01 材料vs.激光波長
從1960年第一臺激光器誕生至今，經(jīng)過60余年的發(fā)展，激光作為一把最鋒利、最精細的刀，逐步應用于我們的生活中。激光與生物學、醫(yī)學治療及診斷、制藥科學相結合，在激光治療、激光手術、激光診斷等方面已逐步滲透到日常生活中。在裝備制造領域，高功率激光設備在航空、航天、汽車、高鐵、船舶等高端裝備制造領域的切割、焊接、測量、打標等環(huán)節(jié)發(fā)揮著越來越重要的作用。在精細微加工方面，超短脈沖激光在光伏、液晶顯示、半導體、LED、OLED 等領域的鉆孔、刻線、劃槽、表面紋理化、表面改性、修整、清洗等環(huán)節(jié)發(fā)揮了不可替代的作用。隨著半導體泵浦技術的快速發(fā)展，1um波長的近紅外激光器，經(jīng)過多年的發(fā)展，已形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈，在工業(yè)加工應用中占據(jù)舉足輕重的地位。尤其是1um近紅外光纖激光器，因其功率覆蓋范圍廣、光束質(zhì)量優(yōu)異，穩(wěn)定可靠等特性，成為目前應用較多的激光器類型。
銅是世界上應用量僅次于鐵、鋁的第三大金屬。銅材料作為現(xiàn)代工業(yè)加工，應用極為廣泛的金屬材料之一。銅產(chǎn)業(yè)鏈終端需求結構涵蓋航空航天、高速列車、智能終端產(chǎn)品、電子通訊、汽車等30多個細分行業(yè)，是高端工業(yè)應用的主要風向標。目前大規(guī)模使用的1微米波段的紅外光纖激光器，因?qū)︺~的吸收較弱，在銅材料的加工上，存在飛濺大，熔深不可控等不足之處。
圖1是常用金屬材料對不同波長激光吸收曲線，可見不同金屬對激光的吸收率在不同波長下有很大差別。圖2單獨針對金屬銅給出了不同波長的吸收率對比曲線。在室溫下，銅對近紅外波長(約1微米)吸收率不到5%，因此用紅外光來加工銅材效率極低，95%的激光會被反射掉同時還會對激光器本身產(chǎn)生損害;而銅對綠光波長(515nm和532nm)吸收率高達40%以上。材料本身對激光波長的選擇性決定了高反材料的精密加工的最理想波長是短波長(≤700nm)
圖1 不同金屬材料的吸收系數(shù)對比 ↑
圖2金屬銅對不同三種波長的激光吸收率的對比
引自《綠光激光加工的新進展》
相對于紫外激光波長較短，目前材料科學的瓶頸限制，未能支持實現(xiàn)穩(wěn)定高功率紫外激光輸出，超過百瓦級的紫外激光器已極為罕見。反而，經(jīng)過各國科學家的努力，商用的綠光激光器近年取得較大的進展。德國通快和美國IPG 分別通過，碟片激光技術和光纖激光技術，獲得超過3千瓦和1千瓦的超高功率綠光輸出。
在目前工業(yè)應用兩個重要難題---銅材料的3D 打印及精密焊接應用上，高功率連續(xù)綠光激光器，發(fā)揮著異常重要的作用。
02 高功率綠光的應用前景和優(yōu)勢
2021年第十四屆中國國際電池技術展覽會上，德國通快首發(fā)了旗下3千瓦高功率連續(xù)綠光碟片激光器。該產(chǎn)品平均輸出功率高達3千瓦，代表了目前綠激光系列中的最強功率，非常適合銅、鋁等高反材料的焊接工作。特別是在以新能源汽車動力電池為代表的鋰電行業(yè)，通快綠光激光器(1000-3000W)可實現(xiàn)多達120層的銅箔焊接，幾乎無飛濺，熔深精確可控。此外高功率綠光在純銅材料3D 打印應用上也有著突出優(yōu)勢。而目前國內(nèi)在高功率綠光激光器上尚屬空白。
2.1 高反金屬焊接
由于銅材料出眾的導電性，鋰電行業(yè)尤其是新能源汽車動力電池中大量使用銅材料。目前主流還是使用大功率的紅外光纖激光器去做銅的焊接。相比于紅外波段，用綠光做銅的焊接效率會更高，而且?guī)缀鯖]有飛濺。而飛濺對電池加工來說是致命的，飛濺物會影響電池的生產(chǎn)安全、性能和壽命。
圖3在小孔形成過程中，銅從固態(tài)轉變?yōu)槿廴跔顟B(tài)時，對紅外激光的吸收變化情況
引自《綠光激光加工的新進展》
圖3給出了銅對1064nm紅外激光的吸收情況。從圖3中可以看出，隨著熔化溫度的從0增長到1400K的過程中，銅對紅外光的吸收緩慢的從5%-漲到10% 左右 ;當銅達到熔點(1400K)之后，銅對紅外波段激光的吸收率會從10%階躍式的升至17% 左右，然后隨著溫度繼續(xù)升高，吸收率會緩慢增長。這種在熔點前后，吸收率的驟變會導致一些熔化的材料以飛濺的形式排出，還會導致小孔塌陷，使整個工藝不得不重新開始。特別是鋰電池的后道工藝焊接，焊接的良品率對電池的成本具有直接的影響。
圖4 ：銅在固態(tài)和熔融狀態(tài)下對不同波段激光的吸收情況
(圖片來源：S. Kohl，德國光子技術研究所)
圖4給出了銅對不同波長(紅外，綠光和藍光)在不同溫度下的吸收曲線。圖中綠色線條代表的就是銅分別在20℃(固態(tài))和1600℃(熔融態(tài))對綠光的吸收率。在室溫20℃，銅處于固態(tài)的時候，對綠光波段的吸收率為40%左右，而在溫度升至1600℃，銅處于熔融狀態(tài)后，吸收率反而下降了5%左右。即銅融化后對綠光的吸收是略有下降。這一特性有助于在加工銅時獲得穩(wěn)定的小孔，并能達到幾乎是零飛濺。這是綠光激光相對于紅外激光焊接的明顯優(yōu)勢。
2.2 純銅材料3D 打印
銅材料由于其優(yōu)異的熱導率、電導率等優(yōu)良特性，廣泛應用高端制造。例如航空航天、高速列車、汽車工業(yè)等領域，在純銅材料3D 打印技術上，存在直接應用需求。
圖5純銅材料3D打印樣品
引自《綠光激光加工的新進展》
金屬材料3D打印的激光光源，目前主要使用1um 近紅外單模光纖激光器。1um 近紅外單模光纖激光器由于銅材料的吸收系數(shù)上，存在吸收系數(shù)較低，并且隨溫度影響較大的缺點，導致打印樣品致密度較低，而且過程穩(wěn)健性差。綠色激光，作為高反金屬材料3D打印的最佳光源，進行純銅材料3D 打印，可以良好的解決相關問題，實現(xiàn)大于99.95%的致密度。
圖6. 純銅材料3D打印光源效果對比 (引自3D Science Valley)
03 公大激光的高功率連續(xù)單模綠光
深圳公大激光有限公司主要從事“先進短波長光纖激光器"和“激光精密加工解決方案”的研發(fā)、生產(chǎn)和銷售，是一家專注于中高功率短波長(綠光和紫外)光纖激光器的研發(fā)、生產(chǎn)和應用方案的激光器公司。目前主要產(chǎn)品有50-500W高功率單模綠光激光器和100-1000W MOPA單模脈沖光纖激光器。
公大激光一直專注于高功率短波長光纖激光器的研發(fā)，并率先在國內(nèi)推出了可用于高反金屬3D 打印及精密焊接的500W 單模綠光激光器：GCL-500 。GCL-500綠光激光器采用全光纖基頻加腔外倍頻的方案，獲得了最高超過500W的單模連續(xù)綠光輸出，填補了該類型產(chǎn)品在國內(nèi)的空白。
圖7. 500W 連續(xù)綠光輸出功率測試
測量的主要激光特性見下：
(1)GCL-500基本參數(shù)
表1 GCL-500 基本參數(shù)
(2)功率-基頻曲線
圖8 500W 連續(xù)綠光-倍頻功率和效率曲線
(3)功率穩(wěn)定性
圖9 24小時功率穩(wěn)定性測試曲線
(4)輸出光束質(zhì)量
圖10 530W功率輸出，GCL-500光束質(zhì)量M2測試結果
(5)輸出光斑能量分布
圖11 530W功率輸出，GCL-500輸出光斑測試結果-距離輸出端口2m位置
04 致力于短波長高功率激光器的
先進應用
GCL-500連續(xù)單模綠光激光器的輸出功率穩(wěn)定性良好，光束質(zhì)量優(yōu)異，對高反材料尤其是銅的高吸收率，使其有望應用于純銅材料的3D打印。通過進一步增加空間調(diào)制器，還可以獲得高速調(diào)制頻率的脈沖綠光，這使得它在高反材料的精密切割和焊接上也具有廣泛的應用前景。
GCL-500連續(xù)單模綠光激光器，采用自由空間輸出，有利于保證優(yōu)異的光束質(zhì)量。該激光器也可以提供耦合至光纖的柔性傳輸方式，更方便地匹配自動化控制，應用于高反材料焊接工藝。激光焊接工藝經(jīng)過長時間的摸索表明，采用不同能量分布的輸出光斑(光束整形)，可獲得更優(yōu)的焊接效果。另外，基于公大激光的GCL-500單模塊單模綠光激光器，也可以進行多模塊空間或者光纖合束。一方面，可獲得靈活光束能量分布的綠光輸出;另一方面，可以獲得數(shù)千瓦級乃至上萬瓦的連續(xù)光纖綠光輸出，為高質(zhì)量、高效率、高良率的激光焊接提供核心的高功率短波長光源。
連續(xù)高功率綠光激光器，可在銅材料的加工應用上，提供一種有效的解決方案，有望在純銅3D打印及高反金屬精密焊接上大放異彩。
此文來自于：科維網(wǎng)激光