揭秘激光加工技术在半导体领域的应用

随着现在半导体芯片技术和光学技术的发展，半导体激光器的输出功率不断提高，光束质量得到明显改善，在工业领域也获得了更多应用。现在工业用大功率半导体激光器的输出功率和光束质量均已超过了灯泵浦YAG激光器，并已接近半导体泵浦YAG激光器。半导体激光器已经逐渐应用于塑料焊接、熔覆与合金化、表面热处理、金属焊接等方面，并且也在打标、切割等方面取得了一些应用进展。

（1）激光塑料焊接

半导体激光器的光束为平顶波光束，横截面光强空间分布比较均匀。与YAG激光器的光束相比，半导体激光器的光束在塑料焊接应用中，可以获得较好的焊缝一致性和焊接质量，并且能进行宽缝焊接。塑料焊接应用对半导体激光器的功率要求不高，一般为50～700W，光束质量小于100mm/mrad，光斑大小为0.5～5mm。用这种技术焊接不会破坏工件表面，局部加热降低了塑料零件上的热应力，能避免破坏嵌入的电子组件，也较好地避免了塑料熔化。通过优化原料和颜料，激光塑料焊接能够获得不同的合成颜色。目前，半导体激光器已经广泛用于焊接密封容器、电子组件外壳、汽车零件和异种塑料等组件。

（2）激光熔覆与表面热处理

对耐磨性及耐腐蚀性要求较高的金属零件进行表面热处理或局部熔覆，是半导体激光器在加工中的一个重要应用。国际上用于激光熔覆与表面热处理的半导体激光器的功率为1～6kW，光束质量为100～400mm/mrad，光斑大小为2×2mm2～3×3mm2或1×5mm2。与其他激光器相比，用半导体激光器光束进行熔覆与表面热处理的优势在于其电光效率高、材料吸收率高、使用维护费用低、光斑形状为矩形、光强分布均匀等。目前，半导体激光熔覆与表面热处理已经广泛应用于电力、石化、冶金、钢铁、机械等工业领域，成为新材料制备、金属零部件快速直接制造、失效金属零部件绿色再制造的重要手段之一。

（3）激光金属焊接

大功率半导体激光器在金属焊接方面有许多应用，应用范围从汽车工业精密点焊到生产资料的热传导焊接、管道的轴向焊接，其焊缝质量好，无需后序处理。用于薄片金属焊接的半导体激光器要求其功率为300～3000W，光束质量为 40～150mm/mrad，光斑大小为0.4～1.5mm，焊接材料的厚度为0.1～2.5mm。由于热量输入低，零件的扭曲变形保持在最小程度。大功率半导体激光器可进行高速焊接，焊缝光滑美观，在焊接过程及焊接前后节省劳动力方面具有特殊优势，非常适合工业焊接的不同需要，它将逐渐取代传统的焊接方法。

（4）激光打标

激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。目前使用的激光器有YAG激光器、CO2激光器和半导体泵浦激光器。但是随着半导体激光器光束质量的改善，半导体激光器打标机已开始应用于打标领域。德国LIMO公司已推出了光束质量达5mm/mrad的50W直接输出半导体激光器，以及50μm光纤耦合输出的25W半导体激光器，这已经达到了打标应用对激光器的输出功率和光束质量的要求。

（5）激光切割

大功率半导体激光在切割领域的应用起步较晚。在德国教育研究部“模块式半导体激光系统”（MDS）计划的支持下，德国夫琅和费研究所于2001年研制出功率为800W的半导体激光切割机，可切割10mm厚的钢板，切割速度为0.4m/min。