-有望實(shí)現(xiàn)金屬的激光切割、應(yīng)用于航空航天和電動(dòng)汽車等產(chǎn)業(yè)-
國(guó)立研究開(kāi)發(fā)法人新能源和產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)
株式會(huì)社島津制作所
國(guó)立大學(xué)法人大阪大學(xué)

在NEDO項(xiàng)目中，（株）島津制作所和大阪大學(xué)開(kāi)發(fā)出了世界最高輸出功率的藍(lán)色半導(dǎo)體激光器，其輸出功率達(dá)到1KW。這是該項(xiàng)目去年達(dá)成的輸出功率的10倍。憑借這種高輸出功率，我們?cè)趥鹘y(tǒng)藍(lán)色半導(dǎo)體激光技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的數(shù)毫米厚的銅和金的激光切割加工方面取得了進(jìn)展。本技術(shù)有望應(yīng)用于航空航天和電動(dòng)汽車等產(chǎn)業(yè)的零件加工。

此外，（株）島津制作所和大阪大學(xué)將于1月30日~2月1日在東京國(guó)際展覽會(huì)舉辦的“TCT Japan 2019”上，展出此次開(kāi)發(fā)的藍(lán)色半導(dǎo)體激光器光源、搭載光源的加工裝置、實(shí)際加工的樣品等，并進(jìn)行演示。

藍(lán)色半導(dǎo)體激光器※1對(duì)金屬有很高的吸收率，適合加工傳統(tǒng)紅外半導(dǎo)體激光器難以加工的金和銅等金屬，有望用作下一代激光加工機(jī)的光源，此外，藍(lán)色半導(dǎo)體激光器作為熱傳導(dǎo)焊接※2和激光打標(biāo)用光源的用途正在不斷擴(kuò)大。另一方面，數(shù)毫米厚的金屬切削※3和激光淬火※4、伴有熔融和蒸發(fā)的鎖孔式焊接※5，需要更高的輸出功率和更高的亮度※6。

因此，在NEDO項(xiàng)目※7中，株式會(huì)社島津制作所和國(guó)立大學(xué)法人大阪大學(xué)接合科學(xué)研究所 塚本雅裕教授等在日亞化學(xué)工業(yè)株式會(huì)社的協(xié)助下，孜孜不倦地追求藍(lán)色半導(dǎo)體激光器的高功率和高亮度。

此次，（株）島津制作所和大坂大學(xué)開(kāi)發(fā)出了世界最高輸出功率為1kW的藍(lán)色半導(dǎo)體激光器。本產(chǎn)品輸出功率同比該項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的輸出功率100W的以往產(chǎn)品※8提升10倍。這一成果是通過(guò)完成單個(gè)藍(lán)色半導(dǎo)體激光器光源的高功率和高亮度，以及新開(kāi)發(fā)出將5根激光合束到1根光纖的激光合束技術(shù)實(shí)現(xiàn)的。

憑借這種高輸出功率，我們?cè)趥鹘y(tǒng)藍(lán)色半導(dǎo)體激光技術(shù)難以實(shí)現(xiàn)的數(shù)毫米厚的銅和金的激光切割加工、激光淬火、鎖孔式焊接等方面取得了進(jìn)展。預(yù)期可用于需要高精度的航空航天和電動(dòng)汽車等產(chǎn)品的零件加工。

圖1 藍(lán)色半導(dǎo)體激光器的光譜合束技術(shù)示意圖

開(kāi)發(fā)出輸出功率200W、亮度2.6×106W／cm2（直徑100μm）的藍(lán)色半導(dǎo)體激光器光源。作為激光器光源單體，實(shí)現(xiàn)世界最高的輸出功率和亮度。另外，截至目前，世界最高輸出功率和亮度是本項(xiàng)目成果暨以往產(chǎn)品達(dá)到的輸出功率100W、亮度1.3×106W／cm2（直徑100μm），此次輸出功率、亮度是以往產(chǎn)品的2倍。

（2）多激光集成技術(shù)（激光合束技術(shù)）

為了將單個(gè)藍(lán)色半導(dǎo)體激光器光源輸出的激光合束到一根光纖，新開(kāi)發(fā)了激光合束技術(shù)。該技術(shù)將輸入到多根光纖的激光合束到一根光纖并輸出。通過(guò)兼顧輸入端光纖的小直徑化和高功率以及亮度，將（1）開(kāi)發(fā)的單個(gè)高亮度藍(lán)色半導(dǎo)體激光器光源輸出的5根激光合束到直徑400μm的光纖中，達(dá)到輸出功率1kW。合束后，輸出端光纖實(shí)現(xiàn)直徑為400μm的細(xì)纖維，同時(shí)還確保了激光加工所必需的高亮度特性。

另外，（株）島津制作所和大阪大學(xué)將于1月30日~2月1日在東京國(guó)際展覽會(huì)舉辦的3D打印/AM（Additive Manufacturing）技術(shù)綜合展“TCT Japan 2019”上，展出此次開(kāi)發(fā)的藍(lán)色半導(dǎo)體激光器光源（圖2）、搭載光源的加工裝置、實(shí)際加工的樣品（圖3）等。

圖2 此次開(kāi)發(fā)的藍(lán)色半導(dǎo)體激光器光源（圖示為匯聚2臺(tái)輸出功率200W光源的激光器）

圖3 通過(guò)此次開(kāi)發(fā)的藍(lán)色半導(dǎo)體激光器光源焊接的純銅樣品
右：焊縫部放大圖

在NEDO項(xiàng)目中，（株）島津制作所和大阪大學(xué)的目標(biāo)是進(jìn)一步提高藍(lán)色半導(dǎo)體激光器光源的高功率和高亮度，同時(shí)進(jìn)一步改良激光合束技術(shù)，推進(jìn)合并激光的光纖的小直徑化。另外，（株）島津制作所預(yù)計(jì)將此次開(kāi)發(fā)的單個(gè)激光器（輸出功率200W，亮度2.6×106W／cm2，直徑100μm）光源加入到本公司研發(fā)的藍(lán)色半導(dǎo)體激光器光源“BLUE IMPACT”系列產(chǎn)品陣容，計(jì)劃于2020年實(shí)現(xiàn)商品化。

注釋：

熱傳導(dǎo)焊接
熱傳導(dǎo)焊接通過(guò)來(lái)自表面的熱傳導(dǎo)，使金屬熔化進(jìn)行焊接。熱傳導(dǎo)焊接是可以使用輸出功率100W級(jí)的藍(lán)色半導(dǎo)體激光器進(jìn)行加工的方法之一。  

數(shù)毫米厚金屬的切割
激光切割加工采用激光切割材料。通常需要比熱傳導(dǎo)焊接更高的激光輸出功率。

激光淬火
激光淬火使用激光控制金屬結(jié)構(gòu)。激光淬火取決于激光照射區(qū)域，通常需要比熱傳導(dǎo)焊接更高的激光輸出功率。

伴有熔融和蒸發(fā)的鎖孔式焊接
鎖孔式焊接利用激光蒸發(fā)金屬，在產(chǎn)生壓痕的同時(shí)進(jìn)行焊接。通常需要比熱傳導(dǎo)焊接更高的激光輸出功率。

高功率和高亮度
輸出是指激光本身的強(qiáng)度。亮度是指單位面積的強(qiáng)度。因此，材料加工需要高亮度，高亮度需要高輸出功率。另外，由于不同材料對(duì)激光的吸收率不同，通過(guò)高功率且高亮度地照射最佳波長(zhǎng)的激光，可以進(jìn)行高效率的加工。

NEDO項(xiàng)目
高亮度和高功率下一代激光器技術(shù)開(kāi)發(fā)/下一代激光器及加工共通基礎(chǔ)技術(shù)開(kāi)發(fā)/激光加工平臺(tái)的建設(shè)/高亮度藍(lán)色半導(dǎo)體激光器和加工技術(shù)的開(kāi)發(fā)（2016年~ 2020年（計(jì)劃））。