半導體激光因其豐富的光譜帶寬以及直接的電激勵方式，在光譜選擇、高電光效率和連續(xù)光輸出、長期壽命上具有不可比擬的優(yōu)勢。激光的波長越短，對應的光束衍射極限BPP越小，聚焦本領(lǐng)越強，可耦合進芯徑更小的光纖。同時，波長越短，意味著更高的光子能量，將有利于提升材料對激光的吸收率。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%，尤其對銅、金等高反射金屬材料吸收率的提升更為明顯。藍光激光器的出現(xiàn)，顯著提高了激光在金屬材料加工領(lǐng)域的能量利用率，這將導致材料加工領(lǐng)域出現(xiàn)革命性進展。

圖1

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

近年來，激光光源市場已經(jīng)有千瓦級藍光半導體激光器產(chǎn)品，如：德國公司Laserline基于半導體疊陣空間光整形技術(shù)實現(xiàn)了2000W 600μm NA0.22及800W 400μm NA0.22 的光纖耦合輸出[2]。美國公司NUBURU基于VBG密集光譜合束實現(xiàn)了1500W 105μm NA0.22光纖耦合輸出[3]。國內(nèi)聯(lián)贏也推出了1000W 800μm NA0.22的藍光激光器[4]。為了滿足國內(nèi)外客戶對高性價比，高功率高亮度，高可靠性及功率穩(wěn)定性藍光產(chǎn)品的需求，凱普林于2021年1月成功推出了藍光1000W 330μm NA0.22 產(chǎn)品，填補了市場空白。

光學設(shè)計：

為了提升千瓦級藍光半導體光源系統(tǒng)的可靠性，匹配自動化耦合及裝調(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行功率擴展，光路原理見圖2。

圖2 凱普林1000W藍光激光器光路原理圖

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

圖3 凱普林藍光產(chǎn)品子單元實物圖及模塊實物圖

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

圖4 凱普林藍光模塊壽命數(shù)據(jù)

除了特殊芯片保護設(shè)計之外，凱普林藍光子單元還具有光路設(shè)計緊湊的優(yōu)勢，有利于縮短光程，提升光纖耦合輸出時0.15/0.22NA內(nèi)的能量占比，保證了更高的功率能夠進入更細的光纖，從而提高了整機系統(tǒng)合束輸出的光束質(zhì)量及合束的可靠性。凱普林藍光產(chǎn)品的單個模塊能夠?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際測量能量占比擬合曲線見圖5：

圖5 光斑排列和NA能量占比測試圖

模塊及合束測試：

實現(xiàn)芯徑330微米0.22NA光纖輸出1000W的藍色激光，至少需要7只模塊合束。我們對7只合束模塊進行了功率測試，測試數(shù)據(jù)如圖6。同時，基于凱普林藍光研發(fā)團隊積累的完全自主知識產(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，QBH傳輸光纜制備技術(shù)，凱普林藍光1000W系統(tǒng)具有高集成度，高可靠性的優(yōu)勢。合束后的功率測試見圖7。

圖6 7只組件的功率曲線

圖7 模塊合束功率

高反金屬焊接測試：

凱普林藍光1000W系統(tǒng)見圖8，長*寬*高：420mm*900mm*600mm，為了測試系統(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上焦點的成像比例為1.5X，焊接過程中使用了He（或者Ar）氣作為保護氣氛，流量、焊接速度、功率、離焦量及對應的金相圖見下圖9-圖13：整個焊接過程中，焊縫表面成型穩(wěn)定，無任何飛濺，表面光滑；40X 顯微鏡下，焊縫內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)氣孔。

圖8 凱普林藍光1000W系統(tǒng)及其焊接頭

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

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

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

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

圖13 藍光 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上在W3館3640凱普林光電展臺同步展出，歡迎前來咨詢。

結(jié)論：

基于完全的自主知識產(chǎn)權(quán)，凱普林藍光團隊制作了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)級藍光激光器，填補了市場的空白，并滿足了3C電子行業(yè)客戶及鋰電池焊接行業(yè)客戶對高反材料金屬的加工需求。

我們相信，高亮度藍光光源在未來高端裝備制造中將發(fā)揮出更加重要的作用。凱普林藍光團隊將攻克技術(shù)難關(guān)，不負眾望，砥礪前行，為客戶提供專業(yè)優(yōu)質(zhì)的服務及先進可靠的產(chǎn)品，為推動中國激光事業(yè)的發(fā)展不懈奮斗！