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    千磨萬擊還堅(jiān)勁——激光核心器件國(guó)產(chǎn)化再進(jìn)一步!

    2019年,中美間的貿(mào)易沖突達(dá)到了高峰。在這一年中,經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)放緩、貿(mào)易額下降、制造業(yè)低迷成了中美雙方經(jīng)濟(jì)壓力的主要標(biāo)簽。而中國(guó)在高端制造、核心技術(shù)領(lǐng)域所面臨的短板,也在中興事件之后成了關(guān)注的焦點(diǎn)。

    對(duì)激光行業(yè)而言,同樣存在類似的短板。眾所周知,激光設(shè)備的核心在于光源,而目前工業(yè)應(yīng)用最主流的光源——光纖激光器,則有增益光纖、泵浦源、激光芯片、光纖光柵、光纖合束器、激光輸出頭及準(zhǔn)直器等一系列核心部件。在我國(guó)科研人員及幾大國(guó)產(chǎn)激光器制造商的不懈努力下,一些核心部件先后實(shí)現(xiàn)突破及批量應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)高功率光纖光柵和高功率激光芯片的批量應(yīng)用成了最后兩個(gè)待解難題。

    從這幾年光纖激光器廠商的發(fā)展與布局來看,掌握核心光學(xué)器件、實(shí)現(xiàn)垂直一體化是國(guó)產(chǎn)突圍的關(guān)鍵所在,這也是國(guó)內(nèi)具有較強(qiáng)實(shí)力與規(guī)模的激光器廠商正在探索的道路。OFweek激光網(wǎng)了解到,作為國(guó)產(chǎn)激光器領(lǐng)先企業(yè)、剛剛完成科創(chuàng)板過會(huì)的創(chuàng)鑫激光,也在自產(chǎn)光柵方面取得了可喜成績(jī)。為此,OFweek激光網(wǎng)專程拜訪了創(chuàng)鑫激光研發(fā)中心負(fù)責(zé)人王英,了解創(chuàng)鑫激光在光柵上的突破與布局。

    千磨萬擊還堅(jiān)勁——激光核心器件國(guó)產(chǎn)化再進(jìn)一步!

    創(chuàng)鑫激光研發(fā)中心負(fù)責(zé)人 王英

    圖片來源:OFweek激光網(wǎng)

    OFweek激光網(wǎng):創(chuàng)鑫激光是什么時(shí)候開始研發(fā)光柵的?光柵研制的難點(diǎn)是什么?

    王英:創(chuàng)鑫激光以做器件起家,是國(guó)內(nèi)少有做到“器件先行”的廠家。創(chuàng)鑫激光產(chǎn)品所用的泵源、合束器、光纖光柵、激光輸出頭、剝模器、隔離器、聲光調(diào)制器、模式匹配器等90%以上的核心光學(xué)器件均已具備自產(chǎn)能力。2016年我們實(shí)現(xiàn)小功率脈沖光柵自產(chǎn),同年我們連續(xù)產(chǎn)品受國(guó)外光柵品質(zhì)問題影響很大,那時(shí)就想把光柵品質(zhì)和性能控制在自己手里。

    千磨萬擊還堅(jiān)勁——激光核心器件國(guó)產(chǎn)化再進(jìn)一步!

    創(chuàng)鑫激光脈沖小功率光柵生產(chǎn)線

    圖片來源:創(chuàng)鑫激光

    2017年,我們開始著手研發(fā)高功率光柵項(xiàng)目。剛開始我們遇到很多困難,包括如何均勻穩(wěn)定成柵、降低光柵在高功率下的溫升、抑制拉曼的影響等等。為了解決這些問題,我們的研發(fā)團(tuán)隊(duì)投入大量時(shí)間和精力,研究并驗(yàn)證了每一個(gè)可能的影響,最終走出了創(chuàng)鑫獨(dú)創(chuàng)技術(shù)之路,這對(duì)于諧振腔內(nèi)光柵與合束器、有源光纖的匹配和光束質(zhì)量精細(xì)控制打下了很好的基礎(chǔ)。

    我們都知道,光柵是光纖激光器諧振腔的必要構(gòu)成部件,決定了激光器的輸出波長(zhǎng)與帶寬,并能控制激光模式與光束質(zhì)量。而高功率光柵遇到最大的問題就是溫升問題。光柵的溫升系數(shù)跟很多因素相關(guān),最主要的就是保證光柵刻寫時(shí)的均勻穩(wěn)定,高效可靠的封裝以及管理光纖中增敏用的氫。

    千磨萬擊還堅(jiān)勁——激光核心器件國(guó)產(chǎn)化再進(jìn)一步!

    光纖激光器基本結(jié)構(gòu)及諧振腔結(jié)構(gòu)

    圖片來源:創(chuàng)鑫激光招股書

    成柵穩(wěn)定的關(guān)鍵在于光刻技術(shù),而這也是光柵制造的難點(diǎn)。如果刻寫的光柵結(jié)構(gòu)不均勻,在缺陷處就容易形成熱點(diǎn),這里的溫度就會(huì)高。合適的光刻機(jī)選型、匹配的掩模板參數(shù)設(shè)計(jì),加上光斑勻化技術(shù)、刻寫光路設(shè)計(jì)、衍射處理技術(shù)都是能夠均勻穩(wěn)定成柵的基礎(chǔ)。經(jīng)過光路光斑調(diào)整優(yōu)化與波形關(guān)系、光刻機(jī)參數(shù)與光柵穩(wěn)定性關(guān)系的大量的實(shí)驗(yàn)和理論探討,得益上述在光刻上的先進(jìn)技術(shù),創(chuàng)鑫激光已經(jīng)形成了光纖載氫、去涂覆、光柵刻寫、涂覆、退敏一整套完善的工藝流程,能夠確保穩(wěn)定成柵。

    除光柵刻寫的缺陷會(huì)導(dǎo)致光柵升溫外,增敏后的殘留物也會(huì)導(dǎo)致光柵溫度升高。目前創(chuàng)鑫采用的是比較獨(dú)特的載氫增敏技術(shù),以及成熟的退敏技術(shù),可以有效地管理增敏的氫殘留,減少光柵發(fā)熱,配合創(chuàng)鑫激光高效的光纖光柵散熱封裝設(shè)計(jì),有效解決光纖光柵的溫升風(fēng)險(xiǎn)。

    OFweek激光網(wǎng):評(píng)價(jià)光柵性能好壞的指標(biāo)有哪些?創(chuàng)鑫激光研制的光柵可以達(dá)到什么樣的效果?

    王英:光柵比較重要的參數(shù)包括:中心波長(zhǎng)、帶寬、反射率、溫度、邊模抑制比。光柵最重要的作用就是選擇波長(zhǎng),并把選定波長(zhǎng)的光在激光腔里反射諧振,因此中心波長(zhǎng)是光柵最基本的參數(shù)。這是由刻寫在里面的微觀結(jié)構(gòu)決定的,具體來說就是刻寫在光纖里面的折射率周期變化。

    我們刻寫的是啁啾光柵,里面的周期是變化的,周期變化量的大小就決定了帶寬。而反射率決定了波長(zhǎng)選擇之后反射光子的比例。創(chuàng)鑫激光光柵的中心波長(zhǎng)、帶寬、反射率等指標(biāo)完全符合激光器的使用要求,其中反射率最低>99%,最高達(dá)到了99.99%。

    對(duì)中高功率光柵來說,光柵溫度管理也是一個(gè)很重要的技術(shù)。光柵溫度變化,會(huì)直接影響著光柵對(duì)的參數(shù)穩(wěn)定,影響諧振腔的性能。創(chuàng)鑫激光的獨(dú)特光柵設(shè)計(jì)配合優(yōu)化的散熱封裝,可以保證我們的成品光柵溫升系數(shù)能做到小于0.005℃/W,高功率下光柵也能保證完美匹配,性能和可靠性完全達(dá)到甚至超過了國(guó)外同類產(chǎn)品水平。

    千磨萬擊還堅(jiān)勁——激光核心器件國(guó)產(chǎn)化再進(jìn)一步!

    創(chuàng)鑫激光自制光柵

    圖片來源:創(chuàng)鑫激光

    此外,創(chuàng)鑫對(duì)批量生產(chǎn)的光纖光柵波長(zhǎng)控制極為精密嚴(yán)格,高反和低反光纖光柵中心波長(zhǎng)的重復(fù)精度到達(dá)±0.1nm。這意味著數(shù)千只光纖光柵都是同一波長(zhǎng),高反和低反光纖光柵不再需要人工波長(zhǎng)配對(duì),極大簡(jiǎn)化了諧振腔的組裝工藝,減少光柵的組裝損耗,提升了激光器的量產(chǎn)性能穩(wěn)定性和一致性。

    值得一提的是,創(chuàng)鑫激光的光纖光柵技術(shù)不僅覆蓋了單模光纖光柵(芯徑10um),也可以生產(chǎn)大芯徑多模光纖光柵(20um,25um,甚至更大芯徑)。不同于成熟的光纖通信用單模光纖光柵,光纖激光用光纖光柵不僅有單模,而且很多是多模光纖光柵。它們生產(chǎn)的難度更大,穩(wěn)定性要求也更高。在這樣高難度的條件下,我們自制的高功率光柵在高溫高濕的環(huán)境下進(jìn)行了5000多個(gè)小時(shí)的測(cè)試,溫度沖擊測(cè)試也進(jìn)行了5000cycle,但光柵的性能表現(xiàn)基本沒有出現(xiàn)變化,完全符合工業(yè)生產(chǎn)的要求。目前創(chuàng)鑫自制高功率光柵已批量用于所有單模塊激光器上。

    OFweek激光網(wǎng):通過創(chuàng)鑫激光招股書數(shù)據(jù)可見,2019年創(chuàng)鑫的光柵采購量明顯下降。目前創(chuàng)鑫激光自產(chǎn)光柵的產(chǎn)能如何?是否會(huì)考慮對(duì)外銷售?

    王英:從出貨量來看,我們2019年生產(chǎn)的光柵超過8000對(duì)。值得一提的是,2019年上半年我們還會(huì)外購光柵,但在項(xiàng)目加速推進(jìn)后,我們的產(chǎn)能迅速提高,8月份后基本實(shí)現(xiàn)了自給自足。目前自產(chǎn)高功率光柵月產(chǎn)能接近2000對(duì),全年自產(chǎn)率在80%以上。我們的光柵隨整機(jī)一起出貨,用戶反饋良好,可以說是經(jīng)受住了市場(chǎng)的考驗(yàn)。

    千磨萬擊還堅(jiān)勁——激光核心器件國(guó)產(chǎn)化再進(jìn)一步!

    創(chuàng)鑫激光連續(xù)中高功率光柵生產(chǎn)線

    圖片來源:創(chuàng)鑫激光

    光柵自產(chǎn)實(shí)現(xiàn)了我們整機(jī)生產(chǎn)效率最大化,同時(shí)保障客戶能獲得最大效益。同時(shí),在器件層面實(shí)現(xiàn)自產(chǎn)自用,既降低了我們自身的成本,也提升了外購器件時(shí)的議價(jià)能力。隨著我們產(chǎn)能的提高,2020年我們有能力實(shí)現(xiàn)100%的光柵自產(chǎn),但我們也將保持一定的外購比例,在確保成本競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的情況下也不排除適當(dāng)外銷。創(chuàng)鑫在技術(shù)上是開放的,我們希望業(yè)內(nèi)同仁能夠相互促進(jìn),共同推動(dòng)行業(yè)總體的技術(shù)提升,使中國(guó)激光器整體的成本能繼續(xù)降低。

    OFweek激光網(wǎng):不久前,美國(guó)向荷蘭施壓禁止ASML向中國(guó)出售高端光刻機(jī)。創(chuàng)鑫的光柵光刻機(jī)供應(yīng)商情況如何?您認(rèn)為我國(guó)激光核心器件未來的發(fā)展有哪些機(jī)遇與風(fēng)險(xiǎn)?

    王英:光柵需要的光刻機(jī)和ASML的光刻機(jī)本質(zhì)上是一致的,但也有區(qū)別。ASML的光刻機(jī)用在非常高端的領(lǐng)域,工作波長(zhǎng)更短,主要是半導(dǎo)體芯片的線路刻寫,它的要求比我們高很多,而刻寫光柵的需求中低端的光刻機(jī)就能滿足,技術(shù)比較成熟。現(xiàn)在我們掩模版的周期在740nm左右,精度要求比芯片低得多。創(chuàng)鑫激光的光柵刻寫機(jī)是自主設(shè)計(jì)光路,自動(dòng)化平臺(tái),定制部件,自主集成的。光刻機(jī)用的紫外激光器是外購的。自主設(shè)計(jì)的好處是光刻機(jī)可以方便的兼容各種紫外激光器,因此我們光刻機(jī)的紫外激光器供應(yīng)商并不單一,美國(guó)、德國(guó)、俄羅斯都有我們的供應(yīng)商,相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)也非常低。

    隨著國(guó)內(nèi)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和智能制造的推進(jìn),激光加工技術(shù)作為先進(jìn)的加工方式將被更多的制造企業(yè)接受,激光加工設(shè)備的市場(chǎng)需求也會(huì)逐漸增長(zhǎng)。激光器作為激光加工設(shè)備的核心器件,占據(jù)了激光加工設(shè)備的大部分成本。要想加速推廣激光應(yīng)用,推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí),必須降低激光器及設(shè)備使用成本,加速激光器國(guó)產(chǎn)化。

    要想實(shí)現(xiàn)激光器國(guó)產(chǎn)化,從根本上縮短國(guó)產(chǎn)激光器與進(jìn)口激光器的差距,必須掌握核心技術(shù),實(shí)現(xiàn)器件與激光器研發(fā)、生產(chǎn)的垂直一體化。器件自產(chǎn)可以大幅提升成品品質(zhì),提高產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性,縮短新產(chǎn)品推出時(shí)間,加快了生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)成本,提升產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

    目前國(guó)內(nèi)外高功率激光器競(jìng)爭(zhēng)已經(jīng)進(jìn)入白熱化階段,掌握激光器核心器件的研發(fā)生產(chǎn)能力將是國(guó)產(chǎn)激光器在競(jìng)爭(zhēng)中獲勝的關(guān)鍵。創(chuàng)鑫激光秉承國(guó)產(chǎn)超高功率工業(yè)激光器開拓者的心態(tài),一路攻堅(jiān)克難,從器件到激光器的研發(fā)生產(chǎn),全面推動(dòng)國(guó)產(chǎn)激光技術(shù)的發(fā)展,為中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展添薪助力!

    極客網(wǎng)企業(yè)會(huì)員

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    2020-01-16
    千磨萬擊還堅(jiān)勁——激光核心器件國(guó)產(chǎn)化再進(jìn)一步!
    2019年,中美間的貿(mào)易沖突達(dá)到了高峰。在這一年中,經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)放緩、貿(mào)易額下降、制造業(yè)低迷成了中美雙方經(jīng)濟(jì)壓力的主要標(biāo)簽。而中國(guó)在高端制造、核心技術(shù)領(lǐng)域所面臨的短板,也在中興事件之后成了關(guān)注的焦點(diǎn)。

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