高功率直驅式半導體雷射之發展

摘要

雷射製造已成為世界上不可抵擋之趨勢，其中金屬切割與銲接工程需求不斷地成長，雷射源技術都對應著不同加工應用來推陳出新，過去從二氧化碳雷射進展到光纖雷射後，研究方向開始探討更有效率的製造方式來因應加工需求。進步至今，直驅式半導體雷射的建構技術已開始逐步發展。時間快速推進，具有40％以上的電光效率和小於4 mm·mrad之光束特性的雷射系統設計中，具備無需復雜的光纖元件熔接與架構簡單之特徵。其證明高品質的直驅式半導體雷射可有效地加工材料，本文將針對過往的高功率雷射製造技術到目前新世代的直驅式半導體雷射進行介紹。

Nothing can stop the trend of laser manufacturing in the world. The demand for metal cutting and welding engineering continues to grow up, the technology of laser source is designed to respond to different applications. Technological evolution from carbon dioxide lasers to fiber lasers in the past. Until now, more research began to explore more efficient manufacturing methods to satisfy applications. And the construction technology of direct diode lasers (DDL) has begun to develop gradually. Time advances quickly, the DDL system is designed with more than 40% electro-optic efficiency and beam characteristics less than 4 mm·mrad and its simple structure does not need complicated fiber optic component fusion. It can prove that high-quality DDL laser system can process materials effectively. This study will introduce the high-power laser manufacturing technology from the past to the current generation of DDL.

關鍵詞(Keywords)

高功率雷射、光纖雷射、直驅式半導體雷射

High power laser, Fiber laser, Direct diode laser

前言

工業雷射應用的至今已被廣泛應用在各領域，如航太、軍事、通訊、科學應用、機械切削、以及3D列印等方面，舉例用於銲接汽車，渦輪葉片上的鑽孔，製造3D零件以及金屬和塑料上做標記，從而使現代製造業發生了革命性變化。根據Laser Focus World (2019/01)的數據顯示，僅材料加工領域的工業用雷射收入就達到50.5億美元，佔總收入約36％。在過去的十年中光纖雷射（製造領域的最新產品）在功率縮放和性能方面取得了驚人的進步，使其成為增長最快的業務，目前估計價值26億美元，其複和年成長率（CAGR, Compound Annual Growth Rate）為6％，而傳統技術的成長卻有所下降。例如二氧化碳（CO2）雷射（CAGR約0％）和泵浦半導體固態（Diode-Pumped Solid-State Laser, DPSS）雷射（CAGR約-4％）。根據市場研究指出的報告，光纖雷射市場在2017年價值18億美元，預計到2025年將達到44億美元，從2018年到2025年的複合年增長率為12％。高功率光纖雷射對滿足現有應用以及新興行業的需求不斷增長佔據主導地位。

在2019年初於Laser Systems Europe (2019/03)：Bright future for fibre lasers一文中點出到目前為止高功率光纖雷射在其當前開發第一階段已提供了足夠的原始功率，為現有設備提供服務應用。但不可避免地導致了一個問題：下一步呢？光纖技術是可控低損耗的波導技術，具備許多不同的屬性，到目前為止仍未得到充分的探索。這些特徵舉例包括：穩定模式下光形多變的空間特徵，或是通過設計不同摻雜比例的增益介質至寬光譜輸出、非線性和多種極化光狀態。光纖雷射工程技術將能提供了多元高效的可能性。這驅使了下一代第二階段高功率光纖雷射開發的機會，在該階段內智慧化的導入、能量穩定、節能電光高效轉換與可易於操控等功能將被強化，打造具有附加功能、自由度高可重新配置參數的光雷射引擎製造工具，先進的加工過程監控介面或相關技術，可滿足新興數位製造時代的要求。有望擴大並轉型傳統工業其應用空間，從而進一步提高功率光纖雷射的市場滲透率。

University of Southampton的Y. Jeong, J. K. Sahu等人於2004年在Optics Express上發表以摻鐿光纖(Ytterbium-doped fiber)作為增益介質產生高功率的作法[1]。目前全光纖式系統在市場上，高功率架構主流設計仍為泵浦(Pump)激發源經過光纖增益介質(Gain Medium)以共振腔形式來回震盪後來達成高功率輸出，其將多個Pump經過一高功率光結合器(Optical Combiner)接著經過一高反射式光纖式光柵將總和的泵浦光通過增益光纖(Gain Fiber)，接著再經過一部分反射的光纖式光柵，以此共振形式增益最後經過石英塊輸出頭QBH(Quartz Block Head)來達成，如圖1所示。無論是上述的光纖雷射共振腔或是主震盪功率放大器(Master Oscillator Power Amplifier, MOPA)的設計都需要增加額外的增益介質與光纖式元件才能達到足夠高質量的光束用於材料加工，而近年來低能損耗與系統節能在雷射產業設計已儼然成為一重要的環節，多餘的光學元件意味著效率轉換的損失與成本增加，也將在未來逐漸普及的關鍵雷射源成本上散失競爭力。

在本文將介紹另一種直驅式半導體雷射源(Direct Diode Laser, DDL)的下世代雷射，方法是直接驅動半導體雷射，將電能直接轉化為光能量輸出，進而減少了複雜的共振腔和反射組件系統光學設計，所以DDL雷射源的電功消耗更低，光電轉化效率更高，因此可有效降低耗電量，大幅降低生產成本。

高功率共振腔技術

過去工研院雷射中心發展高功率大孔徑光纖切割與熔接技術，提升系統內光放大效率及穩定性；並整合自主開發電控硬體及共振腔架構來製作高功率光纖雷射原型系統，產出連續式雷射源輸出功率≥1000 W。目前雷射中心發展近況較成熟的具有不穩定度小於2 %的KW級商用高功率雷射源系統技術。其中處理大孔徑光纖熔接時，需先利用大孔徑切割刀作崩斷式的切割，此步驟需特別注意端面的平整度，若端面出現汙損，極有可能在熔接時出現孔洞(Bubble)，以致光傳導效率不佳，無法進行有效地功率放大，最後極有可能迫使光纖毀損。

圖1 千瓦級高功率共振腔式架構示意圖

如何使大孔徑光纖端面切割平整即為良好的熔接基礎，是高功率光纖雷射系統工程裡重要關鍵技術，加上透過不同光學主被動元件間的異質光纖熔接，精準對位光纖中纖核(Core)及纖衣(Cladding)層之位置，來降低激發泵浦於光纖中的損耗，並控制熔接損耗在0.01 dB以下，將可提升至較高穩定性，並可強化雷射光的放大與傳輸結構，來提升光增益效率。熔接時可經由熔接機上的CCD螢幕確認光纖端面處理的狀況，並可知道熔接完成後的情況，處理後應避面三種情況造成損耗，除了上述提到過的熔接孔洞，其二便是熔接點有頸縮(neck-down)的情況，這是由於放電量太大(放電次數多或時間較長)，有過多的熱傳遞到熔接點上；反之在熔接點上若放電量不足則會有冷熔接(Cold Splice)結構不佳的情況出現。

 光纖式的雷射架構最後輸出有些先天上的優勢，除了整體元件與系統可整合成較小體積以外，在此高功率共振腔上最後的QBH輸出通常使用到較小的光纖直徑(約在20~100 um)，這將使得光纖單位截面積上可以得到很高的功率密度，並且具有較好的光斑質量，舉例在1000 W的雷射功率在直徑50 um的光纖傳輸後輸出，將其功率除以其光纖截面積約可得到5.1×10⁷ W／cm²的功率密度。

雷射製造早已成為世界上不可或缺的趨勢，隨著應用市場需求推動工程技術的進步，每個階段不同功率、波長的雷射產品現身，都對應著不同的加工應用推陳出新，尤其目前高功率半導體雷射的技術逐漸起步發展，促使雷射領域開始探討更有效益與效率的選擇，過去二氧化碳雷射(波長約10 um)在切割高反射金屬塊材的表現因對波長的吸收率關係不如摻鐿光纖雷射(波長約1 um)，再者由於光束品質好，光纖雷射在薄板的切割速度與所使用的功率都來得比二氧化碳雷射來得佳。時間軸快速的推進，M. Reyes等人於2018年發表了一篇關於使用DDL雷射搭配DBS(Dynamic Beam Shaper)光形變化的雷射系統來進行切割的應用與比較[2]。