杏彩体育:你相信光吗？——聊聊蓝光激光

　　激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后，人类的又一重大发明，被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”。

　　激光英文名Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，意思是“通过受激辐射光扩大”，顾名思义：原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释放的能量以光子的形式放出。被引诱（激发）出来的光子束（激光），其中的光子光学特性高度一致。因此激光相比普通光源单色性、方向性好，亮度更高。

　　诞生60余年来，从数字经济，到可持续能源，再到健康生活，激光技术为解决人类未来的重要任务作出了巨大贡献。今天，从生产技术到汽车工程、医疗技术、测量和环境技术，再到信息和通信技术，激光技术已经成为我国经济许多核心领域不可或缺的一部分。但同时，随着金属加工技术的不断进步和用户要求的不断提高，激光器（发射激光的装置）需要在成本、能效和激光系统性能方面进行创新。

　　有效加工高反射金属的市场需求不断增长，激发了蓝色高功率激光技术的发展。本文将基于工业制造领域的激光加工技术，围绕蓝光激光的优势、发展情况以及应用等进行介绍。

　　蓝光激光（英语：Blue laser），是指波长介于360到480纳米(nm)之间的激光。最新技术有所突破的蓝光激光，是波长在450纳米的激光，它的功率也达到了2000W。

　　2000年之后，高功率工业光纤激光器开始出现，成为可通过光纤传输并且具有高亮度、高功率激光器的解决方案。但是，这些连续高功率光纤激光器，一般在近红外（NIR）波长下工作，其波长在1µm以内，这对许多应用来说都没问题。比如它适用于吸收率超过50%的钢的加工，但是由于某些金属会反射90%或更多入射在其表面上的近红外激光辐射，因此受到限制。尤其是用近红外激光焊接诸如铜和金等金属，由于吸收率低，这意味着需要更高功率的激光才能启动焊接过程。

　　激光焊接工艺通常有两种：热传导模式焊接（其中材料仅被熔化和回流）和深熔模式焊接（其中激光使金属气化并且蒸气压形成空腔或锁孔）。深熔模式焊接导致激光束被高度吸收，因为激光束在穿过材料传播时会与金属和金属蒸气发生多次相互作用。但是，以近红外激光启动锁孔需要相当大的入射激光强度，尤其是在被焊接的材料具有高反射性时。而且一旦形成了锁眼，吸收率就会急剧上升，高功率近红外激光在熔池中产生的高金属蒸气压会导致飞溅和孔隙，因此需要小心控制激光功率或焊接速度，以防止过多的飞溅物从焊缝中喷出。当熔池凝固时，金属蒸气和工艺气体中的“气泡”还可能会被捕获，从而在焊接接缝处形成孔隙。这种孔隙会弱化焊接强度并增加接头电阻率，从而导致焊接接头质量降低。因此，近红外激光对于加工诸如铜等在1µm处吸收率＜5%的材料来说具有很大的挑战性。

　　为了更好地加工这些高反射率材料，人们采用了通过在加工材料上产生等离子体以增加材料对激光的吸收率等方法。但是，因为这些方法将使材料加工限制在深度渗透工艺范围内，所以对薄材料不能用热传导模式焊接，同时也存在溅射发生和控制能量沉积等固有的风险。因此，在加工有色金属等高反射材料时，以及在水下应用中，现有的波长1µm激光系统都有其局限性。

　　为了开发这些近红外激光受制的应用领域，人们必须对新的激光光源进行研究。由于具备能有效加工高反射金属的属性，蓝色高功率激光技术得到了进一步发展。

　　首先，波长为450nm的激光对铜材料的加工效率比1μm的波长有望提高近20倍，与传统的近红外激光焊接工艺相比，高功率的蓝光激光在数量和质量上均具有优势。

　　数量上的优势:提高了焊接速度，拓宽了工艺范围，可直接转化为更快的生产效率，以及最大程度地减少生产停机时间。

　　质量上的优势:可获得更大的工艺范围，无飞溅和无孔隙的高质量焊缝，以及更高的机械强度和更低的电阻率，焊接质量的一致性可大大提高生产良品率。此外，蓝色激光还可以进行导热焊接模式，这是近红外激光所无法实现的。采用450nm波长的蓝光半导体光源，可以在导热模式下熔化铜材料，从而可以精确调整薄铜材料的熔池几何形状，稳定的能量吸收和导热过程的精确控制对于深熔焊接薄铜材料尤其重要，主要是因为它有助于防止因高压而导致对薄材料的切断或飞溅的产生。

　　此外，蓝光还具有其他优势：例如，蓝光在海水中吸收较少，因此传程较长，这使得开拓水下激光材料加工领域变得现实；再者，蓝光相对容易转换为白光，因此可以使用蓝光激光非常紧凑地实现泛光灯和其他照明应用；此外，基于氮化镓材料的半导体激光器可直接产生波长450nm的蓝光激光，而无需进一步倍频（使获得频率为原频率整数倍的方法），因此具有更高的能量转换效率。

　　上文已经提到，相比于红外激光，蓝光激光器对非钢铁金属加工，拥有很大的优势，它在电子、能源、汽车、电池等领域将有很大的发挥空间。这里将主要针对蓝光激光在新能源汽车上的部分应用进行介绍。

　　电动汽车已经在市场上取得了令人瞩目的进展，Bloomberg NEF（彭博新能源财经公司）预测，到2030年，将有超过1亿辆电动汽车上路，而电池和电动机是电动汽车的重要组成。

　　针对电池，蓝光激光可以处理电池制造的每个阶段，能焊接更厚和多种材料，如铜、金和几毫米厚的不锈钢。它是制造棱柱形电池、电池外壳以及电池组和电池集成的理想选择。

　　针对电动机，目前，Bar winding motors（条形绕组电动机）已成为电动汽车传动系统的标准。它们取代了传统的标准导线绕组，采用了更高的填充系数设计，提高了电气效率和热传导。而对于该电动机，将热影响区降至最低非常重要，因为过多的热量会降低绝缘性能。蓝光激光快速焊接1 mm×2 mm接头，没有缺陷，对组件的热影响很小——所有这些都比TIG（一般指钨极气体保护焊）或高功率红外激光替代品有所改进。

　　除了电池和电机，传感器、电力电子和照明等领域相关硬件制造也都需要快速、高质量的金属接头，这也都突出了蓝光激光的重要性。

　　德国：2018年，德国Laserline公司推出500W、600μm样机；2019年，该公司在某展上首次展示了全球第一款1kW、400μm商用蓝光半导体激光器；2020年，Laserline已经宣布实现2kW、600μm蓝光激光器产品的商用。

　　德国DILAS公司于2013年开发了1.6W的TO封装的蓝光单管，可获得100W、400μm/0.22NA的450nm激光输出。2014年，DILAS利用多只慢轴光束质量改进的蓝光单管通过空间合束偏振方法实现了芯径为200μm/0.22NA的光纤，输出100W的450nm的光纤耦合模块，耦合效率为82%，可应用在激光医疗和激光显示。2015年，DILAS推出一款波长为450nm的蓝光可视光半导体激光系统。

　　日本：岛津公司于2015年宣布成功研制光纤耦合型高亮度蓝光直接二极管激光器“BLUE IMPACT”，采用蓝光氮化镓类半导体激光，是为数不多完成产品化的激光加工用光源。2019年2月，日本岛津宣布与大阪大学合作开发出输出功率达到1 kW的蓝光半导体激光器。

　　中国：2004年，中科院半导体所研制出我国第一台GaN蓝光激光器。2020年9月，广东粤港澳大湾区硬科技创新研究院（简称“广东硬科院”）首次推出自主研发的工业级蓝光半导体直接输出激光器，输出功率为500W；2021年3月，广东硬科院又进一步突破，推出1000 W蓝光半导体激光器。2021年2月，厦门大学相关技术攻关项目取得突破性成果，超8 W大功率InGaN蓝光激光器设计和制作已达到国际水准。除此之外，华中科技大学等一批高效和科研院所也正在加紧研究中。

　　物联网和人工智能的兴起，已促使工业领域开始出现新的模式转变。由于激光加工技术具有融合数控技术和远程处理等天然优势，且无需更换工具，因此将在下一代智能制造领域里发挥主导作用。高功率蓝光半导体激光的兴起，给激光技术带来了又一个惊喜。虽然基于高功率蓝光半导体激光的加工应用才刚刚起步，但随着未来技术和工艺的发展和进步，它有可能成为下一代尖端智能制造的核心工具之一。