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技術(shù)名詞：激光二極管、直接二極管激光器、二極管棒、光束質(zhì)量、3D打印銅、光吸收率、背反射
IDTechEx Research在《激光二極管和直接二極管激光器2019-2029:技術(shù)、市場和預(yù)測》的報(bào)告中預(yù)測，到2029年，全球激光二極管和直接二極管激光器市場將達(dá)到140億美元，其中直接二極管激光器將貢獻(xiàn)20億美元。
下面就簡單了解一下激光二極管和二極管棒的發(fā)展
技術(shù)進(jìn)步使激光從專門的技術(shù)儀器發(fā)展到各種各樣的市場。具體來說，在成為最廣泛使用的激光技術(shù)的同時，激光二極管的平均功率在過去三十年中顯著增加，每瓦的平均價格呈指數(shù)級下降。因此，激光二極管正在取代一些已建立的激光和非激光技術(shù)，同時使全新的光學(xué)技術(shù)成為可能。激光二極管的成熟應(yīng)用包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通信和固態(tài)激光器的光泵浦[1]。相比之下，材料加工和光學(xué)傳感領(lǐng)域是快速發(fā)展的細(xì)分市場，這里誕生了許多新興應(yīng)用。
二極管棒功率的增加促進(jìn)了直接二極管激光器的發(fā)展，并使其在材料加工中的新應(yīng)用成為可能。包括用于精密工程的紅外光束質(zhì)量的提高和用于金屬加工的新型可見光激光器的發(fā)展。
單個激光二極管的輸出功率從毫瓦到多瓦不等，通過將單個發(fā)射器組合成激光二極管棒和一堆棒來擴(kuò)大功率，標(biāo)準(zhǔn)棒的寬度為1cm。幾十年來，各大企業(yè)在提高二極管棒的輸出功率方面存在著激烈的競爭。如今，商業(yè)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)品通常提供功率小于1μm波長的200w/bar,而激光制造商的研發(fā)部門已經(jīng)證明了連續(xù)波(CW)平均功率已經(jīng)超過1kw/bar。
根據(jù)IDTechEx分析的數(shù)據(jù)，研究了1微米紅外波長高功率半導(dǎo)體激光器(HPDDLs)輸出功率和光束質(zhì)量的變化。HPDDL是一種快速發(fā)展的材料加工和工業(yè)制造工具。
二極管棒功率的增加為材料加工提供了新的應(yīng)用，但一些新興應(yīng)用對波長穩(wěn)定性和器件壽命等激光參數(shù)有著更高的要求。因此，功率方面的競爭不再是企業(yè)的首要任務(wù)。二極管激光技術(shù)的不斷發(fā)展包括用于精密工程的紅外光束質(zhì)量的提高和用于金屬加工的新型可見光激光器領(lǐng)域。
功率和精度：新興直接二極管激光技術(shù)
半導(dǎo)體激光器技術(shù)的進(jìn)步使得直接二極管激光器(DDLs)的發(fā)展成為可能，包括產(chǎn)生多千瓦輸出功率的大功率直接二極管激光器(HPDDLs)。DDL結(jié)合了許多二極管棒與波束形成光學(xué)，控制電子和一個冷卻單元。技術(shù)的進(jìn)步使DDL能夠在多模式系統(tǒng)中產(chǎn)生超過20kW的輸出功率，并在比以前更高的波束質(zhì)量下產(chǎn)生多千瓦功率。除了DDL，像德國Laserline還提供與有源光纖轉(zhuǎn)換器耦合的二極管激光器，這種激光器的輸出功率為4-6kW，光束質(zhì)量為4-6mm.mrad。
光束質(zhì)量的自動化改進(jìn)使用戶能夠?qū)⒓す饩劢沟揭粋€小的點(diǎn)上，這顯示了DDLs作為處理金屬、塑料和復(fù)合材料的快速發(fā)展的工具。在激光焊接等需要高精度和深穿透的應(yīng)用中，DDLs現(xiàn)在可以與光纖激光器一較高低。DDLs直接將電能轉(zhuǎn)化為激光，而光纖激光器是基于稀土金屬摻雜光纖，必須用激光二極管或二極管棒的能量輸入進(jìn)行光泵浦。
對于連續(xù)波輸出功率高達(dá)1kW的激光器，DDL的單價明顯低于光纖激光器。根據(jù)IDTechEx探訪的主要廠商報(bào)價，2018年，1千瓦HPDDL和1千瓦光纖激光器的典型單價分別為2萬美元和2.5萬美元。在輸出功率低于千瓦的情況下，DDLs和光纖激光器的價格差距更大。此外，DDLs提供的波長與光纖激光器不同，這意味著DDLs可以更有效地處理吸收光譜匹配的材料。
因此，DDL和HPDDL正在成為全球工業(yè)制造業(yè)的主要趨勢。為了提高在高增長的DDL/HPDDL市場的地位，企業(yè)間的并購和產(chǎn)能擴(kuò)張?jiān)谒y免。日本松下(Panasonic)看準(zhǔn)了美國激光公司TeraDiode在HPDDLs領(lǐng)域的專業(yè)知識，他們可通過專利光學(xué)工藝產(chǎn)生高質(zhì)量光束，并將其收入帳下。
總的來說，上述技術(shù)進(jìn)步提供了良好的業(yè)務(wù)增長機(jī)會。
藍(lán)色二極管激光器的銅金屬3D打印和焊接技術(shù)
用于焊接和3D打印銅等應(yīng)用的藍(lán)色直接二極管激光器是當(dāng)今最重要的一項(xiàng)技術(shù)，Laserline將于2019年推出1kW的產(chǎn)品。藍(lán)色激光可以更快、更有效地處理金屬吸收差的1μm紅外輻射產(chǎn)生的大多數(shù)工業(yè)激光系統(tǒng)。
2018年，日本島津公司將藍(lán)色沖擊二極管激光器已經(jīng)商業(yè)化，該激光器可以在高亮度下產(chǎn)生100瓦功率，此技術(shù)是與大阪大學(xué)合作開發(fā)的日本國家項(xiàng)目的一部分。藍(lán)色沖擊激光器結(jié)合了Nichia公司生產(chǎn)的大量氮化鎵(GaN)藍(lán)色激光二極管，自2006年以來效率提高了一倍，輸出功率也提高了一個數(shù)量級。
島津公司450nm藍(lán)色二極管激光器的一個關(guān)鍵應(yīng)用是3D打印銅技術(shù)。銅對藍(lán)色激光的高吸收率使其具有快速的加工過程和較低的背反射，這對傳統(tǒng)的紅外激光器是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。新開發(fā)的3D打印機(jī)可以有效地使用純銅粉打印物體，而現(xiàn)有的3D打印機(jī)技術(shù)通常使用銅合金，如CuCr1Zr，而不是純銅。
IDTechEx預(yù)計(jì)，隨著更多產(chǎn)品走向商業(yè)化，從2019年起，藍(lán)色DDL將迅速應(yīng)用于銅加工領(lǐng)域。
[1] 光泵浦是利用外界光源發(fā)出的光來輻照激光工作物質(zhì)以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的，整個激勵裝置，通常是由氣體放電光源(如氙燈、氨燈) 和聚光器組成。