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光谷企业研制!国内最大单脉冲能量工业级光纤飞秒激光器面世

来源: 长江日报 2023-10-10

  激光也被称为“最快的刀”“最准的尺”,超快激光能在极短时间内获得巨大的单脉冲能量和极高的峰值功率,在晶圆、显示屏、蓝宝石、太阳能覆膜的切割以及新能源汽车电池原材料等高精度加工领域大有作为。

  超快激光技术最早来自欧美国家,在这一细分赛道上,已经聚集了多个老牌选手。中国企业作为后发者,凭借一股钻劲,正不断抢占技术高点。

  就在本月,国内最大单脉冲能量的工业级光纤飞秒激光器面世,它由光谷企业武汉华日精密激光股份有限公司(以下简称“华日激光”)自主研发。今年1月至今,这家国内超快激光龙头企业订单量较去年同期大幅增长,营收保持20%的复合增长。

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  一次加工时间只有十亿分之一秒

  在薄如纸片的光伏玻璃上钻孔

  光伏玻璃的加工、锂电池的极耳焊接、全飞秒的近视手术……这些领域往往需要更高的效率、更精细的加工,以及更低的容错率,对激光设备也提出了更高要求。而超快激光,能在极短时间间隔内,将光聚焦到比头发直径还要小的超细微空间区域。

  在华日激光国内规模最大的超快激光器生产线上,一个个纳秒激光器如枕头大小,正陆续下线。在高端激光器研发生产和激光应用领域摸爬滚打多年,如今企业激光器产品线涵盖皮秒、纳秒、飞秒等多个领域。

  华日激光超快激光实验室主任陈少祥打了这样一个比方:纳秒、皮秒、飞秒是极短的时间单位。以纳秒激光器为例,一个脉冲的时域宽度只有十亿分之一秒。

  武汉华日精密激光股份有限公司,激光设备在进行玻璃钻孔

  华日激光自主研制的纳秒532nm波长绿光激光器,能将加工边缘精度提升一个量级。在薄如纸片的玻璃材料上,这把“快刀”能钻出一个个小拇指大小的孔。此前,这一技术仅国外拥有。

  就在今年,这款纳秒激光器与国外产品同台竞技。华日激光营销中心总监敬喜胜介绍,这一纳秒绿光产品玻璃钻孔解决方案,已成功批量应用于光伏玻璃24小时自动化产线,订单不断。

   “对方一口气预订了300台。”敬喜胜说,有客户将华日激光的设备拿到自动化产线上运行了几个月,经验证,跟此前采购的进口激光器性能一样稳定。

  今年以来,在光伏玻璃激光器钻孔领域,企业迅速抢占市场。目前在这一赛道除了进口激光器,国产激光器使用量最大的就是华日激光生产的绿光激光器,市场占有率约为20%。

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  国内最大工业级光纤飞秒激光器面世

  头部激光加工企业递来订单

  在华日激光超快工艺研发实验室,安装有超快激光器的设备,正从一整块玻璃正中间切割下一块直径15厘米的圆形玻璃。玻璃边缘没有普通切割加工易形成的热度,也没有毛刺,整个切割过程不到5秒钟。

  为什么切割面如此光滑还不发热?陈少祥介绍,传统激光是利用光的热效应对材料进行加工,而超快激光采用的超短脉冲激光,可以在极短的时间内释放出超百亿瓦的脉冲,不会对材料表面造成损伤,并且整个加工过程中理论上不产生热。

  工艺人员进行激光玻璃切割做样

  陈少祥举例说,比如称为飞机“心脏”的航空发动机,里面很多关键部件的刻蚀和微小孔的加工,都需要这把“光刀”。“我们的飞秒激光加工,能够实现让航空发动机在超高温及超高压等苛刻条件下,一往无前。”

  早在10年前,国内同类公司的超快激光器产品还都处于实验室阶段时,华日激光就已提前布局,想要取得领先地位。

  2014年,华日激光收购加拿大皮秒激光器公司Attodyne,成为首家成功并购国外超快激光器公司的中国企业。2021年,新加坡南洋理工大学和英国南安普顿大学光电子研究中心光电子专业博士陈少祥,回国加入华日激光,负责研发新型制造领域的核心工具——高功率大能量飞秒激光器,承担重点计划项目“百瓦毫焦飞秒激光器”的研发工作。

  这些年来,华日激光已组建起一支专注于超快激光器的高水平研发团队,夜以继日,陈少祥及更多青年人才正在逐步实现超快激光器核心器件国产化。

  今年7月,陈少祥率队研制的目前国内最大单脉冲能量的工业级光纤飞秒激光器,在第24届中国国际光电博览会上首次亮相,关键器件实现全部自研。产品一经推出,已接到包括激光加工头部企业和一些研究所的订单。

  如今在光谷,华日激光正瞄准国外高功率大能量飞秒工业激光器,力争实现高性能数百瓦数毫焦飞秒激光器的批量生产。与此同时,千瓦飞秒光纤激光器产业化基地正在打造中。

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  发力仅剩一成份额的“小市场”

  瞄准激光科技前沿做大文章

   “不久的将来,我们有望看到更多飞秒激光器的世界级创新成果从华日激光走下产线。”华日激光超快激光实验室博士樊明琦感慨,在整个激光器市场,专攻“至精至微”的超快激光的企业只占一部分,许多人不愿去做,因为壁垒高、研发投入周期长,市场却很小。与华中科技大学、光谷实验室等高校院所的产学研合作,正助力企业在高端飞秒激光器市场更加站稳脚跟。

  2021年,包括光谷实验室在内的首批7个湖北实验室集中揭牌。其中,光谷实验室旗帜鲜明提出,重点推进千瓦飞秒光纤激光与EUV相干光源等4大项目联合科研攻关。

  当年下半年,企业和实验室正式开始“牵手”。实验室派人常驻华日激光,教授专家“随叫随到”,协同攻关一项非线性压缩技术。

  樊明琦博士(左)在产线上调试光路

  樊明琦介绍,这一技术可被形象地理解为汽车上使用的涡轮增压器——通过应用该模块,可在不影响激光器主体输出稳定性与高光束质量的前提下,获得50飞秒、500瓦量级的高功率极窄超快脉冲输出。目前,全球范围内可提供这种极窄超快脉冲输出的激光器生产研发被欧美企业垄断。

  经过两年多的合作,双方携手研发的飞秒激光器非线性压缩模块已具备行业应用条件,即将走向市场——应用这一模块后,华日激光生产的飞秒激光器脉宽可压缩至200飞秒以下、功率超过500瓦,填补了国内空白,具备冲击国际先进水平的潜力。

  颠覆式的创新不止于此。如今,华日激光超快激光实验室联合国内顶尖科研院所团队开发的“OPA飞秒光参量放大器”产品,实现全自主知识产权和全元件国产化,在生物多光子成像、飞秒光谱学、光谱探测等科研领域应用广泛。此前,这一领域全球市场几乎被欧洲一家企业垄断,华日激光就从仅占一成的市场缝隙里“钻了出来”。就在今年,该产品在国内异军突起,订单数较去年增长50%以上。

  去年8月,华日激光荣获国家级专精特新上市后备“金种子”企业称号。而在我国激光产业的发源地光谷,已集聚激光企业300多家,形成完整的激光产业链,企业密度全国领先。

编辑: 袁超伟

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