"976nm高亮度光纤激光器军工技术产业化之路——市场化,从军工到民用

来源:激光制造商情    关键词:GW激光, 976nm高亮度光纤激光器, 军工,    发布时间:2019-08-26

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摘要:军工产品一般具有定制化、性能参数指标高、研发投入成本高等特性;工业化产品需要恶劣工业应用环境下的长期可靠性和稳定性、高性价比、便于大规模生产。976nm泵浦技术以其高光电转换效率、高能量密度、高整机功率重量比,一直都是高功率激光武器研发的绝对技术方向,以美国IPG、美国Nufern、美国FiberTech、美国nlight和德国Dilas等为代表的光纤激光器和零部件生产厂商也在欧美军工项目的支持下持续引领976nm光纤激光器的技术发展。我国基于976nm泵浦技术的光纤激光器在军工领域基本跟随欧美的技术发展水平,在采购进口零部件为主满足激光器技术发展的同时也通过中科院各研究所、大学、和国企等各方面的努力形成了一定的976nm技术零部件的配套能力。但是由于技术水平的限制,国内工业激光器厂商基本沿袭低功率脉冲激光器的915nm技术路线。IPG自2005年开始就成熟掌握了976nm泵浦技术方案并且进入市场,目前是业内976nm泵浦技术工业化应用最成熟的厂商。nLIGHT 2019年5月深圳激光博览会展出基于976nm泵浦技术方案的万W级光纤激光器。GW激光自从2015年在上海建立生产制造基地就致力于976nm军工技术光纤激光器的产业化。GW已经成功推出基于976nm技术的500W-12,000W工业用光纤激光器,上千台的工业用户的批量使用已经初步验证了976nm技术成熟度,目前基本完成供应链的国产化,为976nm技术在国内的持续产业化奠定了基础。


01、军工技术市场化


市场化是一项在开放的市场中,以市场需求为导向,竞争的优胜劣汰为手段,实现资源充分合理配置,效率最大化目标的机制。


军工技术发明,一般是尖端技术优先应用领域,也是颠覆性创新的汇聚之地,绝大部分以服务国防重大工程为导向。研发周期长,投入成本高,相比于性能指标,研发出的产品在成本考虑上较少。军工技术保密性高,相关的产品、专利、学术文章等公开发布较少,相关技术信息不对称较高,市场上了解到的技术信息亦较少。


民用技术相比而言,产品信息更加开放,面临市场上更多的同类或者类似产品、更多的潜在客户、更大的市场空间和规模、更多同行业竞争对手,产品占据市场需要从产品的性能指标、稳定性、价格、服务、推广宣传等多个角度去获得客户的认可。同时需要不断的提高质量、稳定性、性能,降低成本、维修比例,从而提高利润率。


02、976nm泵浦技术的市场化


军工产品一般具有定制化、性能参数指标要求高、投入成本较高等特点;工业化产品需要稳定性高、使用效果好、价格便宜。976nm泵浦技术路线的市场化需要考虑下面几个因素:继续保持军工的性能参数指标,可靠性及7X24小时的恶劣环境的服役稳定性高,工业化的应用效果好(比如切割断面质量好、焊接结合力高、节能省电等),产品标准化、规模化程度高,器件零部件的供应链的国产化、体系化完善,技术升级降低原材料使用。


01、性能参数优异

掺镱光纤在976nm的吸收率是915nm泵浦波长的3倍以上,976nm泵浦技术方案的单模高功率相比915nm泵浦技术路线,可以实现3-5kW的单模组高功率激光器,3000W以内可现实M2<1.2,同功率单模产品可实现的光束质量更高。同时,相比于国内的915nm泵浦路线的25-30%光电转化效率,976nm泵浦技术路线光电转化效率超过42%,在6kW以上的超高功率激光器节能省电特点及带来的经济性被充分认识并且是各大激光设备商一直追逐的方向。如下表所示,10kW的将会省电近40万元,这将会给终端客户带来巨大的经济效用。


备注:(工业用电假定1元一度,开机时间按照16小时)


02、稳定性高

可靠性及7X24小时的恶劣环境的服役稳定性高。976nm泵浦技术的稳定性的提高经历了一个过程,由于976nm波段的吸收峰较窄:在工作环境温度变化时,泵浦源中心波长的漂移造成增益有源光纤吸收率大幅变化,容易导致光纤激光器整机性能指标波动。传统的军工使用的是微通道进口二级体,冷却效率高,军用使用较为谨慎,使用人员专业性较高,不易发生水路堵塞。工业客户如果采用了普通的自来水及普通水冷机,在使用一段时间后会出现高温报警问题,而工业客户习惯了915nm泵浦路线的较低的水压和自来水的冷却系统。目前GW及合作伙伴国内厂商摈弃了进口的微通道技术,提出了间接冷却方案,除保证泵浦源的稳定工作温度之外,可直接使用纯净水进行冷却,无需专门配备去离子水、离子柱滤芯以及高压水冷机等,同时保证了7X24小时的稳定使用。


03、工业化的应用效果好

在使用效果上,由于其光束质量更高,在切割领域,其切面锥度更小、切割断面纹路更细,同时在薄板材的切割速度更快;在焊接领域,976nm泵浦的单模高斯分布能量密度高,这在锂电池等精密焊接领域拥有着独特的技术优势,其中3000W@20um细光芯的单模输出可满足硅钢片的快速切割、动力电池满足熔深的要求下完成高质量的高速焊接。在超过功率领域,由于单模组功率高,通过激光合束的多模光束质量高,高阶模态光较少,切割断面效果和锥度较好。


04、产品的产品标准化、规模化程度高

通过规模化制造,并且产品型号标准化,产品的原材料采购批量化、固定生产、制造、检测程序并且分解到每一个技术工人可操作可检验的程度,保证了高良品率,提高了产能产量。通过把单模组的1000W/1500W/2000W/3000W变成标准化产品,并且把多模组4000W/6000W/8000W/12000W变成基于单模块的标准化成品,机柜、机械结构件、光学器件、电子电路都成为通用零部件,大大提高了产品批量化生产制造的效率。


05、器件零部件的供应链国产化完善

器件零部件尤其是核心光学器件供应链的国产化直接绝对了技术的市场化程度和产品竞争能力,相比于进口的核心器件,国产的器件成本几乎为进口的一半左右。其中,进口976nm泵浦源的价格接近为国产915nm泵浦源的3倍,占据物料成本一半以上的泵浦源的国产化大大降低了成本。同时摈弃了进口的微通道技术,使用间接冷却方案的泵浦源更是提高了稳定性,保证了7X24小时的稳定使用。976nm泵浦源的国产化以后,976nm泵浦源的单瓦价格和国产915nm泵浦源价格基本持平。正反向合束器,尤其是反向合束器,亦是通过近几年的国产化,目前此器件的国产化加速了产品成本的进一步下降。其他的光学器件亦是在国产化验证进程中,整个供应链都在向着国产化的方向前进。


06、减少原材料使用

976nm单模块相比于同功率915多模块大大减少原材料使用。976nm泵浦技术路线可实现单模单腔3000W,元器件的成本降低较多,相比如多模块的元器件使用对比如下:




我们认为由于性能参数指标好,可靠性及稳定性高,工业化的应用效果好,产品标准化、规模化程度高,器件零部件的供应链的国产化、体系化完善,976nm泵浦技术方案替代915nm泵浦技术是一个趋势,尤其是6kW以上的超高功率产品。未来在2000W以内产品,915nm及976nm泵浦技术方案皆可;3000W单模组产品,目前915nm泵浦技术尚不成熟,976nm泵浦技术方案可以实现,目前GW可实现20um输出,M2<1.2,在动力电池焊接、激光军工应用上具有明显优势;  6kW以上多模产品,节能及高光束质量优势明显,以8kW为例,BPP达到3.5mm.mmrad,国内同行尚且无法做到,30mm碳钢切割纹路细,切割锥度10um以内。


03、国内外976nm泵浦技术方案的厂商情况


IPG成立于1990年,IPG自2005年开始就成熟掌握了976nm泵浦技术方案并且进入市场,此时光纤激光器工业化应用化较为早期,是市场上尾数极少掌握光纤激光器技术的厂家,市场竞争较弱,主要是市场推广和客户接受光纤激光器并且寻找应用场景的阶段。2010年以后,IPG通过不断的技术迭代、产品升级、应用探索、市场推广,目前是业内976nm泵浦技术工业化应用最成熟的厂商。


nLIGHT成立于2000年,最初的业务主要为提供泵浦源模块,其拥有服务于科研军工的业务部门,并且对外提供976nm的泵浦源,在2019年5月深圳激光博览会展出万W级光纤激光器之前,一直采用市场上较为通用的915nm泵浦源,目前nLIGHT为在超高功率激光器探索使用976nm泵浦技术的厂商之一。


国内探索976nm泵浦技术方案是自2012年开始,有厂家开始推出基于976nm波长的DILAS泵浦源作为二级体的光纤激光器,推出800W/1000W光纤激光器,由于一直没有解决温控问题,输出性能的稳定性一直无法达到客户的使用要求。鉴于此厂家技术路线的失败,一段时间内行业内对于976nm泵浦技术的市场化持有较为保守态度,部分甚至认为此技术方案不适合市场化。


GW激光自从2015年在上海建立生产制造基地就致力于976nm军工技术光纤激光器的产业化。GW于2016年推出基于976nm泵浦技术的2000W单模单腔激光器,与2017年推出基于976nm泵浦技术的3000W单模单腔激光器,局时,此单模单腔功率为业内首创,国内同行仍旧处于基于915nm泵浦的1000W,部分在尝试1500W,国际上仅有极少数同行在尝试2000W的单模单腔产品。但是此产品市场的推广难度较大,一方面,泵浦源、合束器及其他主要光学器件均采用进口而且采购数量少,导致价格居高不下;另外一方面,单模单腔的能量密度过高,国产激光切割头无法匹配,而一般需要匹配进口的承受多模功率超过6kW的切割头及对应的高压水冷机等;此外,单模高功率的应用技术尚在推广早期,部分切割工艺尚未完全开发,在厚板切割上并未体现与同功率多模组相同的效果,因此,客户尚不能完全接受并且推广至终端用户。2018年以后,产品竞争进一步加剧,降低成本的要求尤为迫切,因此国内同行开始逐渐推出单模组2000W甚至单模3000W的激光器,部分已经将2000W单模激光器成熟应用于工业加工中。截至目前,GW已经成功推出基于976nm技术的500W-3000W工业用单模激光器及4000W-12,000W工业用多模光纤激光器,上千台的工业用户的批量使用已经初步验证了976nm技术完全可以满足工业应用更严格的可靠性要求,而且在这个过程中通过和国内合作伙伴的持续努力,已经基本完成供应链的国产化,为976nm技术在国内的持续产业化奠定了基础。


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文稿/光惠激光