1、概述:
工业用蓝光激光器是一种半导体激光器,波长约 450 nm,输出蓝色波段的光谱。蓝光激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光器，采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作。蓝光半导体激光器工作原理是激励方式，利用半导体物质（即利用电子）在能带间跃迁发光，用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜，组成谐振腔，使光振荡、反馈，产生光的辐射放大，输出激光，波段400-500nm。
2、高功率蓝光激光器提出的应用背景
随着时代的发展，越来越多的轻量化装备对材料提出了新的需求，传统的铁基材料已无法胜任，越来越多的高反材料铜等登上了舞台，这就对激光焊接提出了新的需求。传统9xx及光纤激光器在焊接高反材料时会产生飞溅及气泡，而蓝光产品则能很好的避免这种情况。此时，人们才意识到要发展高功率蓝光激光器。
过去这些年推动激光技术应用主要有两条路线：第一条是突破技术瓶颈不断提升输出功率，带来的单瓦激光价格的大幅下滑，使用成本极大地降低；第二条是新型激光器技术不断出现以及应用技术趋于成熟，同时带来了新的应用拓展，市场需求增加。
功率提升可以算是一种垂直发展，而新型激光器可当作是激光技术的横向发展。重点关注未来新型激光器怎么发展，过去的10年，从光纤脉冲到光纤连续，从单模到多模，又从绿光说到紫外，碟片、半导体、皮秒、飞秒等激光类型均被谈论研究过。这几年，蓝光激光器逐渐兴起，并得到行业人士广泛关注。
3、高功率蓝光激光器特性和优势
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。此外,蓝光激光器是指具有蓝色光源且波长在 400 nm-500 nm 范围内的激光器,波长较短意味着更高的光子能量。波长越短意味着更高的光子能量，利于提升材料对激光的吸收率。
传统激光器在焊接高反材料时容易产生飞溅及气泡，而蓝光产品则能很好的避免这种情况。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。如图1所示,在 450 nm 范围内,金属材料吸收率在 10% 到 60% 之间增加了,相较于用于工业加工的光纤激光器。金、铜等高反射金属尤其明显感受到了这种提升。蓝光激光器在铜的焊接上所需的能耗比红外激光器低84%，铜等高反材料对蓝光的吸收率比对9xx吸收率高将近20倍，在金的焊接上甚至要低92%。换句话说,蓝光激光器只需要约 1 kW 或 0.5 kW 的激光功率,而红外激光器需要 10 kW 的激光功率来焊接铜或金。
不同波段激光光源对不同金属材质吸收率 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。
4、国外高功率蓝光激光器的发展
德国Laserline公司，研制的第一台蓝光千瓦级半导体激光器诞生了。2018 年,Laserline 继续推出 500 W 600 μm 样机;2019 年,该公司首次展示了全球第一款 1 kW 400 μm 商用蓝光半导体激光器,并在某展上首次展示。至 2020 年初,Laserline 宣布将 2 kW 600 μm 蓝光激光器产品推出为商用。
美国NUBURU公司是一家主要研发蓝光激光器的企业,致力于扩大蓝光激光器在消费电子、电池和电动汽车等制造领域的应用范围。该公司于 2017 年研制出蓝光半导体激光器,2020 年推出了1500 W 100 μm超高亮度蓝光激光器。
日本岛津公司于 2015 年成功研制了“BLUE IMPACT”光纤耦合型高亮度蓝光直接二极管激光器。该激光器采用蓝光氮化镓类半导体,是为数不多完成产品化的激光加工光源之一。日本岛津于2019年2月宣布与大阪大学合作开发出输出功率达到1 kW的蓝光半导体激光器(光纤400um)。
5、 国外蓝光激光芯片厂家
德国欧司朗是一家来自国外的蓝光激光芯片制造商,该芯片的斜率效率为 1.6 W/A,光功率为 4.5 W。
日本日亚化学工业株式会社发布了斜率效率为1.8 W/A的蓝光激光器芯片。该芯片的光功率约为5 W。
索尼公司表示蓝光激光芯片斜率效率为1.8 W/A,光功率约5.2 W。
6、国内高功率蓝光激光器的发展
（1）科研类进展
我国蓝光激光器发展略晚于国外，但科研和产业界也在抓紧研发。近几年，中国的研究单位和企业陆续跟进，相继推出了多款蓝光半导体激光器。
2004年，中科院半导体所研制出我国第一台GaN蓝光激光器。
2020年，长期专注于第三代半导体发光材料研究的北京大学光电研究院也成功研制了工业级蓝光半导体激光器。
2021年2月,厦门大学康俊勇、李金钗团队与三安光电联合技术攻关项目取得突破性成果。他们设计和制造了超8W大功率InGaN蓝光激光器,达到了国际标准。
华中科技大学等高校和科研院所也正在加紧研究中。
（2）商业化进展
进入2020年，中国的研究单位和企业陆续跟进，推出了蓝光半导体激光器。
广东粤港澳大湾区硬科技创新研究院，2020年9月份，宣布推出工业级蓝光半导体直接输出激光器，该产品输出功率500瓦，功率稳定性小于±2%，结构紧凑，适合用于高反材料的焊接、熔覆，3D打印等。为了确保产品性能，硬科院还推出5台蓝光激光器招募企业，提供免费使用一年的试验。广东硬科院于 2021 年 3 月推出了 1000 W 蓝光半导体激光器,进一步实现了突破。
武汉锐科激光，2020年9月，在上海工博会上，宣布推出了蓝光光纤输出半导体激光器。当时介绍：蓝色激光进行焊接吸收率更高，是红外波段的10倍左右。光纤400um输出功率500瓦的蓝光激光器，该款激光器主要应用在金、银、铜等有色金属的焊接，可应用于新能源电池焊接、3C以及合金的焊接等领域。
深圳联赢激光，2020年在5月份，宣布推出蓝光半导体激光器，功率为100W级，波长为455nm，在焊接铜材时属于热传导焊接，焊接过程无飞溅，熔池稳定，焊后焊缝平整，外观良好，后续产品升级最高输出1KW。
大族正在自主开发 400um 500W 蓝光半导体激光器。
凯普林在 2021 年 1 月成功推出了蓝光 1000 W 330 μm NA0.22 产品。凯普林在 2019 年美国西部光电展上推出了一款波长 445nm/200瓦的蓝光半导体激光器,该产品在技术上属于半导体激光器。
2022年1月17日，中国光学光电子行业协会，2022年第一批团体标准立项评审会在湖北省武汉市举行。会议对华中科技大学提交的《大功率蓝光半导体激光器》团体标准项目进行了论证。
本标准项目由华中科技大学、武汉锐科光纤激光技术股份有限公司、武汉华工激光工程有限责任公司、深圳联赢激光股份有限公司、中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、北京凯普林光电科技股份有限公司、广东粤港澳大湾区硬科技创新研究院、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所、中国科学院半导体研究所、苏州长光华芯光电技术股份有限公司、西安炬光科技股份有限公司、度亘激光技术（苏州）有限公司、华工法利莱切焊系统工程有限公司联合提出。
专家组认为该标准内容符合国家法律法规和政策，且具有标准编写的必要性，建议标准发起单位按照专家意见修改完善标准立项申请书，完成立项报批。
7、蓝光激光器应用前景
蓝光激光相比于红外激光，在铜材料上有着更高的吸收率，两者相差接近10倍。假设加工同样条件材质的铜材料，使用红外激光使用的是4000瓦，而改用蓝光激光可能800瓦就能达到同样的加工效果。
基于氮化镓材料的半导体激光器可直接产生波长450nm的激光，而无需进一步倍频，因此具有更高的能量转换效率。同时，蓝光在海水中吸收较少，因此传程较长，这使得开拓水下激光材料加工领域变得现实。此外，蓝光相对容易转换为白光，因此可以使用蓝色激光非常紧凑地实现泛光灯和其他照明应用。蓝光半导体激光器激光医疗、水下通信、激光显示及激光照明等领域都具有重要的应用。总的来说，蓝光激光器提高了焊接速度，可直接转化为更快的生产效率，以及最大程度地减少生产停机时间；焊接质量的一致性可大大提高生产良品率；无飞溅和无孔隙的高质量焊缝，以及更高的机械强度和更低的电阻率等独特优势拓宽了工艺范围。此外，蓝色激光还可以进行导热焊接模式，这是近红外激光所无法实现的。
8、蓝光激光器的技术路线
早期的蓝光激光器功率很小，并没有得到太多的关注，直到2017年后人们才意识到要发展高功率蓝光激光器。一般来说，蓝色半导体激光只能以单体输出，在实现高功率输出时，光束尺寸就会增大，难以保证在保持小光束尺寸的同时实现高功率输出。选择耦合方式可以解决这个问题，即准备多个蓝色的光源，让发出的光线通过透镜汇集成光纤。通过光纤输出激光，这样不仅容易操作，而且通过将多个激光单元连接在一起，可以很容易地增加激光功率输出。
为了商业化蓝光激光器,德国DILAS公司于 2013 年使用TO封装捆绑合束技术开发了1.6 W的450 nm激光输出,具有100 W、400 μm/0.22 NA。
通过空间合束偏振方法实现芯径为 1050 μm/0.22 NA 的光纤的第二种方法,蓝光单管通过多只快/慢轴光束质量改进的蓝光单管输出160 W的450 nm的光纤耦合模块。
激光展 第三种方法，激光巴条合束技术，先将多个单独的激光芯片高效地集成到一个所谓的激光巴条，每个激光巴条可产生至少50W的蓝光。然后通过适当的电连接、冷却散热，以及使用特殊的光学器件，将多个半导体激光巴条安装组合成一个半导体激光堆栈（Stack）。整个半导体激光器可以用一个或数个半导体激光堆栈组合而成，如图4所示。目前，激光巴条技术可以达到2kW的蓝光功率。
第四种方法，多根激光合束到单根光纤的激光合束技术。
9、总结
蓝光激光器系统由蓝光半导体激光器、蓝光合束器、激光输出头和电路驱动模块等组成，其中核心技术包括光纤束拉锥、输出光纤熔接和合束器封装等工艺，这些工艺的稳定最终确保产品可靠性。
目前高反材料加工应用非常广泛，相对于红外激光，蓝光半导体激光器对铜材料加工拥有更高优越性。随着应用工艺成熟，高功率蓝光激光在加工领域的份额会大大增加。新型激光器技术的突破往往会带来新的材料加工应用，高功率蓝光激光器会是一个很好的应用市场趋势。
本文仅作技术信息交流，如有侵权，请联系删除