揭秘激光加工技術在半導體領域的應用

隨著現在半導體芯片技術和光學技術的發展，半導體激光器的輸出功率不斷提高，光束質量得到明顯改善，在工業領域也獲得了更多應用。現在工業用大功率半導體激光器的輸出功率和光束質量均已超過了燈泵浦YAG激光器，并已接近半導體泵浦YAG激光器。半導體激光器已經逐漸應用于塑料焊接、熔覆與合金化、表面熱處理、金屬焊接等方面，并且也在打標、切割等方面取得了一些應用進展。

（1）激光塑料焊接

半導體激光器的光束為平頂波光束，橫截面光強空間分布比較均勻。與YAG激光器的光束相比，半導體激光器的光束在塑料焊接應用中，可以獲得較好的焊縫一致性和焊接質量，并且能進行寬縫焊接。塑料焊接應用對半導體激光器的功率要求不高，一般為50～700W，光束質量小于100mm/mrad，光斑大小為0.5～5mm。用這種技術焊接不會破壞工件表面，局部加熱降低了塑料零件上的熱應力，能避免破壞嵌入的電子組件，也較好地避免了塑料熔化。通過優化原料和顏料，激光塑料焊接能夠獲得不同的合成顏色。目前，半導體激光器已經廣泛用于焊接密封容器、電子組件外殼、汽車零件和異種塑料等組件。

（2）激光熔覆與表面熱處理

對耐磨性及耐腐蝕性要求較高的金屬零件進行表面熱處理或局部熔覆，是半導體激光器在加工中的一個重要應用。國際上用于激光熔覆與表面熱處理的半導體激光器的功率為1～6kW，光束質量為100～400mm/mrad，光斑大小為2×2mm2～3×3mm2或1×5mm2。與其他激光器相比，用半導體激光器光束進行熔覆與表面熱處理的優勢在于其電光效率高、材料吸收率高、使用維護費用低、光斑形狀為矩形、光強分布均勻等。目前，半導體激光熔覆與表面熱處理已經廣泛應用于電力、石化、冶金、鋼鐵、機械等工業領域，成為新材料制備、金屬零部件快速直接制造、失效金屬零部件綠色再制造的重要手段之一。

（3）激光金屬焊接

大功率半導體激光器在金屬焊接方面有許多應用，應用范圍從汽車工業精密點焊到生產資料的熱傳導焊接、管道的軸向焊接，其焊縫質量好，無需后序處理。用于薄片金屬焊接的半導體激光器要求其功率為300～3000W，光束質量為 40～150mm/mrad，光斑大小為0.4～1.5mm，焊接材料的厚度為0.1～2.5mm。由于熱量輸入低，零件的扭曲變形保持在最小程度。大功率半導體激光器可進行高速焊接，焊縫光滑美觀，在焊接過程及焊接前后節省勞動力方面具有特殊優勢，非常適合工業焊接的不同需要，它將逐漸取代傳統的焊接方法。

（4）激光打標

激光打標技術是激光加工最大的應用領域之一。目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半導體泵浦激光器。但是隨著半導體激光器光束質量的改善，半導體激光器打標機已開始應用于打標領域。德國LIMO公司已推出了光束質量達5mm/mrad的50W直接輸出半導體激光器，以及50μm光纖耦合輸出的25W半導體激光器，這已經達到了打標應用對激光器的輸出功率和光束質量的要求。

（5）激光切割

大功率半導體激光在切割領域的應用起步較晚。在德國教育研究部“模塊式半導體激光系統”（MDS）計劃的支持下，德國夫瑯和費研究所于2001年研制出功率為800W的半導體激光切割機，可切割10mm厚的鋼板，切割速度為0.4m/min。