工业激光器技术现状中游探析

随着激光技术的发展，工业激光器也在不断向前发展，出现了许多新型工业激光器。早期激光加工用激光器主要是大功率CO2激光器和灯泵浦固体YAG激光器。从激光加工技术的发展历史来看，首先出现的激光器是在20世纪70年代中期的封离式CO2激光管，发展至今，已经出现了第五代CO2激光器——扩散冷却型CO2激光器。21世纪初，出现了另外一种新型激光器——半导体激光器。与传统的大功率CO2激光器、YAG固体激光器相比，半导体激光器具有很明显的技术优势，如体积小、重量轻、效率高、能耗小、寿命长以及金属对半导体激光吸收高等优点，随着半导体激光技术的不断发展，以半导体激光器为基础的其他固体激光器，如光纤激光器、半导体泵浦固体激光器、薄片状激光器等的发展也十分迅速。

1.湖北省气体激光器技术现状

湖北省气体激光器的生产企业有9家，主要集中在射频激励CO2激光器、玻璃管CO2激光器、轴快流CO2激光器，横流CO2激光器正在被淘汰。由于受光纤激光器的影响，CO2激光器的市场空间压缩很大，主要集中在非金属材料的加工应用。但随着电子线路和芯片产业的发展，对CO2激光器的需求会得到提升。湖北省的CO2激光器与国际高端产品相比，仍处在中低端技术水平。

湖北省缺少准分子气体激光器和高光束质量、高功率、高峰值功率CO2激光器。

2.湖北省光纤激光器及固体激光器技术现状

武汉锐科光纤激光技术股份有限公司（简称锐科激光）是高功率光纤激光器国内龙头企业，3 kW连续光纤激光器技术已成熟并形成批量生产，100 kW激光器已具备出货能力。完成了特种光纤、光纤器件、半导体激光器等上游产业链的垂直整合，打破了国外发达国家在该领域的技术封锁、价格垄断和部分产品禁运，实现了高功率光纤激光器的国产化和产业化，迫使国外进口的工业光纤激光器大幅度降价，光纤激光器实现由依赖进口向自研、替代进口到出口的转变。

锐科激光攻克了高光束质量万瓦光纤激光功率合束难题。创造了光纤合束器在50μm芯径中输出大于10 kW，光束质量M2＜3的光纤激光产品世界纪录。

锐科激光首创无光致暗化高性能大功率光纤激光技术。提出激光光纤三种新型波导设计和制造方法，包层泵浦光吸收提高50%，非线性阈值提高31%。生产的20/400μm光纤激光输出功率比允许进口的同类产品高50%，25/400μm窄线宽光纤激光输出功率比禁运同类产品高40%。

锐科激光发明高亮度、高功率半导体激光技术。提出非对称大光腔半导体激光芯片生产技术，自主研发了15 W的915 nm和976 nm半导体激光单管芯片，并实现产业化。发明斜面多管芯偏振合束技术，976 nm锁波长半导体激光器在200μm芯径光纤中实现400 W激光输出，比国际同类产品高一倍，并实现规模生产。

2019年，“高光束质量万瓦光纤激光器核心技术及其产业化”项目获湖北省科学技术进步奖特等奖，如图2-3所示。2020年，闫大鹏获全国劳动模范荣誉称号，受邀到北京参加中国共产党建党100周年纪念大会；同年，闫大鹏获湖北省人民政府突出贡献奖，并将奖金200万元全部捐赠华中科技大学，如图2-4所示。

图2-3　“高光束质量万瓦光纤激光器核心技术及其产业化”获湖北省科学技术进步奖特等奖
（2019年）

图2-4　闫大鹏获湖北省人民政府突出贡献奖
（2020年）

锐科激光攻克了高性能大功率光纤激光器规模制造技术，各类光纤激光器生产规模全球第二，中国第一。2020年国内市场占有率达到24.4%，国产激光器市场份额第一。

锐科激光牵头起草的中国第一部光纤激光器行业标准于2016年正式发布，参与编制我国首个激光产品的国际标准。开发出完全自主知识产权的高性能大功率光纤激光器自动或半自动制造生产线。

在中低功率连续光纤激光器方面，锐科激光已实现了全面占领市场；在高功率光纤激光器方面，锐科激光已经与国外进口产品平分秋色。国内激光器性能提高10倍，价格下降10倍，产品的直接应用单位达1600家，其中包括欧美等40多个国家和地区的用户。如图2-5、图2-6、图2-7所示。

图2-5　2020年光纤激光器在华市场销售份额情况

图2-6　光学模块生产线

(www.xing528.com)

图2-7　泵浦源自动制造生产线

锐科激光承担国家工业和信息化部“航天钛合金构件国产高档数控装备与关键制造技术应用示范”（编号2015ZX040022102，国拨经费173.15万元，自筹经费68.06万元）、“大尺寸三维多层面高功率高精度激光焊接装备”（国拨经费202.50万元，自筹经费472.50万元）、国防科技工业局“××发动机进气道/主动冷却结构增材制造示范生产线”（国拨经费1350万元，自筹经费0元）、“大幅面高精度激光选区融化成型装备”（国拨经费545万元，自筹经费1070万元）、“×××航空部件激光加工装备轻量化”（国拨经费2000万元，自筹经费0元）等项目，采用自主生产的高功率光纤激光器，实现了飞机钛合金后机身壁板激光焊接，在中国航空制造技术研究院、中国航天800所、中国科工集团3院31所等单位得到应用；在高强钢高压储气罐、钛合金舵翼、钛合金舱体等航天产品零件中全面应用，大幅度提升了产品的生产效率和合格率。基于自主研发的大功率光纤激光器焊接、切割成套装备，应用于长征系列火箭整流罩切割和燃料储箱焊接，已实现批量制造。如图2-8、图2-9、图2-10所示。

图2-8　长征系列火箭整流罩激光切割、焊接

西安增材制造国家研究院有限公司、西安铂力特公司采用湖北的大功率光纤激光器，应用于航空发动机等复杂部件3D打印，实现了国产高性能大功率光纤激光器在增材制造领域的应用。

图2-9　飞机钛合金后机身壁板激光焊接

图2-10　火箭燃料储箱激光焊接

超快光纤激光器的代表性公司为武汉安扬激光技术股份有限公司，该公司掌握了光纤种子激光源的产生和诊断，高功率、高能量、全光纤、保偏光纤放大器设计及光纤制造，波长转换技术等关键技术和部分生产所需核心技术，结合自己设计制造的保偏增益光纤、光子晶体光纤等核心器件，已成功推出皮秒、飞秒脉冲光纤激光器和超连续谱激光器等系列产品，飞秒光纤激光器平均功率已达1 kW，且开发出能进行超快激光传输的光纤跳线。产品的主要性能及指标均达到或超过国外同等产品水平，填补了国内同类产品的空白。

超快固体激光器的代表性企业为武汉华日精密激光股份有限公司，该公司牵头承担国家重点研发计划项目“工业级皮秒/飞秒激光器关键技术研究及产业化”项目（项目编号2016YFB1102400，国拨经费5118万元，自筹经费8000万元），解决了锁模脉冲动力学过程中的时空稳定性、可靠性，放大过程中寄生震荡和自聚焦的抑制，全光纤飞秒激光器系统优化等问题；攻克了超快激光脉冲展宽压缩及时序控制技术，固体多级多程放大技术，大口径光纤啁啾脉冲放大技术，创新的时空整形及聚焦技术；实现了特种光纤、锁波长半导体激光器泵浦模块、光纤光栅、光隔离器等关键器件国产化；研制出120 W皮秒激光器和40 W飞秒激光器的工程样机；建设了100 W皮秒激光器和35 W飞秒激光器工业化产品线。已形成皮秒红外/紫外/绿光系列工业级皮秒激光器产品，通过CE认证，截至2020年9月，新产品已完成销售456台，获得苹果公司批量订单二百台以上，广泛应用于iPhone、iWatch等产品制程中，产品出口到欧美和日韩等国，进入全球第一梯队，如图2-11所示。

采用薄片激光增益介质是获得高光束质量、大脉冲能量、高平均功率超快激光器的最佳技术方案。目前世界上只有德国拥有该项技术，也只有德国通快（Trumpf）公司具备规模生产薄片激光器的能力。华中科技大学承担了国家重点研发计划战略性国际科技创新合作重点专项——“基于薄片增益介质的系列脉冲激光器合作研发”。通过与俄罗斯合作，解决了高破坏阈值、高导热性、大口径片状有源增益镜制造工艺、发明了共轭双抛物镜多程泵浦模块、引进了俄罗斯声光调制器技术（已实现产业化），攻克了调Q或腔倒空脉冲压缩技术、再生放大技术，采用全国产器件，研制出平均功率100 W、200 W、300 W，峰值功率100 kW，单脉冲能量数十毫焦纳秒脉冲薄片激光器和平均功率100 W、150 W、200 W，峰值功率100 kW，单脉冲能量1毫焦皮秒脉冲薄片激光器等6台工程样机，技术指标国内领先，为系列脉冲薄片激光器的国产化和产业化奠定了技术基础，如图2-12所示。2019年，获科技部火炬中心组织的中国创新创业大赛技术融合专业赛（苏州赛区）二等奖（第2名），如图2-13所示。

图2-11　工业级皮秒/飞秒激光器产品研发成功并批量投产

3.湖北省半导体激光器技术现状

图2-12　“用于薄片激光器的共轭成像多次泵浦技术及基础模块研究”获中国光学工程学会创新技术奖二等奖
（2017年）

图2-13　获科技部火炬中心组织的中国创新创业大赛技术融合专业赛（苏州赛区）二等奖
（2019年）

武汉锐晶激光芯片技术有限公司是湖北省“高功率半导体激光器芯片”的唯一生产企业，该公司在芯片设计、MOCVD外延生长、芯片制作及腔面镀膜等核心技术实现突破，拥有自主知识产权，实现了高功率半导体激光器芯片的国产化配套，项目技术成果达到国际先进水平，产品可替代进口，所研制的915 nm、976 nm等四种型号产品已为武汉锐科激光技术股份有限公司供货，后续推广应用前景广阔，经济效益和社会效益巨大。

基于武汉锐晶激光芯片技术有限公司生产的高功率半导体激光器芯片，武汉锐科激光已推出8 kW光纤耦合输出半导体激光器，光纤芯径1 mm，数值孔径0.22。