摘要：軍工產(chǎn)品一般具有定制化、性能參數(shù)指標(biāo)高、研發(fā)投入成本高等特性；工業(yè)化產(chǎn)品需要惡劣工業(yè)應(yīng)用環(huán)境下的長期可靠性和穩(wěn)定性、高性價(jià)比、便于大規(guī)模生產(chǎn)。976nm泵浦技術(shù)以其高光電轉(zhuǎn)換效率、高能量密度、高整機(jī)功率重量比，一直都是高功率激光武器研發(fā)的絕對技術(shù)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(chǎn)廠商也在歐美軍工項(xiàng)目的支持下持續(xù)引領(lǐng)976nm光纖激光器的技術(shù)發(fā)展。我國基于976nm泵浦技術(shù)的光纖激光器在軍工領(lǐng)域基本跟隨歐美的技術(shù)發(fā)展水平，在采購進(jìn)口零部件為主滿足激光器技術(shù)發(fā)展的同時(shí)也通過中科院各研究所、大學(xué)、和國企等各方面的努力形成了一定的976nm技術(shù)零部件的配套能力。但是由于技術(shù)水平的限制，國內(nèi)工業(yè)激光器廠商基本沿襲低功率脈沖激光器的915nm技術(shù)路線。IPG自2005年開始就成熟掌握了976nm泵浦技術(shù)方案并且進(jìn)入市場，目前是業(yè)內(nèi)976nm泵浦技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用最成熟的廠商。nLIGHT 2019年5月深圳激光博覽會(huì)展出基于976nm泵浦技術(shù)方案的萬W級(jí)光纖激光器。GW激光自從2015年在上海建立生產(chǎn)制造基地就致力于976nm軍工技術(shù)光纖激光器的產(chǎn)業(yè)化。GW已經(jīng)成功推出基于976nm技術(shù)的500W-12,000W工業(yè)用光纖激光器，上千臺(tái)的工業(yè)用戶的批量使用已經(jīng)初步驗(yàn)證了976nm技術(shù)成熟度，目前基本完成供應(yīng)鏈的國產(chǎn)化，為976nm技術(shù)在國內(nèi)的持續(xù)產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。
一、軍工技術(shù)市場化
市場化是一項(xiàng)在開放的市場中，以市場需求為導(dǎo)向，競爭的優(yōu)勝劣汰為手段，實(shí)現(xiàn)資源充分合理配置，效率最大化目標(biāo)的機(jī)制。
軍工技術(shù)發(fā)明，一般是尖端技術(shù)優(yōu)先應(yīng)用領(lǐng)域，也是顛覆性創(chuàng)新的匯聚之地，絕大部分以服務(wù)國防重大工程為導(dǎo)向。研發(fā)周期長，投入成本高，相比于性能指標(biāo)，研發(fā)出的產(chǎn)品在成本考慮上較少。軍工技術(shù)保密性高，相關(guān)的產(chǎn)品、專利、學(xué)術(shù)文章等公開發(fā)布較少，相關(guān)技術(shù)信息不對稱較高，市場上了解到的技術(shù)信息亦較少。
民用技術(shù)相比而言，產(chǎn)品信息更加開放，面臨市場上更多的同類或者類似產(chǎn)品、更多的潛在客戶、更大的市場空間和規(guī)模、更多同行業(yè)競爭對手，產(chǎn)品占據(jù)市場需要從產(chǎn)品的性能指標(biāo)、穩(wěn)定性、價(jià)格、服務(wù)、推廣宣傳等多個(gè)角度去獲得客戶的認(rèn)可。同時(shí)需要不斷的提高質(zhì)量、穩(wěn)定性、性能，降低成本、維修比例，從而提高利潤率。
二、976nm泵浦技術(shù)的市場化
軍工產(chǎn)品一般具有定制化、性能參數(shù)指標(biāo)要求高、投入成本較高等特點(diǎn)；工業(yè)化產(chǎn)品需要穩(wěn)定性高、使用效果好、價(jià)格便宜。976nm泵浦技術(shù)路線的市場化需要考慮下面幾個(gè)因素：繼續(xù)保持軍工的性能參數(shù)指標(biāo)，可靠性及7X24小時(shí)的惡劣環(huán)境的服役穩(wěn)定性高，工業(yè)化的應(yīng)用效果好（比如切割斷面質(zhì)量好、焊接結(jié)合力高、節(jié)能省電等），產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)�；潭雀�，器件零部件的供應(yīng)鏈的國產(chǎn)化、體系化完善，技術(shù)升級(jí)降低原材料使用。
01性能參數(shù)優(yōu)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(shù)方案的單模高功率相比915nm泵浦技術(shù)路線，可以實(shí)現(xiàn)3-5kW的單模組高功率激光器，3000W以內(nèi)可現(xiàn)實(shí)M2<1.2，同功率單模產(chǎn)品可實(shí)現(xiàn)的光束質(zhì)量更高。同時(shí)，相比于國內(nèi)的915nm泵浦路線的25-30%光電轉(zhuǎn)化效率，976nm泵浦技術(shù)路線光電轉(zhuǎn)化效率超過42%，在6kW以上的超高功率激光器節(jié)能省電特點(diǎn)及帶來的經(jīng)濟(jì)性被充分認(rèn)識(shí)并且是各大激光設(shè)備商一直追逐的方向。如下表所示，10kW的將會(huì)省電近40萬元，這將會(huì)給終端客戶帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效用。
備注：（工業(yè)用電假定1元一度，開機(jī)時(shí)間按照16小時(shí)）
02穩(wěn)定性高
可靠性及7X24小時(shí)的惡劣環(huán)境的服役穩(wěn)定性高。976nm泵浦技術(shù)的穩(wěn)定性的提高經(jīng)歷了一個(gè)過程，由于976nm波段的吸收峰較窄：在工作環(huán)境溫度變化時(shí)，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(dǎo)致光纖激光器整機(jī)性能指標(biāo)波動(dòng)。傳統(tǒng)的軍工使用的是微通道進(jìn)口二級(jí)體，冷卻效率高，軍用使用較為謹(jǐn)慎，使用人員專業(yè)性較高，不易發(fā)生水路堵塞。工業(yè)客戶如果采用了普通的自來水及普通水冷機(jī)，在使用一段時(shí)間后會(huì)出現(xiàn)高溫報(bào)警問題，而工業(yè)客戶習(xí)慣了915nm泵浦路線的較低的水壓和自來水的冷卻系統(tǒng)。目前GW及合作伙伴國內(nèi)廠商擯棄了進(jìn)口的微通道技術(shù)，提出了間接冷卻方案，除保證泵浦源的穩(wěn)定工作溫度之外，可直接使用純凈水進(jìn)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(jī)等，同時(shí)保證了7X24小時(shí)的穩(wěn)定使用。
03工業(yè)化的應(yīng)用效果好
在使用效果上，由于其光束質(zhì)量更高，在切割領(lǐng)域，其切面錐度更小、切割斷面紋路更細(xì)，同時(shí)在薄板材的切割速度更快；在焊接領(lǐng)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(lǐng)域擁有著獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，其中3000W@20um細(xì)光芯的單模輸出可滿足硅鋼片的快速切割、動(dòng)力電池滿足熔深的要求下完成高質(zhì)量的高速焊接。在超過功率領(lǐng)域，由于單模組功率高，通過激光合束的多模光束質(zhì)量高，高階模態(tài)光較少，切割斷面效果和錐度較好。
04產(chǎn)品的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)�；潭雀�
通過規(guī)�；圃�，并且產(chǎn)品型號(hào)標(biāo)準(zhǔn)化，產(chǎn)品的原材料采購批量化、固定生產(chǎn)、制造、檢測程序并且分解到每一個(gè)技術(shù)工人可操作可檢驗(yàn)的程度，保證了高良品率，提高了產(chǎn)能產(chǎn)量。通過把單模組的1000W/1500W/2000W/3000W變成標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品，并且把多模組4000W/6000W/8000W/12000W變成基于單模塊的標(biāo)準(zhǔn)化成品，機(jī)柜、機(jī)械結(jié)構(gòu)件、光學(xué)器件、電子電路都成為通用零部件，大大提高了產(chǎn)品批量化生產(chǎn)制造的效率。
05器件零部件的供應(yīng)鏈國產(chǎn)化完善
器件零部件尤其是核心光學(xué)器件供應(yīng)鏈的國產(chǎn)化直接絕對了技術(shù)的市場化程度和產(chǎn)品競爭能力，相比于進(jìn)口的核心器件，國產(chǎn)的器件成本幾乎為進(jìn)口的一半左右。其中，進(jìn)口976nm泵浦源的價(jià)格接近為國產(chǎn)915nm泵浦源的3倍，占據(jù)物料成本一半以上的泵浦源的國產(chǎn)化大大降低了成本。同時(shí)擯棄了進(jìn)口的微通道技術(shù)，使用間接冷卻方案的泵浦源更是提高了穩(wěn)定性，保證了7X24小時(shí)的穩(wěn)定使用。976nm泵浦源的國產(chǎn)化以后，976nm泵浦源的單瓦價(jià)格和國產(chǎn)915nm泵浦源價(jià)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(chǎn)化，目前此器件的國產(chǎn)化加速了產(chǎn)品成本的進(jìn)一步下降。其他的光學(xué)器件亦是在國產(chǎn)化驗(yàn)證進(jìn)程中，整個(gè)供應(yīng)鏈都在向著國產(chǎn)化的方向前進(jìn)。
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(shù)路線可實(shí)現(xiàn)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(rèn)為由于性能參數(shù)指標(biāo)好，可靠性及穩(wěn)定性高，工業(yè)化的應(yīng)用效果好，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)模化程度高，器件零部件的供應(yīng)鏈的國產(chǎn)化、體系化完善，976nm泵浦技術(shù)方案替代915nm泵浦技術(shù)是一個(gè)趨勢，尤其是6kW以上的超高功率產(chǎn)品。未來在2000W以內(nèi)產(chǎn)品，915nm及976nm泵浦技術(shù)方案皆可；3000W單模組產(chǎn)品，目前915nm泵浦技術(shù)尚不成熟，976nm泵浦技術(shù)方案可以實(shí)現(xiàn)，目前GW可實(shí)現(xiàn)20um輸出，M2<1.2，在動(dòng)力電池焊接、激光軍工應(yīng)用上具有明顯優(yōu)勢； 6kW以上多模產(chǎn)品，節(jié)能及高光束質(zhì)量優(yōu)勢明顯，以8kW為例，BPP達(dá)到3.5mm.mmrad，國內(nèi)同行尚且無法做到，30mm碳鋼切割紋路細(xì)，切割錐度10um以內(nèi)。
三、國內(nèi)外976nm泵浦技術(shù)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(shù)方案并且進(jìn)入市場，此時(shí)光纖激光器工業(yè)化應(yīng)用化較為早期，是市場上尾數(shù)極少掌握光纖激光器技術(shù)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(yīng)用場景的階段。2010年以后，IPG通過不斷的技術(shù)迭代、產(chǎn)品升級(jí)、應(yīng)用探索、市場推廣，目前是業(yè)內(nèi)976nm泵浦技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用最成熟的廠商。
nLIGHT成立于2000年，最初的業(yè)務(wù)主要為提供泵浦源模塊，其擁有服務(wù)于科研軍工的業(yè)務(wù)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(huì)展出萬W級(jí)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(shù)的廠商之一。
國內(nèi)探索976nm泵浦技術(shù)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(jí)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(wěn)定性一直無法達(dá)到客戶的使用要求。鑒于此廠家技術(shù)路線的失敗，一段時(shí)間內(nèi)行業(yè)內(nèi)對于976nm泵浦技術(shù)的市場化持有較為保守態(tài)度，部分甚至認(rèn)為此技術(shù)方案不適合市場化。
GW激光自從2015年在上海建立生產(chǎn)制造基地就致力于976nm軍工技術(shù)光纖激光器的產(chǎn)業(yè)化。GW于2016年推出基于976nm泵浦技術(shù)的2000W單模單腔激光器，與2017年推出基于976nm泵浦技術(shù)的3000W單模單腔激光器，局時(shí)，此單模單腔功率為業(yè)內(nèi)首創(chuàng)，國內(nèi)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(shù)同行在嘗試2000W的單模單腔產(chǎn)品。但是此產(chǎn)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(xué)器件均采用進(jìn)口而且采購數(shù)量少，導(dǎo)致價(jià)格居高不下；另外一方面，單模單腔的能量密度過高，國產(chǎn)激光切割頭無法匹配，而一般需要匹配進(jìn)口的承受多模功率超過6kW的切割頭及對應(yīng)的高壓水冷機(jī)等；此外，單模高功率的應(yīng)用技術(shù)尚在推廣早期，部分切割工藝尚未完全開發(fā)，在厚板切割上并未體現(xiàn)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(chǎn)品競爭進(jìn)一步加劇，降低成本的要求尤為迫切，因此國內(nèi)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(jīng)將2000W單模激光器成熟應(yīng)用于工業(yè)加工中。截至目前，GW已經(jīng)成功推出基于976nm技術(shù)的500W-3000W工業(yè)用單模激光器及4000W-12,000W工業(yè)用多模光纖激光器，上千臺(tái)的工業(yè)用戶的批量使用已經(jīng)初步驗(yàn)證了976nm技術(shù)完全可以滿足工業(yè)應(yīng)用更嚴(yán)格的可靠性要求，而且在這個(gè)過程中通過和國內(nèi)合作伙伴的持續(xù)努力，已經(jīng)基本完成供應(yīng)鏈的國產(chǎn)化，為976nm技術(shù)在國內(nèi)的持續(xù)產(chǎn)業(yè)化奠定了基礎(chǔ)。
來源：激光制造商情
文稿/光惠激光
|
中文版
ENGLISH
