中國激光產業中的那些“卡脖子”技術

來源:光電匯    關鍵詞:激光微孔加工, 超快激光, 飛秒激光技術,    發布時間:2019-06-27

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前有美國商務部將44家中國企業和科研院所列入“未經核實”名單,后有中美貿易戰持續升級,加稅名單出臺,對各行業領域帶來了影響。激光產業屬于高新技術產業,激光作為一種高效加工工具,對于推動中國經濟轉型升級具有不可替代的作用,而缺少核心元器件和關鍵材料是我國當前乃至未來高功率激光光源產業發展的主要瓶頸,高性能半導體激光器芯片大量進口,單芯片功率≥12 W受到禁運。迅速提升我國高功率光纖激光光源技術、關鍵器件、核心原材料的國產化和產業化水平,有助于扭轉我國激光市場整體格局。

 

01主要卡脖子技術

(1)窄線寬波長穩定976nm/15 W半導體激光芯片及萬瓦半導體激光器技術

隨著技術發展,萬瓦級激光器對抽運源芯片的出射功率、亮度及穩定性要求越來越高。976nm波長窄線寬及波長穩定技術可有效降低系統熱管理難度,提高系統耦合效率和光束質量,成為實現萬瓦級激光器核心關鍵技術。

 

我們還需要在以下技術方向努力:

針對高亮度直接半導體激光器及工業萬瓦級激光器對前端抽運源要求,解決新一代激光芯片整體設計及外延制備關鍵核心技術;

 

芯片級波長穩定技術,通過光柵刻寫及二次外延完成內置光柵制備,實現波長穩定,滿足萬瓦級光纖激光器所需抽運源及高亮度直接半導體激光器的應用需求;

 

開展腔面工程技術研究,提升腔面損傷閾值,實現高質量、高損傷閾值的芯片腔面;

 

突破芯片級別的高偏振特性技術。

 

(2)高功率增益光纖及其萬瓦激光器技術

目前國際商用有源光纖通過對光纖的波導、摻雜分布、摻雜工藝,實現了有源光纖在3kW及以上良好的光束質量輸出性能,抑制高功率下模式不穩定性,實現高功率下光纖模式的穩定輸出與高穩定輸出技術是一項關鍵技術。

 

在高功率下,光纖失效最大的原因之一是光纖的包層出現性能退化失效,光致暗化性能如何表征并進行抑制是現有高功率用途有源光纖面臨的難點。在光纖芯徑逐漸增大、功率提高到3kW后,光纖的光致暗化性能測量以及通過材料手段進行抑制是高功率有源光纖的一個核心關鍵技術。需要研制功率輸出大于十萬瓦級的全光纖工業級激光器產品(要求300μm芯徑輸出),溫升曲線低于萬分之五的高品質合束器,高精度光纖拉錐-切割-熔接-涂覆一體化光纖工藝裝備。

 

(3)千瓦級超快(皮秒/飛秒)激光器關鍵技術

超快激光器通常采用主振蕩器/功率放大器結構(MOPA),鎖模超快激光種子源輸出高重頻、低能量的皮秒/飛秒種子脈沖,經過后續放大和一系列處理,得到高功率皮秒/飛秒激光器,攻克超快激光種子源技術、脈沖展寬壓縮及時序控制技術、固體多級多程放大技術、大口徑光纖啁啾脈沖放大技術、碟片高功率放大技術等關鍵技術。

 

(4)極端條件激光先進制造關鍵技術

大厚板、高強鋼、有色金屬材料激光焊接技術,鈦合金、鋁合金,大厚構件材料中壁板變厚度、大曲面,需要深入探討影響多模激光在大厚構件上的焊接加工精度和效率的關鍵因素及物理機制:

 

研究超大型工件現場激光再制造修復技術,可在核電、燃氣輪機、水輪發電機、輪船和冶金、石化、鐵道運輸等領域得到進一步應用;

 

超結構、超材料、超器件激光微納制造技術,近年來超結構在航空航天、納米機器人、功能性微納器件、可植入超精密醫療器械等領域中正發揮日益重大的作用,研究極微量物質乃至分子原子的生長、排布、組裝、改性以及去除過程的精確控制規律,能推動實現激光微納制造微器件高效率、高精度制造。

 

(5)激光增材制造新技術研究

增材制造技術主要利用高能束熱源將粉末或絲材分層沉積到基體上,最終實現原始尺寸恢復或沿成形基面快速成形制造。開發鈦鋁、耐高溫合金、光敏樹脂、細胞等新型3D打印材料,發展微納增材制造、多色材料增材制造、纖維復合材料增材制造等打印設備,突破掃描振鏡、3D打印激光器及控制系統、高速高精導軌、氧/塵/水傳感器等核心部件,拓展3D掃描、創意設計、3D打印制造服務等應用及服務。

 

02激光器仍然是國內激光發展的核心

(1)半導體激光器

作為一種新型光源,以其結構緊湊、光束質量好、壽命長及性能穩定等優勢,可用作光纖激光器、固體激光器抽運源,目前占整個激光領域產品銷售總額的60%。到2023年,預計我國半導體激光產業市場規模將接近300億元。氮化鎵基藍綠光半導體激光器是第三代半導體材料的重要方向。美國TeraDiode公司已開發出一款超高亮度的千瓦量級直接半導體激光器,使輸出光束的光束參量積達到了3.75mm-mrad,在單一中心波長下該激光器的輸出功率達到了2030W。

 

(2)光纖激光器

光纖激光器占全球激光器份額超過50%。粗略統計我國去年光纖激光器的出貨量超過8萬臺。以公司來說,IPG光子仍然占據非常高的市場份額,國內的銳科激光已有超過2萬瓦激光器,海富光子、中科光匯、創鑫激光等也都各有所長。

 

(3)超快激光器

以皮秒與飛秒激光器為代表的超快激光自2003年后開始發展,在過去的10多年中,商用超快激光器的平均功率增加了一百倍,發展重點為千瓦級超快激光器。德國耶拿大學、夫瑯禾費應用光學和精密工程研究所以及Active Fiber Systems等組織機構的研究人員攜手歐盟ELI(Extreme Light Infrastructure)項目構建了一個能提供高達6fs、200W的激光系統,刷新了世界紀錄。以相干、光譜物理、通快、NKT、EKSPLA、Light Conversion、Lumentum、EdgeWave、Amplitude等公司為代表,在超快激光器領域占有全球近90%的市場份額。

 

吉林大學、清華大學、西安交通大學、中科院物理所/光機所等都在大力推進超快激光科研;華日激光、安揚激光、武漢虹拓新技術、卓鐳激光等國內企業也在大力推進產業化。2018年全球超快激光器產值超過8億美元,未來三年還會出現加快增長,至2020年市場產值可達14億美元。在中國,由消費電子產品加工帶來的超快激光微加工應用需求量會大幅增加。

 

(4)紫外激光器

2018年國內紫外激光器市場快速增長,總銷售數量超過6000臺,同比增長超過70%。除了光譜物理、相干、通快、英諾激光等外國公司占有高端市場,國內品牌也得到長足發展,華日激光、英谷激光、瑞豐恒、道中道激光等企業都得到了良好的增長。紫外激光設備的發展主要表現在打標與精密切割方面,在消費電子器件、FPC板、玻璃、聚合物等應用領域均有不錯的加工效果。

 

以激光器應用的熱門領域來看,激光雷達和激光照明兩個應用市場增長不錯。激光雷達市場增長的主要驅動力來自于無人機、自動駕駛的汽車、機器人、軍事及安全等領域。當前,激光雷達主要有兩種類型:一種是多束激光并排繞軸旋轉360度,每束激光掃描一個平面,但分辨率的下降使車輛行駛中檢測障礙物時易產生盲點,從而帶來安全隱患。另一種是固態激光雷達。該技術以美國Quanergy Systems公司的固態激光雷達傳感器為首,采用相控陣掃描替代機械掃描方式,可以大幅降低生產成本。

 

激光照明的一部分市場是汽車激光照明,主要是汽車頭燈。寶馬、奧迪等知名汽車制造商都采用了激光照明系統。另一部分市場是安全激光照明,如為夜晚環境中騎行的人們提供警示性標識。

 

03激光加工發展趨勢

隨著光纖激光器的技術不斷突破與價格下降,光纖激光切割機呈現良好的增長,尤其是中小功率切割機廣受歡迎,高功率激光切割需求也快速恢復。激光加工向智能化、微細、超大、極端制造方向發展。

 

(1)激光焊接、切割

激光焊接將首先在汽車制造、高速火車和飛機制造、農業機械和造船等領域鋪開,這將是一個未來的增長點。

 

(2)激光清洗

利用高能激光束與工件表面要去除的物質相互作用,發生瞬間蒸發或剝離,無需各種化學清洗劑,綠色無污染。可用于清除油漆、油污、氧化層、清洗螺桿、除銹、清洗焊縫等。激光清洗在微電子、建筑、核電站、汽車制造、醫療、文物保護、鋼鐵除銹和模具去污等領域擁有巨大市場空間。

 

(3)金屬3D打印

金屬3D打印即增材制造,SLM系統的年銷量超過1000臺,其中使用的激光源主要是光纖激光器、CO2激光器和超快光纖激光器,功率范圍30W到1kW以上。3D打印的精細度也越來越高,打印出的精細結構的分辨率已經達到微米量級。

 

(4)激光精密加工和微細加工

隨著中國集成電路的大力發展,用于印刷電路板和消費電子產品微加工系統大幅增長。生物技術和醫療設備領域的應用也給微細加工提供了廣闊的發展空間。中國手機市場的蓬勃發展給平板顯示制造商帶來了巨大的商機,用于制造OLED顯示器的準分子激光器在亞洲市場勢頭強勁。

 

04總結

綜上所述,我國高亮度高功率激光器雖然經過十多年的不斷攻關已取得了一定的成績,但是缺少核心元器件和關鍵材料,是我國當前乃至未來激光光源產業發展的主要瓶頸。

 

(1)打破我國半導體激光器產業“有器無芯”的局面,開發出窄線寬波長穩定的976 nm/15 W應用于高功率半導體抽運源及直接半導體激光器應用的激光芯片;

 

(2)迅速提升我國高功率光纖激光光源技術、關鍵器件、核心原材料的及國產化和產業化水平,扭轉我國激光市場整體格局的必由之路;

 

(3)大力攻克千瓦飛秒激光技術與關鍵核心器件,開發固體多級多層放大技術和碟片激光放大技術,實現核心關鍵器件的國產化,完善超快激光器全產業鏈;

(4)研究超快激光微孔加工、超快激光高效高質量切割以及超快激光鍵合封裝技術,跟蹤顯示產業、微電子產業發展,加強產業鏈配套能力建設。

 

 

 者:唐霞輝 教授 華中科技大學激光加工國家工程研究中心

 

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