一、雷射技术背景

雷射技术，自20世纪中叶诞生以来，已成为现代科技的基石之一，其发展背景丰富而深远。 1960年，第一台雷射的问世标志著一个新时代的开启，梅曼利用红宝石晶体成功产生了相干光，这种新型光源具有前所未有的单色性、相干性和方向性，为科学研究和技术应用开启了新天地。进入21世纪后，随著半导体泵浦技术、光纤雷射技术和超快雷射技术的发展，雷射技术迎来了新的飞跃。半导体泵浦技术提高了雷射的电光转换效率，降低了制造成本。光纤雷射以其高功率、高稳定性和紧凑的结构设计，成为工业加工的优选。超快雷射器则以其超短脉冲特性，在微纳加工和生物医学领域展现出巨大潜力。目前，雷射技术正朝著更高功率、更高精度和更广泛应用的方向发展。
随著光纤雷射技术的快速发展，雷射的输出功率、光束品质和电光效率不断提高，为高功率绿光/紫外雷射的研发提供了技术基础。非线性光学倍频技术的发展，使得从红外线光纤雷射转换到绿光雷射成为可能，提高了绿光/紫外雷射的输出功率。在工业加工领域，高功率雷射设备在航空航太、汽车制造、船舶制造等领域的切割、焊接、打标、测量发挥著重要的作用；在医疗应用领域，雷射的精确性和控制能力使其在眼科手术、皮肤治疗和其他医疗程序中已广泛应用。雷射技术已经渗透到日常生活的方方面面，从工业制造到艺术创作，再到科学研究。随著技术的进步，高功率雷射的研发使得雷射在工业加工能力上显著提升。

二、高功率、短波长雷射的应用发展及优势

高功率绿光/紫外雷射的发展备受关注。连续光纤雷射器由於其运转模式连续及其波导式结构的特点，具有输出雷射能量均匀、高增益、高转换效率、可实现超高功率输出、光束品质较好、容易实现单模输出和性能稳定等优点。

雷射与材料相互作用的原理是复杂多样的，不同的雷射参数（如波长、功率、脉冲宽度等）和材料特性会导致不同的相互作用效果。这些交互作用的结果在雷射技术的应用中有著广泛的利用，如材料加工、医疗治疗、科学研究等。图1表示了不同材料对不同波长雷射的吸收率曲线图。可以看出不同材料对不同波长雷射的吸收率曲线不同。加工过程中材料吸收的雷射能量可转换为热能，导致材料局部温度升高。这种热效应在雷射切割、焊接和热处理等过程中非常重要，导致材料相变，如熔化、蒸发或升华。

铜材料是世界上应用最广的金属材料之一，在常温条件下，如图2所示，铜材对1064nm波段的雷射吸收率只有不到5%，而对532nm的绿光的吸收率可以达40%，相当於是近红外线波段雷射的8倍。而铜材大量应用於锂电、微电子等产业，目前工业界使用最多的是1064nm波段的近红外线雷射器，由於铜对1064nm波段雷射吸收率低而会在加工过程中出现效率低、气泡、飞溅等问题，而绿光/紫外雷射用於切割或焊接铜材等材料的效果比近红外线雷射效果好很多。因此实现高功率、高效率的连续绿光输出成为雷射的研究热点之一。


图2表示了几种典型粉末材料对不同波长雷射的吸收率曲线图。可以看出不同材料对不同波长雷射的吸收率曲线不同。加工过程中材料吸收的雷射能量可转换为热能，导致材料局部温度升高。这种热效应在雷射切割、焊接和热处理等过程中非常重要，导致材料相变，如熔化、蒸发或升华。



绿光雷射的一个重要应用是3D列印技术。在金属3D列印领域，绿光雷射可以提高列印质量，实现纯铜材料复杂结构的3D 列印，图3为单模连续绿光光纤雷射纯铜列印分析结果。

使用单模连续绿光光纤雷射作为光源，在列印纯铜方面的应用是一个相对较新的技术领域，它利用了绿光雷射的光束特性来克服传统雷射技术在处理高反射材料时遇到的挑战。由於纯铜对绿光的吸收率远高於对近红外光的吸收率，使得绿光雷射在铜材料的加工上更为有效。另一方面，单模雷射产生的光束具有很高的品质和一致性，这对於精密加工至关重要，尤其是在列印纯铜时，可以确保列印过程的精细度和一致性。


而在短波长雷射的开发中，紫外线（UV）雷射器和蓝光雷射则因其独特的应用特性而备受关注。由於紫外线雷射波长较短，对材料的纯度和光学特性要求极高，目前难以找到能够承受高功率紫外线雷射的材料，市场上出现的超过百瓦的紫外线雷射并不多见。蓝光雷射虽然目前已有制造商实现了千瓦级的功率输出，但在光纤合束前，蓝光雷射需要进行空间合束，这一过程对雷射光束的品质、稳定性和功率分布有严格要求，与光纤雷射器相比，蓝光雷射的光束品质较差，这限制了其在某些精密加工应用中的性能。

三、结语与展望

高功率绿光在铜材精密焊接上有著明显优势，特别在电气控制的IGBT和扁线马达焊接上，具有热影响小，飞溅小，拉力稳定，良率高。除了在铜等高反金属材料焊接上有突出的物理特性优势；还在高精密、高效率铜材料3D列印上，有著巨大的应用潜力。