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        岛津合作开发成功世界最高输出功率的蓝色半导体激光器

        2019-02-21

        -有望实现金属的激光切割、应用于航空航天和电动汽车等产业-
        国立研究开发法人新能源和产业技术综合开发机构
        株式会社岛津制作所
        国立大学法人大阪大学

          在NEDO项目中,(株)岛津制作所和大阪大学开发出了世界最高输出功率的蓝色半导体激光器,其输出功率达到1KW。这是该项目去年达成的输出功率的10倍。凭借这种高输出功率,我们在传统蓝色半导体激光技术难以实现的数毫米厚的铜和金的激光切割加工方面取得了进展。本技术有望应用于航空航天和电动汽车等产业的零件加工。

          此外,(株)岛津制作所和大阪大学将于1月30日~2月1日在东京国际展览会举办的“TCT Japan 2019”上,展出此次开发的蓝色半导体激光器光源、搭载光源的加工装置、实际加工的样品等,并进行演示。

        1.概要

          蓝色半导体激光器※1对金属有很高的吸收率,适合加工传统红外半导体激光器难以加工的金和铜等金属,有望用作下一代激光加工机的光源,此外,蓝色半导体激光器作为热传导焊接※2和激光打标用光源的用途正在不断扩大。另一方面,数毫米厚的金属切削※3和激光淬火※4、伴有熔融和蒸发的锁孔式焊接※5,需要更高的输出功率和更高的亮度※6。

          因此,在NEDO项目※7中,株式会社岛津制作所和国立大学法人大阪大学接合科学研究所 塚本雅裕教授等在日亚化学工业株式会社的协助下,孜孜不倦地追求蓝色半导体激光器的高功率和高亮度。

          此次,(株)岛津制作所和大坂大学开发出了世界最高输出功率为1kW的蓝色半导体激光器。本产品输出功率同比该项目开发的输出功率100W的以往产品※8提升10倍。这一成果是通过完成单个蓝色半导体激光器光源的高功率和高亮度,以及新开发出将5根激光合束到1根光纤的激光合束技术实现的。

          凭借这种高输出功率,我们在传统蓝色半导体激光技术难以实现的数毫米厚的铜和金的激光切割加工、激光淬火、锁孔式焊接等方面取得了进展。预期可用于需要高精度的航空航天和电动汽车等产品的零件加工。

        青色半導体レーザービームコンバイニング技術の模式図
        图1 蓝色半导体激光器的光谱合束技术示意图

        2.此次的研究成果

        (1)蓝色半导体激光器光源单体的高功率和高亮度

          开发出输出功率200W、亮度2.6×106W/cm2(直径100μm)的蓝色半导体激光器光源。作为激光器光源单体,实现世界最高的输出功率和亮度。另外,截至目前,世界最高输出功率和亮度是本项目成果暨以往产品达到的输出功率100W、亮度1.3×106W/cm2(直径100μm),此次输出功率、亮度是以往产品的2倍。

        (2)多激光集成技术(激光合束技术)

          为了将单个蓝色半导体激光器光源输出的激光合束到一根光纤,新开发了激光合束技术。该技术将输入到多根光纤的激光合束到一根光纤并输出。通过兼顾输入端光纤的小直径化和高功率以及亮度,将(1)开发的单个高亮度蓝色半导体激光器光源输出的5根激光合束到直径400μm的光纤中,达到输出功率1kW。合束后,输出端光纤实现直径为400μm的细纤维,同时还确保了激光加工所必需的高亮度特性。

          另外,(株)岛津制作所和大阪大学将于1月30日~2月1日在东京国际展览会举办的3D打印/AM(Additive Manufacturing)技术综合展“TCT Japan 2019”上,展出此次开发的蓝色半导体激光器光源(图2)、搭载光源的加工装置、实际加工的样品(图3)等。

        今回開発した青色半導体レーザー光源(図は出力200W光源2台を集約したもの)
        图2 此次开发的蓝色半导体激光器光源(图示为汇聚2台输出功率200W光源的激光器)

        今回開発した青色半導体レーザー光源により溶接を行った純銅のサンプル
        图3 通过此次开发的蓝色半导体激光器光源焊接的纯铜样品
        右:焊缝部放大图

        3.未来计划

          在NEDO项目中,(株)岛津制作所和大阪大学的目标是进一步提高蓝色半导体激光器光源的高功率和高亮度,同时进一步改良激光合束技术,推进合并激光的光纤的小直径化。另外,(株)岛津制作所预计将此次开发的单个激光器(输出功率200W,亮度2.6×106W/cm2,直径100μm)光源加入到本公司研发的蓝色半导体激光器光源“BLUE IMPACT”系列产品阵容,计划于2020年实现商品化。

        注释:

        ※1

        蓝色半导体激光器
        发射波长400nm~460nm蓝色光的半导体激光器。

        ※2

        热传导焊接
        热传导焊接通过来自表面的热传导,使金属熔化进行焊接。热传导焊接是可以使用输出功率100W级的蓝色半导体激光器进行加工的方法之一。  

        ※3

        数毫米厚金属的切割
        激光切割加工采用激光切割材料。通常需要比热传导焊接更高的激光输出功率。

        ※4

        激光淬火
        激光淬火使用激光控制金属结构。激光淬火取决于激光照射区域,通常需要比热传导焊接更高的激光输出功率。

        ※5

        伴有熔融和蒸发的锁孔式焊接
        锁孔式焊接利用激光蒸发金属,在产生压痕的同时进行焊接。通常需要比热传导焊接更高的激光输出功率。

        ※6

        高功率和高亮度
        输出是指激光本身的强度。亮度是指单位面积的强度。因此,材料加工需要高亮度,高亮度需要高输出功率。另外,由于不同材料对激光的吸收率不同,通过高功率且高亮度地照射最佳波长的激光,可以进行高效率的加工。

        ※7

        NEDO项目
        高亮度和高功率下一代激光器技术开发/下一代激光器及加工共通基础技术开发/激光加工平台的建设/高亮度蓝色半导体激光器和加工技术的开发(2016年~ 2020年(计划))。

        ※8

        传统产品
        与(株)岛津制作所蓝色半导体激光器“BLUE IMPACT”100W机型的对比。
        参考:2018年1月25日新闻发布 世界最高水平的高功率和高亮度蓝色半导体激光器的产品化

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