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光學博覽
激光制造業持續增速 國產光纖激光器突破3萬瓦

近幾年來我國激光制造行業呈現整體爆發的態勢,這背后離不開國產光纖激光器制造廠商的迅速成長。而進口光纖激光器高昂的售價一直是激光設備無法在更多應用領域獲得更大規模應用的主要發展障礙,從這一點上講,國產光纖激光器制造廠商不斷向市場推出物美價廉的產品承載著國內甚至全球激光裝備和應用市場持續高速發展的重要歷史使命。

光纖激光技術和市場的最新趨勢與動態

近來光纖激光技術和市場呈現兩大趨勢:一是單光纖模塊的功率突然出現大幅上升的趨勢,二是市場需求的激光加工功率突然出現大幅上升的趨勢。

長期以來,以IPG為代表的大部分光纖激光器廠商的單光纖模塊功率一直處于500瓦至1500瓦之間的較低水平,幾千瓦的較高功率輸出通常采用3合1、7合1等所謂“低數量合束”方案,而萬瓦級以上的超高功率輸出則采用所謂“高數量合束”方案(例如IPG中國的3萬瓦機型采用23合1的合束方案)。但近期單光纖模塊的功率突然出現大幅上升趨勢,IPG正在推出2000瓦至3500瓦的單光纖模塊,國內外其他各廠商也都在努力推出各自的高功率單光纖模塊,可以認為這是未來發展的主要趨勢之一。

激光加工市場一直以來對萬瓦級以上的超高功率激光器需求并不是很旺盛,但近來突然發生了改變。以切割市場為例,大族激光、奔騰激光推出的1.5-2萬瓦高速高精激光切割機在市場上反響熱烈,焊接市場也開始廣泛使用2萬瓦以上的超高功率光纖激光器。根據目前趨勢來看,切割市場將很快延伸至3萬瓦甚至更高,焊接和表面處理等市場將延伸至10萬瓦甚至更高。針對這一點,華中科技大學馬修泉教授向OFweek激光網指出:“金屬熔化閾值是百萬瓦每平方公分,金屬表面改性閾值是萬瓦每平方公分,從這兩個基本數據來說,將來實際使用中出現十萬瓦甚至百萬瓦的激光功率都很正常,考慮到目前超高功率激光器的成本越來越可以接受,激光制造突破十萬瓦可以說是指日可待

國產高功率光纖激光器產品的“質”與“量”

國產高功率光纖激光器產品近年來在“量”上取得令世界矚目的進步。據《2019中國激光產業發展報告》披露,2018年我國光纖激光器1500瓦以上國產出貨量約占總出貨量的34.5%,預計2019年國產高功率激光器出貨量將超過進口激光器。

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國產高功率光纖激光器(>1.5 kW)出貨量占比

數據來源:2019中國激光產業發展報告

但不可否認的是,國產高功率激光器在“質”上與國外頂級廠商還有不小的差距,在某些指標上甚至有差距不斷拉大的趨勢。以全光纖輸出的激光總功率為例,美國IPG公司已在2018年開始對外銷售定制的50萬瓦級的全光纖工業級激光器,而我國2018年仍處于2萬瓦的工業級產品驗證階段。

針對激光器功率需求不斷走高的趨勢以及工業級光纖激光器領域國內外研發水平的差距,成立于2017年的廣東國志激光技術有限公司在成立短短兩年多的時間里,通過與華中科技大學馬修泉教授緊密合作,迅速正式向市場推出單光纖5000瓦和合束輸出3萬瓦標準工業級產品,并于2019年5月獲得中科院光電研究院國家激光器件質量監督檢驗中心出具有CNAS、CMA、CAL資質的檢測報告,并在ILAC體系下國際互認。

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國志激光單光纖5000瓦工業級激光模塊

據悉,國志激光推出的單光纖模塊5000瓦,是目前國際市場上可查的公開銷售的最高功率機型,同時基于7合1的低數量合束方案推出了3萬瓦200微米輸出的全光纖激光器,是目前國內廠商首款正式推出的3萬瓦工業級激光器。公司首席科學家馬修泉教授表示,國志激光將致力于“從質的方面提高國產激光器的實力,從技術含金量的角度追趕國際品牌,為國內激光制造業的持續增速貢獻自己的力量”。

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國志激光全光纖3萬瓦200微米合束輸出激光器

激光市場前景廣闊與激光摩爾定律的初步顯現

目前在激光技術的眾多工業應用中,激光切割設備以高度的標準化特性占據目前整個激光制造裝備市場的主體地位,特別是我國在金屬加工業的強大內需,支撐我國國產激光切割設備近年來在量和質兩個方面都呈現飛速發展的態勢。但眾所周知,平板切割只是金屬加工業的初道工序之一,以金屬焊接、金屬表面處理為代表的眾多后道工序需求實際上遠大于平板切割的初道工序需求,所以激光焊接和激光表面處理的市場容量從根本上遠大于平面切割的市場容量。從這個角度上講,未來幾年激光制造裝備市場的容量有望持續提升,其主要貢獻將來自于激光焊接和激光表面處理在整個激光裝備市場中份額的大幅提高。

對于激光市場的未來發展前景,馬教授提到了半導體的摩爾定律,他向OFweek激光網介紹說:“半導體技術和激光技術的發明時間分別為1947年和1960年,獲得諾貝爾獎的時間分別為1956年和1964年,二者可以說是一個時代的產物。從物理基礎來看,半導體是費米子的量子效應,而激光是玻色子的量子效應,二者也都是量子效應的產物。然而,二者發展至今的體量和影響力卻完全不可同日而語,關鍵在于半導體一直按照摩爾定律的規模在發展,即每18個月半導體技術的能力可以翻一番而產品價格可以降一半,這種快速的發展速度是半導體技術成功的原因。”

馬教授認為:“激光技術自問世以來,傳統激光器的技術發展相對緩慢,直到光纖激光器出現才跟上半導體的發展速度,實現了激光功率每18個月大概提升一倍的技術發展速度。但由于技術門檻較高和研發投入巨大,國外龍頭廠商的光纖激光器產品價格處于每36個月大概降一半的狀態,直到2016、2017年國產激光器突然打入市場,光纖激光器的價格開始驟降,目前基本符合每18個月價格大概降一半的趨勢。也就是說,光纖激光器拉動的激光產業將進入一個類似半導體摩爾定律發展狀態的高速膨脹時期,可以預見未來激光制造市場將會迎來爆發式增長。”

馬教授補充道:“盡管產品降價太快會對激光器企業盈利與發展帶來挑戰,但產品價格的整體降低意味著客戶群體的增加,需求量的增加也將刺激上游材料和器件層面的成本不斷下降,就像手機產業一樣,目前的發展態勢將催生更大規模的激光產業,對激光行業來講,特別是對在運營成本上具有優勢的中國制造業企業來說,是一件好事情。希望最終激光行業可以成為像半導體產業一樣的支柱型產業,為人類生產力的持續進步作出實質性的貢獻

總結

國產3萬瓦全光纖激光器的出現,提高了國產激光器的功率覆蓋面,有助于擺脫我國激光制造業高度依賴進口激光器的“空心化問題”。國產激光器的發展初見成果,而國志激光的市場化之路才剛剛起步。激光行業的未來能否如馬修泉教授所言,讓我們拭目以待。




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