Wat is een krachtige blauwe halfgeleiderlaser?

1. Beperkingen van lasers met hoog vermogen bij een nabije infrarode golflengte

In de afgelopen decennia zijn krachtige continugolflasers (CW-lasers) een alomtegenwoordig hulpmiddel geworden in de moderne productie-industrie. Deze lasers worden gebruikt voor een breed scala aan toepassingen, waaronder lassen, bekleden, oppervlaktebehandeling, harden, solderen, snijden, 3D printen en additieve productie.

De eerste significante ontwikkeling in CW-lasertechnologie met hoog vermogen vond plaats vóór het jaar 2000, met de creatie van de 10,6 µm-koolstofdioxide (CO₂) laser en de nabij-infrarode 1064nm golflengte halfgeleider-gepompte Nd:YAG-vastestoflaser.

Vanwege de golflengte is de kooldioxidelaser echter moeilijk te transporteren door optische vezels, waardoor hij een uitdaging vormt voor industriële toepassingen. Ook vaste-stoflasers zijn beperkt door helderheid en vermogensversterking.

Na 2000 werden krachtige industriële fiberlasers ontwikkeld als een oplossing die door optische vezels kan worden verzonden en toch een hoge helderheid en een hoog vermogen heeft. Tegenwoordig hebben fiberlasers in de meeste toepassingen kooldioxidelasers vervangen en hebben ze bewezen zeer effectief te zijn in veel industriële verwerkingstoepassingen. In de afgelopen jaren zijn fiber lasers de primaire industriële laser geworden voor processen zoals laserlassen en snijden, omdat ze een hogere snelheid, efficiëntie en betrouwbaarheid bieden dan kooldioxidelasers.

Deze continue vezellasers met hoog vermogen werken echter over het algemeen op bijna-infrarode (NIR) golflengten van minder dan 1µm. Hoewel dit voor veel toepassingen geschikt is, reflecteren sommige metalen 90% of meer van het nabij-infrarood laserstraling dat op hun oppervlak valt, wat hun effectiviteit beperkt. Gele metalen, zoals koper en goud, zijn bijzonder moeilijk te lassen met nabij-infrarood lasers vanwege hun lage absorptiesnelheden. laservermogen om het lasproces te starten.

Er zijn twee belangrijke laserlasprocessen: lassen met warmtegeleiding, waarbij het materiaal smelt en stolt, en diep laserlassen. penetratielassenwaardoor het metaal verdampt en er een holte of sleutelgat ontstaat.

Diep penetratielassen vereist een sterk geabsorbeerde laserstraal, omdat de laser meerdere keren in wisselwerking staat met metaal en metaaldamp wanneer deze zich door het materiaal voortplant.

Het starten van een sleutelgat met een nabij-infraroodlaser vereist een hoge invallende laserintensiteit, vooral wanneer het te lassen materiaal een hoge reflectiviteit heeft. Zodra het sleutelgat is gevormd, neemt de absorptiesnelheid echter sterk toe.

Nabij-infraroodlasers met hoog vermogen genereren een hoge metaaldampdruk in het smeltbad, wat leidt tot spatten en poriën. Daarom moet het laservermogen of de lassnelheid zorgvuldig worden geregeld om te voorkomen dat overmatig spatten.

Wanneer het smeltbad stolt, kunnen "belletjes" in de metaaldamp en het procesgas worden ingesloten, waardoor poriën in het smeltbad worden gevormd. lasverbinding. Deze poriën verzwakken de lassterkte en verhogen de weerstand van de verbinding, waardoor de kwaliteit van de lasnaad afneemt. gelaste verbinding.

Het verwerken van materialen met een absorptievermogen van minder dan 5% bij 1µm, zoals koper, met nabij-infrarood lasers is een grote uitdaging. Methoden zoals het genereren van plasma op bewerkte materialen kunnen de laserabsorptie van de materialen verhogen. Deze methoden beperken de materiaalbewerking echter tot het diepe penetratieproces en brengen inherente risico's met zich mee, zoals sputteren en het beheersen van de energieafzetting.

Daarom hebben bestaande lasersystemen met een golflengte van 1µm beperkingen bij het verwerken van hoogreflecterende materialen zoals non-ferrometalen en onderwatertoepassingen.

Gerelateerde lectuur: Ferro- vs Non-ferrometalen

Om nabij-infraroodlasertoepassingen te bevorderen, moeten onderzoekers nieuwe laserbronnen onderzoeken. Daarnaast heeft de verschuiving naar elektrische motoren in nieuwe energievoertuigen als middel om broeikasgassen te verminderen, geleid tot een aanzienlijke vraag naar betrouwbare oplossingen voor koperverwerking. Voor elektromotoren, met name voor accu's, zijn grote hoeveelheden kopermaterialen nodig. Deze vraag breidt zich uit naar andere hernieuwbare energiesystemen, waaronder windturbines.

2. De geboorte van hoog vermogen blauwe laser

De ontwikkeling van industriële lasertechnologie heeft de routekaart van productietechnologie en maatschappelijke eisen gevolgd. In de afgelopen 60 jaar heeft lasertechnologie aanzienlijk bijgedragen aan het oplossen van belangrijke toekomstige taken, zoals de digitale economie, duurzame energie en gezond leven.

Vandaag de dag is lasertechnologie een onmisbare component geworden in verschillende kerngebieden van de Chinese economie, waaronder productietechnologie, autotechniek, medische technologie, meting, milieutechnologie en informatie- en communicatietechnologie. Naarmate de metaalverwerkingstechnologie zich verder ontwikkelt en de gebruikerseisen steeds beter worden, moeten lasers innoveren op het gebied van kosten, energie-efficiëntie en lasersysteemprestaties.

De marktvraag naar effectieve verwerking van sterk reflecterende metalen heeft de ontwikkeling van blauwe hoogvermogen lasertechnologie gestimuleerd, wat ongetwijfeld deuren zal openen naar nieuwe metaalverwerkingstechnologieën. Bij non-ferrometalen neemt de absorptie van lichtenergie toe naarmate de golflengte van het licht afneemt. Zo neemt de lichtabsorptie van koper bij golflengtes onder 500 nm met minstens 50% toe in vergelijking met infrarood licht, waardoor kortere golflengtes geschikter zijn voor de verwerking van koper.

Het ontwikkelen van lasers met een korte golflengte en hoog vermogen voor industriële toepassingen is echter een uitdaging vanwege de beperkte opties die beschikbaar zijn. Zelfs de bestaande opties zijn duur en inefficiënt. Er zijn bijvoorbeeld op frequentieverdubbeling gebaseerde vastestoflaserbronnen op de markt die 515 nm en 532 nm (groen spectrum) lasers in dit golflengtebereik kunnen produceren, maar deze bronnen zijn afhankelijk van niet-lineaire optische kristallen om de energie van de pomplaser om te zetten in energie van de doelgolflengte, wat resulteert in hoog vermogensverlies.

Bovendien vereisen dergelijke lasers complexe koelsystemen en ingewikkelde optische instellingen.

Om deze uitdaging aan te gaan, is de aandacht gericht op blauwe halfgeleiderlasers. Blauw licht heeft unieke eigenschappen die het voordelig maken voor metaalbewerking van hoge reflectie materialen zoals koper. Fig. 1 laat zien dat koper blauw licht 13% efficiënter absorbeert dan infrarood licht, zelfs tot 13 keer meer.

Bovendien blijft de absorptie van blauw licht door koper consistent, zelfs als het metaal smelt, waardoor een stabiele energiedichtheid voor het lassen ontstaat. Als gevolg hiervan biedt blauw laserlassen nauwkeurige controle, weinig defecten en produceert het snel koperlassen van hoge kwaliteit.

Blauw licht heeft ook een groot transmissiebereik in zeewater omdat het minder geabsorbeerd wordt, waardoor het geschikt is voor onderzoek naar de verwerking van onderwaterlasermaterialen.

Bovendien is blauw licht relatief eenvoudig om te zetten in wit licht, waardoor blauwe lasers compact kunnen worden gebruikt voor schijnwerpers en andere verlichtingstoepassingen.

Halfgeleiderlasers op basis van galliumnitride kunnen direct een laser produceren met een golflengte van 450 nm, zonder verdere frequentieverdubbeling, waardoor een hoger energieomzettingsrendement wordt bereikt.

Bron: NASA 1969

a) De prestatievoordelen van blauwe laser komen voort uit de fysische basisprincipes

b) Vergelijking van blauwlichtabsorptie en infraroodabsorptie (NIR) van koper

Fig. 1 Fysische eigenschappen van blauw licht

Verwacht wordt dat de 450 nm laser een verwerkingsefficiëntie heeft die bijna 20 keer hoger is dan die van de 1 µm laser. Vergeleken met het traditionele nabij-infrarood laserlasprocesDe krachtige blauwe laser biedt zowel kwantitatieve als kwalitatieve voordelen.

Wat de kwantitatieve voordelen betreft, verbetert de blauwe laser de lassnelheid, vergroot hij het procesbereik, verhoogt hij de productie-efficiëntie en vermindert hij de productiestilstand.

Wat de kwalitatieve voordelen betreft, maakt de blauwe laser een groter procesbereik mogelijk, produceert hij lasnaden van hoge kwaliteit zonder spatten of porositeit, biedt hij een hogere mechanische sterkte en vermindert hij de weerstand. De consistentie van laskwaliteit verbetert de productieopbrengst aanzienlijk (zie Fig. 2).

Bovendien kan de blauwe laser ook thermische geleidingslassen uitvoeren, wat onmogelijk is voor de nabij-infrarode laser (zie Fig. 3).

Fig. 2 Dwarsdoorsnede van diep penetratielassen op 254 µ m dik koperfolie

Fig. 3 Doorsnede van lasmethode met warmtegeleiding in koperplaat met een dikte van 500 µm

3. Ontwikkeling van blauwe laser met hoog vermogen

Lichtemitterende apparaten op basis van galliumnitride (GaN) hebben veel aandacht gekregen, vooral op het gebied van verlichting, dankzij de Nobelprijs voor natuurkunde in 2014 en het toenemende wereldwijde bewustzijn van milieubescherming.

Met de voortdurende verbetering van de hoge helderheid en output van blauwe halfgeleiderapparaten zijn blauwe halfgeleiderlasers het tijdperk van massaproductie binnengetreden. Ze worden vaak gebruikt als lichtbronnen voor projectoren en vervangen, in combinatie met fosforen die groen of rood licht produceren, lampen in projectoren.

De afgelopen jaren hebben blauwe halfgeleiderlasers aan populariteit gewonnen in verlichtings- en beeldschermtoepassingen vanwege hun langere levensduur en kleinere afmetingen in vergelijking met gloeilampen. Voor laserbewerkingEen hoger vermogen dan deze blauwe lasers is noodzakelijk.

Ondanks de voordelen van blauwe lasers, zoals een langere levensduur en kleinere afmetingen, vereist de ontwikkeling van krachtige blauwe lasers voor laserbewerking een hoger uitgangsvermogen dan een enkele blauwe laserhalfgeleiderchip, die slechts een paar watt uitgangsvermogen heeft. Het verhogen van het vermogen naar een hoger bereik is een tijdrovend en duur proces.

Om aan de hoge vermogenseisen voor blauwe lasers te voldoen, zijn nieuwe technische methoden nodig. Momenteel is het werkelijke vermogen van elke chip van een blauwe halfgeleiderlaser ongeveer 5W bij één golflengte. Daarom is bundelcombinatietechnologie essentieel om een hoger vermogen te verkrijgen, dat kan worden bereikt door de output van meerdere chips te combineren.

Straalcombinatiemethoden zijn onderverdeeld in twee soorten: coherente en incoherente methoden. De incoherente methode is praktischer omdat er geen fijne faseregeling tussen de lasers nodig is.

De incoherente methode omvat verschillende technieken voor het combineren van meerdere laserstralen, zoals de ruimtelijke combinatiemethode die meerdere stralen in de ruimte combineert, de polarisatiecombinatiemethode die orthogonaal gepolariseerd licht combineert met behulp van een polarisatiebundelsplitser en de golflengtecombinatiemethode die verschillende golflengten op coaxiale wijze combineert.

Elke techniek heeft zijn eigen voor- en nadelen en kan in combinatie worden gebruikt.

De ruimtelijke combinatiemethode is bijzonder geschikt voor het combineren van meerdere laserchips met dezelfde golflengte om een hoog vermogen te bereiken.

Tot nu toe zijn twee krachtige synthesemethoden het meest succesvol geweest. Hier volgt een korte introductie:

De eerste methode maakt gebruik van laserbundeltechnologie om systematisch een enkele laseremitter te genereren op een wafer van indium gallium nitride (InGaN).

In eerste instantie worden individuele laserchips efficiënt geïntegreerd in een "laserbalk" en elke laserbalk kan minstens 50W blauw licht produceren.

Vervolgens worden meerdere halfgeleiderlaserstaven geïnstalleerd en gecombineerd tot een halfgeleiderlaserstapel door middel van geschikte elektrische verbindingen, koeling en warmteafvoer en het gebruik van speciale optische apparaten.

De volledige halfgeleiderlaser kan gecombineerd worden met één of meerdere halfgeleiderlaserstacks, zoals getoond in Figuur 4.

Op dit moment kan de laserbalktechnologie tot 2kW aan blauw lichtvermogen genereren.

a) Syntheseproces van staafinstrument

b) Balkdiagram

Fig. 4 Bundelsynthese van halfgeleiderlaserstaven Technologie

De tweede methode maakt gebruik van halfgeleiderlasertechnologie met enkele emitter. Deze lasers maken gebruik van een uniek "chipgebaseerd" ontwerp met enkele buis dat bedoeld is om de uitvoer van elke galliumnitride (GAN) laser enkele buis te collimeren.

Als alle afzonderlijke laserbuizen samen worden gecollimeerd met een enkele lens, zoals bij de staaftechniek, zal de gecombineerde bundeldivergentie (BPP) onvermijdelijk toenemen. Door echter elke enkele laserbuis te collimeren met zijn eigen speciale lens, kan de divergentie van de gecombineerde bundel zo ongewijzigd mogelijk worden gehouden en kan de bundel-BPP worden geminimaliseerd, wat de helderheid van de laser verbetert (zie Fig. 5).

Bovendien, als de galliumnitride laser enkele buis blijft verbeteren in enkele buislaser Dit unieke "single tube chip" ontwerp biedt de beste manier om het vermogen van het totale lasersysteem te verbeteren.

Daarnaast biedt de laser single tube technologie de beste straalkwaliteit met een uitgangsvermogen van 1,5KW, wat een garantie is voor laser verwerking op afstand van galvanometer scanning. Dit scansysteem wordt veel gebruikt bij de productie van batterijen, elektrische voertuigen en consumentenelektronica.

Tijdens het scannen kan het uitgangsvermogen van de laser en de verblijftijd worden aangepast om de productiviteit te maximaliseren door verschillende verbindingsgeometrieën en materiaaldiktes op te lossen in een enkel scanpatroon.

Tabel 1 toont de voordelen van blauwe halfgeleiderlaser in vergelijking met nabij-infrarode halfgeleiderlaser en groene vastestoflaser.

Fig. 5 Bundelsynthese van halfgeleiderlasertechnologie met enkele buis

Tabel 1 Vergelijking van blauwe halfgeleiderlaser met nabij-infrarode halfgeleiderlaser en groene vastestoflaser

4. Toepassingsgevallen van blauw licht halfgeleiderlaser materiaalverwerking

1) Figuur 6 toont een scansysteem bestaande uit een blauwe halfgeleiderlaser, gebruikt voor de fabricage van energiebatterijen. Het voordeel van het gebruik van een blauwe laser ligt in het brede procesvenster, waardoor het elke fase van de batterijproductie aankan.

Bovendien kan het dikkere materialen lassen, zoals koper, goud en roestvrij staal, die enkele millimeters dik zijn. Dit maakt het een ideale keuze voor de productie van prismatische batterijen, batterijbehuizingen en batterijpakken met geïntegreerde batterijen.

a) 70 stuks 8 µm folie gelast op 254 µm koperen kabelschoenen

b) Aansluiting van twee koperen kabelschoenen

c) Sluit twee koperen nokjes aan op de stalen batterijbehuizing

Fig. 6 het brede procesvenster van de blauwe laser kan elke fase van de batterijproductie aan

2) Met behulp van een blauwe halfgeleiderlichtbron met een golflengte van 450 nm is het mogelijk om kopermateriaal te smelten in de warmtegeleidingsmodus, waardoor de geometrie van het smeltbad van dunne kopermaterialen nauwkeurig kan worden afgesteld (zie Fig. 7).

Bij het dieptelassen van dunne koperen materialen zijn een stabiele energieabsorptie en een nauwkeurige regeling van de warmtegeleiding bijzonder belangrijk, omdat ze helpen snijden of spatten van de materialen door de hoge druk te voorkomen.

Deze voorvallen zijn waarschijnlijker bij het lassen van gestapelde dunne koperfolie, wat kan resulteren in onregelmatige openingen door de kromming van de gestapelde folie (zie Fig. 8).

Wanneer stomplassen wordt uitgevoerd op 34 gestapelde koperfolies met een 580W blauwlicht halfgeleiderlaser met een snelheid van 2 m/min, kan een lasbreedte van >0,8 mm worden gevormd met minimale porositeit en weinig ondersnijding.

In hoeklassen aan de rand van de foliestapel, kan het uiteinde van de folie met succes worden gesmolten tot een grote dwarsdoorsnede en volledig worden vastgemaakt aan de massieve folie. Bij stuiklassen en randlassen kunnen een perfecte mechanische verbinding en uitstekende geleidbaarheid worden bereikt.

Fig. 7 Gesmolten zwembadgeometrie van kopermateriaal

a) Rand lasstructuur

b) Bij 580W blauw laservermogen en 2m/min lassnelheid

Fig. 8 verbindingsdoorsnede tussen 34 gestapelde koperfolies (elk 11 µ m dik) verbindingslassen

3) Figuur 9 toont de resultaten van het rondlassen van 30 μm dikke koperfolie met een 100W blauwe laser. De lasproces bestond uit het scannen van het bovenoppervlak van drie gestapelde koperfolies met een snelheid van ongeveer 10mm/s met de laser.

De laserspotdiameter op het preparaatoppervlak was 100 μm door de concentratie van de optische vezeloutput met een kerndiameter van 100 μm bij een projectieverhouding van 1:1. Dit resulteerde in een uitstekende laskwaliteit terwijl de impact op de omgeving en het puin minimaal was. Dit resulteerde in een uitstekende laskwaliteit terwijl de impact van warmte op de omgeving en puin geminimaliseerd werd.

a) Bovenaanzicht van lasnaad

b) Lasnaad doorsnede

Fig. 9 resultaten van het rondlassen van zuiver koperen plaat

4) In afbeelding 10 is een voorbeeld te zien van een 3D printer die volledig uit zuiver koper is gemaakt, met behulp van een halfgeleiderlaser met blauw licht, ontwikkeld door de Universiteit van Osaka. De laser heeft een focusspotdiameter van 100 μm, wat het mogelijk maakt om puur koper met een hoge thermische en elektrische geleidbaarheid op het poederbed te lamineren. Dit was voorheen moeilijk te bereiken met nabij-infrarood lasers.

Er wordt verwacht dat deze technologie een brede waaier aan toepassingen zal kennen in industriële domeinen, waaronder lucht- en ruimtevaart en elektrische voertuigen.

a) SLM-machine met 100W blauwe laser

b) 3D-prototypemonster van zuiver koperpoeder

Fig. 10 3D printtoepassing

5) Een grotere penetratie heeft ook het toepassingsgebied van elektrische voertuigen geopend, waarbij fabrikanten van elektrische voertuigen zich wenden tot het ontwerp van stangwikkelingen om de thermische en elektrische efficiëntie te maximaliseren. Zoals te zien is in Figuur 11, is de consistente kwaliteit van de drie haarspeldlassen van de blauwe laser cruciaal voor het verbeteren van de productie-efficiëntie.

Het vermogen van de blauwe laser om haarspeldlassen te produceren is vooral belangrijk voor motorfabricage met hoge dichtheid en hoge intensiteit.

Fig. 11 Toepassing in de productie van elektrische voertuigen

6) Hoog vermogen en hoge helderheid kunnen de flexibiliteit van de lasprocesDe reeks materialen die verwerkt kunnen worden, wordt uitgebreid. Messing bijvoorbeeld, dat bestaat uit koper en zink met aanzienlijk verschillende thermische eigenschappen, kan een uitdaging zijn om met hoge kwaliteit te lassen. Blauwe industriële lasertechnologie kan deze taak echter gemakkelijk aan en maakt het mogelijk om messing materialen te lassen die gewoonlijk worden gebruikt bij de productie van huishoudelijke apparaten, zoals te zien is in Fig. 12.

Voorlopig onderzoek suggereert dat blauwe lasertechnologie effectief de uitdaging van lassen van verschillende metalen. Het lassen van ongelijke metalen is moeilijk omdat elk materiaal unieke thermische, optische en mechanische eigenschappen heeft. Wanneer ongelijke metalen worden gelast, kan dit leiden tot de vorming van intermetallische verbindingen, dit zijn gebieden van verschillende legeringen die de mechanische en elektrische eigenschappen en de consistentie van de verbinding aantasten.

De nieuwste generatie blauwe halfgeleiderlasers heeft een breed scala aan procesparameters, waardoor verschillende materialen met minimale defecten kunnen worden gelast. Hoewel koper en zink in messing verschillende thermische eigenschappen hebben, waardoor high-kwaliteitslassen moeilijk is, kan de blauwe halfgeleiderlasertechnologie deze uitdaging gemakkelijk aan.

Fig. 12 Toepassing in lassen van messing

5. Conclusie

De 2KW blauwe halfgeleiderlaser heeft zijn superioriteit bewezen bij het bewerken van metaal, vooral bij metalen materialen met een hoge reflectie.

De helderheid en het vermogen van blauwe halfgeleiderlasers blijven toenemen, waardoor nieuwe mogelijkheden en toepassingen ontstaan. Het potentieel van blauwe lasers voor additieve productie wordt bijvoorbeeld nog steeds onderzocht (zie afbeelding 10).

Naast efficiënte metaalmateriaal verwerking zullen halfgeleiderlasers met blauw licht naar verwachting worden gebruikt in sectoroverschrijdende toepassingen, vooral in de werktuigbouwkundige afdeling, waardoor de laserbewerking van materialen met blauw licht onder water mogelijk wordt.

Dit voordeel is belangrijk voor de verwerkende industrie. Bovendien kan de verlichtingsindustrie gebruik maken van hoogwaardige verlichtingstechnologie op basis van blauwe halfgeleiderlaser.

De opkomst van het internet der dingen en kunstmatige intelligentie leidt tot nieuwe paradigmaverschuivingen in de industriële sector.

Lasertechnologie integreert op natuurlijke wijze numerieke besturingstechnologie en verwerking op afstand, waardoor gereedschap niet meer hoeft te worden vervangen, en zal een leidende rol spelen in de volgende generatie van intelligente productie.

De opkomst van de krachtige blauwe halfgeleiderlaser heeft ook de lasertechnologie opnieuw verrast. Hoewel verwerkingstoepassingen op basis van krachtige blauwe halfgeleiderlaser nog in de kinderschoenen staan, kan het met toekomstige technologische vooruitgang een van de belangrijkste hulpmiddelen worden voor de volgende generatie van geavanceerde intelligente productie.