激光也被稱為“最快的刀”“最準(zhǔn)的尺”,超快激光能在極短時(shí)間內(nèi)獲得巨大的單脈沖能量和極高的峰值功率,在晶圓、顯示屏、藍(lán)寶石、太陽能覆膜的切割以及新能源汽車電池原材料等高精度加工領(lǐng)域大有作為。
超快激光技術(shù)最早來自歐美國家,在這一細(xì)分賽道上,已經(jīng)聚集了多個(gè)老牌選手。中國企業(yè)作為后發(fā)者,憑借一股鉆勁,正不斷搶占技術(shù)高點(diǎn)。
就在本月,國內(nèi)最大單脈沖能量的工業(yè)級(jí)光纖飛秒激光器面世,它由武漢華日精密激光股份有限公司(以下簡稱“華日激光”)自主研發(fā)。今年1月至今,這家國內(nèi)超快激光龍頭企業(yè)訂單量較去年同期大幅增長,營收保持20%的復(fù)合增長。
一次加工時(shí)間只有十億分之一秒
在薄如紙片的光伏玻璃上鉆孔
武漢華日精密激光股份有限公司,樊明琦博士(左)在產(chǎn)線上調(diào)試光路。記者高勇 攝
光伏玻璃的加工、鋰電池的極耳焊接、全飛秒的近視手術(shù)……這些領(lǐng)域往往需要更高的效率、更精細(xì)的加工,以及更低的容錯(cuò)率,對激光設(shè)備也提出了更高要求。而超快激光,能在極短時(shí)間間隔內(nèi),將光聚焦到比頭發(fā)直徑還要小的超細(xì)微空間區(qū)域。
在華日激光國內(nèi)規(guī)模最大的超快激光器生產(chǎn)線上,長江日報(bào)記者看到,一個(gè)個(gè)納秒激光器如枕頭大小,正陸續(xù)下線。在高端激光器研發(fā)生產(chǎn)和激光應(yīng)用領(lǐng)域摸爬滾打多年,如今企業(yè)激光器產(chǎn)品線涵蓋皮秒、納秒、飛秒等多個(gè)領(lǐng)域。
華日激光超快激光實(shí)驗(yàn)室主任陳少祥打了這樣一個(gè)比方:納秒、皮秒、飛秒是極短的時(shí)間單位。以納秒激光器為例,一個(gè)脈沖的時(shí)域?qū)挾戎挥惺畠|分之一秒。
華日激光自主研制的納秒532nm波長綠光激光器,能將加工邊緣精度提升一個(gè)量級(jí)。在薄如紙片的玻璃材料上,這把“快刀”能鉆出一個(gè)個(gè)小拇指大小的孔。此前,這一技術(shù)僅國外擁有。
就在今年,這款納秒激光器與國外產(chǎn)品同臺(tái)競技。華日激光營銷中心總監(jiān)敬喜勝介紹,這一納秒綠光產(chǎn)品玻璃鉆孔解決方案,已成功批量應(yīng)用于光伏玻璃24小時(shí)自動(dòng)化產(chǎn)線,訂單不斷。
“對方一口氣預(yù)訂了300臺(tái)。”敬喜勝說,有客戶將華日激光的設(shè)備拿到自動(dòng)化產(chǎn)線上運(yùn)行了幾個(gè)月,經(jīng)驗(yàn)證,跟此前采購的進(jìn)口激光器性能一樣穩(wěn)定。
今年以來,在光伏玻璃激光器鉆孔領(lǐng)域,企業(yè)迅速搶占市場。目前在這一賽道除了進(jìn)口激光器,國產(chǎn)激光器使用量最大的就是華日激光生產(chǎn)的綠光激光器,市場占有率約為20%。
國內(nèi)最大工業(yè)級(jí)光纖飛秒激光器面世
頭部激光加工企業(yè)遞來訂單
工藝人員進(jìn)行激光玻璃切割做樣。記者高勇 攝
在華日激光超快工藝研發(fā)實(shí)驗(yàn)室,安裝有超快激光器的設(shè)備,正從一整塊玻璃正中間切割下一塊直徑15厘米的圓形玻璃。記者拿起這塊玻璃,沿邊緣觸摸,沒有普通切割加工易形成的熱度,也沒有毛刺,整個(gè)切割過程不到5秒鐘。
為什么切割面如此光滑還不發(fā)熱?面對記者的提問,陳少祥介紹,傳統(tǒng)激光是利用光的熱效應(yīng)對材料進(jìn)行加工,而超快激光采用的超短脈沖激光,可以在極短的時(shí)間內(nèi)釋放出超百億瓦的脈沖,不會(huì)對材料表面造成損傷,并且整個(gè)加工過程中理論上不產(chǎn)生熱。
陳少祥舉例說,比如稱為飛機(jī)“心臟”的航空發(fā)動(dòng)機(jī),里面很多關(guān)鍵部件的刻蝕和微小孔的加工,都需要這把“光刀”。“我們的飛秒激光加工,能夠?qū)崿F(xiàn)讓航空發(fā)動(dòng)機(jī)在超高溫及超高壓等苛刻條件下,一往無前?!?/p>
早在10年前,國內(nèi)同類公司的超快激光器產(chǎn)品還都處于實(shí)驗(yàn)室階段時(shí),華日激光就已提前布局,想要取得領(lǐng)先地位。
2014年,華日激光收購加拿大皮秒激光器公司Attodyne,成為首家成功并購國外超快激光器公司的中國企業(yè)。2021年,新加坡南洋理工大學(xué)和英國南安普頓大學(xué)光電子研究中心光電子專業(yè)博士陳少祥,回國加入華日激光,負(fù)責(zé)研發(fā)新型制造領(lǐng)域的核心工具——高功率大能量飛秒激光器,承擔(dān)重點(diǎn)計(jì)劃項(xiàng)目“百瓦毫焦飛秒激光器”的研發(fā)工作。
這些年來,華日激光已組建起一支專注于超快激光器的高水平研發(fā)團(tuán)隊(duì),夜以繼日,陳少祥及更多青年人才正在逐步實(shí)現(xiàn)超快激光器核心器件國產(chǎn)化。
今年7月,陳少祥率隊(duì)研制的目前國內(nèi)最大單脈沖能量的工業(yè)級(jí)光纖飛秒激光器,在第24屆中國國際光電博覽會(huì)上首次亮相,關(guān)鍵器件實(shí)現(xiàn)全部自研。產(chǎn)品一經(jīng)推出,已接到包括激光加工頭部企業(yè)和一些研究所的訂單。
如今在光谷,華日激光正瞄準(zhǔn)國外高功率大能量飛秒工業(yè)激光器,力爭實(shí)現(xiàn)高性能數(shù)百瓦數(shù)毫焦飛秒激光器的批量生產(chǎn)。與此同時(shí),千瓦飛秒光纖激光器產(chǎn)業(yè)化基地正在打造中。
發(fā)力僅剩一成份額的“小市場”
瞄準(zhǔn)激光科技前沿做大文章
激光設(shè)備在進(jìn)行玻璃鉆孔。記者高勇 攝
“不久的將來,我們有望看到更多飛秒激光器的世界級(jí)創(chuàng)新成果從華日激光走下產(chǎn)線?!辈稍L中,華日激光超快激光實(shí)驗(yàn)室博士樊明琦感慨,在整個(gè)激光器市場,專攻“至精至微”的超快激光的企業(yè)只占一部分,許多人不愿去做,因?yàn)楸趬靖摺⒀邪l(fā)投入周期長,市場卻很小。與華中科技大學(xué)、光谷實(shí)驗(yàn)室等高校院所的產(chǎn)學(xué)研合作,正助力企業(yè)在高端飛秒激光器市場更加站穩(wěn)腳跟。
2021年,包括光谷實(shí)驗(yàn)室在內(nèi)的首批7個(gè)湖北實(shí)驗(yàn)室集中揭牌。其中,光谷實(shí)驗(yàn)室旗幟鮮明提出,重點(diǎn)推進(jìn)千瓦飛秒光纖激光與EUV相干光源等4大項(xiàng)目聯(lián)合科研攻關(guān)。
當(dāng)年下半年,企業(yè)和實(shí)驗(yàn)室正式開始“牽手”。實(shí)驗(yàn)室派人常駐華日激光,教授專家“隨叫隨到”,協(xié)同攻關(guān)一項(xiàng)非線性壓縮技術(shù)。
樊明琦介紹,這一技術(shù)可被形象地理解為汽車上使用的渦輪增壓器——通過應(yīng)用該模塊,可在不影響激光器主體輸出穩(wěn)定性與高光束質(zhì)量的前提下,獲得50飛秒、500瓦量級(jí)的高功率極窄超快脈沖輸出。目前,全球范圍內(nèi)可提供這種極窄超快脈沖輸出的激光器生產(chǎn)研發(fā)被歐美企業(yè)壟斷。
經(jīng)過兩年多的合作,雙方攜手研發(fā)的飛秒激光器非線性壓縮模塊已具備行業(yè)應(yīng)用條件,即將走向市場——應(yīng)用這一模塊后,華日激光生產(chǎn)的飛秒激光器脈寬可壓縮至200飛秒以下、功率超過500瓦,填補(bǔ)了國內(nèi)空白,具備沖擊國際先進(jìn)水平的潛力。
顛覆式的創(chuàng)新不止于此。如今,華日激光超快激光實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合國內(nèi)頂尖科研院所團(tuán)隊(duì)開發(fā)的“OPA飛秒光參量放大器”產(chǎn)品,實(shí)現(xiàn)全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)和全元件國產(chǎn)化,在生物多光子成像、飛秒光譜學(xué)、光譜探測等科研領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。此前,這一領(lǐng)域全球市場幾乎被歐洲一家企業(yè)壟斷,華日激光就從僅占一成的市場縫隙里“鉆了出來”。就在今年,該產(chǎn)品在國內(nèi)異軍突起,訂單數(shù)較去年增長50%以上。
去年8月,華日激光榮獲國家級(jí)專精特新上市后備“金種子”企業(yè)稱號(hào)。而在我國激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)源地光谷,已集聚激光企業(yè)300多家,形成完整的激光產(chǎn)業(yè)鏈,企業(yè)密度全國領(lǐng)先。
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