解决方案在于采用蓝光范畴内波长更短的光。具体而言,450纳米波长尤其适合有色金属的工业加工”

这似乎很容易,毕竟,蓝光半导体灯具在90年代中期就已出现。但最初并不存在可供开发出可靠的蓝光激光器半导体层的基板。“我们发射器的输出和效率远低于工业应用所需水平,”König说道,“五年前,只有几款输出仅数瓦的独立激光器芯片能够用于蓝光光谱范围内的应用。这只能满足激光表演的需要,之后能用于汽车前照灯和投影仪。”长久以来,将蓝光激光用于功率需求高出数倍的有色金属加工是完全不可想像的。

提高标准

发射器的输出需要提高。König指向用于测试蓝光激光器的装置。“我们努力将功率提高到千瓦级。在过去几年中,我们稳步提高单个发射器的效率和输出,使功率超过两瓦,效率提高了近40%。但仅优化单个发射器无法取得重大突破。”

之后产生了集中蓝光激光器功率的想法。König将23个独立发射器并联到一厘米长的激光棒中。“项目开始时,几乎没人相信这种方法会对蓝光激光器有效。毕竟,只要有一个存在缺陷的发射器,就会破坏激光棒的整体性能,甚至熔化半导体。”

该项目得到联邦教育和研究部(BMBF)的支持,其目的在于证明大功率蓝光激光棒的可行性。关键要素包括所谓的外延工艺(在半导体基板上形成各层)和芯片设计。氮化镓层需要在晶圆上逐个原子形成高品质同质层。经过一系列严格的实验,输出、同质性和可靠性都有所提高。同时,芯片设计和高品质发射器数量也得到了优化。

突破

经过三年的艰苦奋斗,终于在2019年取得突破。激光棒输出达到107瓦,创下纪录,同时转换效率达到最佳值46%。首次证明激光棒方案对蓝光激光器同样适用。输出功率跨入了千瓦级别。在世界首款蓝光高输出激光棒的基础上,合作公司Laserline于2019年6月推出首款激光功率高达1,500W的二极管激光器。

实现水下切割

这款二极管激光器甚至可高精度熔解、切割和焊接纯铜。该激光器可准确进行平滑焊接,其精度足以满足高灵敏度电子器件、薄铜箔和铜片或焊接智能手机电池中薄金属片的要求。

而且它甚至可在水下工作。这开启了全新应用领域,如焊接港口设施和船舶附件,或用于维修海上风电场、桥梁和船闸。

但研究仍在继续,市场需要更高的输出、效率和耐用性。应用领域不仅局限于材料加工。由于蓝光转换为白光的过程相对容易,未来蓝光激光二极管可用作高输出光源,替代传统照明解决方案。蓝光激光二极管超明亮,免维护,可用于机场照明或体育场馆泛光照明。蓝光激光器——寻找问题的解决方案,现在已不再缺少潜在应用领域了。

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