為何藍光光學整形挑戰巨大？又當如何創新突破？

喬娟? ?炬光科技激光光學事業部柱面透鏡產品線總監

李勇? ?炬光科技汽車事業部副總經理、激光光學事業部業務與戰略副總經理

藍光半導體激光器的應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，在材料加工工業應用 (如切割、焊接)中具有顯著優勢。在全球節能環保的大趨勢下，許多新能源領域的顯著發展直接驅動了藍光激光的應用，例如電動汽車、鋰電池、光伏系統以及風能設備的生產制造中，都會大量使用銅等高反金屬。這些新應用開拓了藍光激光技術的廣闊市場。

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

在雕刻及切割領域，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圖案雕刻；在醫療應用中，藍光激光手術設備可用于前列腺增生治療，其更低功率的產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；藍光在激光顯示應用中也有顯著優勢，具有色域廣、壽命長、環保、節能等優點，能使顯示效果、色彩及清晰度達到極致；在激光照明應用方面，激光照明光源使用了藍光激發熒光體來產生白光，能夠實現更高的功率密度、更遠的照射距離，可應用于激光大燈、遠程探照等領域。

藍光半導體激光器典型應用

1. 藍光半導體激光器光學整形面臨的技術挑戰

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

??常用光學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元件溫升，導致光學元件尺寸發生變化，進而影響產品光學性能。同時，光學元件的溫升可能會影響固定光學元件的膠水性能與可靠性，進而影響藍光激光系統的光學性能與可靠性；

??藍光光學設計需要考慮到藍光激光器的多樣化應用場景與封裝形式；

??藍光光學元件的鍍膜存在新的挑戰。

根據應用方向的不同，需利用聚焦、準直、擴束或勻化等不同光學整形方法滿足應用對光子能量的需求

2. 藍光半導體激光器光學整形解決方案

制定合適的藍光整形方案，需從光學材料的選擇、微光學設計、光學鍍膜設計等三方面考量。

a. 光學材料的選擇

在針對藍光半導體激光器應用選取光學元器件材料時，除了常見的硬度、折射率等參數外，需要特別考慮到藍光波段透過率帶來的挑戰。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。過高的吸收率會導致溫升和熱透鏡效應，導致微透鏡產品尺寸變化，進而影響產品光學性能；微光學透鏡的溫升也可能會影響膠水性能，降低系統的可靠性。

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用。然而熔融石英的轉化溫度可達1600度，并不適合用熱模壓等非球面透鏡常見光學工藝進行光學加工。炬光科技特有的晶圓級同步結構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，現已成熟應用于熔融石英微光學元器件的大批量生產，廣泛應用于近紅光半導體激光器整形、泛半導體制程光場勻化器等領域。

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的常見光學材料，導致光學設計中存在局限性。雖然可以考慮通過雙凸透鏡等光學設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構化制造工藝可以用來加工幾乎任何無毒的光學玻璃，包括適合紅外以及深紫外應用的氟化鈣、氟化鎂、甚至是硅和鍺等材料。因此，在熔融石英之外，炬光科技經過兩年的研發探索，驗證和導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構化制造工藝的光學材料（材料代號FL-Blue）。炬光科技基于此材料發布了Blue FAC 250、Blue FAC 300、Blue FAC 380、Blue FAC 600系列快軸準直器（FAC）產品，已向全球頭部藍光客戶小批量供應相應的藍光光學元器件。

不同的光學整形應用選擇合適的光學材料

b.微光學設計

有了合適的光學材料，還需合適的光學設計來定義藍光應用的光學器件，以匹配藍光激光的多樣化應用場景。

藍光半導體激光器通常有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和不同的應用場景，需要進行針對性的設計以滿足應用需求。

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

對稱&不對稱面型結構（左上、右上）,集成12個透鏡的單個微光學器件（左下）,由兩個元件構成，集成40個透鏡的微光學組件（右下）

炬光科技300mm x 300mm晶圓級同步結構化制造工藝

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

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

c.光學鍍膜設計

選定了合適的材料及確定光學設計之后，藍光激光光學元器件產品還需要進行光學鍍膜。炬光科技擁有具備20年以上鍍膜經驗的專家團隊，采用先進的膜層設計及表征技術、開發出應用于復雜嚴苛場景的光學薄膜，并進行經濟性大批量鍍膜生產，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，也可根據不同產品的應用需求，為客戶開發定制膜系。除常規鍍膜光譜監控和附著力測試外，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境可靠性實驗，確保薄膜能夠長期穩定使用以及量產一致性。

炬光科技鍍膜設備

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、高可靠性的光學元器件。憑借 30 年的微光學設計和制備經驗，可實現精準調控光子，將光束整形成具有特定形狀、功率密度和光強分布的光斑，從而針對特定應用達到最佳優化效果。炬光科技運用全球領先的晶圓級同步結構化技術，可基于最大300mm x 300mm的微光學晶圓進行微光學透鏡批量生產，月產能超過300萬只，實現低成本、超大批量生產制造。

炬光科技自成立以來，始終專注光子技術基礎元器件及相關應用產品的研究和開發，積極拓展創新應用領域。炬光科技通過技術創新、卓越運營和快速響應，成為全球可信賴的光子應用解決方案提供商！

作者簡介

喬娟，炬光科技激光光學事業部柱面透鏡產品線總監。德國柏林洪堡大學理學碩士，自2012年起加入炬光科技，曾擔任海外銷售經理、市場部高級經理、半導體激光事業部產品線總監等職位。

李勇，炬光科技汽車事業部副總經理、激光光學事業部業務與戰略副總經理。曾任公司海外銷售負責人、開放式半導體激光器事業部負責人、汽車激光雷達發射模組戰略項目負責人。2021年榮獲Laser Focus World光電行業新星獎Rising Star。