引言：
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、高電光效率和連續光輸出、長期壽命上具有不可比擬的優勢。激光的波長越短，對應的光束衍射極限BPP越小，聚焦本領越強，可耦合進芯徑更小的光纖。同時，波長越短，意味着更高的光子能量，將有利於提升材料對激光的吸收率。如圖1所示，相較於工業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，顯著提高了激光在金屬材料加工領域的能量利用率，這將導致材料加工領域出現革命性進展。
圖1
大量的實驗數據表明，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域，藍光激光器凸顯出了其絕對優勢[1]。
近年來，激光光源市場已經有千瓦級藍光半導體激光器產品，如：德國公司Laserline基於半導體疊陣空間光整形技術實現了2000W 600μm NA0.22，及800W 400μm NA0.22 的光纖耦合輸出[2]；美國公司NUBURU基於VBG密集光譜合束實現了1500W 105μm NA0.22光纖耦合輸出[3]；國內聯贏激光也推出了1000W 800μm NA0.22的藍光激光器[4]。為了滿足國內外客户對高性價比、高功率高亮度、高可靠性及功率穩定性藍光產品的需求，凱普林於2021年1月成功推出了國內首款藍光1000W 330μm NA0.22 產品。
光學設計：
為了提升千瓦級藍光半導體光源系統的可靠性，匹配自動化耦合及裝調設備，緊湊產品結構，凱普林採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
用於光纖合束的單個模塊，內置了多個子單元。由於藍光芯片對環境異常敏感，為了提高藍光產品的壽命，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 凱普林藍光產品子單元實物圖及模塊實物圖
為了讓客户對凱普林藍光產品的可靠性有更直觀的瞭解，圖4展示了凱普林藍光產品的壽命數據。可以看出，凱普林因其獨特的封裝技術，保證了藍光產品功率穩定性高，產品壽命及可靠性好的優勢。
圖4 凱普林藍光模塊壽命數據
除了特殊芯片保護設計之外，凱普林藍光子單元還具有光路設計緊湊的優勢，有利於縮短光程，提升光纖耦合輸出時0.15/0.22NA內的能量佔比，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合束輸出的光束質量及合束的可靠性。凱普林藍光產品的單個模塊能夠實現160W 105μm光纖耦合輸出，0.15NA/0.22NA能量佔比≥93%，模塊仿真的光斑排列圖以及實際測量能量佔比擬合曲線見圖5：
圖5 光斑排列和NA能量佔比測試圖
模塊及合束測試：
實現芯徑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，測試數據如圖6。同時，基於凱普林藍光研發團隊積累的完全自主知識產權的光纖熔融拉錐及熔接技術，電源控制系統設計，QBH傳輸光纜製備技術，凱普林藍光1000W系統具有高集成度，高可靠性的優勢。合束後的功率測試見圖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系統見圖8，長*寬*高：700*540*810mm3，為了測試系統性能，我們選擇了銅（T2）、不鏽鋼及鋁合金（1060）作為焊接樣品，從光纖端面到工件台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，焊縫表面成型穩定，無任何飛濺，表面光滑；40X 顯微鏡下，焊縫內部未發現氣孔。
圖8 凱普林藍光1000W系統及其焊接頭
圖9 藍光 500W: 0.5mm 光斑大小 加工 0.3mm T2 Cu 結果
圖10 藍光 1000W: 0.5mm 光斑大小 加工 0.6mm T2 Cu 結果
圖11 藍光 1000W: 0.5mm 光斑大小 加工 1mm 304SUS結果
圖12 藍光 500W: 0.5mm 光斑大小 加工 0.5mm 1060 AL結果
圖13 藍光 1000W: 0.5mm 光斑大小 疊焊銅鋁結果
這款激光器將於3月17日-19日慕尼黑上海光博會上展出，有興趣的朋友可到W3館3640凱普林光電展台進行詳細瞭解。
結論：
基於完全的自主知識產權，凱普林藍光團隊製作了160W 105μm 高佔比光纖耦合輸出模塊，並利用7*1合束器實現了330微米NA0.22光纖輸出1000W，成功推出了高功率高亮度工業級藍光激光器，滿足了3C電子行業客户及鋰電池焊接行業客户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製造中將發揮出更加重要的作用。凱普林藍光團隊將攻克技術難關，不負眾望，砥礪前行，為客户提供專業優質的服務及先進可靠的產品，為推動中國激光事業的發展不懈奮鬥！
參考文獻：
REFERENCES
[1] Britten, Simon, V. Krause, "Industrial Blue Diode Laser Breaks 1 kW Barrier," Photonicsviews 16.2 (2019).
[2] https://www.laserline.com/en-int/ldm-blue-diode-laser/
[3] J.P. Feve, M. Finuf, R. Fritz, M. Greenlief, D. Millick, C. Mitchell, M. Silva Sa, M. S. Zediker, "Scalable blue laser system architecture," Proc. SPIE 11262, 112620P-1 (2020).
[4] www.uwlaser.com/
來自：凱普林光電 OFweek激光，江蘇激光聯盟轉載