在近日舉辦的“第19屆中國(guó)國(guó)際光電博覽會(huì)”上，亨通宣布在特種光纖領(lǐng)域再次突破，推出了三大系列摻鐿激光光纖產(chǎn)品。“以激光光纖為代表的特種光纖是技術(shù)研發(fā)的前沿領(lǐng)域，體現(xiàn)了公司的技術(shù)實(shí)力和話語(yǔ)權(quán)，同時(shí)也帶來(lái)了新的利潤(rùn)增點(diǎn)。為此盡管挑戰(zhàn)很大，亨通依舊下定決心攻克這一技術(shù)難關(guān)，并且取得了成功。”江蘇亨通光纖科技有限公司總工程師陳偉博士表示。

光纖激光器前景誘人

近年來(lái)，隨著“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略的推進(jìn)，我國(guó)工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)化和智能化水平日益提高，同時(shí)工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的精準(zhǔn)度和產(chǎn)品質(zhì)量也越來(lái)越高，這其中光纖激光器發(fā)揮了重要作用。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，光纖激光器可以產(chǎn)生和發(fā)射激光，而許多工業(yè)領(lǐng)域都離不開(kāi)光纖激光器及其產(chǎn)生的激光：在民用領(lǐng)域，光纖激光器可以用于包裝盒打標(biāo)，例如在礦泉水瓶上用激光打標(biāo)生產(chǎn)日期，具有不可涂改、不易刮擦的優(yōu)點(diǎn)；在工業(yè)領(lǐng)域，光纖激光器可用于鋼板切割，能夠提高工業(yè)生產(chǎn)的精準(zhǔn)度；在軍事領(lǐng)域，光纖激光器可用于空間對(duì)抗和作戰(zhàn)。

應(yīng)用領(lǐng)域廣泛的光纖激光器已經(jīng)嶄露出了良好的增長(zhǎng)潛力。陳偉表示，截至目前激光器已經(jīng)有三代產(chǎn)品問(wèn)世——氣體激光器、染料激光器和固體激光器，其中光纖激光器屬于固體激光器的一種，屬于第三代激光器，并且大有取代前兩代激光器的趨勢(shì)。陳偉介紹，2010年，光纖激光器在整個(gè)激光器市場(chǎng)中的占比不到10%，2015年這一比例上升至50%，發(fā)展勢(shì)頭相當(dāng)迅猛，中國(guó)的光纖激光器年增長(zhǎng)率更是接近80%。而在這一領(lǐng)域相對(duì)壟斷的美國(guó)IPG公司，其年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到了38%。

光纖激光器前景如此誘人，但是我國(guó)的高端摻鐿激光光纖的質(zhì)量與可靠性情況卻并不樂(lè)觀。雖然我國(guó)也有企業(yè)通過(guò)收購(gòu)等方式進(jìn)入激光光纖市場(chǎng)，但是高端的激光光纖產(chǎn)品，尤其是千瓦級(jí)產(chǎn)品都依賴于進(jìn)口。

“要想生產(chǎn)出質(zhì)量合格的光纖激光器產(chǎn)品，就需要從預(yù)制棒開(kāi)始，全面攻克硬件設(shè)備、加工工藝等，這樣才能生產(chǎn)出既能產(chǎn)生、又能傳輸激光的多功能一體光纖，其中的難度不言而喻。”陳偉表示，“亨通潛心研發(fā)，用了短短兩年時(shí)間實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破，目前激光光纖產(chǎn)品成功進(jìn)行商用。”

從材質(zhì)到工藝，激光光纖要求大不同

江蘇亨通光纖科技有限公司研發(fā)經(jīng)理朱永剛博士介紹，此次亨通推出的是摻鐿激光光纖。作為光纖激光器的核心部件，摻鐿激光光纖的基本原理是，用半導(dǎo)體泵浦光，再將光耦合到摻鐿光纖，其中的稀土鐿能夠?qū)崿F(xiàn)激光從低能級(jí)躍遷到高能級(jí)，再?gòu)母吣芗?jí)躍遷回低能級(jí)的轉(zhuǎn)變，在躍遷過(guò)程中產(chǎn)生的光，通過(guò)光纖光柵等放大，最后產(chǎn)生激光并輸出。

談起摻鐿激光光纖與傳統(tǒng)光纖的最大區(qū)別，朱永剛表示，摻鐿光纖不僅傳輸光，而且產(chǎn)生和放大光，而傳統(tǒng)的光纖只是簡(jiǎn)單地傳輸。因此，如果將傳統(tǒng)光纖稱為被動(dòng)光纖和無(wú)源光纖，那么摻鐿光纖就是主動(dòng)光纖和有源光纖。

朱永剛表示，與普通光纖相比，摻鐿光纖在產(chǎn)品構(gòu)成的各個(gè)層面都有特別的技術(shù)需求，種種需求疊加，就構(gòu)成了摻鐿激光光纖高高的技術(shù)門(mén)檻。

朱永剛介紹，摻鐿激光光纖由纖芯、內(nèi)包層、外包層、涂層構(gòu)成。其中，纖芯層是摻鐿激光光纖的核心部件，這一層需要摻加高濃度的鐿稀土元素，而為了保證鐿元素的濃度，還需要摻雜其他元素。此外，激光功率高，功率密度大，時(shí)日長(zhǎng)久會(huì)出現(xiàn)光子暗化的現(xiàn)象，需要摻雜其他元素從而抑制暗化現(xiàn)象。這就意味著除了鐿之外，摻鐿激光光纖還需要摻雜其他兩種元素，其比例設(shè)置、濃度配比，以及如何摻加、生產(chǎn)的溫度控制等都是復(fù)雜的工藝。而纖芯是由預(yù)制棒拉絲而來(lái)的，為此需要從預(yù)制棒環(huán)節(jié)解決原材料問(wèn)題，并切實(shí)提高拉絲工藝。

內(nèi)包層是摻鐿激光光纖獨(dú)特的構(gòu)成部分。與通信光纖的光只在纖芯傳播所不同，激光光纖的光還在內(nèi)包層傳輸。因?yàn)楸闷止饩哂写蠊β?、形狀發(fā)散的特點(diǎn)，而傳統(tǒng)的光纖纖芯非常細(xì)，發(fā)散的大功率激光很難耦合進(jìn)去。20世紀(jì)90年代，一位美國(guó)教授提出了雙包層的概念，將泵浦光耦合到內(nèi)包層，與直徑10微米的纖芯相比，直徑達(dá)125微米、250微米、400微米的內(nèi)包層能夠很好地滿足傳輸分散型激光的需求。

除了內(nèi)包層功能特殊之外，其形狀也與傳統(tǒng)的通信光纖有所不同。朱永剛表示，傳統(tǒng)的通信光纖截面為規(guī)則圓形。對(duì)于螺旋激光等特殊激光而言，如果在對(duì)稱的圓形載體中傳輸，那么其無(wú)論如何都不會(huì)進(jìn)入纖芯層，也不會(huì)被稀土元素所吸收，這就產(chǎn)生了浪費(fèi)。為了減少浪費(fèi)，業(yè)界經(jīng)過(guò)多年探索最后達(dá)成共識(shí)：將包層做成八邊形結(jié)構(gòu)。

到了光纖的最外層——涂層，摻鐿激光光纖也與普通光纖有所不同。普通光纖的涂層無(wú)法束縛住光，一旦激光到了內(nèi)包層和涂層的界面處就會(huì)散射出去，因此激光光纖的涂層采用低色散涂料，能將激光束縛在內(nèi)包層。

推出3個(gè)系列摻鐿激光光纖

從纖芯層到涂層的不同，決定了摻鐿激光光纖的難度。亨通從材料上全面突破，從工藝上采用了全新的氣相沉積法，解決了摻鐿激光光纖的諸多技術(shù)難題。此次展會(huì)上，亨通帶來(lái)了3個(gè)系列摻鐿激光光纖產(chǎn)品。

首先是10瓦-20瓦級(jí)產(chǎn)品，其特點(diǎn)是吸收一致性好、非線性效應(yīng)低、轉(zhuǎn)化效率高，具有低數(shù)值孔徑的大模面積和零光子暗化效應(yīng)，適用于民用打標(biāo)、電子元器件、電工電氣和集成電路生產(chǎn)等領(lǐng)域。

其次是百瓦級(jí)產(chǎn)品，具有大芯包比、大模場(chǎng)面積、低非線性效應(yīng)的特點(diǎn)，吸收一致性好，零光子暗化效應(yīng)和高功率泵浦等特點(diǎn)，適用于小型切割焊接等。

最后是千瓦級(jí)產(chǎn)品，具有大直徑、泵浦光高效耦合、高激光承載功率、低NA大模場(chǎng)面積、低非線性效應(yīng)、高轉(zhuǎn)化效率等特點(diǎn)，可適用于汽車(chē)制造和大型輪機(jī)制造等大型切割焊接等場(chǎng)景。

朱永剛表示，由于是新產(chǎn)品問(wèn)世，因此也有一個(gè)與客戶不斷溝通和改進(jìn)產(chǎn)品的過(guò)程。他也坦言，摻鐿光纖起初價(jià)格較高，但是亨通將做出好產(chǎn)品、滿足客戶需求放在首位，下一步將致力于降低成本。“激光光纖體現(xiàn)了公司的技術(shù)實(shí)力和行業(yè)話語(yǔ)權(quán)，也代表了新的利潤(rùn)增長(zhǎng)點(diǎn)，因此亨通立志拿下這一市場(chǎng)，并實(shí)現(xiàn)摻鐿激光光纖的國(guó)產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化。”