新一代“天狼星”領(lǐng)隊 大科激光全“星”升級夯實(shí)亮度之路

高亮度是激光最重要的特征之一，在此前結束的第23屆中國國際工業(yè)博覽會(huì )上，大科激光以“亮度為王”為主題，由第二代天狼星(14μm 3000W)領(lǐng)隊，攜獅子座、獵戶(hù)座、北極星等大科全系列光纖激光器集體亮相。為了進(jìn)一步了解大科激光此次全新升級的產(chǎn)品具備哪些技術(shù)優(yōu)勢？又解決了哪些用戶(hù)痛點(diǎn)？維科網(wǎng)·激光連線(xiàn)了大科激光董事長(cháng)郭少鋒博士，針對大科激光全新升級產(chǎn)品的亮點(diǎn)和未來(lái)發(fā)展戰略進(jìn)行了深入交流。

天狼星領(lǐng)隊

大科激光夯實(shí)亮度之路

維科網(wǎng)·激光：大科激光自成立之初就堅持探索高亮度的光學(xué)極限和應用場(chǎng)景，突破了諸多技術(shù)難點(diǎn)，也取得非常亮眼的成績(jì)。能否整體介紹一下此次工博會(huì )亮相的全系列產(chǎn)品？

郭少鋒：2021年，我提出“亮度為王”的理念，認為在提升激光器功率的同時(shí)必須要把光束質(zhì)量也提升起來(lái)，這樣才能真正應對更多的應用場(chǎng)景。亮度越高，焦斑處功率密度越大，因此高亮度激光將極大提升加工速度、精度及穩定性和良率。經(jīng)過(guò)這幾年市場(chǎng)的驗證，亮度的價(jià)值已日益凸顯，但是“高亮度”的界定一直沒(méi)有定論，這次我嘗試從應用和技術(shù)層面理清“高亮度”的含義。

亮度，本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，需要同時(shí)考慮兩個(gè)維度：功率和光束質(zhì)量。在固定功率的情況下，提高光束質(zhì)量可以提升光源的亮度；同樣，在光束質(zhì)量不變或已無(wú)法提高的情況下，提升功率也可以提高光源亮度。

在技術(shù)層面，“高亮度”的界定應和技術(shù)方案相關(guān)。對于單模光纖激光器，基模（LP01）輸出對應光束質(zhì)量的極限，在功率一定時(shí)可以說(shuō)是亮度的極限，因此基模輸出可稱(chēng)為“高亮度”，此時(shí)光束質(zhì)量因子M2<1.3。例如天狼星全系列（2kW-5kW）產(chǎn)品的光束質(zhì)量因子M2均小于1.3，其中2kW產(chǎn)品的M2=1.06，達到了絕對亮度的極限值，是高亮度光源的典型代表。對于光纖合束型的大功率光纖激光器，一般采用N×1的合束器，我們通過(guò)數值仿真、數據分析和實(shí)驗驗證，對于N≥3的情形，光束質(zhì)量因子M2的極限值約為3，考慮到測量誤差等因素，定義M2≤4為高亮度光源。以上為絕對意義上的“高亮度”。

而在應用層面，“高亮度”的界定應考慮到當前流行的工藝方案，比如當前工藝所采用的光源亮度有明顯提升的新光源，如提升50%以上，我們就可以稱(chēng)新光源為高亮度光源，此為相對意義上的“高亮度”。

3年來(lái)，大科激光秉承“亮度為王”的理念，從應用痛點(diǎn)出發(fā)，從激光本質(zhì)特性著(zhù)手，研發(fā)出模式凈化DEC技術(shù)、抑制拉曼光RSF技術(shù)，和抗高反BRP技術(shù)（獲湖南省發(fā)明專(zhuān)利一等獎），研制了各功率段具備極致亮度的光模塊，并基于此推出了星座系列工業(yè)級光纖激光器。

天狼星系列

天狼星是夜空中肉眼可見(jiàn)最亮的恒星，我們以此命名激光器，旨在打造同功率段世界上亮度最高的光纖激光器。通過(guò)有效抑制橫向模式不穩定和受激拉曼散射，實(shí)現3000W純基模輸出（實(shí)測3000W功率段實(shí)現M2=1.06，接近光學(xué)衍射極限，5000W功率段實(shí)現M2=1.28），能量傳輸光纖（芯徑為14μm）長(cháng)度達到10m，拉曼抑制比≥35dB。這一系列的突破，使天狼星系列激光器亮度達到物理極限，加工效率相比同功率常規產(chǎn)品提升30%。同時(shí)功率冗余10%~15%，穩定性更強。

除亮度優(yōu)勢以外，天狼星系列通過(guò)抑制非線(xiàn)性效應，將輸出光纖的芯徑降至14μm。與20μm芯徑光纖相比，14μm芯徑光纖輸出的單模激光在加工中的優(yōu)勢主要體現在以下三個(gè)方面：

1、對應的焦點(diǎn)光斑面積縮小了51%，功率密度提升1倍，從而實(shí)現在較低功率下熔化高反金屬，既能做到降低生產(chǎn)能耗，又能在提升生產(chǎn)效率的同時(shí)縮小焊接中的熱影響區，從而減少熔池飛濺和降低焊縫缺陷率。

2、芯徑為14μm的單模激光器可以做到熔寬不變，逐漸增加熔深，實(shí)現穿透深度可控，為新能源、3C、電力等行業(yè)所需的高反材料的高質(zhì)量、高精度焊接提供優(yōu)質(zhì)解決方案。

3、熔深穩定，在-3~2.5mm的離焦量范圍內，熔深變化只有±0.25mm，可以完美解決由于熔深不穩定造成的虛焊問(wèn)題，具有更寬的工藝窗口。

據這次上海工博會(huì )所見(jiàn)，目前可能僅有IPG和大科激光可以實(shí)現14μm 3000W光纖激光器量產(chǎn)，大科激光將進(jìn)一步擴大生產(chǎn)，以應對高端應用市場(chǎng)對高亮度、高效率、高穩定性光纖激光器的需求。

獵戶(hù)座系列

獵戶(hù)座環(huán)光連續光纖激光器，功率段覆蓋4kW-6kW，中心光束采用基模高功率光模塊，解決了中心基模條件下環(huán)形光纖及合束器制備等難題。該系列產(chǎn)品在抑制熔池飛濺的同時(shí)極大地提高了焊接效率，能夠長(cháng)時(shí)間穩定加工，適用于新能源電池焊接等不同激光應用場(chǎng)。

獅子座系列

獅子座超高速熔覆連續光纖激光器，功率段覆蓋3kW-9kW，主要針對增材制造領(lǐng)域的高速熔覆市場(chǎng)，其SRS抑制比優(yōu)于40dB，基于大科激光自己研發(fā)的傳輸光纖，光斑勻化度可達到90%以上，為實(shí)現穩定高速的熔覆加工提供產(chǎn)品支撐。

北極星系列

北極星準連續光纖激光器，功率段覆蓋1.5kW-4.5kW，具備脈沖和連續兩種工作模式，脈沖模式下峰值功率達到連續模式平均輸出功率的10倍，可顯著(zhù)改善薄板高反材料的切割、鉆孔質(zhì)量，有著(zhù)電光轉換效率高、能耗低、耗材少的優(yōu)勢。

維科網(wǎng)·激光：大科激光在高亮度領(lǐng)域布局多年，您認為高亮度激光有何意義？其具備了哪些優(yōu)勢及行業(yè)應用前景？

郭少鋒：產(chǎn)業(yè)升級以及雙碳目標對激光加工提出了更高的要求，從而推動(dòng)了高亮度激光器在工業(yè)領(lǐng)域的滲透率。高亮度激光器在同等功率下能產(chǎn)生更小的焦點(diǎn)光斑和更高的能量密度，使其在薄板切割方面表現更出色。此外，高亮度激光器也解決了高功率激光器無(wú)法切割高反材料的難題。實(shí)際測試表明，在相同切割頭和切割材料的情況下，5kW單模激光器與6kW多模激光器相比，前者的切縫寬度是611μm，后者的切縫寬度是1012μm，寬度相差近一倍，可見(jiàn)采用高亮度激光器切割能大幅減少材料浪費，并優(yōu)化切縫均勻度，獲得更平整的切面。

在焊接應用中，高亮度激光器也發(fā)揮著(zhù)重要作用。在雙碳目標下，汽車(chē)工業(yè)發(fā)展戰略向輕量化和新能源調整，從而對焊接品質(zhì)提出了更高的要求。實(shí)驗表明，隨著(zhù)亮度的提升，激光器的能量密度最大可提高25倍，焊接速度最大提高6.5倍，CPK指數最大提高2.9倍。與高功率多模激光器相比，高亮度單模激光焊接具有更大的熔深和深寬比、更小的熱影響區、焊縫上下寬度差?。ǜ咏匦魏缚p形貌）的優(yōu)勢。同時(shí)高亮度激光器在焊接高反材料方面，其焊接熔寬保持相對穩定，這一特性非常適用于動(dòng)力電池、全鋁車(chē)身等鋁合金應用的焊接需求。

因此，隨著(zhù)激光加工在各個(gè)領(lǐng)域的深入拓展，高亮度激光器必將成為激光行業(yè)發(fā)展的重要方向。

亮度之爭或成為下一風(fēng)口  

高亮度激光器未來(lái)之路何在？

維科網(wǎng)·激光：2023年光纖激光器市場(chǎng)規模預計能達到135.5億，同比增長(cháng)10.5%?；诠饫w激光器未來(lái)的發(fā)展趨勢，您認為高亮度激光器未來(lái)的風(fēng)口在哪里？

郭少鋒：作為國家級專(zhuān)精特新“小巨人”企業(yè)，大科激光持續在自主創(chuàng )新和發(fā)展核心競爭力方面下功夫，我們的發(fā)展戰略主要聚焦于高亮度、輕量化和智能化。未來(lái)高亮度激光將成為超遠距離加工、動(dòng)態(tài)加工和集成加工等嶄新領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)。

所謂超遠距離加工，就是在光束質(zhì)量保持極限狀態(tài)下，加工距離突破十米以上（光斑0.1mm）。超遠距離加工的優(yōu)勢主要體現在：基于光束的高速運動(dòng)，高光束質(zhì)量的激光可將加工速度提升10-50倍；激光可到達傳統加工中的“死角”；擴大激光加工的幅面；增加有效瑞利長(cháng)度和縱向對準容差；避免羽流及飛濺物對光學(xué)元件的損傷；降低對夾具的要求和使用成本。

動(dòng)態(tài)光束加工是基于相干合成實(shí)現的。同一單頻種子源多路放大后再合束，具備100萬(wàn)瓦近衍射極限的光束質(zhì)量輸出能力。動(dòng)態(tài)光束加工通過(guò)每個(gè)鏈路相位的調控，讓光斑按照設計的形狀迅速發(fā)生變化，這意味著(zhù)未來(lái)可以通過(guò)光斑整形來(lái)提升焊接效果，也可以通過(guò)光斑形狀編程加工多層材料，還可以利用調制頻率來(lái)控制焊縫的深度和寬度。

集成加工即大科激光提出的光能站概念。光能站采用集中的激光供應模式，包括大型兆瓦級激光發(fā)生器、輸送系統、光閘、FFC終端或AO終端及總控系統。激光將類(lèi)似于水或電，可根據各個(gè)工廠(chǎng)或者工位的實(shí)時(shí)需求進(jìn)行供應，達到降低用戶(hù)使用激光成本、維護激光設備成本、靈活配置激光資源的目的。我相信這項技術(shù)未來(lái)10年內會(huì )在國內得以實(shí)現。

總結來(lái)說(shuō)，高亮度是激光在應用層面最重要的特性，激光源技術(shù)水平的競爭首先就是亮度競爭。高亮度激光器的應用價(jià)值還存在非常大的開(kāi)發(fā)空間，未來(lái)5年內，光纖激光器將進(jìn)入光束質(zhì)量和輕量化、智能化并重的發(fā)展階段，光束質(zhì)量與輕量化、智能化的進(jìn)一步實(shí)現將為中國制造業(yè)創(chuàng )造更大的價(jià)值。

小結

通過(guò)與郭少鋒博士的交流，可以看出，未來(lái)高亮度勢必成為激光精細加工、遠程加工的必然選擇。只有憑借著(zhù)超前的認知和領(lǐng)先的光源技術(shù)才能為用戶(hù)創(chuàng )造更高收益、更大價(jià)值。除此之外，在高亮度激光器應用方面仍需拓展，當前高亮度激光技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的滲透率還嚴重不足。只有通過(guò)分析細分行業(yè)的痛點(diǎn)問(wèn)題，才能發(fā)現更多的高亮度激光應用場(chǎng)景，拓寬高亮度激光器的應用領(lǐng)域。