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国际工业大功率半导体激光器发展现状 |
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作者：王智勇 秦文斌 曹银花 |
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激光材料加工、信息与通信、医疗保健与生命科学以及国防是世界范围内激光技术的四个最主要的应用领域，其中激光材料加工所占比例最大，同时也是发展最快、对一个国家国民经济影响最大的激光技术应用领域。激光材料加工技术在工业领域应用的广泛程度，已经成为衡量一个国家工业水平高低的重要标志。
激光材料加工用大功率激光器经历了大功率CO2激光器、大功率固体YAG激光器后，目前正在朝着以半导体激光器为基础的直接半导体激光器和光纤激光器的方向发展。在材料加工应用中，以大功率半导体激光器为基础的直接半导体激光器和光纤激光器，不仅具备以往其他激光器的优势，而且还克服了其他激光器效率低、体积大等缺点，将会在材料加工领域带来一场新的技术革命，就如同上世纪中叶晶体管取代电子管、为微电子技术带来的革命一样。因此，直接半导体激光器和光纤激光器是未来材料加工用激光器的发展方向之一。
下面将介绍近年来大功率半导体激光器的发展现状，以及目前提高半导体激光器输出功率和改善光束质量的方法和最新进展，同时介绍大功率半导体激光器在材料加工中的应用现状、分析展望大功率半导体激光器的发展趋势。
图1：半导体激光器多光束合成技术示意图。
工业用大功率半导体激光器发展现状
高功率和高光束质量是材料加工用激光器的两个基本要求。为了提高大功率半导体激光器的输出功率，可以将十几个或几十个单管激光器芯片集成封装、形成激光器巴条，将多个巴条堆叠起来可形成激光器二维叠阵，激光器叠阵的光功率可以达到千瓦级甚至更高。但是随着半导体激光器条数的增加，其光束质量将会下降。另外，半导体激光器结构的特殊性决定了其快、慢轴光束质量不一致：快轴的光束质量接近衍射极限，而慢轴的光束质量却比较差，这使得半导体激光器在工业应用中受到了很大的限制。要实现高质量、宽范围的激光加工，激光器必须同时满足高功率和高光束质量。因此，现在发达国家均将研究开发新型高功率、高光束质量的大功率半导体激光器作为一个重要研究方向，以满足要求更高激光功率密度的激光材料加工应用的需求。
图2：大功率半导体激光器的光束质量与输出功率之间的关系以及目前的应用领域
大功率半导体激光器的关键技术包括半导体激光芯片外延生长技术、半导体激光芯片的封装和光学准直、激光光束整形技术和激光器集成技术。
（1） 半导体激光芯片外延生长技术
大功率半导体激光器的发展与其外延芯片结构的研究设计紧密相关。近年来，美、德等国家在此方面投入巨大，并取得了重大进展，处于世界领先地位。首先，应变量子阱结构的采用，提高了大功率半导体激光器的光电性能，降低了器件的阈值电流密度，并扩展了GaAs基材料系的发射波长覆盖范围。其次，采用无铝有源区提高了激光芯片端面光学灾变损伤光功率密度，从而提高了器件的输出功率，并增加了器件的使用寿命。再者，采用宽波导大光腔结构增加了光束近场模式的尺寸，减小了输出光功率密度，从而增加了输出功率，并延长了器件寿命。目前，商品化的半导体激光芯片的电光转换效率已达到60%，实验室中的电光转换效率已超过70%，预计在不久的将来，半导体激光器芯片的电光转换效率能达到85%以上。
（2）半导体激光芯片的封装和光学准直
激光芯片的冷却和封装是制造大功率半导体激光器的重要环节，由于大功率半导体激光器的输出功率高、发光面积小，其工作时产生的热量密度很高，这对芯片的封装结构和工艺提出了更高要求。目前，国际上多采用铜热沉、主动冷却方式、硬钎焊技术来实现大功率半导体激光器阵列的封装，根据封装结构的不同，又可分为微通道热沉封装和传导热沉封装。
图3：半导体激光金属焊接在汽车工业中的应用
表1：不同激光熔覆方法的比较
 半导体激光器的特殊结构导致其光束的快轴方向发散角非常大，接近40°，而慢轴方向的发散角只有10°左右。为了使激光长距离传输以便于后续光学处理，需要对光束进行准直。由于半导体激光器发光单元尺寸较小，目前，国际上常用的准直方法是微透镜准直。其中，快轴准直镜通常为数值孔径较大的微柱非球面镜，慢轴准直镜则是对应于各个发光单元的微柱透镜。经过快慢轴准直后，快轴方向的发散角可以达到8mrad，慢轴方向的发散角可以达到30mrad。
（3）半导体激光光束整形技术
国际上普遍采用光参数乘积来描述半导体激光器的光束质量，光参数乘积定义为某个方向上的光斑半径与该方向上远场发散半角的乘积。光参数乘积的大小决定了激光的光束质量，光参数乘积越小，光束质量越好。因为半导体激光器结构的特殊性决定了其快、慢轴光束质量不一致，差别较大，为了得到空间上均匀的光束分布，需要对半导体激光器的光束进行整形，即将快、慢轴的光参数乘积均匀化。国际上多采用光束分割重排的方法进行光束整形，即先将慢轴的光束进行分割，然后旋转重排，减小慢轴方向的光斑尺寸，增加快轴方向的光斑尺寸，从而实现快、慢轴光参数乘积的均匀化。目前已经报道的快、慢轴光参数乘积均匀化的光束整形方法主要有：光纤束整形法、反射整形法、折射整形法、折反射整形法等。
（4）半导体激光器集成技术
利用多光束的空间耦合、偏振耦合、波长耦合等合束技术以及光束整形技术，在增加半导体激光器输出功率的同时得到高光束质量的激光光束。目前，国外许多公司和研究所采用将多种耦合技术相结合的方法，都已实现了千瓦级的功率输出。德国Laserline公司商品化的直接输出半导体激光器，其输出功率可达10kW，光斑尺寸0.6mm×3mm，光束质量60×300 mm•mrad，功率密度550kW/cm2；该公司的光纤耦合输出半导体激光器已达到光纤末端连续输出功率10kW，光纤直径1mm，数值孔径NA=0.2，光束质量100mm•mrad，功率密度1MW/cm2。
大功率半导体激光器工业应用
随着半导体芯片技术和光学技术的发展，半导体激光器的输出功率不断提高，制约其工业应用的光束质量差的问题也得到了有效改善。目前，工业用大功率半导体激光器的输出功率和光束质量均已超过了灯泵浦YAG激光器，并已接近半导体泵浦YAG激光器。半导体激光器已经逐渐应用于塑料焊接、熔覆与合金化、表面热处理、金属焊接等方面，并且也在打标、切割等方面取得了一些应用进展。
（1）激光塑料焊接
半导体激光器的光束为平顶波光束，横截面光强空间分布比较均匀。与YAG激光器的光束相比，半导体激光器的光束在塑料焊接应用中，可以获得较好的焊缝一致性和焊接质量，并且能进行宽缝焊接。塑料焊接应用对半导体激光器的功率要求不高，一般为50～700W，光束质量小于100mm•mrad，光斑大小为0.5～5mm。用这种技术焊接不会破坏工件表面，局部加热降低了塑料零件上的热应力，能避免破坏嵌入的电子组件，也较好地避免了塑料熔化。通过优化原料和颜料，激光塑料焊接能够获得不同的合成颜色。目前，半导体激光器已经广泛用于焊接密封容器、电子组件外壳、汽车零件和异种塑料等组件。
（2）激光熔覆与表面热处理
对耐磨性及耐腐蚀性要求较高的金属零件进行表面热处理或局部熔覆，是半导体激光器在加工中的一个重要应用。国际上用于激光熔覆与表面热处理的半导体激光器的功率为1～6kW，光束质量为100～400mm•mrad，光斑大小为2×2mm2～3×3mm2或1×5mm2。与其他激光器相比，用半导体激光器光束进行熔覆与表面热处理的优势在于其电光效率高、材料吸收率高、使用维护费用低、光斑形状为矩形、光强分布均匀等。目前，半导体激光熔覆与表面热处理已经广泛应用于电力、石化、冶金、钢铁、机械等工业领域，成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一。
（3）激光金属焊接
大功率半导体激光器在金属焊接方面有许多应用，应用范围从汽车工业精密点焊到生产资料的热传导焊接、管道的轴向焊接，其焊缝质量好，无需后序处理。用于薄片金属焊接的半导体激光器要求其功率为300～3000W，光束质量为 40～150mm•mrad，光斑大小为0.4～1.5mm，焊接材料的厚度为0.1～2.5mm。由于热量输入低，零件的扭曲变形保持在最小程度。大功率半导体激光器可进行高速焊接，焊缝光滑美观，在焊接过程及焊接前后节省劳动力方面具有特殊优势，非常适合工业焊接的不同需要，它将逐渐取代传统的焊接方法。
（4）激光打标
激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。但是随着半导体激光器光束质量的改善，半导体激光器打标机已开始应用于打标领域。德国LIMO公司已推出了光束质量达5mm•mrad的50W直接输出半导体激光器，以及50μm光纤耦合输出的25W半导体激光器，这已经达到了打标应用对激光器的输出功率和光束质量的要求。
图4：1kW高光束质量直接输出半导体激光器
（5）激光切割
大功率半导体激光在切割领域的应用起步较晚。在德国教育研究部“模块式半导体激光系统”（MDS）计划的支持下，德国夫琅和费研究所于2001年研制出功率为800W的半导体激光切割机，可切割10mm厚的钢板，切割速度为0.4m/min。
北京工业大学研究进展
北京工业大学激光工程研究院自2000年以来陆续开展了大功率半导体激光器方面的相关研究，包括半导体激光芯片的封装研究、半导体激光光束整形技术研究、直接输出大功率半导体激光器研究、高光束质量大功率半导体激光器研究以及光纤耦合输出大功率半导体激光器研究等。
在半导体激光芯片的封装方面，北工大采用PVD预置In焊料结合自制微通道热沉封装出的半导体激光器，热阻为0.34K/W，达到了国外同类商用器件的水平。
在半导体激光器光束整形技术研究方面，北工大发明了透射式三角板结构的棱镜组对半导体激光光束进行分割重排，实现了快慢轴方向的光参数乘积均匀化，改善了半导体激光光束质量，其整形效率超过95%，该方法现已获得国家专利。
结合具有自主知识产权的光束整形技术，北工大研制出了1kW的高光束质量直接输出半导体激光器。该激光器采用多波长耦合和偏振耦合的方式获得了千瓦级激光输出，激光器的光-光转换效率达87.5 %，激光器插头效率高于40%，激光输出光束质量小于12mm•mrad，可耦合到芯径为0.2mm、数值孔径为0.22的光纤中，为激光焊接、激光切割等高要求的材料加工提供了一种高效、高质、低耗的先进激光加工装备。
小结
遵循半导体领域的摩尔定律，十多年来，国际上工业大功率半导体激光器技术已经取得了巨大进步，大功率半导体激光器的功率已经达到10kW以上，在1kW时的光束质量小于12mm•mrad，超过了同功率全固态激光器的光束质量，可耦合到芯径200μm、数值孔径为0.22的光纤中。在6kW时光束质量可达到25mm•mrad，达到了同功率灯泵浦YAG激光器的光束质量，可耦合到芯径600μm、数值孔径为0.22的光纤中。目前，大功率半导体激光器正在向着高亮度、高光束质量的方向发展，预计明年将会出现能耦合到芯径200μm、数值孔径为0.22光纤中、输出功率达3kW的大功率半导体激光器。
另外，以半导体激光器为基础的工业大功率全光纤激光器近年来也取得了很大发展，由于其光束质量好、效率高、体积和重量小等优点，大有取代其他激光器的趋势。同工业光纤激光器相比，工业大功率半导体激光器的效率略高（高5%～10％），但是光束质量较差。未来，大功率半导体激光器和光纤激光器的发展是相互促进的，大功率半导体激光器的光束质量越好，光纤耦合的半导体激光泵浦源的功率就越高，从而促进光纤激光器功率的提高，而光纤激光器的不断发展反过来又会带动半导体激光器光束质量的提高和发展。未来很有可能在激光焊接领域形成交集，但是光束质量的差异会使得工业用大功率半导体激光器主要用于贴近式激光焊接，而光纤激光器主要应用于远程激光焊接。
总之，未来激光技术发展的主流方向已经发生改变，工业用大功率半导体激光器和以半导体激光器为基础的全光纤激光器已经进入工业应用和产业化的高速发展期，这将带动激光业乃至整个制造业的高速发展。在不久的将来，以半导体激光技术为核心的激光材料加工技术将不断推动激光先进制造向着高效率、低能耗、短流程、高性能、高智能、数字化方向发展。(end)
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(11/26/2009) |
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