广东省激光行业协会

7月，中国首款具有完全自主知识产权国产大飞机C919在广西正进行常态化试飞，中国空间站重要组成部分问天实验舱将搭载长征五号B遥三火箭发射升空……航空航天领域果实累累。交汇点记者了解到，飞机和火箭的成功研发，位于江苏的南京先进激光技术研究院（简称“南京激光院”）自主研发的精准激光焊接技术功不可没。

“我们主导研究的‘航空航天轻合金大型复杂结构精准激光焊接技术与装备’项目取得了重大突破！”南京激光院“航空航天轻合金大型复杂结构精准激光焊接技术与装备”项目经理唐一峰介绍，目前研发成果“双光束双侧同步焊接技术”成功应用于C919大型客机机身壁板结构、长征五号重型运载火箭框桁式贮箱结构等，为我国航空航天制造水平与全球竞争力的提升做出了重要贡献。

“质量轻”“强度高”，专家解析飞行器结构

C919大型客机的机身壁板结构是什么？长征五号重型运载火箭的框桁式贮箱结构又是什么？为什么C919大型客机和长征五号火箭在制造过程中需要利用精准激光技术？记者咨询了南京激光院的专家。

“C919大型客机的机身壁板结构常被称作‘骨架蒙皮结构’，或‘蒙皮-桁条T型结构’。”唐一峰告诉记者，简单来讲，就是机身壁板内部有长桁条作为骨架支撑连接，外部蒙上一层金属板，形成一个共同作用体系。“这样既能够实现机身结构的轻质，又能够保证机身结构的强度。”他解释。

长征五号重型运载火箭由于拥有壮硕的身躯，被称为“胖五”，起飞重量达878吨。而火箭贮箱犹如一个“大肚子”，占火箭结构重量60%以上，装载为火箭提供助力的推进剂。“‘贮箱’指的就是火箭中部的那个‘筒’。框桁式的贮箱结构由外而内分别由蒙皮、桁条和环形的框组成。”唐一峰说，蒙皮用于承担内部液体燃料的压力，桁条用于承担“筒体”的轴向载荷，从而提高整体结构的承载效率，并降低贮箱自身重量。

“航空航天领域飞行器制造材料的关键要求是质量轻、强度高。”唐一峰介绍，制造飞行器的材料一般是铝合金、镁合金、钛合金以及复合材料等轻质材料，而双光束双侧同步焊接技术能够迎合这类轻质材料的焊接需求。“光是制造材料满足服役强度还不够，还要尽量减少材料的使用。”他补充，“无论是客机的机身壁板结构还是运载火箭的贮箱结构，在结构设计时都会注意这一点。”

双光束焊接实现省成本、减“体重”

“激光焊接是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法，对零件的装配精度要求较高。”唐一峰表示，铝合金、镁合金等轻合金属于激光焊接的高反材料，焊接过程中容易出现气孔和裂纹，焊接后应力大、变形难以控制。“所以飞机机身壁板和火箭框桁式贮箱的焊接难度极高。”

“我们通过双光束双侧同步焊接技术实现了桁条与蒙皮T字型接头的双侧同步焊接。这样既改善了长焊缝的焊接接头变形问题，又提高了它的强度。”唐一峰介绍，相比于航空航天大型复杂壁板舱体制造通常采用的传统铆接工艺，双光束双侧同步焊接技术能够减少壁板5%的结构重量，降低15%的制造成本，并具有气密性好、疲劳性能高、生产效率高、容易实现自动化、柔性化等优点。

“T型接头是空间三维复杂的曲线结构。为了满足这种复杂结构的焊接需求，提高精密度与效率，我们自主开发了离线编程软件，在电脑上模拟机器人的焊接过程，并优化整个激光焊接工作。”唐一峰回忆，正是因为研究人员不断提问、不断改进、一步一个脚印，才取得了航空航天领域精准激光焊接技术的重大突破。“我们攻克了大型龙门的焊接设备双机器人无差别同步协调控制和双侧激光束能量平均分配等难题，最终实现了桁条T型接头的双光束双侧同步焊接。”这项技术还获得了2021年江苏省科学技术奖一等奖。

前景广阔，推动智能制造、钢铁冶金

“相比于以往传统的加工方式，双光束双侧同步焊接技术有两个重要特点：节约材料和提高强度。”唐一峰强调，“这表示双光束双侧同步焊接技术在飞行器制造方面有很大潜力。”他补充，除了应用于飞行器制造领域，激光焊接技术还可以应用于化工领域。“许多化学容器会有T字型结构，利用双侧同步焊接技术就可以提高容器质量。”

“我们使用大型龙门装载了两台可以实现同步协同控制的机器人，这一装备技术推动了智能制造领域的发展；此外，双光束双侧同步焊接技术为钢铁冶金的材料制备方面也提供了宝贵经验。”唐一峰表示，精准激光焊接技术与装备技术的突破将进一步推动江苏航空航天、智能制造、钢铁冶金等产业的发展，为江苏高端智能装备的发展探索出一条新的路径。

据了解，在航空航天领域，南京激光院的科研人员将瞄准轻型合金材质的大型复杂结构间激光焊接的重大机理以及技术装备，进一步围绕飞行器的轻重量、高性能、长使用寿命、高可靠性等重大需求开展研究。“我们希望能够继续推动飞行器制造的减重效果与结构强度。”唐一峰期望。

来源：交汇点发布时间 : 2022-07-19

实测| 异形孔切割不同厚度切割光至GT系列激光器如何实现？

玻璃加工转型

玻璃是非晶无机非金属材料，一般是由多种无机矿物为主要原料，加入少量辅助原料制作而成。玻璃材料凭借造型多变、抗冲击性好、成本可控等诸多优点广泛应用于建筑、汽车、电子等领域。

尽管玻璃材料有许多优点，但是由于它属于脆性材料，加工过程中容易出现裂纹、边缘毛糙等问题。而且不同厚度以及不同应用的玻璃(如光伏玻璃）对加工工艺的要求也有所不同,因此，如何提高玻璃的切割质量成为业内共同的目标。随着激光技术的发展，激光切割也被广泛应用于玻璃加工领域。

普通玻璃光伏玻璃

激光切割优势

传统玻璃切割

切割是玻璃生产和深加工过程中必不可少的基本工序，传统的玻璃切割工艺主要有刀轮切割和CNC研磨切割。刀轮切割的玻璃崩边大、边缘粗糙，加工品质和精度难以保证，后期维护工序多且复杂造成成本增加。CNC较刀轮的精度有所提升，但是速度难以保证。

激光切割

玻璃是热的不良导体，对红外线的吸收率很低，透光率高达93%。常态下用1070nm波长激光切割玻璃基本不能形成加工，红外激光切割玻璃需要高达100kW的峰值功率。超快皮秒激光器早已应用于玻璃切割，但是由于其设备成本极高，目前主要应用于3C、显示等领域，难以大范围推广。

光至科技推出高光束质量、高峰值功率的可调脉宽GT系列激光器用于玻璃切孔，效率高，效果好。相较于普通激光器，具有更短的脉冲宽度、更高的峰值功率和更大的功率密度。高能量密度的高峰值激光作用于玻璃可以迅速破坏玻璃的损伤阈值，达到加工的效果。高峰值功率激光器应用于玻璃切孔具有锥度小、精度高、崩边小、无耗材、免维护等优点，还易于集成适用自动化生产。

激光切孔实测

测试一：采用F-80-GT-10-N3激光器在不同玻璃材料上进行切孔测试。分别在家用普通平板玻璃、光伏玻璃、单面磨砂玻璃、镜面玻璃、彩色玻璃、成型玻璃容器等可透光玻璃上进行圆孔、非圆形孔切割测试。结果表明F-80-GT-10-N3可以适用多种玻璃材料的切孔，且能灵活地设计切割形状，切割后孔内壁干净、基本无粉尘残留，玻璃损伤低，崩边可低至200μm，效率高。

测试二：采用F-80-GT-10-N3对不同厚度普通玻璃进行切孔测试，整理出不同孔径的切割时效以供参考。相比机械钻孔，激光切割具有非常显著的优势。

优选激光器

F-80-GT-10-N3

光至科技GT系列激光器平均功率范围80~200W,可在不同玻璃材质上切孔，最小切割孔径0.5mm，且不受切割形状限制，质量高，速度快。已与多家玻璃加工厂商合作，未来光至科技将不断地加大研发力度，结合商家反馈不断地优化激光器性能，为大家提供更优质的激光器。

来源：光至科技发布时间 : 2022-07-15

孤勇前行还是随波逐流？新进激光切割行业的品牌如何制定战略？

2022年，随着各国重启经济活动，全球正式进入后疫情时代，制造业开始回流，为激光行业带来新的市场驱动力。作为新进入激光切割行业的品牌，要想“乘风逐浪”，必然绕不开战略和文化这两座大山，战略先行，文化发力。今天小编就来与大家一起来谈谈战略。

新进激光切割行业的品牌如何制定战略？小编以为应从四个层面去考量：品牌的整体定位应该选择怎样的战略？品牌的产品战略应如何突破创新？品牌研发战略应该专注哪些方向？销售发力应该选择怎样的战略方向？

整体定位层面：

聚焦垂直化战略

对于新进入激光切割市场的品牌来说，要想“与众不同”，就必须要形成品牌差异化，在整体定位上采取深度垂直化战略，取得一定的话语权。

具体而言，垂直化战略，就是聚焦行业细分领域，依据细分市场的市场痛点，选择某一领域先行突破，重新定义品牌未来布局。

闪鳄激光作为一家刚进入行业的品牌，聚焦金属小管管材加工领域，以为金属家具行业提供智能激光切管机设备入局，积淀品牌底蕴，打造金属小管管材加工领域智能激光切管机领先品牌。

产品层面：

推行大品类战略

中国的工业化进程基本技术，整体经济从增量时代进入到了存量时代。在增量时代，产品层面一直强调的是大单品战略，单品为王，攻坚利器；而现在的存量时代，品牌应着眼时代发展，推行大品类战略。

激光切割行业，大多品牌前期进入都是以机械设备为主，打造产品品牌路线，但这种产品购买频次低、服务周期长，客户不可能随时采购。当下，新品牌要想标新立异，必须先打造大品类、定义品类，让其与品牌保持一致“风向标”，最终以品类才能衍生出具有强大生命周期的大单品。

闪鳄激光深耕细分领域，细分品类布局，以“吸收行业共性，突出品牌特性”为宗旨，强势推出闪电系列明星产品，并以闪电Pro-1抢先布局品类赛道，在市场上获得较好的开端。

研发层面：

坚守专注战略

从这几年的整体态势看，激光切割行业除了头部企业注重研发投入，其他的品牌更重视营销投入。而对于有长远发展规划的品牌来说，研发始终是品牌的灵魂与支撑点，唯有坚持专注路线，在横向或者纵向进行延伸，才能在一定时间内见证创造“奇迹”。

闪鳄激光专注纵向延伸，始终坚守管材切割技术研发，专注解决小管、薄管的3D切割、自动化，提供专业解决方案，以全方位的创新方式来推动管材切割加工应用领域的发展与变革。

销售层面：

开展“圈地运动”战略

激光切割行业的客户大多是B端客户，他们愿意为发展买单。通常来讲，这类客户购买产品更多的是通过圈层之间信息互通。那么，销售的本质实际是获取客户心智资源，让品牌在客户心智中成为某个领域或者是某种价值的代表。

闪鳄激光创新业务开拓方式，亮剑应用行业公关，以全新的销售模式去应对市场竞争。

总而言之，就激光切割行业而言，新品牌的成长之路，任重而道远，随波逐流者比比皆是，唯有乘风破浪、坚守自我者方可有所成就！

来源：西盟科技、闪鳄激光发布时间 : 2022-07-12

【快讯】国防科技大学实现4.5kW、0.33nm近单模窄线宽保偏光纤激光输出

研究背景

高功率窄线宽光纤激光器是光束合成和非线性频率变换等应用领域的重要单纤光源。目前，课题组已经实现了6 kW级非保偏光纤激光输出。然而，相比于非保偏光纤，保偏光纤中的受激布里渊散射（SBS）、受激拉曼散射（SRS）等非线性效应更强，热致模式不稳定（TMI）阈值更低，因此，线偏振窄线宽光纤激光器的功率增长和光束质量保持更加困难。2021年，国内同行报道了3.6 kW线偏振窄线宽近单模光纤激光输出。

图文速览

近期，课题组通过优化TMI抑制技术，近单模保偏光纤激光器的输出功率突破4.5 kW，3 dB线宽为0.33 nm。4.5 kW保偏光纤激光器结构如图1所示，首先，中心波长为1064 nm的线偏振单频激光器通过白噪声相位调制（WNS-PM）形成窄线宽种子，该种子经保偏预放大器（PM-AMPs）后功率提升至约20 W，保偏环形器（PM-Circulator）用来探测后向回光。随后，种子光通过保偏模式匹配器（PM MFA）进入主放大器。主放大器基于双向泵浦结构搭建，976 nm的稳波长泵浦源（LDs）分别通过两个保偏（6+1）×1合束器（PM （6+1）×1 Combiner）注入长度为10 m、纤芯/包层直径为20/400 μm的大模场保偏掺镱光纤（PM YDF），前后两个保偏包层光滤除器（PM CPS）用来滤除系统中的残余包层光。最后，信号激光通过保偏光纤端帽输出（PM QBH）。

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图1 4.5 kW窄线宽线偏振光纤激光器结构示意图

实验结果如图2所示，其中，图2（a）为信号激光和后向回光的功率增长曲线，当注入5238 W的泵浦光时，获得了4515 W的输出激光，斜率效率为87.1%，回光功率近似线性增长，系统中没有发生SBS效应；图2（b）为功率放大过程中的光谱特性，当激光功率为4515 W时，光谱3 dB线宽为0.33 nm，SRS抑制比为48 dB；图2（c）所示的偏振消光比（PER）在功率增长过程中处于14.7 dB和10.3 dB之间，4005 W时的PER为12.5 dB，随后由于后向合束器的热效应，PER出现了下降，最高功率下的PER为10.3 dB，光束质量测量值为M²_x=1.55，M²_y=1.46。

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图2 实验结果图

未来展望

课题组基于主振荡功率放大结构，实现了4.5 kW、0.33 nm近单模线偏振光纤激光器。下一步，将继续优化全保偏光纤激光器中的TMI效应抑制方法和相位调制技术，实现更高功率更窄线宽的激光输出。

来源：强激光与粒子束期刊发布时间 : 2022-07-09

中国科大相干测风激光雷达系统研制取得重大突破

中国科学技术大学地球和空间科学学院教授薛向辉团队在相干测风激光雷达系统研制方面取得重大突破，首次实现空间分辨率3米、时间分辨率0.1秒的风场探测。据悉，这是迄今为止有报道的全球最高精度的风场连续探测。相关成果发表在国际知名光学期刊《光学快报》。

米级-亚秒级分辨率的大气风场探测在航空航天安全、高价值目标保障、数值天气预报等方面具有重大意义，但高时空分辨的连续风场观测对激光雷达仍是一个挑战。比如，为获取3米和0.1秒时空分辨率的风场观测结果，需要将现有激光雷达信号检测灵敏度提高2个数量级以上。

▲ 图 1 3 米距离分辨率相干测风雷达实验装置：(a) 实验装置实物；(b) 白天观测；(c) 夜间观测；(d) 光学系统及电路控制示意图；(e) 连续 5 分钟观测的阵风结构图（时间分辨率为 1 秒）。

为了实现“看的远、看的细，测的快、测的准”的高时空分辨测风激光雷达，团队通过在激光光源、光学收发系统、高速数据采集电路和数据处理算法上对激光雷达进行全面优化，并在时频分析、脉冲编码基础上提出一种新的反演算法，大大提高了风场反演精度和稳健性，最终实现了一套全国产化的“产品级”测试样机。

▲ 图 2 高铁尾流风场结构观测及模拟结果：(a) 雷达观测的 0.1 秒分辨率尾流中风场结构图；(b) 基于 CCM + 模拟的 300km / h 运行列车的尾流风场结构。

据介绍，雷达样机工作波长为1550.1纳米，具有人眼安全、设备轻便（整装设备40公斤）、工作稳定、环境适应性强等特点。

测风激光雷达的封装样机。课题组供图

通过外场对比试验，该雷达样机风场观测结果与定标设备对比误差小于0.5米每秒。

为进一步测试雷达观测性能和环境适应性，团队在安徽省宿州市高铁站实地测量了高速列车尾流中的风场结构。雷达在无人值守下连续稳定工作超过100小时，获得了3米和0.1秒高时空分辨率下的350公里每小时的高铁尾流连续观测，并首次利用激光雷达捕捉到高铁尾流中类似于冯卡门涡街的风场结构，与计算流体力学模拟结果高度一致。

审稿人认为，“观测结果是引人注目和印象深刻的”、“迄今为止首次实现连续观测的高分辨率结果”。

来源：新安晚报发布时间 : 2022-07-08

国玉科技：“激光+智能”打入苹果产业链

6月15日，广东国玉科技股份有限公司总经理张洪鑫接待了一批客人。他们来自联想集团，希望与国玉科技开展长期合作。

激光产品因其高能量、高精度、高方向性的特点，被广泛用于3C产品的框架焊接、精密切割和溯源打标。联想集团苦寻三年，终于找到了符合技术要求的国玉科技。

成立于2015年的国玉科技，走过艰难的创业初期，短短数年就在高手如云的激光设备行业独辟蹊径，成功打入苹果、META、联想等知名企业产业链，迎来业绩高速增长。即便在众多企业感觉生意难做的今年，国玉科技前五个月的营收就达到去年全年水平。

国玉科技总经理张洪鑫（左一）向调研组介绍核心技术产品。/佛山日报见习记者刘公平摄

从苹果供应商拿到“第一桶金”

2015年，在大型激光企业从业多年的张洪鑫准备自主创业，在珠三角各大城市考察一圈后，最终决定将国玉科技落户顺德区北滘镇。

在张洪鑫看来，初创企业最重要的是保持人才队伍稳定。“佛山是岭南文化发源地之一，房价极具性价比，拥有良好的安居置业环境，无疑能让人才安心创新创业。” 张洪鑫说，佛山是制造业大市，在美的集团等龙头企业带动下，北滘形成了完善的制造业产业链和生态体系，有利于让初创企业接触更多客户、开拓更多业务。

万事开头难。张洪鑫至今记得，创业之初不时为下一个月的员工工资发愁。作为主要技术负责人的张洪鑫不得不经常跑市场找订单。

激光切割、激光焊接、激光打标设备领域企业不少，如何才能从激烈市场竞争中脱颖而出？国玉科技看到客户日渐增长的智能化需求，果断跳出单纯做激光设备的小圈圈，立志做工业激光自动化核心解决方案提供商，增加软件与自动化人才，与百度人工智能等合作，开发智能视觉系统、激光智能综合设备。“激光+智能”的精准定位，构筑起企业核心竞争力。

2016年的一天，张洪鑫拿着产品方案去拜访一个苹果公司的供应商。该供应商厂区极大、内部又没有通勤车。他冒着烈日，从大门徒步1.8公里去到采购部办公室，全程汗如雨下。

凭着过硬的技术，国玉科技成功拿到该苹果供应商的供货资格，为企业带来真正意义上的“第一桶金”。看到转过来的款项，张洪鑫终于稍稍松了一口气。

持续创新才能持续领跑

在国玉科技的展厅，有一台目前世界上销售数量最多的VR头盔，带上它可以让人沉浸式体验各种场景。这款设备对于镜片薄膜的制作要求极为严苛，需要如手术刀般精准切割。这没有难倒国玉科技，这款设备的中国代工厂也选用了国玉科技的激光设备。

随着3C电子行业的迅速发展，3C电子产品朝着高度集成和超高精密的方向升级，产品内的组件越来越精细，精密度和电子集成度要求也越来越高。

国玉科技生产的激光焊接机、VR偏光膜激光切割机、光学玻璃切割机等激光自动化设备，解决了3C电子行业制造过程中出现的很多难题。目前，国玉科技的客户包括日腾、富士康、捷普等。

张洪鑫懂得，持续加大技术创新，才能持续领跑。“在实验室里的6套设备，大概就投入了1000多万元。”他介绍，每年国玉科技的科研费用占了营收的5%以上。

半导体也是国玉科技重点布局的领域。国玉科技已经能够提供不同类型的激光设备，应用到半导体制程中，包括MiniLED切割、晶圆分选、芯片检测以及图案化柔性电路板、IC基板和半导体器件加工应用等。

2021年，国玉科技联手合作伙伴运用激光工艺成功研发了第一款三代半导体沉底材料加工设备。

布局新能源电池市场

彰显“舍得之道”

走进国玉科技的生产车间，调研组看到，技术人员正在熟练地操纵着机器人手臂，测试一款氢能电池激光焊接设备。

在新能源电池领域，国玉科技的电池激光焊接系统已被多家知名电池制造商采购，广泛用于电芯外壳、密封钉、软连接、防爆阀和电池模块等焊接。在特斯拉等新能源汽车身上，都有着国玉科技产品的功劳。

国玉科技的技术人员正在测试一款电动车电机的焊接设备。/佛山日报记者吕金生摄

2018年，国玉科技加速切到新能源的赛道上，除了持续深耕锂电池设备，同时还布局其他清洁能源电池设备。

张洪鑫发现，锂电池发展已经有二十多年，市场十分成熟且竞争异常激烈，想抢占这块蛋糕需要投入更大的成本；其他清洁能源方面，例如氢能电池则是战略性新兴产业，还有很大的潜力和空间。

目前，氢能电池主要有石墨双极板和金属双极板两种技术路线。国玉科技坚持创新，不断突破技术瓶颈，如今两种技术路线中的电堆生产都可以采用国玉科技开发的电堆自动绑带焊接机。

正是这种对市场需求与竞争形势的快速分析响应，让国玉科技在近年错综复杂的经济大环境下仍实现逆势增长。今年前五个月的营收已超去年全年，今年全年有望实现50%增长。张洪鑫表示，虽然新能源汽车的购车补贴力度慢慢在退坡，但是市场需求仍在急剧扩大，因此国玉科技对未来发展充满了信心。

国玉科技高管与调研组合影。/佛山日报见习记者刘公平摄

“利舍人聚，名舍品现，己舍玉成；沉得住气，弯得下腰，抬得起头。”在国玉科技的大堂，24个大字熠熠生辉。正是懂得“舍得之道”，国玉科技才能网聚人才，潜心研发，匠心制造，跨过创业死亡谷，迎来发展的春天。

来源：佛山日报发布时间 : 2022-07-06

“卡脖子”技术迎突破，华创鸿度创新研发超快激光器

安徽华创鸿度光电科技有限公司（下文简称华创鸿度）开发120W红外皮秒（输出激光的脉冲宽度在10⁻¹²s）大功率超快固体激光器。目前该激光器已投入量产使用。

创新驱动发展

打破国外技术垄断

华创鸿度称，超快激光加工技术与传统机械加工技术相比，具有热影响区域小、加工精密度高、加工速度快、无噪声、无污染等显著优点，可对形状复杂的精密仪器微小零件进行加工。该公司研发生产的超快固体激光器，在晶圆、显示屏、蓝宝石、太阳能覆膜的切割以及新能源汽车电池原材料加工等领域应用广泛。

图| 安徽华创鸿度公司科研人员正在对大功率皮秒级激光设备进行检测

大功率超快固体激光器是相对中低功率固体激光器而言的，当前阶段业界将功率超过70W的产品定义为大功率超快固体激光器，而该需求则长期依赖进口。

当前激光业界将功率超过70W的产品定义为大功率超快固体激光器，主要板式有三种，“碟片式”“多极棒”和板条式。其中，国外长久垄断“碟片式”技术，而“多级棒”无法实现破百功率输出。华创鸿度历时三年，利用“超高增益板条式集成放大技术”，开发120W红外皮秒大功率超快固体激光器，突破了技术瓶颈，打破了长久以来的国外技术垄断。

加大研发力度

不断提高产品附加值

华创鸿度现有5000平方米的专业研发生产基地，具有满足激光器生产、研发所需的专业洁净车间和工艺测试车间。公司研发团队成员包括毕业于中科大的专业技术人才与中科院专家。

图| 安徽华创鸿度公司科研人员正在对大功率皮秒级激光设备进行检测

近年来，华创鸿度自主研发的StarLight系列工业级超快固体激光器，凭借平均功率高、单脉冲能量大、能满足精细加工需求等特点，有着巨大市场应用前景；MIR系列中红外激光器通过军用标准测试，能应用于高低温和振动环境等场景，在光电对抗、测距、测风等军事领域有广泛应用。截至目前，企业拥有授权专利13件，其中发明专利5件。

2020年，starlight系列大功率产品首次参展上海光博会，开始承接军用激光器项目，集中优势研发力量，同年11月入驻“中国声谷”；2021年，企业入库全国科技型中小企业，同年获“创客中国”安徽省中小企业创新创业大赛企业组二等奖、首届“全球科大人创新创业大赛”百强，通过国家科技部火炬中心“高新技术企业”认定。

来源：庐阳发布、光豆发布时间 : 2022-07-05

用于激光雷达的高性能多结VCSEL芯片的研究

01

背景介绍

近年来，随着激光雷达（LiDAR）技术的发展，VCSEL阵列光源，由于其低制造成本、小温漂系数、易于二维集成的优势，越来越受到激光雷达应用市场的关注。首先，使用特殊的结构和工艺设计，VCSEL阵列可以实现更高的功率密度和更低的发散角，以满足激光雷达长距离应用的发展需求，利用多结VCSEL技术是产品实现更高效率、更高功率密度的关键。其次，使用特殊的结构设计，如优化氧化层的位置、厚度、Al组分，发散角性能可以进一步优化。最后，更高的填充因子意味着更小的芯粒面积，也有利于更高的输出功率密度。考虑到纳秒级的短脉冲测试条件，VCSEL阵列的热积累可以忽略。大的氧化孔径和小的周期尺寸也可以用于提高填充因子。

本文中，通过优化外延结构设计和制造工艺的VCSEL阵列可以实现高功率密度和低发散角。在晶圆级100Hz 10us的宽脉冲测试条件下，VCSEL阵列的能量转换效率峰值高达59.7%，斜率效率高达8.3W/A。另外，在器件级10KHz 10ns短脉冲测试条件下，VCSEL阵列可以实现高于110W的峰值功率输出，对应的功率密度高于1800W/mm2，发散角达到21°。

02

高光束质量的多结VCSEL阵列设计

2.1

应用需求

激光雷达是一种利用激光成像技术进行精准距离量测的技术，被认为是智能驾驶、3D传感等领域最重要的探测技术之一。随着探测距离的增加，点云（Point Cloud）密度随之降低，分辨率也会受到限制。为了实现远距离3D扫屏的重建，就需要具有更高功率密度、更低发散角的高质量激光光束。

设计理念如图1所示。使用纳秒级短脉冲测试，具有小发散角的多结VCSEL阵列为激光雷达的应用提供了一个极佳的平台。基于此理念，我们设计并制造了世界领先的多结VCSEL阵列（5/6/8结），并利用特殊的氧化层和填充因子设计来实现更高功率密度和更低的发散角性能。

图 1. 激光雷达光源探测示意图，左为常规，右为更高功率密度、更小发散角优化结果。

2.2

器件光电性能

2.2.1 效率优化

为了提高能量转换效率（PCE）和斜率效率（SE），通过多个有源区的堆叠，可以增大器件的增益体积。我们的多结结构设计中，利用了低串阻、低吸收的隧道结设计，并利用了外延层厚度精准控制技术实现增益介质与增益光场的对准。6结VCSEL阵列的结构示意图和等效电路图如图2所示。

图 2.6结VCSEL结构示意图和等效电路模型。

2.2.2 发散角优化

对于传统的多结VCSEL阵列，发散角会随着隧道结和量子阱数量的增多而变大。基于文献报道和我们的仿真实验结果，VCSEL阵列的发散角会受到氧化层指标的影响，如位置、厚度、Al组分和数量等因素，如图3所示。图3a给出了传统6结VCSEL的结构示意图，上述氧化层指标影响到“纤芯”（中心区域）和“包层”（氧化区域）的有效折射率差值。另外，引入了不同位置的增益损耗比，基横模和高阶横模的分布位置也会发生变化。尽量扩大基横模的占比，有利于发散角的优化。

图 3.发散角优化机理。（a）传统6结VCSEL的结构图，（b）针对发散角性能的优化结构。

2.2.3 填充分子优化

填充因子定义为总发光窗口面积除以总发光面积。总发光窗口面积取决于每个发光孔的氧化孔径，总发光面积取决于光束阵列的外径。

公式1

其中F是填充因子，r是氧化孔径的半径，N是发光点数量，A_L是总发光面积的长，A_w是总发光面积的宽。

公式2

其中J是电流密度，I_o是工作电流。

从公式1和2可知，对于给定的总发光面积，低的填充因子会导致较高的电流密度，会导致器件工作在高电流密度模式。在此工作模式下，损坏的可能性会增大，影响器件可靠性。第二，高的电流密度，更容易出现增益饱和现象，尽管低于激光雷达的实际工作电流，但是转换效率和斜率效率也会受到影响。第三，高的填充因子，会降低器件串阻，可以为驱动电路板的电压限制提供更大的空间。我们调整氧化孔径的尺寸，台面尺寸和发光阵列的周期，以实现高填充因子的VCSEL阵列版图，如图4c所示。图4中，从a，b到c，填充因子依次分别为27.0%，42.0%和48.8%。

图 4.填充因子优化机理。a）填充因子为27.0%的版图设计，b）填充因子为42.0%的版图设计，c）填充因子为48.8%的版图设计。

2.3

工艺流片

流片工艺如图5所示。

a. GaAs基底上的外延生长。

b. 背面Ti和SiN的应力补偿。P型接触金属被沉积在p+金属层的表面。

c. 干法刻蚀产生台面。

d. 氧化炉管进行氧化工艺。

e. PECVD生长SiN钝化层。

f. ICP-RIE刻蚀形成电流注入通孔。

g. 种子金沉积和金电镀用于电流注入。

h. 研磨抛光衬底后，N型接触金属被沉积在N侧。

图 5.工艺流程图。

03

不同设计的结果讨论

3.1

高效率

我们针对5/6/8结的VCSEL阵列完成流片工艺。图6给出了100Hz 10us脉冲电流驱动下的5/6/8结VCSEL阵列的对比。随着更多结数的设计，斜率效率从4.9W/A，提升到5.9W/A，最终提升到8.3W/A，如图6a所示。最大转换效率从48.7%，提升到56.5%，最终提升到59.7%，如图6b所示。

图6.100Hz 10us脉冲电流驱动下的5/6/8结VCSEL阵列LI和PCE曲线。a）LI曲线，b）PCE曲线。

3.2

低发散角

为了证明基于不同氧化层位置的发散角优化设计，我们增大了波导层厚度，保证氧化层和有源区的光学距离为0.25lambda，0.75lambda，和1.25lambda。如图7所示，使用10kHz 10ns短脉冲测试条件，发散角分别优化至27.9°、26.6°和24.6°。

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图7.短脉冲驱动下不同氧化层位置对发散角的影响。

3.3

高填充因子

针对图4中的a/b/c三种结构，我们进行了5结的VCSEL阵列流片。并根据不同的台面尺寸实现不同的氧化孔径。考虑到给定的VCSEL阵列布局，图8a中给出了8um/10um/12um氧化孔径下的LI曲线。在10kHz 10ns短脉冲测试条件下，使用小的氧化孔径，如8um，由于相对较大的电流密度，斜率效率降低。另外，针对不同填充因子设计的A，B，C结构，其LI曲线如图8b所示。在一定范围内，斜率效率会随着填充因子的提高而提高。

图8.不同填充因子设计的LI性能对比。a）不同氧化孔径尺寸下的LI曲线，b）不同填充因子版图设计A、B、C的LI曲线。

04

高性能8结VCSEL阵列和高量产能力

4.1

优化后8结VCSEL阵列的性能

综合上述优化机理，我们实现了具有高功率密度、高斜率效率、低发散角的8结VCSEL阵列。其性能测试条件为10kHz 10ns短脉冲测试。如图9a所示，15A的驱动电流下，输出总功率为112W，功率密度超过1800W/mm2，转换效率为21%。同时，其远场分布图如图9c所示，发散角性能如图9d所示，小于21°。

图9.8结VCSEL阵列的短脉冲测试性能。a）LIV曲线，b）光谱曲线，c）远场光斑的CCD图像，d）远场光斑强度分布。

考虑到纳秒测试条件，器件的热累积可以忽略。为了研究不同温度下的阵列性能，我们使用了TEC提供从30C到80C的环境温度。10kHz 10ns短脉冲测试中，LI、FF和光谱性能如图10所示。图10a展现了8结VCSEL阵列极高的稳定性。在工作条件15A下，其功率波动范围小于8%，如图10b所示。波长随温度漂移的曲线如图10c所示，系数为0.07nm/C，如图10d所示。

图10. 8结VCSEL阵列的变温性能。a）不同温度下的LI曲线，b）功率随温度变化曲线，c）光谱随温度变化曲线，d）波长漂移与温度关系。

4.2

VCSEL芯片的高量产能力

目标激光雷达产品，图11给出了6吋晶圆上能量转换效率和波长分布的均匀性，显示了苏州长光华芯光电技术股份有限公司6吋生产线极好的量产控制能力。图11a表明，超过95%的器件工作状态下的能量转换效率介于54%和58%之间。图11b表明，超过95%的器件工作状态下的波长分布介于935nm和945nm之间。

图11.6吋晶圆VCSEL阵列的均匀性。a）PCE Map，b）波长Map。

05

总结

本文设计并制造了用于激光雷达应用的高能量密度和低发散角的多结VCSEL阵列，优化后的最大能量转换效率为59.7%，斜率效率8.3W/A。测试条件为100Hz 10us宽脉宽驱动。对于8结VCSEL阵列产品，10kHz 10ns短脉冲驱动15A的工作电流下，其功率密度高达1800W/mm2，发散角小于21°（1/e2）。针对波长、能量密度、发散角和其他主要性能参数，可以随客户需求进行定制服务。

来源：长光华芯发布时间 : 2022-07-04