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        1. 島津合作開發成功世界最高輸出功率的藍色半導體激光器

          2019-02-21

          -有望實現金屬的激光切割、應用于航空航天和電動汽車等產業-
          國立研究開發法人新能源和產業技術綜合開發機構
          株式會社島津制作所
          國立大學法人大阪大學

            在NEDO項目中,(株)島津制作所和大阪大學開發出了世界最高輸出功率的藍色半導體激光器,其輸出功率達到1KW。這是該項目去年達成的輸出功率的10倍。憑借這種高輸出功率,我們在傳統藍色半導體激光技術難以實現的數毫米厚的銅和金的激光切割加工方面取得了進展。本技術有望應用于航空航天和電動汽車等產業的零件加工。

            此外,(株)島津制作所和大阪大學將于1月30日~2月1日在東京國際展覽會舉辦的“TCT Japan 2019”上,展出此次開發的藍色半導體激光器光源、搭載光源的加工裝置、實際加工的樣品等,并進行演示。

          1.概要

            藍色半導體激光器※1對金屬有很高的吸收率,適合加工傳統紅外半導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的光源,此外,藍色半導體激光器作為熱傳導焊接※2和激光打標用光源的用途正在不斷擴大。另一方面,數毫米厚的金屬切削※3和激光淬火※4、伴有熔融和蒸發的鎖孔式焊接※5,需要更高的輸出功率和更高的亮度※6。

            因此,在NEDO項目※7中,株式會社島津制作所和國立大學法人大阪大學接合科學研究所 塚本雅裕教授等在日亞化學工業株式會社的協助下,孜孜不倦地追求藍色半導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開發出了世界最高輸出功率為1kW的藍色半導體激光器。本產品輸出功率同比該項目開發的輸出功率100W的以往產品※8提升10倍。這一成果是通過完成單個藍色半導體激光器光源的高功率和高亮度,以及新開發出將5根激光合束到1根光纖的激光合束技術實現的。

            憑借這種高輸出功率,我們在傳統藍色半導體激光技術難以實現的數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展。預期可用于需要高精度的航空航天和電動汽車等產品的零件加工。

          青色半導體レーザービームコンバイニング技術の模式図
          圖1 藍色半導體激光器的光譜合束技術示意圖

          2.此次的研究成果

          (1)藍色半導體激光器光源單體的高功率和高亮度

            開發出輸出功率200W、亮度2.6×106W/cm2(直徑100μm)的藍色半導體激光器光源。作為激光器光源單體,實現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目成果暨以往產品達到的輸出功率100W、亮度1.3×106W/cm2(直徑100μm),此次輸出功率、亮度是以往產品的2倍。

          (2)多激光集成技術(激光合束技術)

            為了將單個藍色半導體激光器光源輸出的激光合束到一根光纖,新開發了激光合束技術。該技術將輸入到多根光纖的激光合束到一根光纖并輸出。通過兼顧輸入端光纖的小直徑化和高功率以及亮度,將(1)開發的單個高亮度藍色半導體激光器光源輸出的5根激光合束到直徑400μm的光纖中,達到輸出功率1kW。合束后,輸出端光纖實現直徑為400μm的細纖維,同時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將于1月30日~2月1日在東京國際展覽會舉辦的3D打印/AM(Additive Manufacturing)技術綜合展“TCT Japan 2019”上,展出此次開發的藍色半導體激光器光源(圖2)、搭載光源的加工裝置、實際加工的樣品(圖3)等。

          今回開発した青色半導體レーザー光源(図は出力200W光源2臺を集約したもの)
          圖2 此次開發的藍色半導體激光器光源(圖示為匯聚2臺輸出功率200W光源的激光器)

          今回開発した青色半導體レーザー光源により溶接を行った純銅のサンプル
          圖3 通過此次開發的藍色半導體激光器光源焊接的純銅樣品
          右:焊縫部放大圖

          3.未來計劃

            在NEDO項目中,(株)島津制作所和大阪大學的目標是進一步提高藍色半導體激光器光源的高功率和高亮度,同時進一步改良激光合束技術,推進合并激光的光纖的小直徑化。另外,(株)島津制作所預計將此次開發的單個激光器(輸出功率200W,亮度2.6×106W/cm2,直徑100μm)光源加入到本公司研發的藍色半導體激光器光源“BLUE IMPACT”系列產品陣容,計劃于2020年實現商品化。

          注釋:

          ※1

          藍色半導體激光器
          發射波長400nm~460nm藍色光的半導體激光器。

          ※2

          熱傳導焊接
          熱傳導焊接通過來自表面的熱傳導,使金屬熔化進行焊接。熱傳導焊接是可以使用輸出功率100W級的藍色半導體激光器進行加工的方法之一。  

          ※3

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

          ※4

          激光淬火
          激光淬火使用激光控制金屬結構。激光淬火取決于激光照射區域,通常需要比熱傳導焊接更高的激光輸出功率。

          ※5

          伴有熔融和蒸發的鎖孔式焊接
          鎖孔式焊接利用激光蒸發金屬,在產生壓痕的同時進行焊接。通常需要比熱傳導焊接更高的激光輸出功率。

          ※6

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

          ※7

          NEDO項目
          高亮度和高功率下一代激光器技術開發/下一代激光器及加工共通基礎技術開發/激光加工平臺的建設/高亮度藍色半導體激光器和加工技術的開發(2016年~ 2020年(計劃))。

          ※8

          傳統產品
          與(株)島津制作所藍色半導體激光器“BLUE IMPACT”100W機型的對比。
          參考:2018年1月25日新聞發布 世界最高水平的高功率和高亮度藍色半導體激光器的產品化

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