文/Jean-Michel Pelaprat，Mark Zediker，Mathew Finuf；Nuburu公司

自從2017年第一臺(tái)高功率半導(dǎo)體藍(lán)光激光器問世以來，工業(yè)觀察者很快就意識(shí)到了其在實(shí)現(xiàn)快速高品質(zhì)銅焊接方面，所展示出的無與倫比的性能。隨著技術(shù)的不斷革新，藍(lán)光激光器的功率和亮度也不斷提高，它們很快也在不銹鋼、鋁、金甚至是黃銅的加工上，顯示出了相似的特性。目前，藍(lán)光激光器已經(jīng)在可靠性和穩(wěn)定性方面趨于成熟，現(xiàn)在各個(gè)行業(yè)的客戶都在擴(kuò)大藍(lán)光激光器的應(yīng)用范圍。

與此同時(shí)，藍(lán)光激光器技術(shù)本身仍在不斷發(fā)展。例如，多模藍(lán)光激光器的功率和亮度，已經(jīng)發(fā)展到能夠與標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)掃描振鏡相集成。越來越復(fù)雜的技術(shù)，反過來也在促使應(yīng)用不斷擴(kuò)展，并且拓展了材料加工能力，并能將金屬3D打印的性能提升一個(gè)數(shù)量級(jí)。

工業(yè)級(jí)藍(lán)光半導(dǎo)體激光器的誕生

Nuburu公司通過光譜合成、空間耦合、偏振合成來組合每一個(gè)獨(dú)立輸出的氮化鎵（GaN）半導(dǎo)體激光器單管芯片，以獲得超高的功率輸出。雖然，工業(yè)級(jí)藍(lán)光激光器直到幾年前才得以問世，但是得益于早期砷化鎵（GaAs）芯片的技術(shù)積累，氮化鎵（GaN）芯片的技術(shù)也已經(jīng)特別成熟。例如，GaAs半導(dǎo)體激光器通常可以達(dá)到70%的高效率，而GaN半導(dǎo)體激光器也可通過相同的方法，來快速達(dá)到近似的效率。藍(lán)光激光器的性能不僅僅取決于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也同樣遵循物理學(xué)的基礎(chǔ)規(guī)律。

相比于長(zhǎng)波長(zhǎng)激光，紫銅、鋁、金、不銹鋼、鎳等許多重要的工業(yè)金屬，都對(duì)藍(lán)光有著更高的吸收率，這也大大促進(jìn)了材料加工應(yīng)用的發(fā)展。藍(lán)光在吸收率方面的優(yōu)勢(shì)，也使得材料加工速度和加工質(zhì)量得以提高。例如，在焊接紫銅方面，藍(lán)光就有著10倍于常規(guī)紅外激光的焊接速度，同時(shí)，藍(lán)光焊接紫銅還能實(shí)現(xiàn)無缺陷焊接，而這是紅外激光無法實(shí)現(xiàn)的。

 藍(lán)光激光器還有另一項(xiàng)物理學(xué)基礎(chǔ)優(yōu)勢(shì)。在任一后端光學(xué)系統(tǒng)中，最小光斑尺寸是波長(zhǎng)的函數(shù)——波長(zhǎng)越小，可實(shí)現(xiàn)的最終聚焦光斑越小。藍(lán)光在某些光路中提供了更小的光斑，這也可以保證長(zhǎng)焦距光學(xué)系統(tǒng)中的光斑可用，因此，工藝工程師們可利用其最小光斑特性，充分發(fā)揮工藝上的靈活性。

藍(lán)光激光器在物理學(xué)上的優(yōu)勢(shì)、優(yōu)良的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、可靠性和穩(wěn)定性等多種優(yōu)勢(shì)組合，為其在工業(yè)新應(yīng)用中的發(fā)展提供了肥沃土壤。

藍(lán)光激光器的優(yōu)勢(shì)

藍(lán)光激光器在鋰電池制造中發(fā)揮著重要作用，在鋰電池制造中，通常需要焊接銅、鋁和鋼等金屬材料，并且這些被焊接的金屬材料的厚度，從10µm到1.5mm不等。這種寬范圍的材料連接要求，通常需要例如超聲波焊接、電阻焊、紅外激光焊甚至傳統(tǒng)弧焊等多種工藝相匹配。沒有一種工藝方法可以同時(shí)滿足所有焊接要求，而制造商也需要添置繁多的硬件設(shè)備，并為之配備單獨(dú)的維護(hù)和培訓(xùn)資源。

由于高反金屬對(duì)藍(lán)光有著出色的吸收率，因此使用藍(lán)光焊接能提供極寬的加工窗口，這允許工藝工程師可通過選擇光斑大小、光斑功率以及焊接速度，來滿足不同材料、不同厚度的材料焊接要求。如圖1所示，同一套激光系統(tǒng)可完成電池制造中的不同焊接階段，這樣就能通過同時(shí)減少硬件設(shè)備、培訓(xùn)成本、提高生產(chǎn)效率及焊接效果，來精簡(jiǎn)生產(chǎn)線的復(fù)雜度。

圖1：在鋰電池的制造過程中，需要諸多不同材料的焊接要求：（a）厚度808µm的銅箔與厚度200µm的極耳之間的焊接；（b）厚度1.2mm的不銹鋼焊接。

藍(lán)光激光器也為工業(yè)用戶提供了物流倉儲(chǔ)方面的優(yōu)勢(shì)（見圖2），因?yàn)樗{(lán)光激光器的外觀尺寸比很多激光器都小，并且它的整機(jī)系統(tǒng)效率比綠光激光器高35%，從而可以使產(chǎn)線規(guī)劃大約優(yōu)化了一個(gè)數(shù)量級(jí)。而其長(zhǎng)達(dá)20,000小時(shí)的設(shè)計(jì)壽命和每1千小時(shí)＜0.5%的功率衰減，也足以證明其可靠性。

圖2：結(jié)構(gòu)緊湊且牢固可靠的400W工業(yè)級(jí)藍(lán)光激光器模組。

下一個(gè)發(fā)展階段

近期，Nuburu公司新推出了一款里程碑式的產(chǎn)品——AI-1500藍(lán)光激光器，它能在1500W的功率下實(shí)現(xiàn)11mm-mrad的光斑質(zhì)量（BPP），達(dá)到了可用于標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)振鏡系統(tǒng)集成的亮度閾值。這些使用f-theta透鏡將角度轉(zhuǎn)換成位置變化的振鏡系統(tǒng)，可以同時(shí)最大程度地保證工件表面的聚焦光斑均勻性。即使這類系統(tǒng)不可避免地?cái)U(kuò)束光斑，降低功率密度，但由于其初始亮度足夠，振鏡擴(kuò)束后依然能保持焊接所要的功率密度，并且低于2.3MW/cm²的無缺陷焊接最大功率閾值。

這款藍(lán)光激光器的先進(jìn)性能，已經(jīng)開辟出了一些新的應(yīng)用市場(chǎng)。比如，隨著半導(dǎo)體器件的密度持續(xù)提升，很多特征都在20nm的尺寸級(jí)別。這樣的電路密度，將會(huì)產(chǎn)生熱量的堆積，而這些熱量必須要釋放出去——尤其是像5G智能手機(jī)這類緊湊型器件中。

蒸發(fā)腔冷卻是一種電路轉(zhuǎn)移熱量的有效途徑。蒸發(fā)腔內(nèi)含有少量液體，可以在散熱器上完成加熱蒸發(fā)及壓縮冷卻。

蒸發(fā)腔由銅或鋼的中空毛細(xì)結(jié)構(gòu)薄片，沿著其鋒利邊角焊接后制成。因?yàn)橄嘧冃枰�吸收能量，因此可以�?shí)現(xiàn)高達(dá)700W/cm²甚至更高的散熱通量。內(nèi)腔保持真空，以達(dá)到相變所需要的物理?xiàng)l件。而真空是保持高散熱通量和熱導(dǎo)率的必要條件。然而對(duì)于厚度為50~300µm的薄片的無缺陷和真空密封連接，無疑是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。同時(shí)，超薄的機(jī)械尺寸需要集成到緊湊的電子設(shè)備中，因此連接過程還必須保證批量可重復(fù)性。

如圖3所示，藍(lán)光激光器能實(shí)現(xiàn)無缺陷焊接，在500W功率下，焊接速度能夠達(dá)到10~20m/min甚至更高。也可以使用振鏡系統(tǒng)，來滿足包括5G智能手機(jī)等大批消費(fèi)類電子產(chǎn)品在內(nèi)的高速自動(dòng)化生產(chǎn)要求。

圖3：蒸發(fā)腔為高密度5G智能手機(jī)提供高通量蒸發(fā)冷卻。

（a）標(biāo)準(zhǔn)蒸發(fā)腔結(jié)構(gòu)示意圖；50µm+200µm蒸發(fā)腔銅片藍(lán)光疊焊顯微金相；

（b）該應(yīng)用所需要的高質(zhì)量穩(wěn)定焊縫直觀圖。

藍(lán)光激光器同樣使得可再生能源行業(yè)快速發(fā)展。比如氫燃料電池行業(yè)逐漸崛起，這種燃料電池由400個(gè)獨(dú)立的電芯組成，每一個(gè)都被薄膜電極組（MEA）包覆。輸入端和輸出端使用隔膜將氫、氧原子分隔兩端，并在氫、氧混合時(shí)釋放能量。

當(dāng)前，單個(gè)電芯通過四周墊片壓縮密封，但墊片可能會(huì)泄露。最理想的方法是焊接每個(gè)電芯四周，以保證機(jī)械性能和嚴(yán)格的氣密性。

激光焊是一種快速且柔性的加工方式，但是紅外激光焊接產(chǎn)生的非規(guī)則焊縫無法滿足高品質(zhì)要求，會(huì)出現(xiàn)常說的“焊縫隆起”。當(dāng)電芯被堆疊時(shí)，35µm程度的不規(guī)則隆起，會(huì)導(dǎo)致輸入輸出端錯(cuò)位。相比于紅外激光焊接，藍(lán)光激光焊接能將隆起效應(yīng)降低7倍，這對(duì)于保持關(guān)鍵端口的焊接對(duì)齊至關(guān)重要（見圖4）。

圖4：（a）獨(dú)立電芯堆疊而成的燃料電池示意圖；（b）氫燃料電池所需的兩片特制鋼板焊后金相；如圖所示的無缺陷焊接效果，可以優(yōu)化燃料電池性能，降本增效。

 同樣的優(yōu)勢(shì)也被運(yùn)用于3D打印之中。打印材料相互作用和藍(lán)光的熱傳導(dǎo)優(yōu)勢(shì)都提升了最終性能。高材料吸收率可以直接提升打印密度；更小的聚焦光斑可以用來制造更精細(xì)的零件；相比于紅外激光器，藍(lán)光激光器延伸焦距后，還可以擴(kuò)大10倍的打印范圍。

不斷的技術(shù)革新和產(chǎn)品鞏固，正在為藍(lán)光激光器開辟一些新的應(yīng)用領(lǐng)域，例如用于自由空間光通信，藍(lán)光可以縮小3倍的通光孔徑。藍(lán)光還可以提供相比綠光8倍以上的水透過率。對(duì)于潛艇激光通信，目前都是按照綠光設(shè)計(jì)。使用藍(lán)光或兩者組合，可以顯著提高穿透深度，從而提供更大的通信帶寬。提高水下穿透率也同樣提高了激光雷達(dá)的性能。

總之，藍(lán)光激光器是激光技術(shù)基礎(chǔ)的一大進(jìn)步�；仡櫄v史，二氧化碳（CO₂）激光器在各種工業(yè)應(yīng)用中證明了激光的價(jià)值。隨后Nd：YAG激光器利用其較低的運(yùn)行成本和可靠性，在很多領(lǐng)域取代了CO₂激光器，并誕生了一系列新應(yīng)用。再到后來的光纖激光器，一些應(yīng)用中的Nd:YAG激光器又被取代了，同樣也帶來了一些新應(yīng)用。如今，藍(lán)光激光器正在重現(xiàn)這種模式，它將取代某些老舊的技術(shù)，并開辟出一片新的應(yīng)用天地。藍(lán)光激光器的性能還將繼續(xù)發(fā)展，并且這一趨勢(shì)極有可能在未來幾年中進(jìn)一步加速。