藍光半導(dǎo)體激光器光學(xué)整形面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

為何藍光光學(xué)整形挑戰(zhàn)巨大？

又當(dāng)如何創(chuàng)新突破？

藍光半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用在近幾年得到了廣泛拓展，與常見的近紅外激光（750~1100 nm）相比，波長位于400~500 nm波段的藍光擁有對銅等高反金屬的高吸收率（前者的5~10倍），是理想的高反金屬加工光源，在材料加工工業(yè)應(yīng)用 (如切割、焊接)中具有顯著優(yōu)勢。在全球節(jié)能環(huán)保的大趨勢下，許多新能源領(lǐng)域的顯著發(fā)展直接驅(qū)動了藍光激光的應(yīng)用，例如電動汽車、鋰電池、光伏系統(tǒng)以及風(fēng)能設(shè)備的生產(chǎn)制造中，都會大量使用銅等高反金屬。這些新應(yīng)用開拓了藍光激光技術(shù)的廣闊市場。

隨著藍光激光器的功率逐步提升、成本進一步降低，各種應(yīng)用場景不斷豐富，市場對于藍光半導(dǎo)體激光器的需求空前高漲，帶來了更多藍光激光的創(chuàng)新應(yīng)用。例如在藍光雕刻、醫(yī)療、顯示及照明等領(lǐng)域，藍光激光目前也備受市場矚目。

在雕刻及切割領(lǐng)域，藍光雕刻機價格不高，既能商用，也可廣泛家用，在金屬、食物、木材、塑料等材料上均能實現(xiàn)圖案雕刻；在醫(yī)療應(yīng)用中，藍光激光手術(shù)設(shè)備可用于前列腺增生治療，其更低功率的產(chǎn)品可用于耳鼻喉及消化道等疾病的治療；藍光3D打印可以用于人體假肢的制作；藍光在激光顯示應(yīng)用中也有顯著優(yōu)勢，具有色域廣、壽命長、環(huán)保、節(jié)能等優(yōu)點，能使顯示效果、色彩及清晰度達到極致；在激光照明應(yīng)用方面，激光照明光源使用了藍光激發(fā)熒光體來產(chǎn)生白光，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的功率密度、更遠的照射距離，可應(yīng)用于激光大燈、遠程探照等領(lǐng)域。

藍光半導(dǎo)體激光器典型應(yīng)用

藍光半導(dǎo)體激光器光學(xué)整形面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)

和近紅外半導(dǎo)體激光器類似，藍光半導(dǎo)體激光器也需要匹配適合的光學(xué)整形方案才能使其發(fā)出的光子能量得到高效應(yīng)用。藍光光學(xué)整形作為新興領(lǐng)域，相較于紅外光光學(xué)整形，在光學(xué)整形方面面臨新的挑戰(zhàn)：

常用光學(xué)材料對藍光波段的吸收率高于近紅外波段。材料對激光的過多吸收會加劇光學(xué)元件溫升，導(dǎo)致光學(xué)元件尺寸發(fā)生變化，進而影響產(chǎn)品光學(xué)性能。同時，光學(xué)元件的溫升可能會影響固定光學(xué)元件的膠水性能與可靠性，進而影響藍光激光系統(tǒng)的光學(xué)性能與可靠性；

藍光光學(xué)設(shè)計需要考慮到藍光激光器的多樣化應(yīng)用場景與封裝形式；

藍光光學(xué)元件的鍍膜存在新的挑戰(zhàn)。

根據(jù)應(yīng)用方向的不同，需利用聚焦、準(zhǔn)直、擴束或勻化等不同光學(xué)整形方法滿足應(yīng)用對光子能量的需求

藍光半導(dǎo)體激光器光學(xué)整形解決方案

制定合適的藍光整形方案，需從光學(xué)材料的選擇、微光學(xué)設(shè)計、光學(xué)鍍膜設(shè)計等三方面考量。

1. 光學(xué)材料的選擇

在針對藍光半導(dǎo)體激光器應(yīng)用選取光學(xué)元器件材料時，除了常見的硬度、折射率等參數(shù)外，需要特別考慮到藍光波段透過率帶來的挑戰(zhàn)。常見的微透鏡玻璃材料（例如S-TIH53等）對近紅外波段有良好的透過率（>99.5%），但對于藍光波段則透過率較低（S-TIH53僅為75%~95%），吸收率較高。過高的吸收率會導(dǎo)致溫升和熱透鏡效應(yīng)，導(dǎo)致微透鏡產(chǎn)品尺寸變化，進而影響產(chǎn)品光學(xué)性能；微光學(xué)透鏡的溫升也可能會影響膠水性能，降低系統(tǒng)的可靠性。

從材料角度來看，熔融石英是非常理想的藍光光學(xué)器件原材料，對藍光波段的高透過率（>99.5%）使得它天然適合高功率藍光激光器應(yīng)用。然而熔融石英的轉(zhuǎn)化溫度可達1600度，并不適合用熱模壓等非球面透鏡常見光學(xué)工藝進行光學(xué)加工。炬光科技特有的晶圓級同步結(jié)構(gòu)化制造工藝解決了這一問題，在加工過程中不需要加熱融化熔融石英，現(xiàn)已成熟應(yīng)用于熔融石英微光學(xué)元器件的大批量生產(chǎn)，廣泛應(yīng)用于近紅光半導(dǎo)體激光器整形、***UV波段勻化器等領(lǐng)域。

另一方面，熔融石英的折射率僅為1.46左右，低于S-TIH53等折射率1.8的常見光學(xué)材料，導(dǎo)致光學(xué)設(shè)計中存在局限性。雖然可以考慮通過雙凸透鏡等光學(xué)設(shè)計來進行折射率補償，但會顯著增加成本，對于高折射率需求的情形并非理想的選擇。炬光科技的晶圓級同步結(jié)構(gòu)化制造工藝可以用來加工幾乎任何無毒的光學(xué)玻璃，包括適合紅外以及深紫外應(yīng)用的氟化鈣、氟化鎂、甚至是硅和鍺等材料。因此，在熔融石英之外，炬光科技經(jīng)過兩年的研發(fā)探索，驗證和導(dǎo)入了藍光波段吸收率低（透過率>99%），折射率較高（n >1.7），且適用于晶圓級同步結(jié)構(gòu)化制造工藝的光學(xué)材料（材料代號FL-Blue）。炬光科技基于此材料發(fā)布了Blue FAC 250、Blue FAC 300、Blue FAC 380、Blue FAC 600系列快軸準(zhǔn)直器（FAC）產(chǎn)品，已向全球頭部藍光客戶小批量供應(yīng)相應(yīng)的藍光光學(xué)元器件。

為不同的光學(xué)整形應(yīng)用選擇合適的光學(xué)材料

2. 微光學(xué)設(shè)計

有了合適的光學(xué)材料，還需合適的光學(xué)設(shè)計來定義藍光應(yīng)用的光學(xué)器件，以匹配藍光激光的多樣化應(yīng)用場景。

藍光半導(dǎo)體激光器通常有CoS封裝單管、TO-can封裝單管、陣列芯片（巴條）等不同形式，針對不同的藍光光源形態(tài)和不同的應(yīng)用場景，需要進行針對性的設(shè)計以滿足應(yīng)用需求。

在炬光科技，各種微光學(xué)面型結(jié)構(gòu)，例如非球柱面、拋物線、自由曲面等面型結(jié)構(gòu)都可以使用晶圓級同步結(jié)構(gòu)化制造工藝來加工實現(xiàn)。通過雙面微光學(xué)的高精度加工制備，還可以在微小尺寸的光學(xué)產(chǎn)品上實現(xiàn)多個透鏡的一體化集成。

對稱&不對稱面型結(jié)構(gòu)（左上、右上）

集成12個透鏡的單個微光學(xué)器件（左下）

由兩個元件構(gòu)成，集成40個透鏡的微光學(xué)組件（右下）

炬光科技300mm x 300mm晶圓級同步結(jié)構(gòu)化制造工藝

在進行光學(xué)設(shè)計時，還需同時考慮光的折射和衍射效應(yīng)。炬光科技采用光線追蹤算法和波動光學(xué)理論來進行光學(xué)模擬仿真，同時運用自行開發(fā)的波動光學(xué)模擬軟件，對衍射效應(yīng)進行充分模擬。

炬光科技已經(jīng)基于FL Blue材料、熔融石英等不同材料設(shè)計并發(fā)布了多款高性能藍光激光光學(xué)元器件產(chǎn)品，例如藍光快軸準(zhǔn)直器（FAC）、藍光彎月形慢軸準(zhǔn)直器（SAC）、一體化光束準(zhǔn)直器和光纖耦合器、 熔融石英微透鏡陣列、熔融石英光束轉(zhuǎn)換器（BTS）等。

3. 光學(xué)鍍膜設(shè)計

選定了合適的材料及確定光學(xué)設(shè)計之后，藍光激光光學(xué)元器件產(chǎn)品還需要進行光學(xué)鍍膜。炬光科技擁有具備20年以上鍍膜經(jīng)驗的專家團隊，采用先進的膜層設(shè)計及表征技術(shù)、開發(fā)出應(yīng)用于復(fù)雜嚴(yán)苛場景的光學(xué)薄膜，并進行經(jīng)濟性大批量鍍膜生產(chǎn)，可鍍制膜系覆蓋增透膜、高反膜、超低反、濾波、分光等多種類型，也可根據(jù)不同產(chǎn)品的應(yīng)用需求，為客戶開發(fā)定制膜系。除常規(guī)鍍膜光譜監(jiān)控和附著力測試外，炬光科技的薄膜表征能力還包括激光損傷閾值、薄膜弱吸收、溫升測試以及各種環(huán)境可靠性實驗，確保薄膜能夠長期穩(wěn)定使用以及量產(chǎn)一致性。

炬光科技鍍膜設(shè)備

炬光科技典型藍光鍍膜曲線

炬光科技為藍光整形提供一系列高性能、高可靠性的光學(xué)元器件。憑借 30 年的微光學(xué)設(shè)計和制備經(jīng)驗，可實現(xiàn)精準(zhǔn)調(diào)控光子，將光束整形成具有特定形狀、功率密度和光強分布的光斑，從而針對特定應(yīng)用達到最佳優(yōu)化效果。炬光科技運用全球領(lǐng)先的晶圓級同步結(jié)構(gòu)化技術(shù)，可基于最大300mm x 300mm的微光學(xué)晶圓進行微光學(xué)透鏡批量生產(chǎn)，月產(chǎn)能超過300萬只，實現(xiàn)低成本、超大批量生產(chǎn)制造。

炬光科技自成立以來，始終專注光子技術(shù)基礎(chǔ)元器件及相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品的研究和開發(fā)，積極拓展創(chuàng)新應(yīng)用領(lǐng)域。炬光科技通過技術(shù)創(chuàng)新、卓越制造和快速響應(yīng)，成為全球可信賴的光子應(yīng)用解決方案提供商！

作者簡介

喬娟，炬光科技激光光學(xué)事業(yè)部柱面透鏡產(chǎn)品線總監(jiān)。德國柏林洪堡大學(xué)理學(xué)碩士，自2012年起加入炬光科技，曾擔(dān)任海外銷售經(jīng)理、市場部高級經(jīng)理、半導(dǎo)體激光事業(yè)部產(chǎn)品線總監(jiān)等職位。

李勇，炬光科技汽車事業(yè)部副總經(jīng)理、激光光學(xué)事業(yè)部業(yè)務(wù)與戰(zhàn)略副總經(jīng)理。曾任公司海外銷售負責(zé)人、開放式半導(dǎo)體激光器事業(yè)部負責(zé)人、汽車激光雷達發(fā)射模組戰(zhàn)略項目負責(zé)人。2021年榮獲Laser Focus World光電行業(yè)新星獎Rising Star。

審核編輯：彭菁