激光时代的“瑞士军刀”：蓝光半导体激光器

2014年7月，瑞典皇家科学院宣布，将2014年诺贝尔物理学奖授予日本科学家赤崎勇、天野浩和美籍日裔科学家中村修二，以表彰他们在蓝光发光二极管(LED)方面的发现[1]。第三代半导体材料氮化镓在照明领域引发了一轮新的革命的同时，也极大地推进了大功率蓝光半导体激光器的出现。

1995年，中村修二曾就职的日本日亚公司成功研制出第一个氮化镓基半导体激光器，输出波长420 nm,其使用寿命达10000小时[2]。从此，人类开启了蓝光半导体激光器的发展历程。

发展现状

近年来，随着氮化镓制备技术的发展和日益成熟，蓝光芯片单管达到瓦级，部分激光芯片单管功率甚至达到13 W[3]。相继有岛津、NUBURU、LASERLINE等公司开发出上百瓦至上千瓦的蓝光半导体激光器。其中比较典型的是NUBURU公司，开发的高亮度AI-1500产品，具备优良的光束质量，甚至可以配合振镜[4]用于精密零件的快速3D打印(增材制造)。

在国内，已经有多家半导体或相关企业开展蓝光半导体芯片的布局和产业化，如：海思光电、格恩半导体、苏州长光华芯、广西飓芯科技、武汉鑫威源等。在大功率蓝光半导体应用产业化方向，联赢激光在2023年上半年，基于2 kW蓝光激光器的蓝光光纤复合焊接机型UW-B5320M及UW-B6420M完成客户端交付，蓝光光模块完成迭代升级，其中2 kW光模块在额定3 A电流的条件下，输出功率突破至2700 W，整体激光器稳定性、长期功率可靠性等性能均实现大幅度提升[5]。

应用领域

蓝光半导体激光的一般波长范围在420~470 nm。这个范围的激光具有多种特性，造就了蓝光半导体激光就如同“瑞士军刀”一般，集多功能于一身，在各个应用领域发挥作用。

1 照明与显示

激光照明和激光显示是人们最早研究和产业化的蓝光半导体激光器应用之一。

一方面，YAG荧光粉的吸收峰值位于蓝光半导体激光器的激发光谱内(图1)，蓝光的能量可以经荧光粉的转换变为黄绿光[6]。通过调节能量转换的比例，便能以较低成本的还原出高质量的白光。这种白光凭借着高亮度、方向性好等特点，已经应用到一些特殊照明领域，较为成熟的应用有：汽车照明、特种照明等。市场上已经有许多相关产品的转化，在汽车照明领域，宝马、奥迪等部分高端车型上已经装备有激光远光灯，德国欧司朗推出了带有独立激光远光灯的大灯模组——CBILASER;在特种照明领域，上海蓝湖照明提供了基于蓝光半导体激光器的多种探照灯、激光手电等照明方案;在零售市场，FENIX有多款使用蓝光半导体激光器作为光源的激光手电产品。

图1 视锥细胞响应光谱

另一方面，由于蓝光半导体激光器的发射光谱位于S短波视锥细胞最敏感范围，在色品坐标图上位于最左下侧，它所发出的光在视觉上可以得到最纯净的蓝色感观，在搭配荧光粉或其他颜色激光方案后，可以得到最广阔的显示色域[7]，还原出最真实最绚丽的画面。该领域比较有代表性的是深圳光峰科技。目前，使用蓝光半导体激光器的ALPD显示技术已经发展到了第五代,色域达到了DCI影院级标准Rec.2020120%，同时也达到了165%DCI-P3,210%Rec.709[8]。基于蓝光半导体激光的显示技术已经广泛的应用到影院播放、激光幕墙、激光投影仪、激光电视等领域。

2 金属加工

蓝光半导体激光芯片发出的激光经过大规模合束后，最终输出功率可达到百瓦至千瓦级，这使得蓝光半导体激光器被用于金属加工成为可能。特别是在一些有色金属加工领域，这些金属的吸收率随着波长变短而快速提高，例如金、铜在蓝光波段的吸收率是普通红外波段的十几倍(图2)。因此蓝光激光在有色金属加工领域相较于红外光激光有一些特殊的优势。

图2 常见金属光谱吸收曲线

在焊接领域，蓝光已经被证明可以大幅度改善有色金属(如：金、铜)激光焊接时产生的飞溅，避免空洞等缺陷的产生，提高焊接质量和提升工艺良率[9]。但蓝光半导体激光器的光束质量较低，目前还无法达到光纤激光器水平。单蓝光焊接深度较浅，在一些焊接应用中还无法单独使用。往往需要配合光纤激光器，通过复合焊接的形式来完成一定厚度的焊接。同时，受制于蓝光半导体激光芯片价格过高，封装工艺复杂等问题。目前蓝光半导体激光器的实际使用成本仍处在较高水平，在焊接领域市场的渗透率较低，暂未达到规模化应用。

在增材制造及熔覆领域，由于吸收率优势，蓝光激光使增材制造的效率和粉末使用率的得到大幅度提升，对高密度材料的打印能够以100倍或更高的速度进行，同时显著减少能耗。根据NUBURU的一项研究显示，与红外激光相比，在打印不锈钢部件时能耗减少了到1/2.75。这种产出零件的方式具有极高的速度和精度(图3)，几乎无需后处理，且不会产生热收缩。这在一些对于速度及能耗要求较高的场合会拥有无与伦比的优势，再加上蓝光半导体激光器本身所具备的固态、免维护等特性，野战工厂、太空站(月球)工厂不在只是科幻事物：工程士兵或宇航员仅需携带蓝光半导体激光打印设备、材料粉末及供能散热装置，就可以快速开始零件制造，避免了后方的工厂加工、运输等环节，从而极大降低了对后勤补给的需求。目前NUBURU公司同美国航天局NASA、美国军方已经开展在该领域的研究[10]。

图3 铜粉3D打印加工过程

3 生物医疗

蓝光这一光谱波段是水的吸收谷值(图4)，同时是血红蛋白(Hb)、氧合血红蛋白(HbO₂) 、类胡罗卜素、叶绿素a、叶绿素b的吸收峰值(图5)。

图4 水及血红蛋白的光谱吸收曲线

图5 类胡罗卜素、叶绿素的光谱吸收曲线

在外科手术领域，根据水的低吸收及血红蛋白的高吸收特性，使用蓝光激光作为激光手术刀会有更多的能量作用于组织切除和汽化，而不产生额外的热量。通过这个特性，可以对蓝光激光能量及参数的精密调节，能精确控制切除和汽化作用的速度和深度。目前，西安蓝极医疗已开发出基于200 W蓝光半导体激光器的医疗设备，并完成了第三类医疗产品注册。在临床上，西安交通大学第一附属医院、上海交通大学仁济医院、武汉大学中南医院、新疆生产建设兵团医院等多家国内医院已使用该设备完成临床手术，目前临床应用已经达到了4000例。

在生物应用方面，蓝光半导体激光器还可以被用于生物照明(图6)、激光打顶(去除顶端优势)、激光除草等。

图6 蓝光激光照明育种

4 非金属材料

相比于同功率的普通红外光纤、CO₂激光器，蓝光半导体激光器具有体积小巧、光电转换效率高等优势。对于纸板、木头、布料、皮革塑料等常见非金属材料雕刻、切割可以大幅度减少设备占地面积和使用要求。例如：使用蓝光半导体激光器的Laserpecker啄木鸟激光雕刻设备(图7)，整机设备体积仅同家用打印机相当。此类的蓝光加工设备可进入小型的文创工作室，甚至普通家庭中，来满足各类材料的快速DIY定制化的需求。

图7 Laserpecker啄木鸟激光雕刻设备

5 其他领域

根据水在蓝光波段低吸收的特点，蓝光半导体激光器有望在水下通信、水下探测、水下船舶除垢等江河、湖泊、海洋等相关领域得到一定的应用。根据瑞利散射的现象，蓝光相对于其他波段的可见光更容易被大气或尘埃分子散射，蓝光半导体激光器可以在大气探测、地理标记视觉引导方向有一定的应用。

锐科蓝光半导体激光器技术

目前蓝光半导体激光器芯片单点功率普遍在瓦级，要得到成百上千的大功率蓝光需要进行大规模合束技术，会使用到空间合束、偏振合束、波长合束、光谱合束等合束技术。其中空间合束可以提高激光器整体的输出功率，偏振合束、波长合束、光谱合束可以提高输出亮度。目前蓝光半导体激光器在比较广泛的使用空间合束和偏振合束。

芯片的封装技术路径主要有两个：单芯片封装，巴条封装。一般来说，单芯片封装可以得到更好的单一波长光束质量，更加充分的散热，更高的光电转换效率，如：NUBURU公司的A0-500产品[10];而巴条封装可以更加快速的得到比较大的功率，更容易实现光谱合束，但在散热和效率上会略逊于单芯片封装，如：LASERLINE公司的LDMblue系列产品。

锐科激光凭借着丰富的半导体激光器模块封装工艺优势，加以高效率的光学耦合方案，先后开发出了50 W/100 W/200 W/300 W/500 W/1 kW/1.5 kW/2 kW等一系列不同功率等级的光纤输出蓝光半导体整机产品(图8)，适用于不同应用对蓝光功率的需求。同时，可根据客户的具体需求进行针对性的定制，来满足不同领域的需求。