凯普林推出国内首款330μm千瓦级高亮度工业蓝光激光器

时间:2021-03-15 14:08来源:凯普林光电作者:xuji 点击:
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摘要:引言: 半导体 激光 因其丰富的光谱带宽以及直接的电激励方式,在光谱选择、高电光效率和连续光输出、长期寿命上具有不可比拟的优势。激光的波长越短,对应的光束衍射极限BPP越小,聚焦本领越强,可耦合进芯径更小的光纤。同时,波长越短,意味着更高的光子能量,将有利于提升材料对激光的吸收率。如图1所示,相较于工业加工常用的 光纤激光器 ,金属材料在450nm处的

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引言:

半导体激光因其丰富的光谱带宽以及直接的电激励方式,在光谱选择、高电光效率和连续光输出、长期寿命上具有不可比拟的优势。激光的波长越短,对应的光束衍射极限BPP越小,聚焦本领越强,可耦合进芯径更小的光纤。同时,波长越短,意味着更高的光子能量,将有利于提升材料对激光的吸收率。如图1所示,相较于工业加工常用的光纤激光器,金属材料在450nm处的吸收率提升了10-60%,尤其对铜、金等高反射金属材料吸收率的提升更为明显。蓝光激光器的出现,显著提高了激光在金属材料加工领域的能量利用率,这将导致材料加工领域出现革命性进展。

图1

大量的实验数据表明,与红外激光加工效果对比,高功率蓝光激光器不仅在焊接和熔覆过程中几乎不引入气孔和飞溅,而且大大降低了对光源功率的要求,因此在高反金属材料加工领域,蓝光激光器凸显出了其绝对优势[1]

近年来,激光光源市场已经有千瓦级蓝光半导体激光器产品,如:德国公司Laserline基于半导体叠阵空间光整形技术实现了2000W 600μm NA0.22,及800W 400μm NA0.22 的光纤耦合输出[2];美国公司NUBURU基于VBG密集光谱合束实现了1500W 105μm NA0.22光纤耦合输出[3];国内联赢激光也推出了1000W 800μm NA0.22的蓝光激光器[4]。为了满足国内外客户对高性价比、高功率高亮度、高可靠性及功率稳定性蓝光产品的需求,凯普林于2021年1月成功推出了国内首款蓝光1000W 330μm NA0.22 产品。

光学设计:

为了提升千瓦级蓝光半导体光源系统的可靠性,匹配自动化耦合及装调设备,紧凑产品结构,凯普林采用了光纤合束器进行功率扩展,光路原理见图2:

图2 凯普林1000W蓝光激光器光路原理图

用于光纤合束的单个模块,内置了多个子单元。由于蓝光芯片对环境异常敏感,为了提高蓝光产品的寿命,凯普林对每个子单元都作了特殊处理,有效保证光源的长期可靠性。凯普林蓝光子单元实物图及模块实物图如图3所示。

图3 凯普林蓝光产品子单元实物图及模块实物图

为了让客户对凯普林蓝光产品的可靠性有更直观的了解,图4展示了凯普林蓝光产品的寿命数据。可以看出,凯普林因其独特的封装技术,保证了蓝光产品功率稳定性高,产品寿命及可靠性好的优势。

图4 凯普林蓝光模块寿命数据

除了特殊芯片保护设计之外,凯普林蓝光子单元还具有光路设计紧凑的优势,有利于缩短光程,提升光纤耦合输出时0.15/0.22NA内的能量占比,保证了更高的功率能够进入更细的光纤,从而提高了整机系统合束输出的光束质量及合束的可靠性。凯普林蓝光产品的单个模块能够实现160W 105μm光纤耦合输出,0.15NA/0.22NA能量占比≥93%,模块仿真的光斑排列图以及实际测量能量占比拟合曲线见图5:

图5 光斑排列和NA能量占比测试图

模块及合束测试:

实现芯径330微米0.22NA光纤输出1000W的蓝色激光,至少需要7只模块合束。我们对7只合束模块进行了功率测试,测试数据如图6。同时,基于凯普林蓝光研发团队积累的完全自主知识产权的光纤熔融拉锥及熔接技术,电源控制系统设计,QBH传输光缆制备技术,凯普林蓝光1000W系统具有高集成度,高可靠性的优势。合束后的功率测试见图7:

图6 7只组件的功率曲线

图7 模块合束功率

高反金属焊接测试:

凯普林蓝光1000W系统见图8,长*宽*高:700*540*810mm3,为了测试系统性能,我们选择了铜(T2)、不锈钢及铝合金(1060)作为焊接样品,从光纤端面到工件台上焦点的成像比例为1.5X,焊接过程中使用了He(或者Ar)气作为保护气氛,流量、焊接速度、功率、离焦量及对应的金相图见下图9-图13:整个焊接过程中,焊缝表面成型稳定,无任何飞溅,表面光滑;40X 显微镜下,焊缝内部未发现气孔。

图8 凯普林蓝光1000W系统及其焊接头

图9 蓝光 500W: 0.5mm 光斑大小 加工 0.3mm T2 Cu 结果

图10 蓝光 1000W: 0.5mm 光斑大小 加工 0.6mm T2 Cu 结果

图11 蓝光 1000W: 0.5mm 光斑大小 加工 1mm 304SUS结果

图12 蓝光 500W: 0.5mm 光斑大小 加工 0.5mm 1060 AL结果

图13 蓝光 1000W: 0.5mm 光斑大小 叠焊铜铝结果

这款激光器将于3月17日-19日慕尼黑上海光博会上展出,有兴趣的朋友可到W3馆3640凯普林光电展台进行详细了解。

 

结论:

基于完全的自主知识产权,凯普林蓝光团队制作了160W 105μm 高占比光纤耦合输出模块,并利用7*1合束器实现了330微米NA0.22光纤输出1000W,成功推出了高功率高亮度工业级蓝光激光器,满足了3C电子行业客户及锂电池焊接行业客户对高反材料金属的加工需求。

我们相信,高亮度蓝光光源在未来高端装备制造中将发挥出更加重要的作用。凯普林蓝光团队将攻克技术难关,不负众望,砥砺前行,为客户提供专业优质的服务及先进可靠的产品,为推动中国激光事业的发展不懈奋斗!

参考文献:

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/

【光粒网综合报道】( 责任编辑:xuji )
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