高功率直驅式半導體雷射之發展

工研院雷射中心 宋育誠技術副理、蘇信嘉工程師、張耀文、林士廷副經理

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(Compound Annual Growth Rate, CAGR) 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 edium) 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。



文章轉載自工業技術研究院機械工業雜誌