国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

高功率激光器技術與產業(yè)發(fā)展概述

2022-07-19 09:43王玉
新材料產業(yè) 2022年2期
關鍵詞:高功率激光器光纖

王玉

高功率激光器廣泛應用于制造加工、醫(yī)療診治、軍事國防等領域,是當今世界戰(zhàn)略高科技競爭的重要方向之一。在面向2035年推進制造業(yè)高質量發(fā)展、建設制造強國的國家戰(zhàn)略背景下,高功率激光器將在引領先進制造業(yè)發(fā)展、推動工業(yè)智能化進程、促進經濟產業(yè)升級和我國建設創(chuàng)新型國家以及提升國際產業(yè)競爭力中發(fā)揮重要作用。

1 高功率激光器的定義和分類

1.1 高功率激光器的定義

激光器是激光發(fā)生的裝置,高功率激光器利用激光束與物質相互作用的特性,廣泛用于工業(yè)、醫(yī)療和前沿科研領域(區(qū)別于通信領域和顯示領域)。高功率激光器主要由泵浦源、增益介質、諧振腔等3部分組成。其中,泵浦源是激光器的能量供給源,增益介質是吸收泵浦源提供的能量來實現粒子數反轉并產生光受激輻射放大作用的物質體系,諧振腔是通過光束的來回反射以實現激光頻率及方向選擇,并多次經過增益介質,實現功率的放大(如圖1所示)。

1.2 高功率激光器的分類

高功率激光器依照增益介質的不同,可分為氣體激光器、半導體激光器、光纖激光器和固體激光器等。氣體激光器是最早實現應用的激光器,但是由于體積較大、維護困難等缺點,雖然在光刻等領域仍具有不可取代的地位,但近年來我國氣體激光器的市場規(guī)模占比已經低于5%,不再是主流激光器,因此本文重點對半導體激光器、光纖激光器和固體激光器進行介紹。

1.2.1 半導體激光器

半導體激光器也可以稱作“直接半導體激光器”,是用多個半導體激光芯片(激光二極管,LD),通過合束直接進行功率放大從而實現工業(yè)應用(見圖2)。半導體激光器以電作為泵浦源,以半導體材料作為增益介質,通過電光轉換實現激光的激射,最后將多束激光耦合進光纖以實現高功率激光的輸出。半導體材料通常采用摻雜III—V族化合物,如砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)、氮化鎵(GaN)等。GaAs和InP材料可以實現紅光波段激光激射、GaN可以覆蓋比較寬的波長范圍,實現紅光和藍綠紫波段的激光激射。半導體激光器與其他激光器相比,具有電光轉換效率高(超過50%)、工作壽命長(超過10萬h)、能夠直接電調制、易于集成、體積小、結構緊湊等優(yōu)點。高功率(千瓦級)半導體激光器主要應用于淬火、熔覆等加工場景。另外,百瓦級半導體激光器主要用作光纖激光器和固體激光器的泵浦源。

1.2.2 光纖激光器

光纖激光器主要由泵浦源、增益介質、光纖光柵、合束器等光學器件共同組成,并在電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的驅動和控制下實現激光輸出(見圖3)。其中,泵浦源采用半導體激光器、增益介質采用摻稀土元素的玻璃光纖。光纖激光器的輸出波長主要由摻雜的稀土元素所決定,例如,摻鐿(Yb3+)玻璃光纖輸出1064nm波段的激光、摻鉺(Er3+)玻璃光纖輸出1 310nm或1 550nm波段的激光??傮w上看,光纖激光器輸出的激光主要是在紅光波段。光纖激光器具有柔性傳輸、結構簡單、維護運營成本低等特點,在工業(yè)界得到了非常廣泛的實際應用。連續(xù)光纖激光器具有高平均功率的特點,被廣泛應用于厚金屬材料的切割、焊接等宏觀加工領域;脈沖光纖激光器主要用于固體激光器的種子源。

1.2.3 固體激光器

固體激光器以摻入了具有能產生受激輻射作用的金屬離子的晶體基質為增益介質。晶體基質主要包括人工晶體(如紅寶石、釔鋁石榴石等)、玻璃(主要是優(yōu)質硅酸鹽光學玻璃)2大類。固體激光器的主要結構包括泵浦源、種子源、放大模塊(含增益介質)、頻率變換模塊(含非線性晶體)、調制模塊(以實現脈沖激光)等部分。固體激光器泵浦源有氙燈、碘鎢燈、半導體激光器等,目前常以半導體激光器(LD)為泵浦源(見圖4)。

相較脈沖型光纖激光器,固體激光器是實現超強超快脈沖激光的主要激光器類型,可通過倍頻晶體將紅外光轉換為綠光、紫外光及深紫外光等短波長激光并輸出,熱效應較低,能量利用效率高。固體激光器總體具有短波長(紫外、深紫外)、短脈寬(皮秒、納秒)、高峰值功率的特點,能夠實現“冷加工”,可以應用于加工精度小于20μm的高精度微加工場景(加工精度可達納米級),如薄性、脆性等金屬和非金屬材料的打孔、切割等。目前,市場上主流的精密器件分板和流水線上切割使用的都是固體激光器。

1.3 高功率激光器的產業(yè)鏈條

高功率激光器的產業(yè)鏈上游主要包括光學材料及元器件,中游主要為各種激光器及其配套裝置與設備,下游則以激光應用產品、激光制造裝備、消費產品、儀器設備為主(見圖5)。

2 高功率激光器技術及產業(yè)現狀

2.1 半導體激光器

高端半導體激光芯片核心技術水平與國際仍有差距。目前我國紅光LD的輸出功率可達幾十瓦并實現規(guī)?;慨a,與國際水平相當。但在藍光LD方面,我國距離國際最好水平尚有一定差距。德國歐司朗、日本日亞都可以實現最高5W的藍光LD量產;我國蘇州納米所可以實現2~3W的小批量生產,但是良率和壽命仍有較大差距。國際上藍光LD的最高輸出功率已突破10W,但是相關關鍵技術和工藝仍然處于保密狀態(tài);近一年來,國內多家單位實現了突破,廈門大學與三安光電(廈門)聯合攻關取得了8.04W的輸出功率,蘇州納米所實現了7.5W的輸出功率,中科院半導體所實現了6W的輸出功率。由于半導體激光芯片在整個激光器領域中的核心地位(銷售額占激光器總收入的40%以上),目前國內外研究機構和企業(yè)正在持續(xù)致力于高功率、高質量半導體激光芯片的研發(fā)。

半導體激光器方面,國際上主要以德國Laserline、DILAS、美國N U B U R U等龍頭企業(yè)代表業(yè)內的技術水平。德國Laserline輸出功率45 000W的紅光半導體激光器和2 000W的藍光半導體激光器是目前國際最高水平。由于我國起步較晚,從事高功率半導體激光器研發(fā)生產的企業(yè)較少,代表企業(yè)有北京凱普林激光科技有限公司(以下簡稱“凱普林”)、深圳聯贏激光股份有限公司等,凱普林可以實現國內最好水平:20 000W的紅光半導體激光器和1 000W藍光半導體激光器。目前,半導體激光器在各領域的滲透率較低,國內外積極提高半導體激光器的功率和光束質量、拓寬半導體激光器的波長范圍,進而拓展其在工業(yè)加工領域的應用。半導體激光器在我國工業(yè)激光器中的占比已經穩(wěn)步從2016年的11%,增長至2020年的18%。

2.2 光纖激光器

光纖激光器是我國目前主流應用的工業(yè)激光器,2020年光纖激光器在我國工業(yè)激光器占比已達到67%,市場銷售總額超過94.2億元。國內激光器企業(yè)以光纖激光器廠商為主,主要集中在深圳、武漢等地區(qū)。近年來,光纖激光器的功率有了快速提升。功率指標基本可以實現與國際并跑:2021年12月10日,由武漢銳科光纖激光技術股份有限公司(以下簡稱“武漢銳科”)與南華大學聯合研制的國內首臺100kW光纖激光器及其配套設備正式投入使用,該輸出功率直逼美國IPG公司120kW的輸出功率。

目前,我國已經基本完成了中低功率激光器的國產化替代,但是高功率光纖激光器專用的特種光纖、光柵等核心材料和器件仍需外購,限制了我國高功率光纖激光器的發(fā)展。特種光纖方面,美國IPG公司、Nufern公司、英國SPI公司先后掌握了輸出功率達萬瓦級的摻Yb3+雙包層單纖光纖制備技術,我國目前僅能生產6kW以下的特種光纖,主要供應商有長飛光纖、武漢睿芯特種光纖有限責任公司等,研發(fā)機構有北京大學、北京工業(yè)大學。光纖光柵方面,加拿大TeraXion公司的光纖光柵產品可承受功率超過3kW,中科院上海光機所研制的光纖光柵承受功率目前僅達到1kW,與國際水平還有巨大差距。國際上光纖激光器龍頭企業(yè)可以實現核心器件的全部自產,如美國IPG、德國通快;或是通過收購,保證上游核心器件的供應,如美國相干公司、恩耐公司。國內代表企業(yè)如武漢銳科、深圳創(chuàng)鑫激光股份有限公司等,但都尚未實現核心器件的自供。

2.3 固體激光器

固體激光器領域的主要廠商為德國通快、美國理波、美國相干、美國IPG、法國AMPLITUDE等,占據了較高的市場份額。國內起步相對較晚,規(guī)模型企業(yè)相對較少,技術水平與國外差距明顯,目前尚沒有以固體激光器為主要業(yè)務的上市公司。整體來說,固體激光器功率不斷攀升,激光脈沖寬度不斷縮小,單脈沖能量不斷提高。隨著高端裝備、航天航空等戰(zhàn)略領域超精超微加工場景的不斷涌現,固體激光器的戰(zhàn)略地位日益凸顯。目前一些高端固體激光器被國外壟斷,對我國進行技術封鎖,甚至其器件還處于禁售禁運狀態(tài),直接影響了我國高端制造業(yè)的發(fā)展。例如,單脈沖能量大于4J用于激光強化的大能量激光器被明確列入2021年美國商務部商業(yè)管制清單。因此,高端固體激光器的國產化成為我國當前亟需解決的關鍵核心問題。

2.4 高功率激光器產業(yè)格局

2.4.1 高功率激光器產業(yè)鏈出現垂直整合跡象

激光加工設備企業(yè)通過收購激光器企業(yè)進行產業(yè)鏈垂直整合,向上游進軍,降低生產成本。國際上,2019年1月,美國MKS收購美國激光微加工公司ESI,獲得ESI在激光材料微加工方面的系統(tǒng)專業(yè)知識和技術支持;2019年6月,美國相干收購德國增材制造系統(tǒng)制造商OR Laser,以拓展增材制造市場;2019年10月,美國Thorlabs收購了KMLabs的Y—Fi產品線,壯大了高平均功率、高重頻飛秒激光器等產品的技術力量;2019年11月,恩耐收購Nutronics公司,拓展高能激光系統(tǒng)業(yè)務。

國內企業(yè)也積極進行布局,2020年6月,凱普林在德國美因茨成立了歐洲研發(fā)中心“BWT Laser Europe”,旨在融合德國激光技術,提升研發(fā)能力。2020年,武漢銳科大幅提升上游關鍵材料與器件的國產化與自產化比例,并且收購國神光電科技(上海)有限公司增補超快激光器板塊,拓展下游應用。

2.4.2 國際龍頭企業(yè)加速布局中國市場

隨著中國制造業(yè)的不斷進步,新的激光應用場景不斷涌現,國際巨頭紛紛加速布局中國市場,以期在未來占領一定的市場份額。2019年3月,美國Ⅱ—Ⅵ公司在蘇州成立了激光加工服務中心,旨在提供更好的中文技術支持加快備件周轉,以擴大中國市場。2020年4月,通快集團旗下2家全資子公司SPI和通快(中國)簽訂了《合并協議》,雙方整合優(yōu)勢資源,不斷推出更為完美的光纖激光器,為中國客戶提供更具競爭優(yōu)勢的工業(yè)激光解決方案。2020年10月,瑞士百超公司全資收購深圳迪能激光設備有限公司,旨在更好補充百超公司的激光切割系統(tǒng)和解決方案。

2.4.3 國內企業(yè)加速產能擴充

大族激光華東區(qū)域總部基地選址于江蘇省張家港保稅區(qū),項目產品以高功率激光裝備、激光及自動化配套設備等高端智能制造裝備為主,預計項目建成后產能將達到大族激光總產能的60%~70%,有望成為世界一流的激光產業(yè)基地。凱普林光電投資近3億元在天津高新區(qū)搭建高功率光纖耦合半導體激光器自動化生產基地,旨在加大高性能高功率激光器自主研發(fā)力度,實現核心技術的自主可控并持續(xù)提升國際競爭力。

3 機遇與挑戰(zhàn)

3.1 高功率激光器市場發(fā)展前景良好

我國工業(yè)發(fā)展正處在轉型與升級的關鍵階段,大力發(fā)展以微納制造、超精密制造為代表的尖端制造技術是推進制造業(yè)轉型升級的重要舉措,隨著應用市場的快速擴大,激光治療、激光診斷等新場景不斷涌現,精密加工場景持續(xù)拓展,市場潛力巨大。

3.2 國際產業(yè)形勢加速激光器國產化進程

由于中美貿易摩擦,中美兩國之間的貿易額下降,并且通過產業(yè)鏈影響到日本、韓國、歐盟等多個國家和地區(qū)。目前激光設備上游核心材料與器件如長壽命高質量半導體激光器、特種光纖、光纖光柵、鈦寶石晶體等被國外壟斷,高端激光器和激光設備對國內禁運。國內研究機構和企業(yè)正在通過自主研發(fā),打破國際壟斷,加速實現激光核心材料與器件、高端激光器及設備的國產化替代,擁有完全自主的知識產權。

3.3 高功率激光器工程化技術水平仍有待提高

我國激光器工程化技術起步較晚,高功率激光器在系統(tǒng)設計、光機電一體化、長期工作穩(wěn)定性以及生產調試工藝等方面仍與國際領先水平存在一定差距。在激光器與設備的聯合使用或在現有儀器設備、產線上進行高功率激光器的二次開發(fā)等方面經驗不足。此外,激光器使用過程中相關的數控、反饋等軟件系統(tǒng)仍需要提高與激光器協調運行的適配度。進一步提高我國高功率激光器工程化技術水平才能推動我國高功率激光產業(yè)化的突破式發(fā)展,達到國際先進水平。

4 發(fā)展建議

4.1 重點攻關關鍵技術,保障關鍵材料與器件不受制于人

解決泵浦類半導體激光器產業(yè)化關鍵技術和工藝問題,補齊高性能人工晶體、光纖、光柵、開關等的上游關鍵材料與器件技術短板,實現工程化和產業(yè)化,保證上游關鍵核心材料與器件的自主生產,擺脫進口依賴。

4.2 加強產學研合作,加速高功率激光器國產化進程

聚焦高功率激光器卡脖子問題,鼓勵優(yōu)勢研發(fā)單位積極進行成果轉化,支持優(yōu)秀企業(yè)通過產學研合作實現技術攻關,打通從上游材料與元器件、中游關鍵器件及配套設備到下游應用產業(yè)的高功率激光器全產業(yè)鏈條,加速高功率激光器國產化進程。

4.3 鼓勵國產激光設備上產線,提升國產高功率激光器滲透率

加速實現高性能高功率激光器及激光設備工程化,鼓勵國產激光設備上產線實現國產替代。一方面,建議出臺相關政策牽引、鼓勵激光加工廠商允許國產激光器和設備上線驗證,推動激光設備國產化的進程;另一方面,從研發(fā)環(huán)節(jié)組織上下游聯動發(fā)力,以下游需求為牽引,以實際應用場景為指導,提高激光器及設備與應用場景的適配度,縮短驗證時長,加速激光器國產化進程,大幅提升國產高功率激光器在各應用領域的滲透率。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.02.010

猜你喜歡
高功率激光器光纖
G4FS(1.5T CVVD高功率發(fā)動機)
無線電廣播中高功率微波發(fā)射技術的應用分析
中國特種光纖產業(yè)正銜枚疾走
長飛光纖:中國光通信A+H第一股
光纖與光纖傳感器
二極管激光直接切割鋼板可行性展望
讀編交流
富通G657光纖預制棒項目列入國家火炬計劃