应用于激光打标机设备的半导体激光器,随着半导体材料外延生长技术、半导体激光打标机的激光器光波导结构优化技术、腔面钝化技术、高稳定性封装技术、高效散热技术水平的不断提高,半导体激光器功率及光束质量飞速发展,促进了直接工业用半导体激光打标机系统和高功率光纤激光器的发展。
目前国际上直接工业用大功率半导体激光器在输出功率5000 W级别已超过灯抽运固体激光器的光束质量,在1000 W级别已超过全固态激光器的光束质量。随着化合物半导体技术的进步,工业用大功率半导体激光器的输出功率和光束质量将进一步提高,将进一步扩展其工业应用范围,更进一步拉动我国激光加工行业,激光切割机设备,激光打标机设备的内销和进出口额度。
在高功率光纤激光器抽运源方面,光纤耦合输出的功率不断上升,光纤芯径和数值孔径不断降低,导致光纤激光打标机所使用的光纤激光器的抽运亮度不断提高,同时成本却不断下降,因此未来高功率光纤激光器的输出功率与光束质量也将不断地提高。可以预计,在未来工业激光加工,特别是在金属激光加工(laser oem)领域,大功率半导体激光器主要应用在激光表面处理、激光熔覆和近距离激光焊接领域,而大功率光纤激光器主要应用在光束质量要求更高的激光切割和远程激光焊接,高精度激光打标机领域。
半导体激光单元器件具有独立的电、热工作环境,避免了发光单元之间的热串扰,使其在寿命、光束质量方面与CM Bar相比具有明显优势。此外单元器件驱动电流低、多个串联工作大幅度降低了对驱动电源的要求。同时单元器件的发热量相对较低,可直接采用传导热沉散热,避免了微通道热沉引入的寿命短的问题。而且独立的热工作环境使其可高功率密度工作,目前单元器件的有源区光功率线密度可达200 mW/μm以上,同时具有较窄的光谱宽度,而CM Bar有源区光功率线密度仅为50~85 mW/μm左右。特别是独立的热、电工作环境大幅度降低了器件的失效几率,在高稳定性金锡焊料封装技术的支撑下,商用高功率单元器件寿命均达10万小时以上,远高于CM Bar的寿命,有效降低了器件的使用成本。基于上述优点,单元器件大有逐渐替代CM Bar成为高功率、高光束质量半导体激光主流器件的趋势,也直接导致半导体激光打标机成为激光加工业的主流。
在国内,最近几年高功率、高光束质量大功率半导体激光器相关领域方面也取得了长足的进步,但是在半导体激光器的核心部件—半导体激光芯片的研制和生产方面,一直受外延生长技术、腔面钝化技术以及器件制作工艺水平的限制,国产半导体激光器件的功率、寿命方面较之国外先进水平尚有较大差距。这导致国内实用化高功率、长寿命半导体激光芯片主要依赖于进口,直接导致我国半导体激光器系统的价格居高不下,严重影响了大功率半导体激光器在我国的推广应用,同时也限制了我国高功率光纤激光器的研制和开发。随着当前我国半导体激光器研究和开发技术的不断应用和发展,半导体器件的外延技术和封装技术也将不断成熟,将创造更高功率的半导体激光切割机,激光打标机设备呈现市场。
图:半导体激光打标机直接打标金属的效果