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千磨万击还坚劲——激光核心器件国产化再进一步!
OFweek激光网 2020-01-16 24

2019年,中美间的贸易冲突达到了高峰。在这一年中,经济增长放缓、贸易额下降、制造业低迷成了中美双方经济压力的主要标签。而中国在高端制造、核心技术领域所面临的短板,也在中兴事件之后成了关注的焦点。

对激光行业而言,同样存在类似的短板。众所周知,激光设备的核心在于光源,而目前工业应用最主流的光源——光纤激光器,则有增益光纤、泵浦源、激光芯片、光纤光栅、光纤合束器、激光输出头及准直器等一系列核心部件。在我国科研人员及几大国产激光器制造商的不懈努力下,一些核心部件先后实现突破及批量应用,实现国产高功率光纤光栅和高功率激光芯片的批量应用成了最后两个待解难题。

从这几年光纤激光器厂商的发展与布局来看,掌握核心光学器件、实现垂直一体化是国产突围的关键所在,这也是国内具有较强实力与规模的激光器厂商正在探索的道路。OFweek激光网了解到,作为国产激光器领先企业、刚刚完成科创板过会的创鑫激光,也在自产光栅方面取得了可喜成绩。为此,OFweek激光网专程拜访了创鑫激光研发中心负责人王英,了解创鑫激光在光栅上的突破与布局。

千磨万击还坚劲——激光核心器件国产化再进一步!

创鑫激光研发中心负责人 王英

图片来源:OFweek激光网

OFweek激光网:创鑫激光是什么时候开始研发光栅的?光栅研制的难点是什么?

王英:创鑫激光以做器件起家,是国内少有做到“器件先行”的厂家。创鑫激光产品所用的泵源、合束器、光纤光栅、激光输出头、剥模器、隔离器、声光调制器、模式匹配器等90%以上的核心光学器件均已具备自产能力。2016年我们实现小功率脉冲光栅自产,同年我们连续产品受国外光栅品质问题影响很大,那时就想把光栅品质和性能控制在自己手里。

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创鑫激光脉冲小功率光栅生产线

图片来源:创鑫激光

2017年,我们开始着手研发高功率光栅项目。刚开始我们遇到很多困难,包括如何均匀稳定成栅、降低光栅在高功率下的温升、抑制拉曼的影响等等。为了解决这些问题,我们的研发团队投入大量时间和精力,研究并验证了每一个可能的影响,最终走出了创鑫独创技术之路,这对于谐振腔内光栅与合束器、有源光纤的匹配和光束质量精细控制打下了很好的基础。

我们都知道,光栅是光纤激光器谐振腔的必要构成部件,决定了激光器的输出波长与带宽,并能控制激光模式与光束质量。而高功率光栅遇到最大的问题就是温升问题。光栅的温升系数跟很多因素相关,最主要的就是保证光栅刻写时的均匀稳定,高效可靠的封装以及管理光纤中增敏用的氢。

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光纤激光器基本结构及谐振腔结构

图片来源:创鑫激光招股书

成栅稳定的关键在于光刻技术,而这也是光栅制造的难点。如果刻写的光栅结构不均匀,在缺陷处就容易形成热点,这里的温度就会高。合适的光刻机选型、匹配的掩模板参数设计,加上光斑匀化技术、刻写光路设计、衍射处理技术都是能够均匀稳定成栅的基础。经过光路光斑调整优化与波形关系、光刻机参数与光栅稳定性关系的大量的实验和理论探讨,得益上述在光刻上的先进技术,创鑫激光已经形成了光纤载氢、去涂覆、光栅刻写、涂覆、退敏一整套完善的工艺流程,能够确保稳定成栅。

除光栅刻写的缺陷会导致光栅升温外,增敏后的残留物也会导致光栅温度升高。目前创鑫采用的是比较独特的载氢增敏技术,以及成熟的退敏技术,可以有效地管理增敏的氢残留,减少光栅发热,配合创鑫激光高效的光纤光栅散热封装设计,有效解决光纤光栅的温升风险。

OFweek激光网:评价光栅性能好坏的指标有哪些?创鑫激光研制的光栅可以达到什么样的效果?

王英:光栅比较重要的参数包括:中心波长、带宽、反射率、温度、边模抑制比。光栅最重要的作用就是选择波长,并把选定波长的光在激光腔里反射谐振,因此中心波长是光栅最基本的参数。这是由刻写在里面的微观结构决定的,具体来说就是刻写在光纤里面的折射率周期变化。

我们刻写的是啁啾光栅,里面的周期是变化的,周期变化量的大小就决定了带宽。而反射率决定了波长选择之后反射光子的比例。创鑫激光光栅的中心波长、带宽、反射率等指标完全符合激光器的使用要求,其中反射率最低>99%,最高达到了99.99%。

对中高功率光栅来说,光栅温度管理也是一个很重要的技术。光栅温度变化,会直接影响着光栅对的参数稳定,影响谐振腔的性能。创鑫激光的独特光栅设计配合优化的散热封装,可以保证我们的成品光栅温升系数能做到小于0.005℃/W,高功率下光栅也能保证完美匹配,性能和可靠性完全达到甚至超过了国外同类产品水平。

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创鑫激光自制光栅

图片来源:创鑫激光

此外,创鑫对批量生产的光纤光栅波长控制极为精密严格,高反和低反光纤光栅中心波长的重复精度到达±0.1nm。这意味着数千只光纤光栅都是同一波长,高反和低反光纤光栅不再需要人工波长配对,极大简化了谐振腔的组装工艺,减少光栅的组装损耗,提升了激光器的量产性能稳定性和一致性。

值得一提的是,创鑫激光的光纤光栅技术不仅覆盖了单模光纤光栅(芯径10um),也可以生产大芯径多模光纤光栅(20um,25um,甚至更大芯径)。不同于成熟的光纤通信用单模光纤光栅,光纤激光用光纤光栅不仅有单模,而且很多是多模光纤光栅。它们生产的难度更大,稳定性要求也更高。在这样高难度的条件下,我们自制的高功率光栅在高温高湿的环境下进行了5000多个小时的测试,温度冲击测试也进行了5000cycle,但光栅的性能表现基本没有出现变化,完全符合工业生产的要求。目前创鑫自制高功率光栅已批量用于所有单模块激光器上。

OFweek激光网:通过创鑫激光招股书数据可见,2019年创鑫的光栅采购量明显下降。目前创鑫激光自产光栅的产能如何?是否会考虑对外销售?

王英:从出货量来看,我们2019年生产的光栅超过8000对。值得一提的是,2019年上半年我们还会外购光栅,但在项目加速推进后,我们的产能迅速提高,8月份后基本实现了自给自足。目前自产高功率光栅月产能接近2000对,全年自产率在80%以上。我们的光栅随整机一起出货,用户反馈良好,可以说是经受住了市场的考验。

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创鑫激光连续中高功率光栅生产线

图片来源:创鑫激光

光栅自产实现了我们整机生产效率最大化,同时保障客户能获得最大效益。同时,在器件层面实现自产自用,既降低了我们自身的成本,也提升了外购器件时的议价能力。随着我们产能的提高,2020年我们有能力实现100%的光栅自产,但我们也将保持一定的外购比例,在确保成本竞争优势的情况下也不排除适当外销。创鑫在技术上是开放的,我们希望业内同仁能够相互促进,共同推动行业总体的技术提升,使中国激光器整体的成本能继续降低。

OFweek激光网:不久前,美国向荷兰施压禁止ASML向中国出售高端光刻机。创鑫的光栅光刻机供应商情况如何?您认为我国激光核心器件未来的发展有哪些机遇与风险?

王英:光栅需要的光刻机和ASML的光刻机本质上是一致的,但也有区别。ASML的光刻机用在非常高端的领域,工作波长更短,主要是半导体芯片的线路刻写,它的要求比我们高很多,而刻写光栅的需求中低端的光刻机就能满足,技术比较成熟。现在我们掩模版的周期在740nm左右,精度要求比芯片低得多。创鑫激光的光栅刻写机是自主设计光路,自动化平台,定制部件,自主集成的。光刻机用的紫外激光器是外购的。自主设计的好处是光刻机可以方便的兼容各种紫外激光器,因此我们光刻机的紫外激光器供应商并不单一,美国、德国、俄罗斯都有我们的供应商,相对风险也非常低。

随着国内工业转型升级和智能制造的推进,激光加工技术作为先进的加工方式将被更多的制造企业接受,激光加工设备的市场需求也会逐渐增长。激光器作为激光加工设备的核心器件,占据了激光加工设备的大部分成本。要想加速推广激光应用,推动产业升级,必须降低激光器及设备使用成本,加速激光器国产化。

要想实现激光器国产化,从根本上缩短国产激光器与进口激光器的差距,必须掌握核心技术,实现器件与激光器研发、生产的垂直一体化。器件自产可以大幅提升成品品质,提高产品的一致性和稳定性,缩短新产品推出时间,加快了生产效率,降低了生产成本,提升产品市场竞争力。

目前国内外高功率激光器竞争已经进入白热化阶段,掌握激光器核心器件的研发生产能力将是国产激光器在竞争中获胜的关键。创鑫激光秉承国产超高功率工业激光器开拓者的心态,一路攻坚克难,从器件到激光器的研发生产,全面推动国产激光技术的发展,为中国激光产业的发展添薪助力!

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