藍光雷射機有前途嗎?
過去這些年推動雷射技術應用主要有兩條路線:第一條是突破技術瓶頸不斷提升輸出功率，帶來的單瓦雷射價格的大幅下滑，使用成本及大地降低；第二條是新型雷射機技術不斷出現以及應用技術趨於成熟，同時帶來了新的應用拓展，市需求增加。功率提升可以算是一種垂直發展，而雷射機可當作是雷射技術的橫向發展。功率提升已談過很多，這裡不講。重點關注未來新型雷射機怎麼發展，過去的10年裡，從光纖脈衝到光纖連續，從單模到多模，又從綠光說到紫外，碟片、半導體、皮秒、飛秒等雷射類型均被談論研究過。飛秒雷射機之後，雷射的新技術路線是什麼?這是困擾筆者兩年的一個問題。
海外藍光雷射機的發展
藍光雷射機是波長約450nm，輸出光譜位於藍色波段的光源。工業用藍光雷射機主要是一種半導體雷射機，目前已知較早做的是德國半導體雷射機廠商DILAS公司，在2015年4月就推出一款常為450nm的藍光可視光半導體雷射系統，最大出功率25瓦，採用光纖芯徑為200μm或400μm，可以擴展至100瓦，可用於材料加工。
同樣是在2015年，日本島津公司宣布成功研製光纖耦合型亮度藍光直接二極管雷射機”BLUE IMPACT”，該雷射機採用藍光氮化鎵類半島體雷射，是全球首個完成產品化的雷射加工用光源。這款產品在2015年年末榮獲了象徵日本尖端技術的”超級製造產品零件大展”。到2019年2月，島津宣布與大阪大學合作開發輸出功率達到1KW的藍光半導體雷射機。
早期的藍光雷射機功率很小，並沒有得到太多的關注，直到2017年後人們才意識到要發展高功率藍光雷射機。一般來說，藍色半導體雷射只能以單體輸出，在實現高功率輸出時，光束尺寸就會增大，難以保證在保持小光束尺寸的同時實現高功率輸出。 選擇耦合方式可以解決這個問題，即準備多個藍色的光源，讓發出的光線通過透鏡匯集成光纖。 通過光纖輸出雷射，這樣不僅容易操作，而且通過將多個雷射單元連接在一起，可以很容易地增加雷射功率輸出。
在一個為期三年的德國政府研究計劃EffiLAS（高效大功率雷射束源）的支持下，德國Laserline公司研製的第一台藍光千瓦級半導體雷射機誕生了，2018年推出了500瓦的樣機，2019年在上海光博會首次展示了全球第一款1KW商用藍光半導體雷射機。 至2020年初，該公司已經宣布實現2KW藍光雷射機產品商用。
美國NUBURU公司也是一家主要研發藍光雷射機的企業,最早在2017年研製出藍光半導體雷射機,繼而在2018年推出150W,在2019年推出500W藍光雷射機,到2020年更是推出了1500超高亮度藍光雷射機。在2020年12月NUBURU宣布完成了新一輪2000萬美元的融資。
中國藍光雷射機的發展
進入2020年,中國的研究單位和企業陸續跟進,推出了藍光半導體雷射機。在5月份,深圳聯贏雷射宣布推出國內首款藍光半導體雷射機,功率為1KW級,波長為455mm,在焊接銅材時屬於熱傳導焊接,焊接過程無飛濺,熔池穩定,焊後焊縫平整,外觀良好。
幾乎在同一時間,長期專注於第三代半導體發光材料研究的北京大學光電研究院也成功研製了工業級藍光半導體雷射機。
到了9月份,廣東粵港澳大灣區硬科技創新研究院宣布推出工業級藍光半導體直接輸出雷射機,該產品輸出功率500瓦,功率穩定性小於±2%,結構緊湊,適合用於高反材料的焊接、熔覆,3D打印等。為了確保產品性能,硬科院還推出5台藍光雷射機招募企業,提供免費使用一年的試驗。
也是在9月,在上海工博會上,國內光纖雷射機領頭羊武漢銳科雷射宣布推出了藍光光纖輸出半導體雷射機。當時介紹:藍色雷射進行焊接吸收率更高,是紅外波段的10倍左右。目前在銳科網頁可查到一款500瓦的藍光雷射機,該款雷射機主要應用在金、銀、銅等有色金屬的焊接,可應用於新能源電池焊接、3C以及合金的焊接等領域。
目前國內外的藍光雷射機在技術上均屬於半導體雷射機的一類,國內半導體雷射機領頭羊——北京凱普林光電自然不會缺席,凱普林在沒有任何宣傳的情況下默默上線了自己的一款波長445nm/200瓦的藍光半導體雷射機。經筆者詢問凱普林技術人員,該款產品最早是凱普林在2019年美國西部光電展上就已經推出的。這麼算來,凱普林的產品才是國內第一款國產的藍光雷射機。
藍光雷射應用前景巨大
藍光雷射相比於紅外雷射,在銅材料上有著更高的吸收率,兩者相差接近10倍。假設加工同樣條件材質的銅材料,使用紅外雷射使用的是4000瓦,而改用藍光雷射可能800瓦就能達到同樣的加工效果。
生活中,在電池、馬達電機、發電渦輪機以及燃氣爐等大量使用了銅材料,另外在一些電子產品元器件很多地方也用了銅材質,相對於紅外雷射,藍光半導體雷射機對銅材料加工擁有很大優勢。只要未來應用工藝成熟,藍光雷射加工的需求量會非常可觀。新型雷射機技術的突破往往會帶來新的材料加工應用,藍光雷射機也會是一個很好的應用市場突破。
文章來源：激光製造商情 F1 135期 2021年1-2月