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"976nm高亮度光纖激光器軍工技術產業化之路——市場化,從軍工到民用

來源:激光制造商情    關鍵詞:GW激光, 976nm高亮度光纖激光器, 軍工,    發布時間:2019-08-26

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摘要:軍工產品一般具有定制化、性能參數指標高、研發投入成本高等特性;工業化產品需要惡劣工業應用環境下的長期可靠性和穩定性、高性價比、便于大規模生產。976nm泵浦技術以其高光電轉換效率、高能量密度、高整機功率重量比,一直都是高功率激光武器研發的絕對技術方向,以美國IPG、美國Nufern、美國FiberTech、美國nlight和德國Dilas等為代表的光纖激光器和零部件生產廠商也在歐美軍工項目的支持下持續引領976nm光纖激光器的技術發展。我國基于976nm泵浦技術的光纖激光器在軍工領域基本跟隨歐美的技術發展水平,在采購進口零部件為主滿足激光器技術發展的同時也通過中科院各研究所、大學、和國企等各方面的努力形成了一定的976nm技術零部件的配套能力。但是由于技術水平的限制,國內工業激光器廠商基本沿襲低功率脈沖激光器的915nm技術路線。IPG自2005年開始就成熟掌握了976nm泵浦技術方案并且進入市場,目前是業內976nm泵浦技術工業化應用最成熟的廠商。nLIGHT 2019年5月深圳激光博覽會展出基于976nm泵浦技術方案的萬W級光纖激光器。GW激光自從2015年在上海建立生產制造基地就致力于976nm軍工技術光纖激光器的產業化。GW已經成功推出基于976nm技術的500W-12,000W工業用光纖激光器,上千臺的工業用戶的批量使用已經初步驗證了976nm技術成熟度,目前基本完成供應鏈的國產化,為976nm技術在國內的持續產業化奠定了基礎。


01、軍工技術市場化


市場化是一項在開放的市場中,以市場需求為導向,競爭的優勝劣汰為手段,實現資源充分合理配置,效率最大化目標的機制。


軍工技術發明,一般是尖端技術優先應用領域,也是顛覆性創新的匯聚之地,絕大部分以服務國防重大工程為導向。研發周期長,投入成本高,相比于性能指標,研發出的產品在成本考慮上較少。軍工技術保密性高,相關的產品、專利、學術文章等公開發布較少,相關技術信息不對稱較高,市場上了解到的技術信息亦較少。


民用技術相比而言,產品信息更加開放,面臨市場上更多的同類或者類似產品、更多的潛在客戶、更大的市場空間和規模、更多同行業競爭對手,產品占據市場需要從產品的性能指標、穩定性、價格、服務、推廣宣傳等多個角度去獲得客戶的認可。同時需要不斷的提高質量、穩定性、性能,降低成本、維修比例,從而提高利潤率。


02、976nm泵浦技術的市場化


軍工產品一般具有定制化、性能參數指標要求高、投入成本較高等特點;工業化產品需要穩定性高、使用效果好、價格便宜。976nm泵浦技術路線的市場化需要考慮下面幾個因素:繼續保持軍工的性能參數指標,可靠性及7X24小時的惡劣環境的服役穩定性高,工業化的應用效果好(比如切割斷面質量好、焊接結合力高、節能省電等),產品標準化、規?;潭雀?,器件零部件的供應鏈的國產化、體系化完善,技術升級降低原材料使用。


01、性能參數優異

摻鐿光纖在976nm的吸收率是915nm泵浦波長的3倍以上,976nm泵浦技術方案的單模高功率相比915nm泵浦技術路線,可以實現3-5kW的單模組高功率激光器,3000W以內可現實M2<1.2,同功率單模產品可實現的光束質量更高。同時,相比于國內的915nm泵浦路線的25-30%光電轉化效率,976nm泵浦技術路線光電轉化效率超過42%,在6kW以上的超高功率激光器節能省電特點及帶來的經濟性被充分認識并且是各大激光設備商一直追逐的方向。如下表所示,10kW的將會省電近40萬元,這將會給終端客戶帶來巨大的經濟效用。


備注:(工業用電假定1元一度,開機時間按照16小時)


02、穩定性高

可靠性及7X24小時的惡劣環境的服役穩定性高。976nm泵浦技術的穩定性的提高經歷了一個過程,由于976nm波段的吸收峰較窄:在工作環境溫度變化時,泵浦源中心波長的漂移造成增益有源光纖吸收率大幅變化,容易導致光纖激光器整機性能指標波動。傳統的軍工使用的是微通道進口二級體,冷卻效率高,軍用使用較為謹慎,使用人員專業性較高,不易發生水路堵塞。工業客戶如果采用了普通的自來水及普通水冷機,在使用一段時間后會出現高溫報警問題,而工業客戶習慣了915nm泵浦路線的較低的水壓和自來水的冷卻系統。目前GW及合作伙伴國內廠商擯棄了進口的微通道技術,提出了間接冷卻方案,除保證泵浦源的穩定工作溫度之外,可直接使用純凈水進行冷卻,無需專門配備去離子水、離子柱濾芯以及高壓水冷機等,同時保證了7X24小時的穩定使用。


03、工業化的應用效果好

在使用效果上,由于其光束質量更高,在切割領域,其切面錐度更小、切割斷面紋路更細,同時在薄板材的切割速度更快;在焊接領域,976nm泵浦的單模高斯分布能量密度高,這在鋰電池等精密焊接領域擁有著獨特的技術優勢,其中3000W@20um細光芯的單模輸出可滿足硅鋼片的快速切割、動力電池滿足熔深的要求下完成高質量的高速焊接。在超過功率領域,由于單模組功率高,通過激光合束的多模光束質量高,高階模態光較少,切割斷面效果和錐度較好。


04、產品的產品標準化、規?;潭雀?/strong>

通過規?;圃?,并且產品型號標準化,產品的原材料采購批量化、固定生產、制造、檢測程序并且分解到每一個技術工人可操作可檢驗的程度,保證了高良品率,提高了產能產量。通過把單模組的1000W/1500W/2000W/3000W變成標準化產品,并且把多模組4000W/6000W/8000W/12000W變成基于單模塊的標準化成品,機柜、機械結構件、光學器件、電子電路都成為通用零部件,大大提高了產品批量化生產制造的效率。


05、器件零部件的供應鏈國產化完善

器件零部件尤其是核心光學器件供應鏈的國產化直接絕對了技術的市場化程度和產品競爭能力,相比于進口的核心器件,國產的器件成本幾乎為進口的一半左右。其中,進口976nm泵浦源的價格接近為國產915nm泵浦源的3倍,占據物料成本一半以上的泵浦源的國產化大大降低了成本。同時擯棄了進口的微通道技術,使用間接冷卻方案的泵浦源更是提高了穩定性,保證了7X24小時的穩定使用。976nm泵浦源的國產化以后,976nm泵浦源的單瓦價格和國產915nm泵浦源價格基本持平。正反向合束器,尤其是反向合束器,亦是通過近幾年的國產化,目前此器件的國產化加速了產品成本的進一步下降。其他的光學器件亦是在國產化驗證進程中,整個供應鏈都在向著國產化的方向前進。


06、減少原材料使用

976nm單模塊相比于同功率915多模塊大大減少原材料使用。976nm泵浦技術路線可實現單模單腔3000W,元器件的成本降低較多,相比如多模塊的元器件使用對比如下:




我們認為由于性能參數指標好,可靠性及穩定性高,工業化的應用效果好,產品標準化、規?;潭雀?,器件零部件的供應鏈的國產化、體系化完善,976nm泵浦技術方案替代915nm泵浦技術是一個趨勢,尤其是6kW以上的超高功率產品。未來在2000W以內產品,915nm及976nm泵浦技術方案皆可;3000W單模組產品,目前915nm泵浦技術尚不成熟,976nm泵浦技術方案可以實現,目前GW可實現20um輸出,M2<1.2,在動力電池焊接、激光軍工應用上具有明顯優勢;  6kW以上多模產品,節能及高光束質量優勢明顯,以8kW為例,BPP達到3.5mm.mmrad,國內同行尚且無法做到,30mm碳鋼切割紋路細,切割錐度10um以內。


03、國內外976nm泵浦技術方案的廠商情況


IPG成立于1990年,IPG自2005年開始就成熟掌握了976nm泵浦技術方案并且進入市場,此時光纖激光器工業化應用化較為早期,是市場上尾數極少掌握光纖激光器技術的廠家,市場競爭較弱,主要是市場推廣和客戶接受光纖激光器并且尋找應用場景的階段。2010年以后,IPG通過不斷的技術迭代、產品升級、應用探索、市場推廣,目前是業內976nm泵浦技術工業化應用最成熟的廠商。


nLIGHT成立于2000年,最初的業務主要為提供泵浦源模塊,其擁有服務于科研軍工的業務部門,并且對外提供976nm的泵浦源,在2019年5月深圳激光博覽會展出萬W級光纖激光器之前,一直采用市場上較為通用的915nm泵浦源,目前nLIGHT為在超高功率激光器探索使用976nm泵浦技術的廠商之一。


國內探索976nm泵浦技術方案是自2012年開始,有廠家開始推出基于976nm波長的DILAS泵浦源作為二級體的光纖激光器,推出800W/1000W光纖激光器,由于一直沒有解決溫控問題,輸出性能的穩定性一直無法達到客戶的使用要求。鑒于此廠家技術路線的失敗,一段時間內行業內對于976nm泵浦技術的市場化持有較為保守態度,部分甚至認為此技術方案不適合市場化。


GW激光自從2015年在上海建立生產制造基地就致力于976nm軍工技術光纖激光器的產業化。GW于2016年推出基于976nm泵浦技術的2000W單模單腔激光器,與2017年推出基于976nm泵浦技術的3000W單模單腔激光器,局時,此單模單腔功率為業內首創,國內同行仍舊處于基于915nm泵浦的1000W,部分在嘗試1500W,國際上僅有極少數同行在嘗試2000W的單模單腔產品。但是此產品市場的推廣難度較大,一方面,泵浦源、合束器及其他主要光學器件均采用進口而且采購數量少,導致價格居高不下;另外一方面,單模單腔的能量密度過高,國產激光切割頭無法匹配,而一般需要匹配進口的承受多模功率超過6kW的切割頭及對應的高壓水冷機等;此外,單模高功率的應用技術尚在推廣早期,部分切割工藝尚未完全開發,在厚板切割上并未體現與同功率多模組相同的效果,因此,客戶尚不能完全接受并且推廣至終端用戶。2018年以后,產品競爭進一步加劇,降低成本的要求尤為迫切,因此國內同行開始逐漸推出單模組2000W甚至單模3000W的激光器,部分已經將2000W單模激光器成熟應用于工業加工中。截至目前,GW已經成功推出基于976nm技術的500W-3000W工業用單模激光器及4000W-12,000W工業用多模光纖激光器,上千臺的工業用戶的批量使用已經初步驗證了976nm技術完全可以滿足工業應用更嚴格的可靠性要求,而且在這個過程中通過和國內合作伙伴的持續努力,已經基本完成供應鏈的國產化,為976nm技術在國內的持續產業化奠定了基礎。


來源:激光制造商情

文稿/光惠激光

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