高亮度藍光半導體激光器的可靠性分析

　　?摘要

近年來，藍光半導體激光器發展迅速。對于銅、金和高強度鋁等高反射率材料，藍光激光的吸收率比紅外激光高5-10倍，能夠實現高質量和一致性的焊接效果，熔池穩定無飛濺。隨著藍色半導體激光技術的發展，行業對更高亮度和可靠性的需求日益增長。
基于實際應用背景，我們設計并實現了一款穩定的高亮度藍光激光器研發。通過BPP理論和ZEMAX仿真計算，利用偏振和光纖耦合技術實現48個5.5W藍光激光芯片到105μm芯徑、0.22NA光纖的高效率耦合。輸出功率超過250W，耦合效率超過90%，電光效率超過35%。此高亮度藍光激光器已通過多項可靠性測試，包括7000小時的加速老化測試、85℃高溫存儲、-40℃低溫存儲、-20℃~70℃溫度循環測試、振動和機械沖擊測試，在醫療、3D打印和焊接等領域擁有重要的應用前景。
關鍵詞: 藍光激光，高亮度，高可靠性，光纖耦合
1.引言
隨著輕量化發展趨勢的出現，新能源汽車、3C電子和航空航天等應用對材料加工提出了新的需求。傳統的鐵基材料在機械、電氣、熱和化學性能方面面臨更大的挑戰。銅、鋁、鈦、金等有色金屬及其復合材料的應用越來越廣泛。新材料和應用對激光加工提出了新的需求和挑戰。
銅具有優異的電導率、熱導率和成本優勢，廣泛用于電子產品和動力電池的制造。精確可靠的銅加工解決方案面臨著更高的要求。由于銅對藍光激光的吸收率遠高于紅外激光，它可以有效解決紅外激光焊接過程中出現的濺射、氣孔和內部缺陷等問題，實現精密高質量的加工。近年來，關于藍光激光的研究越來越多[1]，對藍光芯片失效機制的研究也在不斷深入[2,3]。隨著高功率藍色半導體激光技術的突破，藍光被視為下一代先進智能制造的核心工具之一。
高功率藍光激光的發展推動了基于銅的3D打印技術的發展。使用藍光作為加工光源可以大大減少加工過程中的激光反射，提高能量利用率，同時伴隨更快的加工速度和更高的加工質量。本文重點介紹了滿足這些要求的穩定高亮度的解決方案。
2.光學和機械設計
為了獲得相對理想的耦合效率，光學參數需要滿足以下關系[4]：
 
din是入射光束的光斑直徑，θin是入射光束的遠場發散角的全角度，dcore是光纖纖芯的直徑，θmax是光纖的最大入射角的全角度，NA是光纖的數值孔徑，BPPlaser是激光束的BPP（光束參數乘積），BPPf是激光芯片快軸方向的BPP，BPPS是激光芯片慢軸方向的BPP，BPPF是光纖的BPP，m,n是快軸和慢軸上疊加的芯片數量。
結合BPP（光束參數乘積）理論，設計沿快軸方向堆疊12個藍光芯片，并沿慢軸方向堆疊兩列，結合偏振合束，實現48個藍光激光芯片耦合到105μm芯徑光纖。
設計使用非球面透鏡對藍光芯片的輸出光束進行預準直，由于半導體芯片的發射特性，快軸和慢軸方向之間存在顯著的BPP差異，經過非球面透鏡的準直后，快軸方向的光斑尺寸過大，同時慢軸方向存在較大的殘余發散角，因此，選擇使用基于伽利略望遠鏡結構的柱透鏡組進行二次光束整形。
快軸方向的光束能量分布接近于高斯分布，邊緣能量較少。為了充分利用光纖的BPP，我們使用柱透鏡組將慢軸方向的光束擴展5倍，并將快軸方向的光束減小6.75倍，最后使用非球面聚焦透鏡將快軸和慢軸方向的光束同時耦合到光纖中。光學設計仿真結果如圖1所示。

圖1. 光學設計示意圖
空間光束排列如圖2(a)所示，光纖入射端面的仿真聚焦光斑尺寸約為56μm * 62μm，如圖2(b)所示。

                         圖2. (a) 空間光束排列                                                 (b)光纖入射端面的聚焦光斑
我們設計了一個復合材料組合的水冷散熱方案，如圖3所示。整體尺寸為217mm * 159mm * 103.6mm。設計了銅水冷通道模塊結構以確保良好的散熱性能，并采用輕量級鋁合金框架設計以確保機械強度。通過設計仿真，已確認了不同材料組合的最佳結合方案及工藝。

圖3. 機械設計
3.結果和可靠性測試
在水溫20℃的條件下，通過105μm芯徑、0.22NA光纖獲得了250W的藍光激光纖外輸出功率，PIV數據如圖4所示。中心波長為451.3nm。耦合效率超過90%，且0.17NA/0.22NA功率占比超過90%，適用于高亮度應用。這款高亮度藍光激光器通過了各種可靠性測試，包括85℃高溫存儲、-40℃低溫存儲、-20℃~70℃溫度循環測試、振動和機械沖擊測試，以及7000小時加速老化測試。測試結果如圖5所示。

圖 4. 功率和電壓測試數據

                    圖 5. (a) 低溫存儲                                                                        (b)高溫存儲

    圖 5.                      (c) 振動和機械沖擊                                                        (d) 溫度循環

圖 5. (e) 加速老化測試
基于105μm高亮度藍光激光器模塊，通過光纖合束器進行模塊合束，我們實現了600μm纖芯直徑0.22NA光纖2kW的藍光激光輸出，如圖6所示。    

圖 6. (a) 2kW測試數據                  (b) 2kW藍光激光器布局
4.結論
隨著藍光激光技術的快速發展，藍光在越來越多的應用中展示出卓越的優勢。我們實現了一種高功率和高亮度的藍光激光設計，通過105μm芯徑、0.22NA光纖，實現了250W的藍光輸出。耦合效率超過90%，且0.17NA/0.22NA功率占比超過90%，適用于高亮度應用。7000多小時的老化測試結果顯示出穩定且高可靠性的藍光激光輸出，這一設計具備大規模生產能力，是3D銅粉打印、醫療應用和銅焊接的理想光源選擇。


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凱普林激光前沿高亮度藍光半導體激光器