国产光纤激光器有哪些新的应用增长点?

文 / 史伟,天津大学精密仪器与光电子工程学院教授、博士生导师

激光技术是影响全球未来发展的关键技术之一,目前与激光相关的产品和服务已经遍布全球,形成了丰富庞大的激光产业。产业链上游主要包括光学材料及元器件;中游则是各种激光器、激光装备及其配套设备;下游主要包括激光应用产品(各类型各功率激光器)、消费产品、仪器设备、加工服务等为主。

激光器作为激光产业链的核心,在高速发展的同时也将拉动产业链上下游相关板块。那么,国产光纤激光器目前的产业现状如何?未来又将出现哪些新的产业应用?

No.1

光纤激光器的工业应用

目前,光纤激光器已经广泛应用到海洋装备、汽车制造、航空航天、生物医学、科学领域、半导体制造、新能源等领域,基本涵盖了所有的制造领域。

在工业领域,按照输出功率可将光纤激光器划分为三类:低功率光纤激光器、中功率光纤激光器和高功率光纤激光器。

其中,高功率光纤激光器又分为:

  • 连续的大功率光纤激光器,主要应用于激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光3D打印等领域。
  • 纳秒脉冲光纤激光器,主要应用在雕刻和打标。随着纳秒光纤激光器脉冲和能量的提高,目前也已经广泛应用在激光清洗领域。激光清洗是一种环保高效的材料表面处理技术,对本体材料的保护具有可控性。精细加工领域,超快光纤激光器应用也较多,在市场方面和紫外激光器也在竞争。
  • 高功率/高能量单频窄线宽光纤激光器,主要应用在相干探测市场,如雷达、传感、陀螺、量子通信等领域。

No.2

国内外光纤激光器的技术对比

1)关键参数指标

输出功率和光束质量是光纤激光器在工业应用时的重要参考指标。而光纤激光器的关键参数指标,则以工业应用效果为评价标准。

输出功率:连续激光器核心指标,直接决定应用效果;输出功率越高,则对应的加工能力越强;

脉冲能量:是脉冲激光器(打标、清洗等应用)的核心指标,脉冲能量越高,则实用效果越佳;

BPP:该值越小,对应的光束质量越优,亮度越高,加工能力越强;

脉冲宽度:脉宽越窄对应的峰值功率越高,一定限度内效果越好。

2)国内外光纤激光器技术对比

以连续光纤激光器来看,国外单模光纤激光器工业级可达到20 kW量级;多模光纤激光器的工业产品基本可达到500 kW。

在中低功率光纤激光器方面,国内外的技术水平基本没有太大差距,国内单模光纤激光器研究级可达到10 kW以上,工业级可达到4-5 kW;多模光纤激光器也达到了35 kW。但是高功率光纤激光器领域中,产品的技术水平和稳定性与国外进口产品相比仍有一定距离,需要向国外学习。

而纳秒脉冲光纤激光器,从国内外几家公司的发展情况来看,差别不是太明显。美国IPG的脉冲光纤激光器可以达到5000 W以上,脉冲能量在100 mJ;而我国基本上在1000 W以上,脉冲能量在30-50 mJ,差距正在逐渐缩小。

No.3

国产光纤激光器的产业发展现状

全球的激光市场和工业激光市场正在逐年扩大。而在全球激光市场中,中国激光器市场份额占比最大,占据全球的主导地位。

工业加工是激光器的重要应用领域。工业加工及光刻在整个激光器应用领域的占比大约是45%左右。而光纤激光器已成为工业市场的最佳选择,在工业激光器市场的占比超过了50%。

近5年,光纤激光器市场增长迅速,虽然近两年增速有所放缓,但其市场从2015年的29.55亿元快速增长到2019年的82.6亿元。

根据光电汇光子产业研究中心《2020中国激光产业发展报告》的数据显示,IPG占中国光纤激光器市场销售份额中首位,其次是国产激光器代表锐科激光、创鑫激光、杰普特等,国产激光器市场份额进一步扩大。同时我们也应看到,以IPG、恩耐、相干等为代表的国外企业市场份额虽然有一定缩减,其总和仍占据了50%以上的市场份额。但总体来说,国内企业发展速度还是相当的快。

从中国光纤激光器的出货量来看,已从2013年的1.3万台增至2018年的12.6万台,但增速逐年递减。其中,国产1.5 kW以上的光纤激光器由2013年的5台增加至2018年的2000台,国产化率由几乎为0增加至34.5%。2019年国产高功率光纤激光器台数进一步增加,国产化率已经超过了50%。

中功率光纤激光器,从百瓦量级到1.5 kW这个范围,国产中功率光纤激光器由2013年的200台增加至2018年的1.25万台,国产化率超过了55%。100 W以下的激光器,多数为纳秒脉冲的光纤激光器,这一类的国产激光器基本占统治地位,国产化率达到98%以上。

No.4

关键器件的国产化进程

国内光纤激光器的发展和成本控制,主要取决于关键器件能否自主可控。实现对光纤激光器国产化,主要有三大要素:抽运源、腔镜、增益介质;另外还有一些器件,半导体激光器、合束器及光栅、有源光纤、光纤的隔离输出头和端帽等。

半导体激光器的发展非常快,比如北京凯普林是国内较早批量提供光纤激光器抽运源的公司,现在已经有山东华光、长光华芯、江苏华兴激光、深圳星汉、江苏天元等多家可以提供优质抽运源的国产公司。封装已完全国产化,芯片也已少量国产化,但还需继续努力。

合束器及光栅的供应商有国内的朗光科技、莱特尔、光库科技等,工业级器件已部分国产化。

稀土掺杂的高质量光纤国内供应商则有武汉睿芯、烽火锐光、长飞公司、江苏亨通等,工业级光纤已部分实现国产化。

光纤的隔离输出头和端帽供应商,国内有光库科技、福晶科技、光越科技等企业,这部分器件已完全国产化。

No.5

国产光纤激光器的发展趋势

分析那些国内外发展比较好的光纤激光器企业,比如IPG,它的发展优势很明显,有自己的创新技术,资源整合能力强,市场开发和制造能力强。而对于国内光纤激光器企业来说,想要长足发展,以下几点很重要:

首先是优势产业的垂直整合。现在一提产业发展,就会提到产业链、生态链。有条件的公司将会做一些垂直产业链的整合,从器件到整机再到应用,整合优势产业,完善产业链,降低成本,提高竞争力,但一定要整合有技术含量和门槛的链条。目前针对整个激光产业链,从芯片到后端应用都需要大量的光电同仁去做相关的工作。

其次是拓展现有应用领域。对传统机型进行应用拓展,开拓全新应用领域,发现新的增长点。

第三是发展高端应用。提高输出指标,探索全新机型,并致力于其应用领域的高端化,提升技术附加值。

我们可以看到,国家对激光制造投入了大量的人力财力以及政策支持,无论是智能制造还是十三五、十四五计划,国家重点项目在激光产业都有布局。未来,光纤激光器的工业应用前景将会更具潜力。

总的来说,随着光纤激光器在工业加工领域的应用范围不断扩展,从技术和产业方向,光纤激光器还将朝着以下方向发展:

  • 光纤激光器将以高功率、窄线宽、高能量、短脉宽、高光束质量、新波段为发展方向;
  • 光纤激光器核心器件国产化是大势所趋。无论是卡脖子技术,还是降低成本需要,国产化都是迫在眉睫;
  • 智能激光制造、激光清洗等应用领域将引领光纤激光器市场的新增长。

封面来源:Gizmag

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