激光勁旅風云再起！20余載沉淀登頂，兩大核心技術路線成關鍵

近年來，萬瓦加工之所以能夠成為業(yè)界熱議的焦點，無非描繪了一段效率躍升、突破厚度極限的佳話！以至于萬瓦激光苗頭初顯，便迅速獲得市場認可。技術上的跨越式進步以及在加工效率、節(jié)約成本上對傳統(tǒng)工藝的雙重降維打擊，使得萬瓦激光成為替代傳統(tǒng)工藝的一支穿云箭。

從早期滿足切割市場在中薄板端的需求，到去年6萬瓦、8萬瓦的接連突破，實現(xiàn)對厚板領域需求的全面覆蓋，萬瓦激光已然從初級加工轉(zhuǎn)向下沉深耕切割領域，將手探向特厚板領域及更高端的應用層面。

得益于技術的成熟運用和階段性創(chuàng)新，超高功率光纖激光器領域再度迎來歷史性的一刻。在本次慕尼黑上海光博會上，光纖激光器領軍企業(yè)凱普林光電推出全球首臺工業(yè)級150kW光纖激光器，這一里程碑式的成果標志著激光技術在推動工業(yè)制造升級方面邁入了新的階段，開啟了全新篇章。

15萬瓦光纖激光器造行業(yè)劃時代變革

之所以說15萬瓦的落地是一個里程碑，主要還是體現(xiàn)在突破板材厚度需求和效率需求兩個點上，大有幾分“扭轉(zhuǎn)乾坤”之味。在萬瓦激光出現(xiàn)以前，市面上用于切割板材的光纖激光器，功率多為6kW。彼時，曾有6kW已經(jīng)足夠了的聲音，但萬瓦以下的激光器，僅能覆蓋中薄板的需求，實際上在切割能力和效率上不足以擔負板材切割的主需求。

正因存在這一問題，國內(nèi)眾多激光廠商開始了萬瓦突破的嘗試。最終在2020年，金屬切割掀起了一輪萬瓦狂潮，由此開啟光纖激光器超高功率時代。更高功率段帶來的效率和切割厚度的突破，也讓萬瓦激光找到了新的突破點，替代傳統(tǒng)等離子、火焰切割工藝成為主要的增量方向。

但高昂的成本，也讓高舉替代旗幟的萬瓦激光寸步難行。幸運的是，包括凱普林在內(nèi)的各大激光器廠商憑借多年來的技術沉淀和對新興技術應用的前瞻性布局，業(yè)界隨之迎來了6萬瓦、8萬瓦。

兩大極致鋒利“光刀”的問世，也吹響了激光切割對等離子切割發(fā)起全面替代的沖鋒號角。從技術和總生命周期成本的層面，為中厚板領域的批量加工提供了更經(jīng)濟的解決方案。但面對激光切割所帶來的強大沖擊，火焰切割卻波瀾不驚。

基于設備成本更低，即便在效率、精度、工藝及節(jié)能環(huán)保上遜于激光，火焰切割仍然擁有較長的生命周期。而在特厚板材領域，火焰切割所能實現(xiàn)的厚度也是當時激光切割所無法企及的。

“好景不長”，火焰切割的閑庭信步，終究還是迎來了挑戰(zhàn)。2024年初，凱普林與嘉泰、柏楚攜手推出10萬瓦雷霆光纖激光切割機，到此次慕尼黑上海光博會上，凱普林重磅發(fā)布全球首臺15萬瓦工業(yè)級光纖激光器?？梢哉f，從10萬瓦功率量級起，激光切割便已向火焰切割發(fā)起挑戰(zhàn)，而到了15萬瓦功率量級時，其更是覆蓋了火焰切割在超厚板材領域90％以上的應用?？v橫所有金屬板材，15萬瓦的利刃讓板材切割行業(yè)再一次迎來了劃時代變革。

從科研到工業(yè)應用

凱普林兩大核心技術助力15萬瓦問世

自1999年起，我國便集中各大高校和研究機構，立項攻關高功率光纖激光器領域。隨后國內(nèi)眾多廠商耗費將近21年的時間，終于在2020年實現(xiàn)了我國萬瓦激光的產(chǎn)業(yè)化。至此，光纖激光器領域便開始朝著“高功率、高亮度、輕量化”三大方向不斷邁進。而這也成為了15萬瓦到來的契機。

事實上，不少人認為凱普林在超高功率激光領域的突破屬于異軍突起，但筆者對此不敢茍同。凱普林能夠迅速實現(xiàn)從6萬瓦到15萬瓦的跨越式進步，這一成就應當是水到渠成。

兩大核心飛輪的快速轉(zhuǎn)動助推了這一必然結果。眾所周知，凱普林是一家有著二十余年泵浦源制造經(jīng)驗的企業(yè)，基于偏振合束技術和密集排布理論顯著提升光纖激光器的功率密度和集成度，其于2020年在光纖激光器泵浦源領域?qū)崿F(xiàn)重大突破，成功向市場推出660W泵浦源，助推國內(nèi)高功率激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展。顯然，凱普林“高功率”的核心飛輪正飛速轉(zhuǎn)動，但與此同時，另一大核心飛輪同樣點燃了引擎。

從凱普林此前推出的閃電系列產(chǎn)品中，我們便可窺見輕量化是其重要的技術發(fā)展方向。2022年，閃電系列光纖激光器的誕生，為光纖激光器領域帶來了顛覆式的體積縮小。這一重大突破的實現(xiàn)，離不開凱普林在技術創(chuàng)新方面的努力，其將新能源行業(yè)的一體化技術引入其中。作為既精通泵浦源，又深諳激光器整機技術的廠商，凱普林率先定義并應用激光器CTC芯片一體化技術，為其在手持激光焊領域的卓越表現(xiàn)奠定了堅實基礎，并獲得了較高的市場占有率。此次光博會，凱普林更是帶來了第四代閃電系列產(chǎn)品，這充分展示了其在這一技術路線上取得的進一步精進。

即便在焊接賽道上成績斐然，凱普林同樣也意識到，切割領域是其戰(zhàn)略發(fā)展方向的一大重點。在泵浦源領先技術和閃電系列小型化技術這兩大核心飛輪的加持下，凱普林在2023年開始發(fā)力超高功率激光領域。

2023年9月，凱普林基于CTC芯片一體化技術、新一代雷霆光學平臺、功率合束技術及超高功率輸出技術等，突破功率上限，實現(xiàn)高光束質(zhì)量輸出，正式推出雷霆系列光纖激光器；2023年12月，雷霆系列6萬瓦光纖激光器批量出貨超十臺；2024年1月，首批雷霆8萬瓦光纖激光器落戶長三角地區(qū)；2024年2月，攜手嘉泰激光、柏楚電子聯(lián)合發(fā)布全球首臺雷霆10萬瓦超高功率切割設備；2024年3月8日，發(fā)布雷霆12萬瓦工業(yè)級光纖激光器；2024年3月19日，攜手金威刻激光發(fā)布全球首臺13．5萬瓦激光切割設備；2024年3月20日，凱普林于慕尼黑上海光博會重磅發(fā)布全球首臺15萬瓦工業(yè)級光纖激光器。

綜上所述，僅一年時間，凱普林便成為了超高功率激光領域新的旗幟！這離不開兩大核心飛輪的加持，同時也得益于其前瞻性的戰(zhàn)略布局，用水到渠成一詞來形容一點也不為過。

15萬瓦有何不同？創(chuàng)新之處在哪？

能夠突破行業(yè)最高12萬瓦平均功率的限制，凱普林推出的全球首臺15萬瓦工業(yè)級光纖激光器必然有著獨特的創(chuàng)新。為此筆者也在現(xiàn)場連線凱普林光纖事業(yè)部輪值總經(jīng)理趙巨云，以解答心中疑惑。

趙總表示：目前國際上6萬瓦高功率光纖激光器在工業(yè)激光切割領域上得到快速發(fā)展和廣泛應用。光纖激光器的最高功率已經(jīng)可以超過10萬瓦，甚至達到12萬瓦的水平，但光束質(zhì)量的劣化嚴重制約了超高功率的產(chǎn)業(yè)化應用。

在2023年9月發(fā)布雷霆系列之時，其6kW雷霆光學平臺僅能支撐6萬瓦與8萬瓦的功率量級，因此在更高功率層面來說，其光束質(zhì)量及光譜相對來說并不算優(yōu)秀。為此凱普林對其進行升級，構建了高亮度準單模放大器結構 6kW光學平臺，有效抑制橫向模式不穩(wěn)定現(xiàn)象，突破了超高功率光纖激光器合束后光束質(zhì)量差、輸出功率不穩(wěn)定等技術瓶頸。研制了15萬瓦超高功率激光合束及輸出核心光學器件，實現(xiàn)高光束質(zhì)量激光輸出，M2控制在24以內(nèi)。

而前文提到的泵浦源和CTC芯片一體化技術也是一大創(chuàng)新，其研發(fā)了基于密集空間排列理論的芯片一體化技術，利用低熱阻封裝以及立體水道將片、熱沉結構、泵浦模塊與激光器進行一體化設計，提升熱傳導效率，研制了輕質(zhì)化、高功率、高亮度泵浦源。

此外，凱普林還創(chuàng)新性提出用于抑制光纖激光器非線性效應的飛秒激光刻寫高功率光纖光柵制作工藝，可控制輸出激光的光譜線寬及SRS光譜濾波，具備高承載功率、低溫度系數(shù)和多種非線性效應限制功能。

在激光功率測試領域，早期的廠商多采用基于熱敏和光敏技術的功率計來進行功率測量。但凱普林采用了一種完全不同的技術路徑來測試功率，由中國計量院專家進行技術開發(fā)，凱普林首次將其應用于激光器。其研發(fā)了國內(nèi)外首臺15萬瓦超高功率光纖激光器及測試系統(tǒng)，提供的資料表明，最大輸出功率為150340W，突破了行業(yè)內(nèi)12萬瓦功率合成技術上限。

從指標上來看，15萬瓦工業(yè)級光纖激光器中心波長1080±10nm，光譜帶寬為（3dB）＜8nm，輸出光纖芯徑200μm，光束質(zhì)量M2≤24（IPG 12萬瓦產(chǎn)品M2＜50），激光功率不穩(wěn)定性為±1．5％。根據(jù)中科合創(chuàng)（北京）科技成果評價中心報告顯示，凱普林15萬瓦超高功率光纖激光器總體技術達到國際同類產(chǎn)品先進水平。

小結

事實上，超高功率的再一次突破，正符合當前諸如船舶制造、新能源汽車、航空航天、核電等高端制造領域的高質(zhì)量生產(chǎn)需求。15萬瓦對所有厚度的板材，均能實現(xiàn)加工效率倍增及高質(zhì)量加工。同時也證明了，凱普林正將超高功率激光引向更深的范疇，進一步助推我國制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級。

但行至此處，功率的提升也將告一段落了，在切割領域，15萬瓦光纖激光器將會作為平臺區(qū)持續(xù)一段時間。一方面在于，需要進入工藝的優(yōu)化和摸索階段；另一方面在于，需要滿足配套的激光切割頭、整機設備、供電設備等需求，才能讓激光器獲得更好的終端應用。

審核編輯 黃宇