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短脉冲光纤激光器的发展现状及应用趋势

2017-08-31
类别:行业趋势
eye 440
文章创建人 拍明

  超短脉冲光纤激光器具有易操作、结构紧凑、性能稳定、成本低等特点,被广泛应用于高速光通信、光传感、光频梳、激光雷达、光谱分析、军事等相关领域,是目前光电子领域的研究热点之一。同时,作为非线性光学等理论研究的前沿课题,超短脉冲光纤激光产生技术已成为国家战略和高端工业产业的核心技术之一。为了实现超短脉冲光纤激光输出,如何进一步的认知光纤激光器的非线性动力学机制并实现激光器腔内光学器件的非线性调控是该技术所涉及的关键科学问题。

超短脉冲光纤激光器.png

  北京邮电大学理学院刘文军、雷鸣等青年教师针对暗孤子脉冲产生技术的限制,理论分析了暗孤子脉冲产生的动力学行为,实验上实现了最宽光谱暗孤子脉冲输出。基于非线性Schr?dinger方程和复Ginzburg-Landau方程,通过改变光纤的非线性参数研究了暗孤子脉冲在光纤激光器中的传输特性,从理论上提出了减弱暗孤子脉冲相互作用的方法,在实验上实现了光纤激光器中暗孤子脉冲的稳定输出。经理论计算,进一步优化了光纤激光器腔内色散与非线性参数,成功研制出最宽光谱暗孤子脉冲光纤激光器,并且通过拉锥光纤与可饱和吸收材料的协同优化,实现了最短脉宽为67 fs的混合锁模光纤激光输出。该课题组还将之用于全光纤激光锁模,进一步实现了脉宽246 fs的锁模脉冲激光输出。据知这是迄今为止过渡金属硫化物全光纤锁模激光器所产生的最短脉宽报道。


  国内光纤激光器产业链现状及应用趋势


  众所周知,光纤激光器已成为全球主要的工业激光器之一。相比于半导体激光器、固体激光器和CO2激光器,光纤激光器在全球工业市场的占有率已超过50%。

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  全球工业激光器销售额稳步增长(单位:亿美元) (来源:Industrial Laser Solutions)

  上图是根据Industrial Laser Solutions在1995~2015年期间,每年公布的全球工业激光器销售额数据整理出的增长趋势图。从图中可以看出,除了2009年金融危机时期,销售额有所下降外,从1995年起的这20年间,工业激光器一直保持着稳定增长,尤其是自2012年之后,涨幅增大。这其中最重要的因素,就是光纤激光器市场份额的大幅增长

  数据显示,2010年时,光纤激光器只占当年全球工业激光器销售额的11%,但是到了2015年,光纤激光器就已占到全球市场份额的50%以上。

  根据IPG 公司公布的2017年第一季度财报(截止至3月31日)显示,光纤激光器的增长再次独领风骚。IPG实现同比增长38%。中国市场尤为明显,一季度同比增长89%,激光切割和焊接的应用需求增长迅速。


  光纤激光器件


  全球光纤激光器件市场规模呈现出不断扩大的态势。

  从2012年的2.34亿美元不断增加到2016年的5.2亿美元,年复合增长率为22.09%。

  根据预计,2018年光纤激光器件市场规模将达到6.40亿美元,约40亿人民币。

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  2012~2016年,全球光纤激光器件市场规模不断扩大 (数据来源:公开资料整理)

  工业和军事应用,助力光纤激光器快速发展


  工业应用


  以前在板材加工领域主要使用冲床和等离子切割,其中薄板材使用冲床,厚板材就采用离子切割。然而随着光纤激光技术的不断发展,光纤激光切割对传统加工技术和CO2激光加工产生巨大的冲击。

  相比于传统冲床加工,光纤激光是非接触式加工,产生的应力较小,噪声低,完全可以对铝、铜等高反性材料进行批量加工;相比于CO2激光加工,光纤激光的电光转换效率达到40%,耗电量仅是CO2激光器的1/3,加工速度提升了2~3倍。

  仅仅5~6年的时间,光纤激光器就凭借着各种技术优势掀起了一场激光切割的技术变革。如今,4 kW光纤激光器的需求不断增加,应用领域也开始慢慢向汽车、船舶、航空航天等基础领域渗透。


  军事应用


  20世纪80年代末,双包层光纤和包层抽运技术的广泛应用,使大功率的光纤激光器的制作成为现实,并迅速拓展至军事领域。如今,光纤激光器已是战术激光武器的首选光源。

  目前, 美军已将光纤激光器广泛应用于机载激光系统、先进战术激光系统、激光“复仇者”、激光区域防御系统、“空中哨兵”等激光武器系统的测试中, 展现了其良好的发展前景。除此之外,还有德国、日本、英国等。


  国外巨头洗牌重组 光纤激光器行业竞争加剧


  从工业领域来看,IPG公司在全球高功率光纤激光器的市场占有率仍处于绝对领先地位,市场占有率超过60%。但是未来,不会是IPG一家独大,因为其他激光行业巨头通过并购一些光纤激光器公司,已成功进入光纤激光器领域

  2016年,美国Coherent公司收购了高性能工业激光光源和激光解决方案及器件厂商ROFIN,而ROFIN此前又收购了美国特种光纤厂商Nufern、半导体激光器厂商DILAS和瑞典专业从事光纤产品的Optoskand公司。由此可见,通过并购,Coherent已经形成了良好的垂直整合能力。

  此外还有德国TRUMPF收购英国光纤激光器制造商SPI、英国的JK激光公司,成功进军高功率光纤激光器领域;美国JDSU公司与日本金属加工机床制造商Amada合作开发功率高达4kW的光纤激光器;美国nLight公司收购芬兰特种光纤制造商LIEKKI。

  由此可以预见,高功率光纤激光器行业竞争愈演愈烈。


  国内市场成绩可喜 国产化进程加速


  2016年国内光纤激光器市场增长较大。根据中国光学学会激光加工专业委员会的统计,2016年国内中小功率光纤激光器的产能达7.4万台,有近8万台的小功率光纤激光器、约12000台中功率光纤激光器和不少于2200台的高功率光纤激光器(这里的高功率指2000 W以上功率)进行了市场装机。

2013~2016年国产光纤激光器产能情况.png

  2013~2016年国产光纤激光器产能情况 (来源:中国光学学会激光加工专业委员会)

  而国产中功率光纤激光器在2016年的销量达到4000台,相较2015年的1800台,翻了一番多,预计2017年国产光纤激光器的销售量可以再翻一番,超过8000台,同时市场占有率超过50%。

2014-2016年国产中功率光纤激光器装机量情况.png

  2014-2016年国产中功率光纤激光器装机量情况

  我国是世界最大的工业激光器市场,占全球市场的24%,不仅国外企业纷纷把我国作为重要的战略市场,本土企业也厚积薄发,国产化进程加速。武汉锐科、上海飞博、深圳创鑫、中科院上海光机所、西安光机所等一批国内主流的光纤激光器生产企业已开始发力,有个别企业已开发出万瓦级高功率光纤激光器。

工业激光器.png

  但是我们仍然需要清醒地认识到,从光纤激光器的产能和市场占有率来看,我国在规模上都有较大突破,但国产光纤激光器的品质与国外同类产品相比,仍存在较大差距。同时,80%的高功率光纤激光器需要依靠进口,高校和科研院所的研发实力雄厚,如何将科研成果与企业生产无缝衔接,是值得我们深思的问题。

  从光纤激光器的组件来看,抽运源封装、抽运耦合器、激光合束器、特种光纤、激光传输组件已实现国产化,并全面应用到中、高功率批量化产品中,例如可进行抽运源封装的西安炬光科技、从事特种光纤生产的武汉长飞光纤光缆,都是国产企业的佼佼者,但是高功率光纤光栅和高功率光闸几乎全部依赖进口。在国内光电产品汇集较为全面的光电汇网站中,单“光闸”一项是没有任何产品在线的,也证明了这一点。

  国内市场需要的高功率光闸全部来自瑞典的Optoskand公司。这也就能解释为何我国下游企业的产能增长不快。我国企业的产能受制于国外企业的产能,丧失了主动性,严重制约了我国国产高功率光纤激光器的发展。可喜的是,我国已经意识到其严重性,开始积极布局。希望在未来2~3年内,我们能够看到一些产业成果。



责任编辑:Davia

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