第二代藍光激光系統(tǒng)能夠與掃描振鏡一起使用，為金屬加工帶來了性能上的提升，而且系統(tǒng)更緊湊、更可靠。

基于半導體激光二極管技術的第一代工業(yè)藍光激光器，于2017年首次推出。從那時起，這些激光器主要用于銅和鋁的加工，如焊接和3D打印，這得益于相對于紅外（IR）激光，銅、鋁對藍光的吸收率更高。即便如此，這些藍光激光器的亮度仍然無法滿足與工業(yè)2D振鏡掃描系統(tǒng)一起使用的要求。NUBURU在第二代工業(yè)藍光激光器的設計和制造方面取得了新突破，現(xiàn)在它們已經(jīng)可以與工業(yè)2D振鏡一起使用了（見圖1）。

圖1：NUBURU第二代激光器自動化制造的潔凈室。

這一突破基于先進的制造工藝，該工藝可以產(chǎn)生光斑尺寸和發(fā)散角更小的激光束。對于反射金屬的焊接和3D打印等加工應用，激光束通常以其亮度或光束參數(shù)積（BPP）為表征，BPP被定義為光束半徑（束腰半徑）和光束遠場發(fā)散半角的乘積。與第一代藍光激光模塊相比，第二代450nm藍光激光模塊可以提供125W或250W的功率和小于5mm*mrad的BPP，這意味著功率增加了近兩倍，BPP提高了3倍！第二代藍光產(chǎn)品也更緊湊、更可靠，并且還能實現(xiàn)功率擴展。

最重要的是，第二代藍光激光器的亮度水平，已經(jīng)足以與工業(yè)振鏡掃描系統(tǒng)集成使用，這為藍光技術在眾多領域開啟了廣泛應用的大門。

制造突破

NUBURU的第一代激光系統(tǒng)使用預封裝的半導體激光二極管線性陣列，這些陣列手動組裝在模塊背板上。然后通過快軸和慢軸透鏡，對每個單獨的激光二極管發(fā)出的光進行準直。該工藝能生產(chǎn)出功率150W、BPP為15mm*mrad的激光模塊。

相比于第一代工藝，第二代制造工藝在制造、性能、尺寸和可靠性方面有了顯著改進（見表1）。

這些變化從激光器件級別開始。第一代系統(tǒng)使用預封裝的激光二極管線性陣列，而第二代系統(tǒng)則采用封裝在熱沉上的芯片（COS，chip-on-submount）這種工藝，來布置單個激光器件。與驅(qū)動線性激光器陣列相比，單獨的激光二極管可以單獨驅(qū)動，這是一項技術優(yōu)勢。在線性陣列中，如果單個二極管發(fā)生故障，整個陣列都無法工作，這將導致激光功率顯著下降。而在新的設計中，如果單個激光器發(fā)生故障，對光輸出下降的影響是最小的。這對整個系統(tǒng)的可靠性來說，也非常有幫助。

在第一代激光陣列中，激光器件的放置和封裝是預先確定的，并且這些陣列是通過手動方式放置在驅(qū)動背板上的。在第二代模塊中，使用自動取放機將每個器件放置在更緊湊的配置中。這種更精密的對準，有助于保證模塊輸出光的總體亮度。

下一步是將微透鏡連接到每個激光二極管上。這些透鏡采用非常不對稱的激光輸出輪廓來創(chuàng)建準直光束輪廓。在第一代模塊中，微透鏡是半手動放置和固定的。在第二代模塊中，它們以動態(tài)方式自動放置并固定到位。也就是說，通過每個透鏡的位置和旋轉來主動監(jiān)測光輸出，以實現(xiàn)最優(yōu)化的聚集光束性能。這種自動化輔助定位和透鏡放置，是第二代模塊中BPP得到大幅改善的關鍵原因。

優(yōu)勢

新的基于COS的設計提供了顯著的性能改進，其中最令人印象深刻的是亮度或BPP性能。對于焊接和3D打印應用來說，優(yōu)化功率密度至關重要；功率密度定義為功率除以工件上的光束面積。工件上的光束直徑與其發(fā)散度（BPP）直接相關，因此優(yōu)化光束發(fā)散度會帶來更多回報。雖然從第一代模塊到第二代模塊的功率增加（150W到250W）令人印象深刻，但BPP的改進（從15mm*mrad到5mm*mrd）更令人欣喜。

第二代制造工藝也使得激光模塊更加緊湊。這是可能的，因為激光二極管的緊密封裝和微透鏡的緊密集成的靈活性都非常高。第二代激光模塊的尺寸約為第一代模塊的1/10。

新工藝對激光可靠性也有好處。通過在1000級潔凈室中控制子部件制備和處理的每一步，可以始終如一地進行污染控制。而且機器人組裝可以實現(xiàn)更一致的制造過程，減少操作員造成錯誤的機會。最重要的是，機器人技術為提高生產(chǎn)能力提供了一個可擴展、可重復的過程。

自由空間配置

到目前為止，業(yè)界已經(jīng)使用藍光激光器開發(fā)了許多材料加工應用，但所有應用都具有焊接透鏡和其他光束傳輸系統(tǒng)。目前缺少的是一個可以耦合到工業(yè)2D振鏡掃描系統(tǒng)的藍光激光系統(tǒng)。第二代藍光激光模塊的亮度水平，已經(jīng)達到了可以與振鏡掃描系統(tǒng)一起使用的水平。它們緊湊的尺寸可以直接耦合到250W的振鏡掃描系統(tǒng)中（見圖2）。

圖2：第二代藍光激光模塊（BL型）。

圖3說明了這一點是如何做到的。工業(yè)掃描振鏡所需要的光斑尺寸高達30mm。這明顯大于激光模塊輸出的光斑尺寸，因此需要使用擴束器組件來實現(xiàn)所需要的光斑尺寸。現(xiàn)在，激光模塊/擴展器組件可以首次通過螺栓連接的方式，直接與振鏡掃描系統(tǒng)連接。

圖3：BL激光器和光束擴展器與工業(yè)掃描振鏡在自由空間的集成。

較小的BPP值，不僅可以使用振鏡掃描系統(tǒng)，而且還能對焊接性能帶來巨大提升。圖4中比較了兩個具有不同BPP值的500W光纖耦合藍光激光器的焊接結果：藍色曲線的BPP=30mm*mrad，紅色曲線的BPP=15mm*mrad。比較表明，在不同的固定速度下，BPP相差兩倍，光束對材料的穿透力增加1.6倍，或者在相同的穿透深度下，加工速度會增加3-4倍。為了更好地控制金屬熔體和流動，可能需要更大的穿透深度，而為了降低成本，可能需要更快的速度。BPP是焊接速度和熔深的決定因素——BPP越小，焊接速度越快，熔深越深。

3D打印

3D打印是藍光激光器正在開拓的另一個商業(yè)應用領域。金屬3D打印可以通過幾種方法實現(xiàn)：粉末床熔化（PBF）、直接能量沉積（DED）和送絲熔化（WFF）。盡管這些方法的細節(jié)各不相同，但它們都需要將金屬加熱到熔化的程度（從軟化到熔化）。與激光焊接一樣，3D打印的目的也是將能量從光束轉移到金屬上。這個過程做得越有效，速度就越快，成品的質(zhì)量也就越高。圖5顯示了在商用3D打印機（粉末床熔化）中，通過擴束器將激光模塊與掃描振鏡集成到一起。

圖5：將激光模塊、擴束器和掃描振鏡集成到商用粉末床3D打印機中。

從歷史上看，紅外激光器也能用于這些應用，但藍光激光焊接提供的好處，同樣也存在于激光金屬增材制造應用中。最近，在直接能量沉積式3D打印中，NUBURU用BL藍光激光器取代了IR光纖激光器，并在相同條件下比較了這兩種技術的應用結果。結果根據(jù)最重要的指標進行了量化，cc/hr代表打印速度（見圖6）。與使用IR光相比，藍光打印銅的速度快7倍，打印不銹鋼的速度快3倍，打印鈦的速度快1.5倍。

圖6：定向能量沉積測試中測得的打印速率，單位cc/hr。

與第一代藍光激光器相比，第二代藍光激光器在性能方面顯著提高：亮度提高了3倍，功率提高了兩倍。因此，它能夠與工業(yè)振鏡掃描系統(tǒng)集成到一起，為激光焊接和激光增材制造應用帶來新的性能提升。

作者：Matthew Philpott