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高功率VCSELS用于飞机制造和基因测序
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半导体激光器, 固体激光器, Er:YAG激光器, CO2激光器, 光纤激光器, ...
现在,半导体激光器终于攻克了材料加工领域的圣杯——切割,一批新的半导体激光器进入了全球工业激光器市场。垂直腔面发射激光器(VCSELs)现在能达到的功率水平使其能完美地应用在几种较低亮度的工业应用中。该产品体积小、容易安装,具有高成本效益的激光源,在塑料焊接以及热塑性复合材料原位激光强化的自动铺带中能充分发挥VCSELs的优势,因而与传统工艺相比有着很大的吸引力。

垂直腔面发射激光器在工业市场还是一个新面孔,但已经能用于低功率应用的批量生产。其单个二极管输出功率在1–10mW范围内,主要应用于数据通信,也用在传感器、手势识别和许多其他低功率应用中,这一日渐增长的市场在2014年达到约5亿美金的规模。

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图1:左图为9.6kW VCSEL激光模块,右图为光强分布与工件距离间的关系。

VCSEL应与目前的高功率半导体激光器区别对待,后者是边发射激光器。在边发射激光器中,半导体中的激光腔是与晶圆表面平行的条状。当晶圆切开后,发射器就变成了激光器,同时在两侧还有两个切割边缘作为反射镜。发射出的是高度不对称的光束,然后通过各种光路合并到更高功率的光束中。

相比之下,垂直腔面发射激光器的激光腔垂直于晶圆表面。最大的VCSELs直径大约为20μm,并能发射10mW的完美的圆形光束。在Philips Photonics的高功率芯片中,1.9×2.0mm的芯片上就有2200个这样的VCSEL微激光阵列,能发射大于7W的形状非常均匀的光束。因为不需要切开,所以VCSELs可以进行晶圆层级测试,并且可以用标准的半导体工艺和设备来封装,成本和LED封装差不多。通过将这些芯片阵列封装后组合到高功率千瓦级模块中,可以实现较高的功率水平。

图1展示了一个激光模块从40×208mm表面发射输出功率为9.6kW的光束。VCSEL模块发出的光不需要进一步使用光学元件,它本身就非常均匀。右边显示的是光强分布和发射器与目标之间距离的关系。在距离达到100mm之前,光强分布保持得非常均匀。由于光束由数以百计的芯片组组成,所以可以单独处理,从而有可能产生动态变化的光束分布。

高功率VCSEL系统的功率密度是100kW/cm2,并且可以通过增加微光学元件将其提高至1kW/cm2以上。相比其他激光器,甚至是千瓦级别的,VCSEL系统非常紧凑、坚固耐用、易于集成,并且具有成本优势,这些优点使它更容易与非激光加热解决方案来竞争。

工业过程中的VCSELs

垂直腔面发射激光器介于传统和激光加热方法之间,已经在大量应用中成功接受了考验。下面将更详细地介绍塑料加工领域中的两个例子。其他应用还包括太阳能电池金属化烧结,类似的还有印刷电路板、印刷电子或是电池制造中的金属化工艺。

垂直腔面发射激光器还能局部增强先进高强度钢(AHSSs)的韧性,让这些高性能钢可以被冲压和轧制。汽车行业对此特别感兴趣,因为使用AHSS能帮助他们实现更轻的车身设计。

垂直腔面发射激光器能够模拟热量,这是它在某些工艺例如滚动式加工中有别于其他激光器和传统加热源的地方。VCSEL模块允许在窄的激光作用区进行输出功率的单独转换和连续控制(图2)。因此,在所有模块宽度范围内,可以任意选择加热分布并随时间而变化。

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图2:左边是带有选择性激活激光区的4.8kW的模块,中间是通过对激光区进行单独控制而实现的定制式的光强分布,右边是在滚动式加工中使用的结构化加热

例如,为了让整个样品上的热量分布均匀,不管是在烧结之后还是作为独立的系统,一个简单的解决方法就是,用更高光强照射边缘以抵消沿边缘发生的热损伤(图2中心)。通过配上热成像摄像机或是传感器,可以进一步获得闭环反馈,以控制VCSEL源中的单个加热单元,从而能调整工件上的光强分布。

金属化线、表面涂层或胶粘剂活化都可能需要结构化的加热模式。可单个访问的VCSEL芯片通过在连续的加工中使用变化的光强分布来实现这一要求,而无需额外的光学元件(图2,右)。

激光加热用于飞机碳纤维铺带

碳纤维增强塑料(CFRP)和其他纤维增强的零部件在航空航天工业中属于最先进的领域,并且慢慢开始在汽车行业得到应用。目前,最复杂的复合部件均采用热固性基体材料。越来越多的零件通过用自动纤维铺放技术来铺设纤维带。一旦铺好,就需要将零件放入高压釜中加工,这会对生产线带来瓶颈。

改为纤维增强热塑性材料,可以解决这个问题,主要是在原位材料强化过程中使用自动纤维铺放技术以及高能热源。在此应用中,理想的热源能实现均匀的纤维分布,并可以在闭环反馈过程中得到控制,以保持温度稳定。虽然使用光纤激光器和半导体激光器有较好的效果,但是要想获得均匀的正方形或矩形光强分布还需要额外的光学元件,而像焊接和切割中使用的高强度是完全不需要的。

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图3:安装在碳纤维铺放头上的VCSEL系统(图片由AZL亚深工业大学的T. Weiler和Fraunhofer IPT的D. Werner提供)

垂直腔面发射激光器系统可以满足自动纤维铺放系统中的原位加热的所有要求, 而无需额外的光学元件,同时比光纤激光器的成本更低。图3显示的安装在德国亚琛Fraunhofer IPT的设备正在测试中。

在使用多个铺带头的铺带设备中,垂直腔面发射激光器系统的特点使其在不需要使用所有铺带头时能关闭光束的部分区域,从而在几何形状方面能实现更多灵活性。VCSEL激光系统也特别吸引了热固性自动铺带的关注,后者的温度不会太高,但工作窗口要小得多,因此需要更严格地控制激光功率和光强分布。

微流控装置的焊接

最近流行的词语是个性化医疗和芯片实验室(lab-on-a-chip)。微流控装置涉及为DNA测序准备DNA样品,或为医疗诊断执行一个或多个实验室步骤。新的应用包括标准血液测试,只需用针点刺到的一点点血,而不需要抽血。

规模较小的微流控装置制造很有挑战性。它们通常由丙烯酸或聚酯层组成,其中至少有一个是结构化的。通常使用具有良好光束质量的激光器,并配备扫描仪,来将所选的区域焊接在一起,或是活化每层之间的胶粘剂。扫描仪设置的灵活性使得可以快速装备新工具,特别是在研发阶段。

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图4:左图是典型的微流控装置(由Fraunhofer ILT提供),右图是使用带光罩的标准VCSEL模块焊接而成的微流体结构(1秒加工时间)。

随着这项技术成为主流,有必要将其放大到大批量的制造中,使其成为一种快速、经济高效的方法。使用光罩技术能在几秒钟内焊接很多设备,以及能覆盖较大面积的高能量、均匀的光源,这时就需要垂直腔面发射激光器来大显身手了。VCSELs可以扩展到较大面积,而不需要移动零部件或其他光学元件,并且可以很好地集成到焊接系统中。这样能一次性加工几托盘设备,比使用传统的激光源更具成本效益(图4)。

小结

许多工业生产过程需要加热用来退火、干燥、熔化和固化。目前,这些都需要许多工艺来实现,包括传统的炉、气焊炬、灯和热风鼓风机,还有修改激光器以生成较大的光斑。传统方法通常不能对温度或是加热分布进行很好的闭环控制,但是具有成本优势。传统的激光器通过设计可以生成很高的强度,但是成本高昂,特别是还需要额外的光学元件。

VCSELs是一种新型的固态光源,是独特的光子加热系统。非常紧凑,并且无需维护,成本较低,可以取代传统的加热系统。精确的控制、均匀的光强分布以及能设计加热模式,并且可以在数毫秒间进行更改,因此,相比修改标准的高功率激光系统来适用加热应用,VCSELs具有更明显的优势。(end)
文章内容仅供参考 (投稿) (4/1/2015)
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