岛津完成领先世界的高功率/高亮度蓝色半导体激光器的产品化

2018-02-11

——有望用于金和铜等金属的加工光源——

国立研究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

图1 高功率/高亮度蓝色半导体激光器

   基于NEDO项目的成果,(株)岛津公司完成了领先世界的高功率/高亮度蓝色半导体激光器的产品化。

   在NEDO项目中,岛津公司与大阪大学共同开发了蓝色半导体激光器技术,本产品就是该技术成功实用化的产物,实现了100W、1.3×106W/cm2的高功率、高亮度。有望被用作传统蓝色半导体激光器无法完成的金和铜等热传导焊接、激光打标、3D打印机的堆叠式光源,有利于缩短加工时间,并降低功耗。

   此次开发的产品将加入到本公司研发的蓝色半导体激光器“BLUE IMPACT”系列产品阵容,从今年1月30日起开始发售。

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,有望用作下一代金属加工用激光加工机的光源。然而,目前蓝色半导体激光器作为投影仪、照明、头戴式显示器等各式设备光源的用途正在不断扩大,但如何实现高功率和高亮度仍是最大课题,尚未真正应用于金属加工。

   因此,在NEDO项目※2中,岛津公司和国立大学法人大阪大学与日亚化学工业株式会社展开合作,为了使高功率/高亮度的蓝色半导体激光器成为金属加工用激光加工机的光源,而不断进行研究开发。2017年10月24日,开发出世界首台※3通过蓝色激光器的高亮度堆叠纯铜的3D打印机。

   基于此次研究成果,岛津公司实现了输出功率达100W、亮度达1.3×106W/cm2(光点直径100μm)的蓝色半导体激光器产品化(图1)。本产品同比传统蓝色半导体激光器产品的输出功率和亮度提升5倍※4,有望被用作传统蓝色半导体激光器无法完成的金和铜等热传导焊接、激光打标、3D打印机的堆叠式光源等(图2)。(株)岛津制作所将此次开发的产品加入到本公司研发的蓝色半导体激光器“BLUE IMPACT”系列产品阵容,从今年1月30日起开始发售,作为金属加工用激光加工机的光源将取得进一步发展。

   另外,(株)岛津公司和大阪大学于2018年1月30日至2月1日在美国旧金山举办“Photonics West 2018”,并展出此次成功实现产品化的高功率/高功率蓝色半导体激光器。

图2 通过高功率/高亮度蓝色半导体打印机进行3D打印的纯铜样品(左)
和原始3D模型(右)。照片左侧样品的下半部分埋在铜粉中。

2.此次实现产品化的高功率/高亮度蓝色半导体激光器特征

【1】实现领先世界的输出功率和亮度
通过合成许多激光器元件的光线并将其集中在纤芯直径为100μm的细纤维上,获得了世界最高等级的高功率(100W)和高亮度(1.3×106W/cm2)。通常,完全熔化金属表面至少需要1.0×106W/cm2的亮度,本激光器产生的亮度超过该数值,从而使通过蓝色半导体激光器进行真正的金属激光加工成为可能。本产品有望被用作热传导焊接(照射激光对表面进行熔融)、激光打标、3D打印机的堆叠式光源。

【2】作为光源的高应用可能性
将多个波长450nm的蓝色半导体激光元件发出的光收集并传送到一条光纤上,可以灵活地环绕100W的蓝色半导体激光器。另外,采用独有精密焊接方法进行焊接的结构,光源尺寸为H88mm×W430mm×D420mm(光纤除外)、结构紧凑,容易组装到其他设备。激光器的输出功率可以通过个人计算机进行控制,可以执行连续输出到最高达10kHz的变频驱动。以最少的输入热量加工金属,降低加工部周围的影响,预期可以在较小的热变性区域进行高品质且高效率的加工,从而有助于进一步缩短加工时间,并降低功耗。

【术语解说】

※1

 

蓝色半导体激光器
发射波长400nm~460nm蓝色光的半导体激光。

※2

 

NEDO项目
高亮度和高功率下一代激光器技术开发/下一代激光器和加工共同基础技术开发/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年度~2020年度(计划))

※3

 

世界首台
2017年10月24日NEDO新闻发布“开发出世界首台通过蓝色半导体激光器的高亮度堆叠纯铜的3D打印机”当时资讯。
http://www.nedo.go.jp/news/press/AA5_100864.html

※4

 

同比传统蓝色半导体激光器产品输出功率和亮度提升5倍
与(株)岛津制作所的蓝色半导体激光器“BLUE IMPACT”20W模型的对比。

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