蓝光半导体激光器合束技术研究及相关应用

波长范围为400nm-500nm（450nm使用较多）的蓝光半导体激光器，具有稳定性高、电光效率高等优点，被广泛用于激光加工（如铜、金）、医疗、水下探测、照明、显示、激光泵浦等场景。本文重点介绍450nm大功率蓝光半导体激光光束整形与合束技术，包括光束准直、光束整形、空间合束、偏振合束和光纤耦合技术等技术研究，以推动大功率蓝光激光器在电动车电极、电子元器件、航空航天领域中的铜基等高红外激光反射材料的增材制造和焊接加工应用。

蓝光半导体激光核心技术

l 核心技术之一：蓝光芯片单管

l 核心技术之二：蓝光合束

l 核心技术之三：蓝光衍变技术

l 核心技术之四：蓝光复合及应用

蓝光半导体激光单管特性

1、单管结构

目前，蓝光半导体激光单管主要采用的是TO封装结构。以蓝光单管NUBM08为例，其单管输出功率为4.35W，波长为455nm。实测不带准直镜快轴发散角为40°，慢轴发散角为10°。带准直镜快轴发散角为-0.1°，慢轴发散角为0.5°。根据快轴准直和慢轴准直后的BPP（光束参数积）来布置叠加快轴方向激光管的数量，以达到最佳的光纤耦合输出。

图2.TO封装结构蓝光单管

2、光栅外腔可调谐激光器

半导体激光器的结构主要有两种,一种是Littrow，另一种为Littman结构。半导体激光器发射光经透镜准直入射到光栅上，经光栅选模，一级衍射光沿入射光路返回，作为反馈光注入 LD 有源区，使选出来的模式在激光器内腔中的增益得到放大从而在模式竞争中获得优势。衍射光栅提供光反馈，并作为调谐元件，实现线宽压窄和调谐。

图3. Littrow型光栅外腔结构示意图
 

使用非球面透镜准直半导体激光器的出射光,经过透镜准直后的光束入射到光栅上,经过光栅衍射后,激光便分为零级衍射光和一级衍射光｡根据反射光栅的光栅方程: 对于Littrow结构,光束的一级衍射角与入射角相同,故有: 2dsinθLittrow=λ。实验中测量得到蓝光单管的中心波长在450nm，光栅刻线为3600凹槽/ mm。根据计算得到Littrow角为55°，与实验数据一致。

图4.光栅外腔激光器的Littman结构
 

Littman结构增加反射镜作为调谐器件，光栅固定不动，克服了在Littrow结构中输出光束方向依赖于调谐波长的问题，并且光束经过两次光栅衍射，提高了边模抑制比，且输出线宽更窄。然而，Littman结构的劣势在于功率损耗较大导致输出功率较低，且结构较Littrow型更复杂。

蓝光合束

1、蓝光光束空间压缩

由于蓝光采用TO结构，其致密性在排列上比较麻烦，很难实现巴条结构的紧密性，因此需要使用空间压缩方法。转折压缩有两种方式，一是反射式，阶梯排列式的反射镜组对光束进行压缩；二是折射式。光束以非垂直的角度入射平板介质时产生位移来对光束进行压缩。

空间合束即通过紧密排列的方式组合光束，压缩光束间隙，保证光束质量的同时，提高功率。基本方式可分为反射和折射两大类。反射式主要采用平面反射镜组对光束进行压缩加密，折射式最具代表性的即平行平板，光束以一定的角度入射到平行平板，出射光会产生侧向位移。

在成功实现了单排光源耦合进光纤后，在慢轴方向上，对光源数量进行扩展，以获得更高的功率。在单排7*1光源的基础上，每排光源数量增加至8个，采用直角棱镜空间合束方法，在三个方向上叠加6排，共计48支单管以获得200W的输出功率。以此思路建立ZEMAX仿真光路。

图5. 48支单管耦合400μm NA0.22光纤仿真光路

2、蓝光偏振、光纤合束

通过将TE模式偏振光和 TM模式偏振光经过偏振耦合器进行合束，目前常用的偏振耦合元件主要包括双折射晶体棱镜和薄膜偏振棱镜。以偏振分束立方体PBS251/M为例，这些分束立方体通过电介质分束膜来反射s偏振分量，但允许p分量通过。p偏振光束的透过率为98.15%，s偏振光束透过率为0.04%。

图6. 偏振合束原理图（a); 偏振合束棱镜实物图（b）

通常，针对偏振合束器件的选择来看，反射型偏振器要求两束半导体激光垂直入射到器件表面，对光路的调整更加简单方便；二向色偏振器对光的吸收率大，不适用于作合束器件；反射型偏振器对光的吸收率小，但对入射光的方向性要求高，耦合时容易造成能量损耗。

光纤熔融拉锥技术，即将多根小芯径光纤与一根大芯径光纤进行熔融对接，从而得到光纤合束器。光纤合束器的传输效率取决于熔接采用的光纤芯径，这种方式输出在光束质量方面要优于光纤捆绑，一般采用空间合束的方式将多个单管耦合进光纤合束器输入光纤以获得更高功率的输出。

采用多组模块进行功率扩展，核心器件为光纤合束器。拟采用尾纤纤芯200μm /NA0.22合输出纤芯400μm /NA0.22的7*1光纤合束器进行功率扩展，尾纤输入功率50W，实现350W的输出功率。

图7.采用尾纤纤芯200μm /NA0.22合输出纤芯400μm /NA0.22的7*1光纤合束器进行功率扩展

3、蓝光光谱合束

通过采用一种多层压缩光谱合束技术，能够提高光束密度光谱合束，同时致力于解决现有技术无法以较小的体积在保证光束质量的前提下提高蓝光激光的输出功率的技术问题。

这种多层蓝光半导体激光光谱合束装置包括以下元件：沿光路方向依次放置的光束压缩元件、慢轴准直镜组、光束偏转元件、衍射光栅、反射镜和输出耦合镜；光束压缩元件、慢轴准直镜组和光束偏转元件等。

基于双光栅的外腔Littrow结构，需要研究外腔条件下，每个发光单元的效率、谱宽、横模特性、时间动态特性变化，重点在于快慢轴准直系统设计、消除相邻发射极间光束串扰、减少每个发光单元的谱宽。同时，利用第二光栅来补偿由于光束准直之后残余发散角透过光栅后引起的光束质量退化。在5nm增益谱范围内，实现10管合束。

图8. 双结构光栅外腔光谱合束

在无串扰的情况下，反馈光原路返回原发射极，各光束衍射方向一致。然而，由于透镜像差、装调误差、光栅二次衍射等原因，反馈光会返回到其他发射极，形成串扰。串扰会产生不少危害，主要包括恶化合束激光的光束质量以及降低合束效率。

随着串扰比增大，近场光斑尺寸变大，峰值光强减小；远场主光斑的光强减弱，串扰光斑的光强增强，但各级串扰光斑所在的位置不变；各级串扰光斑之间间隔相同。究其原因，串扰比只决定串扰光束的光强，并不影响串扰光束的传输方向；而相邻两串扰光束之间的波长间隔相同，使得衍射角差值相同，所以远场光斑间隔相同。

消除串扰前，由于串扰，谱线上会出现新的波峰，部分波谷的强度变高。消除串扰后，波峰的数量与发射极的数量一致，波谷的强度基本一致。由于光谱合束系统本身不对称，透镜像差以及装调误差等原因，波峰的强度不完全一致。

加入空间滤波器，由于滤掉了串扰光束，输出激光的总功率降低。非串扰光束功率占总功率的比值增加，输出激光的主光斑功率上升。

图9. 串扰实验装置图

蓝光半导体激光应用

1、动力电池激光焊接

预计到2025年，全球新能源汽车销量将超1500万辆；到2030年全球新能源汽车销量将达3000万辆左右。全球新能源动力电池装机量需求到2025年预计达到1000GWh，到2030年预计达到2400GWh。另据相关数据统计，激光技术在动力电池制程中发挥核心作用，如果以激光设备占整线价值量投资比例为30%计算，2025 年激光锂电设备的需求规模约为430亿元，市场空间巨大。

汽车动力电池主要包括方形电池、圆柱电池以及软包电池这三种形式。可焊接部位包括盖板防爆阀焊接、极耳与极柱焊接、壳体焊接、注液孔焊接，模组连续片焊接等。

极耳/汇流排的焊接难点主要为：材料薄、多片叠加焊接容易虚焊、导致强度不够、导电性不好，建议采用摆动焊接。圆柱电池部件，电池盖帽的焊接难点包括：材料薄、易烧穿、温度达不到，建议采用振镜高速(300mm/s以上)焊接。模组焊接难点：熔深要求较大、焊缝成型较差，可使用较高功率进行高速( 80mm/s以上)焊接。方形电池部件焊接难点：气孔多、容易出现爆点、导致密封性不够，焊接速度可适当提高。

图10. 蓝光激光在各电池部件上的焊接应用

2、蓝光3D打印

围绕着铜材料的3D打印技术近年来备受关注。现有的红外激光器对于纯铜的3D打印存在极大的困难，一般采用CuCr1Zr 等铜合金来代替纯铜，而采用蓝光激光器可以实现用纯铜粉高效打印物体。同时，蓝光半导体激光器大幅降低了光反射，能量利用率提高的同时也提高了加工速度。

通过增加蓝色半导体激光的亮度，大阪大学根据新能源和工业技术发展组织(NEDO)项目，开发出纯铜层压造型的SLM型3D打印机。此种3D打印机为了熔化纯铜粉末，需要开发出输出功率为100W的高亮度蓝色半导体激光器以获得所需的功率密度。波长为450nm的蓝色半导体激光，通过直径为100μm的光纤输出，容易形成100μm的聚光。且输出功率达100W时，直径100μm的聚光点处的激光功率密度为1.3×10⁶W／cm²，从而达到了纯铜粉末熔化所需的功率密度。

图11.蓝光 3D 打印样件

3、蓝光激光手术设备

2021年11月25日，西安交通大学第一附属医院对外宣布，其与西安蓝极医疗电子科技有限公司联合研发的世界首台输出功率30W蓝激光手术设备实现了国产重大医疗器械在半导体激光领域自研、自制的重大突破。在对比多种激光的应用效果后，研发团队敏锐地发现蓝激光比其他医用激光光子能量更高、安全性更好，可有效切除各种软组织。应用30W蓝激光手术设备成功实施了两例手术，给予患者行经尿道膀胱肿瘤激光剜除术。术中使用蓝激光手术设备进行肿瘤整块剜除，切除效率高、噪声小、可视性好，无闭孔神经反射、术中无任何出血，无碳化组织。目前泌尿外科蓝光达到200W。

图12. 蓝光激光手术设备