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激光加工市场变革丨直接半导体激光器在材料加工领域应用

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【摘要】:
半导体激光器图1半导体激光器应用示意图     半导体激光器是以半导体材料为基础的电能光能转换器件(系统),能够发射出单色性好,方向性强的高亮度激光光束。因其电光转换效率高、波长选择范围广、体积小、寿命长等优势受到青睐,可以作为高效率的全固体激光器和光纤激光器的泵浦源,也可以作为直接高能光源应用在材料加工等方面。   直接半导体激光器和光纤激光器图2光纤激光器基本结构示意图     光纤激光器离不

半导体激光器

图1 半导体激光器应用示意图

 

       半导体激光器是以半导体材料为基础的电能光能转换器件(系统),能够发射出单色性好,方向性强的高亮度激光光束。因其电光转换效率高、波长选择范围广、体积小、寿命长等优势受到青睐,可以作为高效率的全固体激光器和光纤激光器的泵浦源,也可以作为直接高能光源应用在材料加工等方面。

 

 

 

直接半导体激光器和光纤激光器

图2 光纤激光器基本结构示意图

 

       光纤激光器离不开半导体激光器,光纤激光器采用掺杂光纤作为发射激光的增益介质,不能够直接实现电光转换,需要用半导体激光器作为泵浦源来泵浦增益介质,实现光光转换(光光转换效率约为42%),但在这个过程中会造成一定的能量损失并增加部分器件成本。

 

 

图3 直接半导体激光器原理

 

       直接半导体激光器是指可以直接作为高能光源应用在材料加工等方面的半导体激光器,其采用半导体材料作为发射激光的增益介质,粒子在导带和价带之间跃迁产生光子,使用电激励,是直接的电光转换(电光转换效率55%),由于是直接的激光输出,不需要转换器件,减少了能量损失,相较于光纤激光器效率高、体积小、成本低

 

 

直接半导体激光器工业应用

图4 大功率半导体激光器工业应用(来源:laser focus world)

 

       直接半导体激光系统可广泛应用于塑料焊接、锡焊、金属热传导焊接、清洗、切割、淬火、熔覆等领域,在“中国制造2025”中应用广泛,市场巨大。

 

 

低功率直接半导体激光器(<200W)主要应用于锡焊和塑料焊接。

图5 锡焊

       在锡焊中,激光焊接具有无空间限制、无焊头、非接触式、无静电、耗材少、焊接速度快等优势。随着半导体激光器价格的进一步降低、人工成本的不断提高及智能制造、精密制造的推进,预计激光锡焊未来将逐步替换传统的烙铁焊接,得到广泛的应用。

 

 

中功率直接半导体激光器(200W-1000W)主要应用于传导焊。

图6 传导焊

 

       直接半导体激光器传导焊是通过光学系统将激光束聚焦在很小的区域内,在极短的时间内使焊接区域形成一个能量高度集中的热源区,从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。

 

       直接半导体激光器具有波长的优势,原则上可以焊接所有的金属材料,如碳钢,不锈钢、铝合金、镍合金等。在拼接焊缝隙较大时,相对于光纤激光器,直接半导体激光器的聚焦光斑较大,可以有效弥补工件的精度,焊缝背面宽度也较大,可弥补离焦精度误差,保证激光完全熔透材料。具有焊接熔池稳定、焊缝平滑、速度快、一致性好等特点。

 

 

高功率直接半导体激光器(>1000W)主要应用于熔覆。

图7 激光熔覆

 

       高功率直接半导体激光器可对耐磨性及耐腐蚀性要求较高的金属零件进行表面热处理或局部熔覆,具有电光效率高、材料吸收率高、使用维护费用低、光斑形状为矩形、光强分布均匀等特点。广泛应用于电力、石化、冶金、钢铁、机械等工业领域,是熔覆应用的理想选择。

 

 

长光华芯成立激光系统事业部

 

 

       长光华芯早在2013年就已启动了直接半导体激光系统项目,是国内最早进入直接半导体激光系统领域的公司之一。相关系统产品曾先后参加国家重点专项、入选OFWEEK技术创新奖等,产品已在汽车焊接、金属切割、3D打印等领域投入使用。

 

图8 4000W@600μm焊接系统及其应用示例

 

       2013年我司与中科院沈阳自动化研究所联合申请和承担国家“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项“汽车用板件激光拼焊生产线”项目,长光华芯独立承担“国产4KW光纤耦合激光器研制与应用技术研究”子课题,项目研制的4000W@600μm的光纤耦合高功率半导体激光器系统,经1年使用考核,已经通过国家验收并已经用于车身焊接,这是国家对长光华芯在直接半导体激光系统方面创新成果的高度认可。

 

图9 500W@100μm切割激光器

 

       长光华芯500W@100μm高亮度直接半导体激光器,创造了国内直接半导体激光器高亮度的纪录,可以直接用于金属切割。并荣获2015年" OFweek 技术创新奖"--激光仪器及设备单项奖。

 

图10 3X700W@200μm高亮度3D打印系统

 

       长光华芯3X700W@200μm高亮度系统,可直接应用于3D打印系统,在国际上仅有几家掌握该项技术,在国内,该产品的研制处于国内领先。

图11 2012-2017年全球工业激光器市场规模及增速(单位:亿美元)(数据来源:OFweek行业研究中心)

图12 2017年全球工业激光器市场结构

(数据来源:OFweek行业研究中心)

 

       全球工业激光器市场规模从2012年的23.4亿美金至2017年的46.8亿美金,涨幅达到了100%。2017年全球工业激光器市场结构图中(见图12),半导体激光器占比19.5%,仅次于光纤激光器,采用半导体激光器进行工业材料加工已成趋势。

 

       长光华芯已建成从芯片设计、MOCVD(外延)、光刻、解理/镀膜、封装测试、光纤耦合等完整的工艺平台和量产线,具备高功率半导体激光器垂直全工艺能力与平台。

        

        多年来,长光华芯在直接半导体激光系统方面通过承担国家项目和多家工业客户验证,已经打造了直接半导体激光系统品牌,为进一步发挥公司在高功率半导体激光芯片及光纤耦合模块方面的核心技术优势,向下延展产业链优势,今年公司专项成立了激光系统事业部,致力于高功率、高亮度直接半导体激光系统产品开发和推广,为工业激光材料加工领域提供具有技术优势、高性价比的产品解决方案,推进国内直接半导体激光器工业应用进程。

 

 

走近华芯

苏州长光华芯光电技术有限公司主要致力于高功率半导体激光器芯片、高速光通信半导体激光芯片、高效率半导体激光雷达芯片及相关光电器件和应用系统的研发生产和销售。

公司拥有一批高层次的人才团队,并多次获得国家部委、省市区重大创新团队和领军人才殊荣,承担国家“863”、“973”,“国家重点研发计划”等多项国家级项目。

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