《高光束质量万瓦光纤激光器核心技术及其产业化》

激光技术在汽车制造、动力电池、智能手机、航空航天、医疗器械乃至国防安防等众多领域起着不可替代的作用,它支撑了全球13%以上的GDP(SPIE数据)。发达国家均将激光制造列为“再工业化”、“重振经济”、“重新夺回制造业”的国家战略,全球进入“光时代”。在军事领域,各主要军事强国陆续推进“光对抗”。

激光光源是激光制造和激光3D打印的核心,对《中国制造2025》和中国工业转型升级起着重要的支撑作用。全球激光器的三分之一以上消费需求来自中国,单就美国光纤激光器制造商IPG公司,其49%的销售收入来自中国。不但价格昂贵,而且受西方国家技术封锁,产品禁运或限运。

在国家重大专项、国家科技支撑项目、国家863计划、湖北省科技创新重大项目等支持下,项目组通过自主创新,克服国外技术封锁和禁运的困难,在下面4个核心技术上取得了系统性、创造性的重大突破,实现了高光束质量万瓦光纤激光器的产业化,并在激光制造和特殊领域得到应用:

1、高光束质量万瓦级光纤激光功率合束技术建立了输入双包层光纤芯径、NA与输出光纤芯径和光束质量的理论模型和仿真系统;提出了激光刻蚀光纤包层的方法,克服了传统氰氟酸腐蚀包层的专利和纤芯受损的问题;建立了实时检测光纤功率合束器制备工艺,研制出3×1光纤激光功率合束器,其输出芯径50μm、输出功率大于10kW,输出光束质量m2处于世界领先水平。

2、高功率激光光纤工程化技术提出MCVD法+溶液法的稀土离子掺杂技术、改进疏松层制备工艺,优化物质配比与吸附工艺,实现高均匀、高浓度掺杂、性能稳定的预制棒制备。分析了光纤损耗的机理,提出了降低损耗的办法,研制了新型光纤涂覆层材料,实现高功率激光光纤热效应的抑制。生产的20/400和25/400增益光纤,性能指标超过同类进口产品水平。30/400增益光纤打破国外禁运。

3、高功率半导体激光芯片技术针对高光束质量、高功率光纤激光器系统对前端半导体激光泵浦源芯片的性能的更高要求,分析了影响芯片高功率输出的机理,提出了具有梯度载流子限制的非对称超大光腔半导体激光芯片的技术,实现了新型高功率、高光电转换效率、高稳定性半导体激光芯片的设计;提出了新型梯度函数控制变温变速MOCVD外延生长技术,实现了具有上述高性能设计的激光外延片制备;优化芯片制备工艺,开发出全新的真空解理及芯片腔面钝化保护工艺,实现了激光芯片的性能和寿命的大幅提升。研制生产的90μm、190μm条宽的12W及15W单管芯片产品综合性能达国际先进水平。

4、高亮度半导体激光泵浦源及智能制造技术提出了斜面式多管芯偏振合束方法及创新的VBG波长锁定工艺,实现了30个单管激光芯片合束耦合到200μm光纤,在全电流、温度15℃到35℃、976nm波长的锁定,输出功率达400W,同类产品国际领先;在国内率先研发出高亮度半导体激光泵浦源的智能耦合台,实现了上百个光学元件在微米级精度下的自动装配、点胶和光纤耦合,既保证了产品的一致性和可靠性、节省人工成本,而且整套设备价格仅为进口的十分之一(进口单台200-300万元)。

项目完成的4kW、6kW、10kW和20kW全光纤激光器分别于2012年、2015年、2016年和2018年通过省科技厅组织的成果鉴定或验收。鉴定或验收意见认为项目“填补国内空白,并拥有知识产权,其主要技术指标达到同类产品的国际先进水平”。原中国光学学会理事长、中国科学院院士周炳琨认为,光谷这一技术国际领先,仅次于美国,对中国工业发展将产生巨大推动。

项目发明专利23项,软件著作权4项,制定了中国第一部光纤激光器行业标准。近三年,由项目开发出的1500W至20kW系列高功率光纤激光器实现销售收入超过12亿元,产生显著的经济效益,出口逾10个国家和地区。打破了国外的技术封锁、价格垄断和部分产品禁运。如许可出口中国的万瓦光纤激光器由原来的700多万元降到100多万元。助力中国工业转型升级,社会效益显著。项目落户湖北,其中锐科激光成为湖北2018年第一家创业板上市公司,为湖北省实现创新驱动发展提供有力支撑。

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