第二代蓝光激光系统能够与扫描振镜一起使用，为金属加工带来了性能上的提升，而且系统更紧凑、更可靠。

基于半导体激光二极管技术的第一代工业蓝光激光器，于2017年首次推出。从那时起，这些激光器主要用于铜和铝的加工，如焊接和3D打印，这得益于相对于红外（IR）激光，铜、铝对蓝光的吸收率更高。即便如此，这些蓝光激光器的亮度仍然无法满足与工业2D振镜扫描系统一起使用的要求。NUBURU在第二代工业蓝光激光器的设计和制造方面取得了新突破，现在它们已经可以与工业2D振镜一起使用了（见图1）。

图1：NUBURU第二代激光器自动化制造的洁净室。

这一突破基于先进的制造工艺，该工艺可以产生光斑尺寸和发散角更小的激光束。对于反射金属的焊接和3D打印等加工应用，激光束通常以其亮度或光束参数积（BPP）为表征，BPP被定义为光束半径（束腰半径）和光束远场发散半角的乘积。与第一代蓝光激光模块相比，第二代450nm蓝光激光模块可以提供125W或250W的功率和小于5mm*mrad的BPP，这意味着功率增加了近两倍，BPP提高了3倍！第二代蓝光产品也更紧凑、更可靠，并且还能实现功率扩展。

最重要的是，第二代蓝光激光器的亮度水平，已经足以与工业振镜扫描系统集成使用，这为蓝光技术在众多领域开启了广泛应用的大门。

制造突破

NUBURU的第一代激光系统使用预封装的半导体激光二极管线性阵列，这些阵列手动组装在模块背板上。然后通过快轴和慢轴透镜，对每个单独的激光二极管发出的光进行准直。该工艺能生产出功率150W、BPP为15mm*mrad的激光模块。

相比于第一代工艺，第二代制造工艺在制造、性能、尺寸和可靠性方面有了显著改进（见表1）。

这些变化从激光器件级别开始。第一代系统使用预封装的激光二极管线性阵列，而第二代系统则采用封装在热沉上的芯片（COS，chip-on-submount）这种工艺，来布置单个激光器件。与驱动线性激光器阵列相比，单独的激光二极管可以单独驱动，这是一项技术优势。在线性阵列中，如果单个二极管发生故障，整个阵列都无法工作，这将导致激光功率显著下降。而在新的设计中，如果单个激光器发生故障，对光输出下降的影响是最小的。这对整个系统的可靠性来说，也非常有帮助。

在第一代激光阵列中，激光器件的放置和封装是预先确定的，并且这些阵列是通过手动方式放置在驱动背板上的。在第二代模块中，使用自动取放机将每个器件放置在更紧凑的配置中。这种更精密的对准，有助于保证模块输出光的总体亮度。

下一步是将微透镜连接到每个激光二极管上。这些透镜采用非常不对称的激光输出轮廓来创建准直光束轮廓。在第一代模块中，微透镜是半手动放置和固定的。在第二代模块中，它们以动态方式自动放置并固定到位。也就是说，通过每个透镜的位置和旋转来主动监测光输出，以实现最优化的聚集光束性能。这种自动化辅助定位和透镜放置，是第二代模块中BPP得到大幅改善的关键原因。

优势

新的基于COS的设计提供了显著的性能改进，其中最令人印象深刻的是亮度或BPP性能。对于焊接和3D打印应用来说，优化功率密度至关重要；功率密度定义为功率除以工件上的光束面积。工件上的光束直径与其发散度（BPP）直接相关，因此优化光束发散度会带来更多回报。虽然从第一代模块到第二代模块的功率增加（150W到250W）令人印象深刻，但BPP的改进（从15mm*mrad到5mm*mrd）更令人欣喜。

第二代制造工艺也使得激光模块更加紧凑。这是可能的，因为激光二极管的紧密封装和微透镜的紧密集成的灵活性都非常高。第二代激光模块的尺寸约为第一代模块的1/10。

新工艺对激光可靠性也有好处。通过在1000级洁净室中控制子部件制备和处理的每一步，可以始终如一地进行污染控制。而且机器人组装可以实现更一致的制造过程，减少操作员造成错误的机会。最重要的是，机器人技术为提高生产能力提供了一个可扩展、可重复的过程。

自由空间配置

到目前为止，业界已经使用蓝光激光器开发了许多材料加工应用，但所有应用都具有焊接透镜和其他光束传输系统。目前缺少的是一个可以耦合到工业2D振镜扫描系统的蓝光激光系统。第二代蓝光激光模块的亮度水平，已经达到了可以与振镜扫描系统一起使用的水平。它们紧凑的尺寸可以直接耦合到250W的振镜扫描系统中（见图2）。

图2：第二代蓝光激光模块（BL型）。

图3说明了这一点是如何做到的。工业扫描振镜所需要的光斑尺寸高达30mm。这明显大于激光模块输出的光斑尺寸，因此需要使用扩束器组件来实现所需要的光斑尺寸。现在，激光模块/扩展器组件可以首次通过螺栓连接的方式，直接与振镜扫描系统连接。

图3：BL激光器和光束扩展器与工业扫描振镜在自由空间的集成。

较小的BPP值，不仅可以使用振镜扫描系统，而且还能对焊接性能带来巨大提升。图4中比较了两个具有不同BPP值的500W光纤耦合蓝光激光器的焊接结果：蓝色曲线的BPP=30mm*mrad，红色曲线的BPP=15mm*mrad。比较表明，在不同的固定速度下，BPP相差两倍，光束对材料的穿透力增加1.6倍，或者在相同的穿透深度下，加工速度会增加3-4倍。为了更好地控制金属熔体和流动，可能需要更大的穿透深度，而为了降低成本，可能需要更快的速度。BPP是焊接速度和熔深的决定因素——BPP越小，焊接速度越快，熔深越深。

3D打印

3D打印是蓝光激光器正在开拓的另一个商业应用领域。金属3D打印可以通过几种方法实现：粉末床熔化（PBF）、直接能量沉积（DED）和送丝熔化（WFF）。尽管这些方法的细节各不相同，但它们都需要将金属加热到熔化的程度（从软化到熔化）。与激光焊接一样，3D打印的目的也是将能量从光束转移到金属上。这个过程做得越有效，速度就越快，成品的质量也就越高。图5显示了在商用3D打印机（粉末床熔化）中，通过扩束器将激光模块与扫描振镜集成到一起。

图5：将激光模块、扩束器和扫描振镜集成到商用粉末床3D打印机中。

从历史上看，红外激光器也能用于这些应用，但蓝光激光焊接提供的好处，同样也存在于激光金属增材制造应用中。最近，在直接能量沉积式3D打印中，NUBURU用BL蓝光激光器取代了IR光纤激光器，并在相同条件下比较了这两种技术的应用结果。结果根据最重要的指标进行了量化，cc/hr代表打印速度（见图6）。与使用IR光相比，蓝光打印铜的速度快7倍，打印不锈钢的速度快3倍，打印钛的速度快1.5倍。

图6：定向能量沉积测试中测得的打印速率，单位cc/hr。

与第一代蓝光激光器相比，第二代蓝光激光器在性能方面显著提高：亮度提高了3倍，功率提高了两倍。因此，它能够与工业振镜扫描系统集成到一起，为激光焊接和激光增材制造应用带来新的性能提升。

作者：Matthew Philpott