创鑫激光:掌握激光器核心光学器件 自产光栅补短板

时间:2020-03-12 来源: 热点专题

Source: OFweek Laser

中国高端制造和核心技术短板成为中兴事件后关注的焦点。

激光行业也有类似的短板。众所周知,激光设备的核心在于光源。目前,工业上最主流的光源光纤激光器有一系列核心元件,如增益光纤、泵浦源、激光芯片、光纤光栅、光纤合束器、激光输出头和准直器。在中国科研人员和国内几家主要激光器制造商的不懈努力下,一些核心器件相继实现了突破和批量应用,国内大功率光纤光栅和大功率激光芯片的批量应用成为最后两个未解决的问题。

从近年来光纤激光器厂商的发展和布局来看,掌握核心光学器件,实现垂直集成是国内突破的关键,也是国内实力和规模都很强的激光器厂商正在探索的道路。威科激光网了解到,国内领先的激光企业、新建成的科学板创信激光也在自产光栅方面取得了可喜的成绩。为此,威科激光网专程拜访创新激光研发中心主任王赢,了解创新激光在光栅上的突破和布局。

创鑫激光研发中心负责人 王英

王莹

OFweek激光网络,创信激光研发中心负责人:创信激光何时开始研发光栅的?光栅开发有什么困难?

王莹:创新激光最初是一种设备。它是中国少数几个“设备第一”的制造商之一。创新激光产品中使用的核心光学器件,如泵浦源、合束器、光纤光栅、激光输出头、剥离器、隔离器、声光调制器和模式匹配器等,90%以上都具有自主生产能力。2016年,我们实现了低功率脉冲光栅的自主生产。同年,我们的连续产品受到国外光栅质量问题的极大影响。当时,我们想用自己的双手来控制光栅的质量和性能。

创信激光脉冲低功率光栅生产线

2017,我们开始开发高功率光栅项目。首先,我们遇到了许多困难,包括如何均匀稳定地形成光栅,如何降低高功率下光栅的温升,如何抑制拉曼效应等。为了解决这些问题,我们的研发团队投入了大量的时间和精力,研究和验证了各种可能的影响,最终走出了辛独创的技术之路,为光栅与合束器、有源光纤的匹配以及谐振腔光束质量的精细控制奠定了良好的基础。

众所周知,光栅是光纤激光器谐振腔的必要组成部分,它决定了激光器的输出波长和带宽,并能控制激光器的模式和光束质量。然而,高功率光栅遇到的最大问题是温度上升。光栅的温升系数与许多因素有关。最重要的是确保光栅写入的均匀性和稳定性,高效可靠地封装,并管理光纤中用于敏化的氢气。

光纤激光器基本结构和谐振腔结构

光栅形成稳定性的关键在于光刻技术,这也是光栅制作的难点。如果光栅结构不均匀,缺陷处容易形成热点,这里的温度会很高。适当的光刻机选型、匹配的掩模参数设计、加上光斑均匀化技术、划线光路设计、衍射加工技术是均匀稳定的栅极形成的基础。创新激光器通过对光路光斑调整优化与波形的关系、光刻参数与光栅稳定性的关系的大量实验和理论探讨,形成了一套完整的光纤氢加载、解包、光栅写入、涂覆和脱敏的工艺流程,保证了稳定的光栅形成。

除了光栅写入缺陷引起的光栅温度升高外,感光后的残留物也会引起光栅温度升高。目前,创欣采用了较为独特的载氢敏化技术和成熟的脱敏技术,能够有效地管理敏化后的氢残留,

我们正在写啁啾光栅。里面的周期是变化的,变化的幅度决定了带宽。反射率决定波长选择后反射光子的比例。创信激光光栅的中心波长、带宽、反射率等指标完全满足激光器的使用要求,反射率最低> 99%,最高可达99.99%。

对于中高功率光栅,光栅温度管理也是一项非常重要的技术。光栅温度的变化将直接影响光栅对的参数稳定性和谐振腔的性能。创信激光器独特的光栅设计和优化的散热封装,保证了成品光栅的温升系数小于0.005℃/W,光栅在高功率下也能保证完美匹配,性能和可靠性完全达到甚至超过国外同类产品水平。

创信激光自制光栅

此外,创信对批量生产的光纤光栅的波长控制极其精确和严格,高反射和低反射光纤光栅的中心波长重复精度达到/-0.1纳米,这意味着数千个光纤光栅具有相同的波长,高反射和低反射光纤光栅不需要人工进行波长匹配,从而大大简化了谐振腔的组装过程,降低了光栅的组装损耗,提高了激光器批量生产性能的稳定性和一致性。

值得一提的是创信激光的光纤光栅技术不仅覆盖了单模光纤光栅(纤芯直径10um),而且可以制作大纤芯直径的多模光纤光栅(20um、25um甚至更大的纤芯直径)。与成熟的单模光纤通信光栅不同,光纤激光器用光纤光栅不仅有单模光纤,还有多模光纤光栅。它们更难生产,需要更高的稳定性。在如此困难的条件下,我们自制的大功率光栅已经在高温高湿环境中测试了5000多个小时,温度冲击试验也已经进行了5000次。但是,光栅的性能基本没有变化,完全满足工业生产的要求。目前,创信自制的高功率光栅已批量用于所有单模块激光器。

OFweek激光网络:根据创信激光招股说明书的数据,2019年创信的光栅购买量大幅下降。创鑫激光的自制光栅目前的容量是多少?会考虑国外销售吗?

王莹:从出货量来看,2019年我们将生产8000多对光栅。值得一提的是,我们将在2019年上半年购买格栅板,但在项目加速后,我们的生产能力迅速增加,8月份后我们基本实现了自给自足。目前,自产高功率光栅月生产能力接近2000对,年自产率在80%以上。我们的格栅是和整个机器一起装运的。用户的反馈很好,可以说经受住了市场的考验。

创信激光连续中高功率光栅生产线

光栅自产实现了我们整机的最大生产效率,同时保证客户能获得最大的效益。同时,在设备层面实现自我生产和自我使用不仅降低了我们自己的成本,也提高了我们外包设备时的议价能力。随着我们生产能力的提高,到2020年我们将能够实现100%的光栅自产,但我们也将保持一定比例的外包,并且在确保成本竞争优势的情况下,不排除适当的出口。创新在技术上是开放的,我们希望业内同仁能够相互促进,共同推动行业整体技术升级,使中国激光器的整体成本能够继续降低。

OFweek激光网络:不久前,美国向荷兰施压,禁止ASML向中国销售高端光刻机。创新的光栅光刻供应商的状况如何?你认为中国激光核心器件未来发展的机遇和风险是什么?

王赢:光栅尺所需的光刻机和ASML的光栅尺基本相同,但也有区别。ASML光刻机用于非常高端的领域

随着国内产业转型升级和智能制造的推进,激光加工技术作为一种先进的加工方法将被越来越多的制造企业所接受,市场对激光加工设备的需求也将逐渐增加。激光作为激光加工设备的核心设备,占据了激光加工设备的大部分成本。为了加快激光应用的普及,促进产业升级,必须降低激光器和设备的成本,加快激光器的国产化。

为了实现激光器的国产化,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,实现器件和激光器研发生产的垂直一体化。自制设备可以大大提高成品质量,提高产品的一致性和稳定性,缩短新产品的上市时间,加快生产效率,降低生产成本,增强产品的市场竞争力。

目前,国内外对高功率激光器的竞争已经进入白热化阶段。掌握激光器核心器件的R&D和生产能力将是国产激光器赢得竞争的关键。创鑫激光秉承国内超高功率工业激光器先锋的理念,从器件研发到激光器生产,一路克服困难,全面推动国内激光技术的发展,为中国激光产业的发展增加工资。

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