文/Jean-Michel Pelaprat，Mark Zediker，Mathew Finuf；Nuburu公司

自从2017年第一台高功率半导体蓝光激光器问世以来，工业观察者很快就意识到了其在实现快速高品质铜焊接方面，所展示出的无与伦比的性能。随着技术的不断革新，蓝光激光器的功率和亮度也不断提高，它们很快也在不锈钢、铝、金甚至是黄铜的加工上，显示出了相似的特性。目前，蓝光激光器已经在可靠性和稳定性方面趋于成熟，现在各个行业的客户都在扩大蓝光激光器的应用范围。

与此同时，蓝光激光器技术本身仍在不断发展。例如，多模蓝光激光器的功率和亮度，已经发展到能够与标准的工业扫描振镜相集成。越来越复杂的技术，反过来也在促使应用不断扩展，并且拓展了材料加工能力，并能将金属3D打印的性能提升一个数量级。

工业级蓝光半导体激光器的诞生

Nuburu公司通过光谱合成、空间耦合、偏振合成来组合每一个独立输出的氮化镓（GaN）半导体激光器单管芯片，以获得超高的功率输出。虽然，工业级蓝光激光器直到几年前才得以问世，但是得益于早期砷化镓（GaAs）芯片的技术积累，氮化镓（GaN）芯片的技术也已经特别成熟。例如，GaAs半导体激光器通常可以达到70%的高效率，而GaN半导体激光器也可通过相同的方法，来快速达到近似的效率。蓝光激光器的性能不仅仅取决于其结构设计，也同样遵循物理学的基础规律。

相比于长波长激光，紫铜、铝、金、不锈钢、镍等许多重要的工业金属，都对蓝光有着更高的吸收率，这也大大促进了材料加工应用的发展。蓝光在吸收率方面的优势，也使得材料加工速度和加工质量得以提高。例如，在焊接紫铜方面，蓝光就有着10倍于常规红外激光的焊接速度，同时，蓝光焊接紫铜还能实现无缺陷焊接，而这是红外激光无法实现的。

 蓝光激光器还有另一项物理学基础优势。在任一后端光学系统中，最小光斑尺寸是波长的函数——波长越小，可实现的最终聚焦光斑越小。蓝光在某些光路中提供了更小的光斑，这也可以保证长焦距光学系统中的光斑可用，因此，工艺工程师们可利用其最小光斑特性，充分发挥工艺上的灵活性。

蓝光激光器在物理学上的优势、优良的结构设计、可靠性和稳定性等多种优势组合，为其在工业新应用中的发展提供了肥沃土壤。

蓝光激光器的优势

蓝光激光器在锂电池制造中发挥着重要作用，在锂电池制造中，通常需要焊接铜、铝和钢等金属材料，并且这些被焊接的金属材料的厚度，从10µm到1.5mm不等。这种宽范围的材料连接要求，通常需要例如超声波焊接、电阻焊、红外激光焊甚至传统弧焊等多种工艺相匹配。没有一种工艺方法可以同时满足所有焊接要求，而制造商也需要添置繁多的硬件设备，并为之配备单独的维护和培训资源。

由于高反金属对蓝光有着出色的吸收率，因此使用蓝光焊接能提供极宽的加工窗口，这允许工艺工程师可通过选择光斑大小、光斑功率以及焊接速度，来满足不同材料、不同厚度的材料焊接要求。如图1所示，同一套激光系统可完成电池制造中的不同焊接阶段，这样就能通过同时减少硬件设备、培训成本、提高生产效率及焊接效果，来精简生产线的复杂度。

图1：在锂电池的制造过程中，需要诸多不同材料的焊接要求：（a）厚度808µm的铜箔与厚度200µm的极耳之间的焊接；（b）厚度1.2mm的不锈钢焊接。

蓝光激光器也为工业用户提供了物流仓储方面的优势（见图2），因为蓝光激光器的外观尺寸比很多激光器都小，并且它的整机系统效率比绿光激光器高35%，从而可以使产线规划大约优化了一个数量级。而其长达20,000小时的设计寿命和每1千小时＜0.5%的功率衰减，也足以证明其可靠性。

图2：结构紧凑且牢固可靠的400W工业级蓝光激光器模组。

下一个发展阶段

近期，Nuburu公司新推出了一款里程碑式的产品——AI-1500蓝光激光器，它能在1500W的功率下实现11mm-mrad的光斑质量（BPP），达到了可用于标准工业振镜系统集成的亮度阈值。这些使用f-theta透镜将角度转换成位置变化的振镜系统，可以同时最大程度地保证工件表面的聚焦光斑均匀性。即使这类系统不可避免地扩束光斑，降低功率密度，但由于其初始亮度足够，振镜扩束后依然能保持焊接所要的功率密度，并且低于2.3MW/cm²的无缺陷焊接最大功率阈值。

这款蓝光激光器的先进性能，已经开辟出了一些新的应用市场。比如，随着半导体器件的密度持续提升，很多特征都在20nm的尺寸级别。这样的电路密度，将会产生热量的堆积，而这些热量必须要释放出去——尤其是像5G智能手机这类紧凑型器件中。

蒸发腔冷却是一种电路转移热量的有效途径。蒸发腔内含有少量液体，可以在散热器上完成加热蒸发及压缩冷却。

蒸发腔由铜或钢的中空毛细结构薄片，沿着其锋利边角焊接后制成。因为相变需要吸收能量，因此可以实现高达700W/cm²甚至更高的散热通量。内腔保持真空，以达到相变所需要的物理条件。而真空是保持高散热通量和热导率的必要条件。然而对于厚度为50~300µm的薄片的无缺陷和真空密封连接，无疑是一项巨大的挑战。同时，超薄的机械尺寸需要集成到紧凑的电子设备中，因此连接过程还必须保证批量可重复性。

如图3所示，蓝光激光器能实现无缺陷焊接，在500W功率下，焊接速度能够达到10~20m/min甚至更高。也可以使用振镜系统，来满足包括5G智能手机等大批消费类电子产品在内的高速自动化生产要求。

图3：蒸发腔为高密度5G智能手机提供高通量蒸发冷却。

（a）标准蒸发腔结构示意图；50µm+200µm蒸发腔铜片蓝光叠焊显微金相；

（b）该应用所需要的高质量稳定焊缝直观图。

蓝光激光器同样使得可再生能源行业快速发展。比如氢燃料电池行业逐渐崛起，这种燃料电池由400个独立的电芯组成，每一个都被薄膜电极组（MEA）包覆。输入端和输出端使用隔膜将氢、氧原子分隔两端，并在氢、氧混合时释放能量。

当前，单个电芯通过四周垫片压缩密封，但垫片可能会泄露。最理想的方法是焊接每个电芯四周，以保证机械性能和严格的气密性。

激光焊是一种快速且柔性的加工方式，但是红外激光焊接产生的非规则焊缝无法满足高品质要求，会出现常说的“焊缝隆起”。当电芯被堆叠时，35µm程度的不规则隆起，会导致输入输出端错位。相比于红外激光焊接，蓝光激光焊接能将隆起效应降低7倍，这对于保持关键端口的焊接对齐至关重要（见图4）。

图4：（a）独立电芯堆叠而成的燃料电池示意图；（b）氢燃料电池所需的两片特制钢板焊后金相；如图所示的无缺陷焊接效果，可以优化燃料电池性能，降本增效。

 同样的优势也被运用于3D打印之中。打印材料相互作用和蓝光的热传导优势都提升了最终性能。高材料吸收率可以直接提升打印密度；更小的聚焦光斑可以用来制造更精细的零件；相比于红外激光器，蓝光激光器延伸焦距后，还可以扩大10倍的打印范围。

不断的技术革新和产品巩固，正在为蓝光激光器开辟一些新的应用领域，例如用于自由空间光通信，蓝光可以缩小3倍的通光孔径。蓝光还可以提供相比绿光8倍以上的水透过率。对于潜艇激光通信，目前都是按照绿光设计。使用蓝光或两者组合，可以显著提高穿透深度，从而提供更大的通信带宽。提高水下穿透率也同样提高了激光雷达的性能。

总之，蓝光激光器是激光技术基础的一大进步。回顾历史，二氧化碳（CO₂）激光器在各种工业应用中证明了激光的价值。随后Nd：YAG激光器利用其较低的运行成本和可靠性，在很多领域取代了CO₂激光器，并诞生了一系列新应用。再到后来的光纤激光器，一些应用中的Nd:YAG激光器又被取代了，同样也带来了一些新应用。如今，蓝光激光器正在重现这种模式，它将取代某些老旧的技术，并开辟出一片新的应用天地。蓝光激光器的性能还将继续发展，并且这一趋势极有可能在未来几年中进一步加速。