高亮度蓝光半导体激光器和可靠性分析

2024-04-26
摘要

近年来，蓝光半导体激光器发展迅速。对于铜、金和高强度铝等高反射率材料，蓝光激光的吸收率比红外激光高5-10倍，能够实现高质量和一致性的焊接效果，熔池稳定无飞溅。随着蓝色半导体激光技术的发展，行业对更高亮度和可靠性的需求日益增长。
基于实际应用背景，我们设计并实现了一款稳定的高亮度蓝光激光器研发。通过BPP理论和ZEMAX仿真计算，利用偏振和光纤耦合技术实现48个5.5W蓝光激光芯片到105µm芯径、0.22NA光纤的高效率耦合。输出功率超过250W，耦合效率超过90%，电光效率超过35%。此高亮度蓝光激光器已通过多项可靠性测试，包括7000小时的加速老化测试、85℃高温存储、-40℃低温存储、-20℃~70℃温度循环测试、振动和机械冲击测试，在医疗、3D打印和焊接等领域拥有重要的应用前景。
关键词: 蓝光激光，高亮度，高可靠性，光纤耦合

1.引言


随着轻量化发展趋势的出现，新能源汽车、3C电子和航空航天等应用对材料加工提出了新的需求。传统的铁基材料在机械、电气、热和化学性能方面面临更大的挑战。铜、铝、钛、金等有色金属及其复合材料的应用越来越广泛。新材料和应用对激光加工提出了新的需求和挑战。
铜具有优异的电导率、热导率和成本优势，广泛用于电子产品和动力电池的制造。精确可靠的铜加工解决方案面临着更高的要求。由于铜对蓝光激光的吸收率远高于红外激光，它可以有效解决红外激光焊接过程中出现的溅射、气孔和内部缺陷等问题，实现精密高质量的加工。近年来，关于蓝光激光的研究越来越多[1]，对蓝光芯片失效机制的研究也在不断深入[2,3]。随着高功率蓝色半导体激光技术的突破，蓝光被视为下一代先进智能制造的核心工具之一。
高功率蓝光激光的发展推动了基于铜的3D打印技术的发展。使用蓝光作为加工光源可以大大减少加工过程中的激光反射，提高能量利用率，同时伴随更快的加工速度和更高的加工质量。本文重点介绍了满足这些要求的稳定高亮度的解决方案。


2.光学和机械设计


为了获得相对理想的耦合效率，光学参数需要满足以下关系[4]：
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din是入射光束的光斑直径，θin是入射光束的远场发散角的全角度，dcore是光纤纤芯的直径，θmax是光纤的最大入射角的全角度，NA是光纤的数值孔径，BPPlaser是激光束的BPP（光束参数乘积），BPPf是激光芯片快轴方向的BPP，BPPS是激光芯片慢轴方向的BPP，BPPF是光纤的BPP，m,n是快轴和慢轴上叠加的芯片数量。
结合BPP（光束参数乘积）理论，设计沿快轴方向堆叠12个蓝光芯片，并沿慢轴方向堆叠两列，结合偏振合束，实现48个蓝光激光芯片耦合到105µm芯径光纤。
设计使用非球面透镜对蓝光芯片的输出光束进行预准直，由于半导体芯片的发射特性，快轴和慢轴方向之间存在显著的BPP差异，经过非球面透镜的准直后，快轴方向的光斑尺寸过大，同时慢轴方向存在较大的残余发散角，因此，选择使用基于伽利略望远镜结构的柱透镜组进行二次光束整形。
快轴方向的光束能量分布接近于高斯分布，边缘能量较少。为了充分利用光纤的BPP，我们使用柱透镜组将慢轴方向的光束扩展5倍，并将快轴方向的光束减小6.75倍，最后使用非球面聚焦透镜将快轴和慢轴方向的光束同时耦合到光纤中。光学设计仿真结果如图1所示。
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图1. 光学设计示意图
空间光束排列如图2(a)所示，光纤入射端面的仿真聚焦光斑尺寸约为56μm * 62μm，如图2(b)所示。
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图2. (a) 空间光束排列           (b)光纤入射端面的聚焦光斑
我们设计了一个复合材料组合的水冷散热方案，如图3所示。整体尺寸为217mm * 159mm * 103.6mm。设计了铜水冷通道模块结构以确保良好的散热性能，并采用轻量级铝合金框架设计以确保机械强度。通过设计仿真，已确认了不同材料组合的最佳结合方案及工艺。
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图3. 机械设计


3.结果和可靠性测试


在水温20℃的条件下，通过105μm芯径、0.22NA光纤获得了250W的蓝光激光纤外输出功率，PIV数据如图4所示。中心波长为451.3nm。耦合效率超过90%，且0.17NA/0.22NA功率占比超过90%，适用于高亮度应用。这款高亮度蓝光激光器通过了各种可靠性测试，包括85℃高温存储、-40℃低温存储、-20℃~70℃温度循环测试、振动和机械冲击测试，以及7000小时加速老化测试。测试结果如图5所示。
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图 4. 功率和电压测试数据
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图 5. (a) 低温存储                               (b)高温存储
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    图 5. (c) 振动和机械冲击                  (d) 温度循环
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图 5. (e) 加速老化测试
基于105μm高亮度蓝光激光器模块，通过光纤合束器进行模块合束，我们实现了600μm纤芯直径0.22NA光纤2kW的蓝光激光输出，如图6所示。   
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图 6. (a) 2kW测试数据                  (b) 2kW蓝光激光器布局


4.结论


随着蓝光激光技术的快速发展，蓝光在越来越多的应用中展示出卓越的优势。我们实现了一种高功率和高亮度的蓝光激光设计，通过105μm芯径、0.22NA光纤，实现了250W的蓝光输出。耦合效率超过90%，且0.17NA/0.22NA功率占比超过90%，适用于高亮度应用。7000多小时的老化测试结果显示出稳定且高可靠性的蓝光激光输出，这一设计具备大规模生产能力，是3D铜粉打印、医疗应用和铜焊接的理想光源选择。


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