¿Qué es el láser semiconductor azul de alta potencia?

1. Limitaciones de los láseres de alta potencia de longitud de onda cercana al infrarrojo

En las últimas décadas, los láseres de onda continua (CW) de alta potencia se han convertido en una herramienta omnipresente en las industrias manufactureras modernas. Estos láseres se utilizan para una amplia gama de aplicaciones, como soldadura, revestimiento, tratamiento de superficies, endurecimiento, soldadura fuerte, corte, impresión 3D y fabricación aditiva.

El primer avance significativo en la tecnología láser de onda continua de alta potencia se produjo antes del año 2000, con la creación del láser de dióxido de carbono (CO₂) y el láser de estado sólido Nd:YAG bombeado por semiconductor de longitud de onda de 1064 nm en el infrarrojo cercano.

Sin embargo, debido a su longitud de onda, el láser de dióxido de carbono es difícil de transmitir a través de fibras ópticas, lo que lo convierte en un reto para las aplicaciones industriales. Del mismo modo, los láseres de estado sólido están limitados por el brillo y la amplificación de potencia.

Después del año 2000, se desarrollaron los láseres industriales de fibra de alta potencia como una solución que puede transmitirse a través de fibras ópticas sin dejar de tener un brillo y una potencia elevados. Hoy en día, los láseres de fibra han sustituido a los láseres de dióxido de carbono en la mayoría de las aplicaciones y han demostrado ser muy eficaces en muchas aplicaciones de procesamiento industrial. En los últimos años, los láseres de fibra se han convertido en el principal láser industrial utilizado para procesos como la soldadura y el corte por láser, ya que ofrecen mayor velocidad, eficacia y fiabilidad que los láseres de dióxido de carbono.

Sin embargo, estos láseres de fibra continua de alta potencia suelen funcionar a longitudes de onda del infrarrojo cercano (NIR) de menos de 1µm. Aunque esto es adecuado para muchas aplicaciones, algunos metales reflejarán 90% o más del infrarrojo cercano. radiación láser que incide sobre su superficie, lo que limita su eficacia. Los metales amarillos, como el cobre y el oro, son especialmente difíciles de soldar con láseres de infrarrojo cercano debido a sus bajos índices de absorción, lo que requiere una gran cantidad de potencia del láser para iniciar el proceso de soldadura.

Existen dos procesos principales de soldadura láser: la soldadura en modo de conducción de calor, que implica la fusión y solidificación del material, y la soldadura en modo profundo, que implica la fusión y solidificación del material. soldadura por penetraciónque vaporiza el metal y forma una cavidad o bocallave.

La soldadura de penetración profunda requiere un haz láser de alta absorción, ya que el láser interactúa con el metal y el vapor metálico varias veces al propagarse a través del material.

El inicio de un ojo de cerradura con un láser de infrarrojo cercano requiere una elevada intensidad de láser incidente, especialmente cuando el material que se está soldando tiene una elevada reflectividad. Sin embargo, una vez formado el ojo de cerradura, la tasa de absorción aumenta bruscamente.

Los láseres infrarrojos cercanos de alta potencia generan una elevada presión de vapor de metal en el baño de fusión, lo que provoca salpicaduras y poros. Así pues, la potencia del láser o la velocidad de soldadura deben controlarse cuidadosamente para evitar salpicaduras excesivas.

Cuando el baño de fusión se solidifica, pueden quedar atrapadas "burbujas" en el vapor de metal y el gas de proceso, formando poros en el junta de soldadura. Estos poros debilitan la resistencia de la soldadura y aumentan la resistividad de la unión, disminuyendo la calidad del junta soldada.

Procesar materiales con una absortividad inferior a 5% a 1µm, como el cobre, con láseres de infrarrojo cercano es un reto importante. Métodos como la generación de plasma en los materiales procesados pueden aumentar la absortividad láser de los materiales. Sin embargo, estos métodos limitan el procesamiento de los materiales al proceso de penetración profunda y conllevan riesgos inherentes como la pulverización catódica y el control de la deposición de energía.

Por lo tanto, los sistemas láser de longitud de onda de 1µm existentes tienen limitaciones en el procesamiento de materiales altamente reflectantes como los metales no ferrosos y las aplicaciones submarinas.

Lectura relacionada: Metales ferrosos y no ferrosos

Para avanzar en las aplicaciones del láser infrarrojo cercano, los investigadores deben investigar nuevas fuentes de láser. Además, el cambio hacia los motores eléctricos en los vehículos de nueva energía como medio para reducir los gases de efecto invernadero ha provocado una importante demanda de soluciones fiables de procesamiento del cobre. Los motores eléctricos, sobre todo las baterías, requieren grandes cantidades de materiales de cobre. Esta demanda se extiende a otros sistemas de energías renovables, como las turbinas eólicas.

2. El nacimiento de la alta potencia láser azul

El desarrollo de la tecnología láser industrial ha seguido la hoja de ruta de la tecnología de producción y las demandas sociales. En los últimos 60 años, la tecnología láser ha contribuido significativamente a resolver importantes tareas de futuro, como la economía digital, la energía sostenible y la vida sana.

Hoy en día, la tecnología láser se ha convertido en un componente indispensable en varias áreas centrales de la economía china, como la tecnología de producción, la ingeniería de automoción, la tecnología médica, la medición, la tecnología medioambiental y la tecnología de la información y la comunicación. A medida que avanza la tecnología de procesamiento de metales y mejoran los requisitos de los usuarios, los láseres deben innovar en costes, eficiencia energética y rendimiento de los sistemas láser.

La demanda del mercado de un procesado eficaz de metales altamente reflectantes ha estimulado el desarrollo de la tecnología láser azul de alta potencia, que sin duda abrirá las puertas a nuevas tecnologías de procesado de metales. En los metales no ferrosos, la absorción de energía luminosa aumenta a medida que disminuye la longitud de onda de la luz. Por ejemplo, la absorción de luz del cobre en longitudes de onda inferiores a 500 nm aumenta al menos 50% en comparación con la luz infrarroja, lo que hace que las longitudes de onda más cortas sean más adecuadas para el procesamiento del cobre.

Sin embargo, desarrollar láseres de longitud de onda corta y alta potencia para aplicaciones industriales es todo un reto debido a las limitadas opciones disponibles. Incluso las opciones existentes son caras e ineficaces. Por ejemplo, existen en el mercado fuentes láser de estado sólido basadas en la duplicación de frecuencias que pueden producir láseres de 515 nm y 532 nm (espectro verde) en esta gama de longitudes de onda, pero estas fuentes dependen de cristales ópticos no lineales para convertir la energía del láser de bombeo en energía de la longitud de onda de destino, lo que se traduce en una elevada pérdida de potencia.

Además, estos láseres requieren complejos sistemas de refrigeración e intrincados ajustes ópticos.

Para hacer frente a este reto, la atención se ha centrado en los láseres semiconductores azules. La luz azul tiene propiedades únicas que la hacen ventajosa para el procesado de metales de alta reflexión materiales como el cobre. La Fig. 1 muestra que el cobre absorbe la luz azul 13% más eficazmente que la luz infrarroja, incluso hasta 13 veces más absorción.

Además, la absorción de luz azul por el cobre se mantiene constante incluso cuando el metal se funde, lo que proporciona una densidad de energía estable para la soldadura. Como resultado, la soldadura por láser azul ofrece un control preciso, pocos defectos y produce rápidamente soldaduras de cobre de alta calidad.

La luz azul también tiene largos rangos de transmisión en el agua de mar porque se absorbe menos, lo que la hace idónea para explorar el procesamiento submarino de materiales con láser.

Además, la luz azul es relativamente fácil de convertir en luz blanca, lo que permite el uso compacto de láseres azules para proyectores y otras aplicaciones de iluminación.

Los láseres semiconductores basados en nitruro de galio pueden producir directamente un láser con una longitud de onda de 450 nm, sin necesidad de duplicar más la frecuencia, con lo que se consigue una mayor eficiencia en la conversión de energía.

Fuente: NASA 1969

a) Las ventajas de rendimiento del láser azul se derivan de los principios físicos básicos

b) Comparación de la absorción de luz azul y de infrarrojos (NIR) del cobre

Fig. 1 Propiedades físicas de la luz azul

Se espera que el láser de 450 nm tenga una eficacia de procesamiento casi 20 veces superior a la del láser de 1 µm. En comparación con el infrarrojo cercano tradicional proceso de soldadura láserEl láser azul de alta potencia ofrece ventajas cuantitativas y cualitativas.

En términos de ventajas cuantitativas, el láser azul mejora la velocidad de soldadura, amplía la gama de procesos, aumenta la eficiencia de la producción y reduce los tiempos de inactividad de la producción.

En cuanto a las ventajas cualitativas, el láser azul permite un mayor alcance del proceso, produce soldaduras de alta calidad sin salpicaduras ni porosidad, proporciona una mayor resistencia mecánica y reduce la resistividad. La consistencia de calidad de soldadura mejora considerablemente el rendimiento de la producción (véase la Fig. 2).

Además, el láser azul también puede realizar el modo de soldadura por conducción térmica, lo que es imposible para el láser de infrarrojo cercano (véase la Fig. 3).

Fig. 2 Sección transversal de la soldadura por penetración profunda en una lámina de cobre de 254 µ m de espesor

Fig. 3 Sección del modo de soldadura por conducción de calor en chapa de cobre de 500 µm de espesor

3. Desarrollo de láser azul de alta potencia

Los dispositivos emisores de luz de nitruro de galio (GaN) han acaparado una gran atención, sobre todo en el campo de la iluminación, debido al Premio Nobel de Física de 2014 y a la creciente concienciación mundial sobre la protección del medio ambiente.

Con la mejora continua de la luminosidad y el rendimiento de los dispositivos semiconductores azules, los láseres semiconductores azules han entrado en la era de la producción en masa. Se utilizan habitualmente como fuentes de luz para proyectores y, en combinación con fósforos que producen luz verde o roja, están sustituyendo a las lámparas en los proyectores.

En los últimos años, los láseres semiconductores azules han ganado popularidad en aplicaciones de iluminación y visualización debido a su mayor duración y menor tamaño en comparación con las bombillas. Sin embargo, para procesamiento láseres necesaria una potencia superior a la de estos láseres azules.

A pesar de las ventajas de los láseres azules, que incluyen una vida útil más larga y un tamaño más pequeño, el desarrollo de láseres azules de alta potencia para el procesamiento láser requiere una potencia de salida superior a la de un chip semiconductor de láser azul, que sólo tiene unos pocos vatios de potencia de salida. Aumentar la potencia a un rango superior es un proceso largo y costoso.

Para satisfacer los elevados requisitos de potencia de los láseres azules, se necesitan nuevos métodos técnicos. Actualmente, la potencia real de cada chip de láser semiconductor azul es de unos 5 W en una sola longitud de onda. Por lo tanto, la tecnología de combinación de haces es esencial para obtener una mayor potencia de salida, que puede lograrse combinando las salidas de varios chips.

Los métodos de combinación de haces se dividen en dos tipos: métodos coherentes e incoherentes. El método incoherente es más práctico, ya que no requiere un control de fase fino entre los láseres.

El método incoherente incluye varias técnicas para combinar múltiples haces láser, como el método de combinación espacial que combina múltiples haces en el espacio, el método de combinación de polarización que combina luz polarizada ortogonalmente utilizando un divisor de haz de polarización, y el método de combinación de longitud de onda que combina diferentes longitudes de onda en coaxial.

Cada técnica tiene sus propias ventajas e inconvenientes y puede utilizarse de forma combinada.

El método de combinación espacial es especialmente adecuado para combinar varios chips láser con la misma longitud de onda para lograr una salida de alta potencia.

Hasta ahora, los métodos de síntesis de alta potencia que más éxito han tenido son dos. He aquí una breve introducción a ellos:

El primer método utiliza la tecnología de barras láser para generar sistemáticamente un único emisor láser en una oblea de nitruro de indio y galio (InGaN).

Inicialmente, los chips láser individuales se integran eficazmente en una "barra láser", y cada barra láser puede producir al menos 50 W de luz azul.

A continuación, se instalan varias barras de láser semiconductor y se combinan en una pila de láser semiconductor mediante las conexiones eléctricas, la refrigeración y la disipación térmica adecuadas, y el uso de dispositivos ópticos especiales.

El láser semiconductor completo puede combinarse con una o varias pilas de láseres semiconductores, como se muestra en la figura 4.

Actualmente, la tecnología de barra láser puede generar hasta 2 kW de potencia de luz azul.

a) Proceso de síntesis del instrumento de barra

b) Diagrama de barras

Fig. 4 Síntesis del haz de las barras láser de semiconductores Tecnología

El segundo método consiste en utilizar la tecnología de emisor único de láser semiconductor. Estos láseres utilizan un diseño único "basado en un chip de tubo único" que pretende colimar la salida de cada tubo único de láser de nitruro de galio (GAN).

Si todos los tubos láser individuales se coliman juntos con una sola lente, como en la técnica de barra, la divergencia del haz combinado (BPP) aumentará inevitablemente. Sin embargo, al colimar cada tubo individual láser con su propia lente especial, la divergencia del haz combinado puede mantenerse lo más inalterada posible, y el BPP del haz puede minimizarse, lo que mejora el brillo del láser (consulte la Fig. 5).

Además, como el láser de nitruro de galio monotubo sigue mejorando en un solo láser de tubo a lo largo de su trayectoria de desarrollo prevista, este diseño único de "chip de tubo único" ofrece la mejor forma de mejorar la potencia del sistema láser global.

Además, la tecnología láser monotubo ofrece la mejor calidad de haz con una potencia de salida de 1,5KW, lo que supone una garantía para el procesamiento láser remoto del escaneado galvanométrico. Este sistema de escaneado se utiliza ampliamente en la producción de baterías, vehículos eléctricos y electrónica de consumo.

Durante la operación de escaneado, la potencia de salida del láser y el tiempo de permanencia pueden ajustarse para maximizar la productividad, ya que permiten resolver diferentes geometrías de juntas y grosores de material en un único patrón de escaneado.

La tabla 1 ilustra las ventajas del láser semiconductor azul en comparación con el láser semiconductor infrarrojo cercano y el láser verde de estado sólido.

Fig. 5 Síntesis del haz de la tecnología monotubo del láser semiconductor

Tabla 1 Comparación del láser semiconductor azul con el láser semiconductor infrarrojo cercano y el láser verde de estado sólido

4. Casos de aplicación del procesamiento de materiales con láser semiconductor de luz azul

1) La figura 6 ilustra un sistema de escaneado consistente en un láser semiconductor azul, utilizado para la fabricación de baterías eléctricas. La ventaja de utilizar un láser azul reside en su amplia ventana de proceso, que le permite ocuparse de cada fase de la fabricación de baterías.

Además, puede soldar materiales más gruesos, como cobre, oro y acero inoxidable, de unos pocos milímetros de grosor. Esto la convierte en la opción ideal para fabricar baterías prismáticas, carcasas de baterías y paquetes de baterías con baterías integradas.

a) 70 unidades de láminas de 8 µm soldadas a terminales de cobre de 254 µm

b) Conexión de dos terminales de cobre

c) Conecte dos terminales de cobre a la carcasa de acero de la batería

Fig. 6 la amplia ventana de proceso del láser azul puede manejar cada etapa de la fabricación de baterías

2) Utilizando una fuente de luz semiconductora azul con una longitud de onda de 450 nm, es posible fundir material de cobre en el modo de conducción del calor, lo que permite ajustar con precisión la geometría del baño de fusión de materiales de cobre delgados (véase la Fig. 7).

En la soldadura por penetración profunda de materiales delgados de cobre, la absorción estable de energía y el control preciso del proceso de conducción del calor son especialmente importantes, ya que ayudan a evitar el corte o las salpicaduras de los materiales debido a la alta presión.

Estas incidencias son más probables cuando se sueldan láminas de cobre delgadas apiladas, lo que puede dar lugar a huecos irregulares debido al alabeo de las láminas apiladas (véase la Fig. 8).

En soldadura a tope se realiza en 34 láminas de cobre apiladas con un láser semiconductor de luz azul de 580 W a una velocidad de 2 m/min, se puede formar una anchura de soldadura de >0,8 mm con una porosidad mínima y una socavadura baja.

En soldadura en ángulo en el borde de la pila de láminas, el extremo de la lámina puede fundirse con éxito en una gran área transversal y unirse completamente a la lámina sólida. Se puede conseguir una conexión mecánica perfecta y una excelente conductividad en la soldadura a tope y en la soldadura de bordes.

Fig. 7 Geometría del baño de fusión de material de cobre

a) Borde estructura de soldadura

b) Con una potencia del láser azul de 580 W y una velocidad de soldadura de 2 m/min.

Fig. 8 Sección transversal de la unión entre 34 láminas de cobre apiladas (de 11 µ m de espesor cada una) soldaduras de conexión

3) La figura 9 ilustra los resultados de la soldadura solapada de láminas de cobre de 30μm de grosor utilizando un láser azul de 100W. La dirección proceso de soldadura consistió en escanear con el láser la superficie superior de tres láminas de cobre apiladas a una velocidad aproximada de 10 mm/s.

El diámetro del punto láser en la superficie de la muestra era de 100μm debido a la concentración de la salida de fibra óptica de 100μm de diámetro de núcleo con una relación de proyección de 1:1. De este modo se obtuvo una excelente calidad de soldadura al tiempo que se minimizaba el impacto del calor en el entorno y los residuos circundantes.

a) Vista superior de costura de soldadura

b) Sección transversal del cordón de soldadura

Fig. 9 resultados de la soldadura solapada de chapa de cobre puro

4) La figura 10 muestra un ejemplo de impresora 3D fabricada íntegramente con cobre puro, que utiliza un láser semiconductor de luz azul desarrollado por la Universidad de Osaka. El láser tiene un diámetro de punto de enfoque de 100μm, lo que permite laminar cobre puro de alta conductividad térmica y eléctrica en el lecho de polvo. Antes era difícil conseguirlo con láseres de infrarrojo cercano.

Se prevé que esta tecnología tendrá una amplia gama de aplicaciones en campos industriales, como el aeroespacial y el de los vehículos eléctricos.

a) Máquina SLM con láser azul de 100 W

b) Muestra prototipo en 3D fabricada con polvo de cobre puro

Fig. 10 Aplicación de impresión 3D

5) La mayor penetración también ha abierto el campo de las aplicaciones para vehículos eléctricos, ya que los fabricantes de este tipo de vehículos recurren al diseño de bobinado de varillas para maximizar la eficiencia térmica y eléctrica. Como muestra la figura 11, la calidad uniforme de las tres soldaduras de horquilla láser azul es crucial para mejorar la eficiencia de la producción.

La capacidad del láser azul para producir soldaduras en horquilla es especialmente importante para la fabricación de motores de alta densidad e intensidad.

Fig. 11 Aplicación en la fabricación de vehículos eléctricos

6) La alta potencia y el alto brillo pueden aumentar la flexibilidad del proceso de soldaduraampliando la gama de materiales que pueden procesarse. Por ejemplo, el latón, que se compone de cobre y zinc con propiedades térmicas muy diferentes, puede ser difícil de soldar con alta calidad. Sin embargo, la tecnología láser industrial azul puede realizar fácilmente esta tarea, lo que permite soldar materiales de latón utilizados habitualmente en la producción de electrodomésticos, como se muestra en la Fig. 12.

Las investigaciones preliminares sugieren que la tecnología láser azul puede resolver eficazmente el reto de soldadura de metales distintos. La soldadura de metales distintos es difícil porque cada material tiene propiedades térmicas, ópticas y mecánicas únicas. Cuando se sueldan metales distintos, puede producirse la formación de compuestos intermetálicos, que son zonas de aleaciones diferentes que dañan las propiedades mecánicas y eléctricas y la consistencia de la unión.

La última generación de láseres semiconductores azules dispone de una amplia gama de parámetros de proceso, lo que permite soldar distintos materiales con defectos mínimos. Aunque el cobre y el zinc del latón tienen propiedades térmicas diferentes, lo que hace que la altasoldadura de calidad difícil, la tecnología láser de semiconductores azules puede afrontar fácilmente este reto.

Fig. 12 Aplicación en soldadura de latón

5. Conclusión

El láser semiconductor azul de 2 kW ha demostrado su superioridad en el procesamiento de metales, en particular para materiales metálicos de alta reflexión.

El brillo y la potencia de los láseres semiconductores azules siguen aumentando, lo que abre nuevas posibilidades y aplicaciones. Por ejemplo, aún se está explorando el potencial de fabricación aditiva de los láseres azules (véase la Figura 10).

Además de la eficacia material metálico se espera que los láseres semiconductores de luz azul se empleen en aplicaciones intersectoriales, especialmente en el departamento de ingeniería mecánica, permitiendo el procesamiento láser de materiales con luz azul bajo el agua.

Esta ventaja es significativa para la industria manufacturera. Además, la industria de la iluminación puede aprovechar la tecnología de iluminación de alta calidad basada en el láser semiconductor azul.

La aparición del Internet de las Cosas y la Inteligencia Artificial está provocando nuevos cambios de paradigma en el sector industrial.

La tecnología de procesamiento láser integra de forma natural la tecnología de control numérico y el procesamiento remoto, eliminando la necesidad de cambiar las herramientas, y asumirá un papel protagonista en la fabricación inteligente de próxima generación.

El auge del láser semiconductor azul de alta potencia también ha traído una nueva sorpresa a la tecnología láser. Aunque las aplicaciones de procesamiento basadas en el láser semiconductor azul de alta potencia aún están en pañales, con los futuros avances tecnológicos podría convertirse en una de las herramientas fundamentales para la próxima generación de fabricación inteligente de vanguardia.