罗校迎
北京凯普林光电科技股份有限公司
引言
激光合束是一个将多束单元激光耦合成一束的过程。它基于半导体激光的相位、光强、偏振及光谱等特性，利用光学元件的折射、反射及衍射效应，改变或不改变激光单元的振荡特性，来提高输出功率、增加激光亮度及改善光束质量。非相干合束是目前实现高功率半导体激光输出的主要方式，可以根据合束光源的谱宽及合束单元的波长间隔作为区分[1]。
合束技术的发展
1.单波长合束：空间光合束、偏振合束
采用激射波长相同或相近的激光单元进行光束整形，空间合束、偏振合束以及光纤合束，是多个不同波长激光合束的基础[1]。空间合束是将多束激光空间堆叠，增加功率的同时光束质量变差；偏振合束利用半导体激光线偏振特性，将两束振动方向相互垂直的光束通过偏振合束镜，实现光束重合的方式输出，功率提高近一倍，光束质量不变，图1是凯普林空间光合束以及偏振合束原理图。
图1 凯普林空间光合束以及偏振合束原理图
另外，由于GaN材料具有较大的光学各向异性，在制备蓝光芯片时能够更容易地实现高偏振度。同时GaN材料的电子能带结构也对其高偏振度起到了重要作用[2]。所以，相较红外半导体激光芯片~92%偏振度，蓝光偏振度可以达到99%乃至更高，偏振合束效率也就更高。
单管合束光源基于激光单管，其慢轴光束质量相对好，无需光束整形，快慢轴准直后，直接通过快轴方向的密集空间排布和整体偏振合束实现耦合。由于激光单元间隔大，热窜扰影响小，蓝光激光单管可工作在5瓦级功率[3]。采用数十个单管合束，可实现从100～200 μm芯径光纤输出的单波长激光几十瓦至三百瓦功率，具有亮度高、成本低及可靠性好等优势。美国NUBURU、德国FBH和中国的联赢激光、锐科激光与凯普林等均已报道实现从100 μm光纤输出功率大于100 W的单波长激光模块。其中凯普林推出105 μm@250 W蓝光模块，是目前商用领域报道的亮度比较领先的多单管单波长合束产品，图2是凯普林蓝光激光器密集空间排布技术。
图2 凯普林蓝光激光器密集空间排布技术
2.光纤合束技术
光纤合束器是在熔融拉锥光纤束(Taper Fused Fiber Bundle,TFB)的基础上制备的光纤器件。它是将一束光纤剥去涂覆层，然后以一定方式排列在一起，在高温中加热使之熔化，同时向相反方向拉伸光纤束，光纤加热区域熔融成为熔锥光纤束[4]。从锥腰切断后，将锥区输出端与一根输出光纤熔接。光纤合束技术，可以将多个单独的光纤束合并成一个大直径的束，从而实现更高的光功率传输。图3是凯普林蓝光激光器光纤技术原理图。
图3 凯普林蓝光激光器光纤技术原理图
凯普林公司于2023年在国内率先推出搭载蓝光105 μm@250 W模块的2 kW、芯径600 μm、NA0.22蓝光激光器系统并交付客户。
3.波长合束：粗波长合束与密集波长合束
德国Directphotonics采用密集波长合束技术，实现了波长间隔为4 nm的5束激光合束。目前该公司已推出了功率500~2 kW、光束质量5 mm·mrad、芯径100 μm的红外光纤耦合半导体激光源产品，应用于金属切割。相同的技术可以应用于蓝光半导体激光器。华中科技大学唐霞辉老师课题组团队做了相关研究工作。实现了波长间隔为10 nm的5束激光合束，合束效率26.54%，光束质量达到3.75 mm·mrad。
4.光谱合束
光谱合束技术利用单片色散元件可同时实现多束波长间隔低至0.1 nm的激光合束，进一步提高合束单元数量，多束不同波长的激光分别以不同角度入射到色散元件，并在色散元件处重合，然后在元件色散作用下沿相同方向衍射输出，各光束在近场和远场均相互重叠，获得功率为单元光束之和而光束质量与单元光束一致的合束激光输出[1]。为了实现窄间隔光谱合束，通常采用色散强的衍射光栅作为合束元件。
面光栅结合外腔镜反馈无须对激光单元光谱进行独立控制，难度及成本明显降低，也是目前实现高功率、高亮度半导体激光输出的最佳方案之一。是实现目前高性能光谱合束的主要方式。
美国Teradiode公司，采用波长光束组合（WBC）技术，在2022年报道了400 W、50 μm光纤输出与1 kW、100 μm光纤输出的蓝光产品。并在2023国际会议上展示了1 kW、芯径50 μm、NA0.1光纤输出和1.8 kW、芯径100 μm、NA0.1光纤输出产品，是目前国际最高亮度的蓝光产品，直接将高功率半导体激光的亮度提高2个数量级，为高功率、高亮度蓝光半导体激光器发展指明新方向，可以直接应用在厚板金属切割、远程激光焊接等。
蓝激光对有色金属领域的焊接特性
蓝激光焊接系统采用凯普林蓝光激光器作为光源，配备准直聚焦焊接头、光纤-蓝光复合焊接头以及工作台，能够实现连续和脉冲等多种焊接方式。该系统在搭接焊和对接焊方面表现出色，尤其适用于高反射材料，如铜、金、不锈钢和合金的焊接。
焊接过程中使用He（或者Ar）气作为保护气氛，验证了不同流量、焊接速度、功率、离焦量下的焊接工艺。蓝激光既可对厚度为20 μm的铜箔做多层叠焊，也可实现0.3 mm、0.6 mm等不同厚度紫铜对接焊。焊接过程中，焊缝表面成型稳定、无飞溅、表面光滑；40X显微镜下，焊缝内部未发现气孔，见图4。
图4 凯普林500/1 kW蓝光焊接0.3/0.6 mmT2Cu结果
除了薄片铜的叠焊与对接焊，在新能源电极发卡、电子芯片铍青铜引脚焊接等，蓝激光均有优良的焊接表现。针对厚板焊接，考虑到蓝光无法实现深熔焊且光斑较大的特点，我们探索了蓝光和红光的复合应用方案。红光可以实现小芯径高功率，以提高熔深，而蓝光则利用铜高吸收率迅速熔化材料，同时增强对红光的吸收率。此外，蓝光的大光斑还能扩大熔池，延缓熔池凝固，从而在一定程度上实现低飞溅、低气孔率和高质量焊接。
蓝光激光在焊接不锈钢方面也具有一定的优势。由于不锈钢对蓝光的吸收率较高，蓝光激光能够有效地将能量转化为热量，快速熔化不锈钢表面，实现高质量的焊接。同时，蓝光激光有较高能量密度和较小的热影响区，有助于减少热变形和焊接区域的氧化，从而提高焊接质量。图5（a）为3 kW红外激光融化不锈钢表面，图5（b）为500 W蓝激光融化不锈钢表面，融化过程可以看出，蓝激光熔池更稳定，无金属飞溅。图5（c）为1 kW蓝光焊接1 mm不锈钢效果。
图5 凯普林蓝光加工304SUS结果
对于铝及铜铝复合材料的焊接，蓝光激光也具有一定的适用性。铝材料对蓝光的吸收率相对较低，但是通过合适的功率密度和光斑形状，蓝光激光也能够实现对铝材料的有效焊接。此外，可以考虑采用复合应用的方式，结合蓝光和红光激光来提高对铝材料的焊接效果，以克服铝材料对蓝光的吸收率较低的限制[5]。另外蓝光也为铜铝的复合焊接提供了新的可能性，由于红外激光在焊接时高温，导致铜铝复合时产生大量脆性的金属间化合物，复合应用蓝光和红光激光也可以在铜铝复合材料的焊接中发挥作用，以提高焊接质量和效率。图6（a）为蓝光500 W焊接T2铜与1060铝，图6（b）为蓝光焊接1060铝的效果。
图6 凯普林蓝光500 W焊接T2CU+1060AL及1060AL
蓝激光及其与红外激光的复合光源，在有色金属焊接和增材制造领域得到广泛应用，显著提高了能量转换效率和制造过程的稳定性。
总结
蓝激光作为半导体激光领域的一个新方向，相较于1080 nm的近红外波长激光器，铜、金、铝等有色金属材料的吸收率均有数倍到数十倍提升，同时对于钛、镍、铁等金属的吸收率也有一定程度的提高。
高功率蓝激光器将会引领激光制造领域的变革，进一步提高蓝激光器的亮度和降低成本是未来的发展趋势。在有色金属的增材制造、熔覆和焊接领域将被赋予越来越广泛的应用场景。
在蓝光亮度低与成本高的阶段，蓝激光与近红外激光的复合光源，在成本可控的前提下，可以显著提高现有光源的能量转换效率和制造过程的稳定性。
发展光谱合束技术，解决其工程化问题，结合高亮度的激光单元技术，实现千瓦级高亮度蓝光半导体激光源，并探索新的合束技术，有着重要意义。随着激光器功率与亮度的提升，无论是作为直接作用光源还是间接光源，蓝激光将在国防和工业领域获得重要应用。
作者简介：
罗校迎，北京凯普林光电科技股份有限公司产品经理，先后从事技术开发与产品管理岗位，主要从事半导体激光器等核心领域产品研发及制造。
来自：光电汇
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