激光勁旅風(fēng)云再起！20余載沉淀登頂，兩大核心技術(shù)路線成關(guān)鍵

近年來(lái)，萬(wàn)瓦加工之所以能夠成為業(yè)界熱議的焦點(diǎn)，無(wú)非描繪了一段效率躍升、突破厚度極限的佳話！以至于萬(wàn)瓦激光苗頭初顯，便迅速獲得市場(chǎng)認(rèn)可。技術(shù)上的跨越式進(jìn)步以及在加工效率、節(jié)約成本上對(duì)傳統(tǒng)工藝的雙重降維打擊，使得萬(wàn)瓦激光成為替代傳統(tǒng)工藝的一支穿云箭。

從早期滿足切割市場(chǎng)在中薄板端的需求，到去年6萬(wàn)瓦、8萬(wàn)瓦的接連突破，實(shí)現(xiàn)對(duì)厚板領(lǐng)域需求的全面覆蓋，萬(wàn)瓦激光已然從初級(jí)加工轉(zhuǎn)向下沉深耕切割領(lǐng)域，將手探向特厚板領(lǐng)域及更高端的應(yīng)用層面。

得益于技術(shù)的成熟運(yùn)用和階段性創(chuàng)新，超高功率光纖激光器領(lǐng)域再度迎來(lái)歷史性的一刻。在本次慕尼黑上海光博會(huì)上，光纖激光器領(lǐng)軍企業(yè)凱普林光電推出全球首臺(tái)工業(yè)級(jí)150kW光纖激光器，這一里程碑式的成果標(biāo)志著激光技術(shù)在推動(dòng)工業(yè)制造升級(jí)方面邁入了新的階段，開啟了全新篇章。

15萬(wàn)瓦光纖激光器造行業(yè)劃時(shí)代變革

之所以說(shuō)15萬(wàn)瓦的落地是一個(gè)里程碑，主要還是體現(xiàn)在突破板材厚度需求和效率需求兩個(gè)點(diǎn)上，大有幾分“扭轉(zhuǎn)乾坤”之味。在萬(wàn)瓦激光出現(xiàn)以前，市面上用于切割板材的光纖激光器，功率多為6kW。彼時(shí)，曾有6kW已經(jīng)足夠了的聲音，但萬(wàn)瓦以下的激光器，僅能覆蓋中薄板的需求，實(shí)際上在切割能力和效率上不足以擔(dān)負(fù)板材切割的主需求。

正因存在這一問題，國(guó)內(nèi)眾多激光廠商開始了萬(wàn)瓦突破的嘗試。最終在2020年，金屬切割掀起了一輪萬(wàn)瓦狂潮，由此開啟光纖激光器超高功率時(shí)代。更高功率段帶來(lái)的效率和切割厚度的突破，也讓萬(wàn)瓦激光找到了新的突破點(diǎn)，替代傳統(tǒng)等離子、火焰切割工藝成為主要的增量方向。

但高昂的成本，也讓高舉替代旗幟的萬(wàn)瓦激光寸步難行。幸運(yùn)的是，包括凱普林在內(nèi)的各大激光器廠商憑借多年來(lái)的技術(shù)沉淀和對(duì)新興技術(shù)應(yīng)用的前瞻性布局，業(yè)界隨之迎來(lái)了6萬(wàn)瓦、8萬(wàn)瓦。

兩大極致鋒利“光刀”的問世，也吹響了激光切割對(duì)等離子切割發(fā)起全面替代的沖鋒號(hào)角。從技術(shù)和總生命周期成本的層面，為中厚板領(lǐng)域的批量加工提供了更經(jīng)濟(jì)的解決方案。但面對(duì)激光切割所帶來(lái)的強(qiáng)大沖擊，火焰切割卻波瀾不驚。

基于設(shè)備成本更低，即便在效率、精度、工藝及節(jié)能環(huán)保上遜于激光，火焰切割仍然擁有較長(zhǎng)的生命周期。而在特厚板材領(lǐng)域，火焰切割所能實(shí)現(xiàn)的厚度也是當(dāng)時(shí)激光切割所無(wú)法企及的。

“好景不長(zhǎng)”，火焰切割的閑庭信步，終究還是迎來(lái)了挑戰(zhàn)。2024年初，凱普林與嘉泰、柏楚攜手推出10萬(wàn)瓦雷霆光纖激光切割機(jī)，到此次慕尼黑上海光博會(huì)上，凱普林重磅發(fā)布全球首臺(tái)15萬(wàn)瓦工業(yè)級(jí)光纖激光器?？梢哉f(shuō)，從10萬(wàn)瓦功率量級(jí)起，激光切割便已向火焰切割發(fā)起挑戰(zhàn)，而到了15萬(wàn)瓦功率量級(jí)時(shí)，其更是覆蓋了火焰切割在超厚板材領(lǐng)域90％以上的應(yīng)用。縱橫所有金屬板材，15萬(wàn)瓦的利刃讓板材切割行業(yè)再一次迎來(lái)了劃時(shí)代變革。

從科研到工業(yè)應(yīng)用

凱普林兩大核心技術(shù)助力15萬(wàn)瓦問世

自1999年起，我國(guó)便集中各大高校和研究機(jī)構(gòu)，立項(xiàng)攻關(guān)高功率光纖激光器領(lǐng)域。隨后國(guó)內(nèi)眾多廠商耗費(fèi)將近21年的時(shí)間，終于在2020年實(shí)現(xiàn)了我國(guó)萬(wàn)瓦激光的產(chǎn)業(yè)化。至此，光纖激光器領(lǐng)域便開始朝著“高功率、高亮度、輕量化”三大方向不斷邁進(jìn)。而這也成為了15萬(wàn)瓦到來(lái)的契機(jī)。

事實(shí)上，不少人認(rèn)為凱普林在超高功率激光領(lǐng)域的突破屬于異軍突起，但筆者對(duì)此不敢茍同。凱普林能夠迅速實(shí)現(xiàn)從6萬(wàn)瓦到15萬(wàn)瓦的跨越式進(jìn)步，這一成就應(yīng)當(dāng)是水到渠成。

兩大核心飛輪的快速轉(zhuǎn)動(dòng)助推了這一必然結(jié)果。眾所周知，凱普林是一家有著二十余年泵浦源制造經(jīng)驗(yàn)的企業(yè)，基于偏振合束技術(shù)和密集排布理論顯著提升光纖激光器的功率密度和集成度，其于2020年在光纖激光器泵浦源領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破，成功向市場(chǎng)推出660W泵浦源，助推國(guó)內(nèi)高功率激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展。顯然，凱普林“高功率”的核心飛輪正飛速轉(zhuǎn)動(dòng)，但與此同時(shí)，另一大核心飛輪同樣點(diǎn)燃了引擎。

從凱普林此前推出的閃電系列產(chǎn)品中，我們便可窺見輕量化是其重要的技術(shù)發(fā)展方向。2022年，閃電系列光纖激光器的誕生，為光纖激光器領(lǐng)域帶來(lái)了顛覆式的體積縮小。這一重大突破的實(shí)現(xiàn)，離不開凱普林在技術(shù)創(chuàng)新方面的努力，其將新能源行業(yè)的一體化技術(shù)引入其中。作為既精通泵浦源，又深諳激光器整機(jī)技術(shù)的廠商，凱普林率先定義并應(yīng)用激光器CTC芯片一體化技術(shù)，為其在手持激光焊領(lǐng)域的卓越表現(xiàn)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，并獲得了較高的市場(chǎng)占有率。此次光博會(huì)，凱普林更是帶來(lái)了第四代閃電系列產(chǎn)品，這充分展示了其在這一技術(shù)路線上取得的進(jìn)一步精進(jìn)。

即便在焊接賽道上成績(jī)斐然，凱普林同樣也意識(shí)到，切割領(lǐng)域是其戰(zhàn)略發(fā)展方向的一大重點(diǎn)。在泵浦源領(lǐng)先技術(shù)和閃電系列小型化技術(shù)這兩大核心飛輪的加持下，凱普林在2023年開始發(fā)力超高功率激光領(lǐng)域。

2023年9月，凱普林基于CTC芯片一體化技術(shù)、新一代雷霆光學(xué)平臺(tái)、功率合束技術(shù)及超高功率輸出技術(shù)等，突破功率上限，實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量輸出，正式推出雷霆系列光纖激光器；2023年12月，雷霆系列6萬(wàn)瓦光纖激光器批量出貨超十臺(tái)；2024年1月，首批雷霆8萬(wàn)瓦光纖激光器落戶長(zhǎng)三角地區(qū)；2024年2月，攜手嘉泰激光、柏楚電子聯(lián)合發(fā)布全球首臺(tái)雷霆10萬(wàn)瓦超高功率切割設(shè)備；2024年3月8日，發(fā)布雷霆12萬(wàn)瓦工業(yè)級(jí)光纖激光器；2024年3月19日，攜手金威刻激光發(fā)布全球首臺(tái)13．5萬(wàn)瓦激光切割設(shè)備；2024年3月20日，凱普林于慕尼黑上海光博會(huì)重磅發(fā)布全球首臺(tái)15萬(wàn)瓦工業(yè)級(jí)光纖激光器。

綜上所述，僅一年時(shí)間，凱普林便成為了超高功率激光領(lǐng)域新的旗幟！這離不開兩大核心飛輪的加持，同時(shí)也得益于其前瞻性的戰(zhàn)略布局，用水到渠成一詞來(lái)形容一點(diǎn)也不為過(guò)。

15萬(wàn)瓦有何不同？創(chuàng)新之處在哪？

能夠突破行業(yè)最高12萬(wàn)瓦平均功率的限制，凱普林推出的全球首臺(tái)15萬(wàn)瓦工業(yè)級(jí)光纖激光器必然有著獨(dú)特的創(chuàng)新。為此筆者也在現(xiàn)場(chǎng)連線凱普林光纖事業(yè)部輪值總經(jīng)理趙巨云，以解答心中疑惑。

趙總表示：目前國(guó)際上6萬(wàn)瓦高功率光纖激光器在工業(yè)激光切割領(lǐng)域上得到快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用。光纖激光器的最高功率已經(jīng)可以超過(guò)10萬(wàn)瓦，甚至達(dá)到12萬(wàn)瓦的水平，但光束質(zhì)量的劣化嚴(yán)重制約了超高功率的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。

在2023年9月發(fā)布雷霆系列之時(shí)，其6kW雷霆光學(xué)平臺(tái)僅能支撐6萬(wàn)瓦與8萬(wàn)瓦的功率量級(jí)，因此在更高功率層面來(lái)說(shuō)，其光束質(zhì)量及光譜相對(duì)來(lái)說(shuō)并不算優(yōu)秀。為此凱普林對(duì)其進(jìn)行升級(jí)，構(gòu)建了高亮度準(zhǔn)單模放大器結(jié)構(gòu) 6kW光學(xué)平臺(tái)，有效抑制橫向模式不穩(wěn)定現(xiàn)象，突破了超高功率光纖激光器合束后光束質(zhì)量差、輸出功率不穩(wěn)定等技術(shù)瓶頸。研制了15萬(wàn)瓦超高功率激光合束及輸出核心光學(xué)器件，實(shí)現(xiàn)高光束質(zhì)量激光輸出，M2控制在24以內(nèi)。

而前文提到的泵浦源和CTC芯片一體化技術(shù)也是一大創(chuàng)新，其研發(fā)了基于密集空間排列理論的芯片一體化技術(shù)，利用低熱阻封裝以及立體水道將片、熱沉結(jié)構(gòu)、泵浦模塊與激光器進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)，提升熱傳導(dǎo)效率，研制了輕質(zhì)化、高功率、高亮度泵浦源。

此外，凱普林還創(chuàng)新性提出用于抑制光纖激光器非線性效應(yīng)的飛秒激光刻寫高功率光纖光柵制作工藝，可控制輸出激光的光譜線寬及SRS光譜濾波，具備高承載功率、低溫度系數(shù)和多種非線性效應(yīng)限制功能。

在激光功率測(cè)試領(lǐng)域，早期的廠商多采用基于熱敏和光敏技術(shù)的功率計(jì)來(lái)進(jìn)行功率測(cè)量。但凱普林采用了一種完全不同的技術(shù)路徑來(lái)測(cè)試功率，由中國(guó)計(jì)量院專家進(jìn)行技術(shù)開發(fā)，凱普林首次將其應(yīng)用于激光器。其研發(fā)了國(guó)內(nèi)外首臺(tái)15萬(wàn)瓦超高功率光纖激光器及測(cè)試系統(tǒng)，提供的資料表明，最大輸出功率為150340W，突破了行業(yè)內(nèi)12萬(wàn)瓦功率合成技術(shù)上限。

從指標(biāo)上來(lái)看，15萬(wàn)瓦工業(yè)級(jí)光纖激光器中心波長(zhǎng)1080±10nm，光譜帶寬為（3dB）＜8nm，輸出光纖芯徑200μm，光束質(zhì)量M2≤24（IPG 12萬(wàn)瓦產(chǎn)品M2＜50），激光功率不穩(wěn)定性為±1．5％。根據(jù)中科合創(chuàng)（北京）科技成果評(píng)價(jià)中心報(bào)告顯示，凱普林15萬(wàn)瓦超高功率光纖激光器總體技術(shù)達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品先進(jìn)水平。

小結(jié)

事實(shí)上，超高功率的再一次突破，正符合當(dāng)前諸如船舶制造、新能源汽車、航空航天、核電等高端制造領(lǐng)域的高質(zhì)量生產(chǎn)需求。15萬(wàn)瓦對(duì)所有厚度的板材，均能實(shí)現(xiàn)加工效率倍增及高質(zhì)量加工。同時(shí)也證明了，凱普林正將超高功率激光引向更深的范疇，進(jìn)一步助推我國(guó)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

但行至此處，功率的提升也將告一段落了，在切割領(lǐng)域，15萬(wàn)瓦光纖激光器將會(huì)作為平臺(tái)區(qū)持續(xù)一段時(shí)間。一方面在于，需要進(jìn)入工藝的優(yōu)化和摸索階段；另一方面在于，需要滿足配套的激光切割頭、整機(jī)設(shè)備、供電設(shè)備等需求，才能讓激光器獲得更好的終端應(yīng)用。

審核編輯 黃宇