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近年來，我國光纖激光器領(lǐng)域的國產(chǎn)化進(jìn)程不斷加速，國產(chǎn)替代進(jìn)口趨勢從低功率向中高功率蔓延，并在2020年的“國產(chǎn)萬瓦風(fēng)暴”下實現(xiàn)了整體市場份額的反超。到2021年時，我國國產(chǎn)光纖激光器的出貨量已占據(jù)市場的65%以上。
然而，在國產(chǎn)激光器市場份額快速提升的同時，追求更高功率似乎成了所有激光企業(yè)的主要發(fā)力點(diǎn)，2萬瓦、3萬瓦、4萬瓦層出不窮，先后進(jìn)入市場。伴隨著激光功率快速提升以及市場競爭的白熱化，激光設(shè)備的降價趨勢加速向上游傳導(dǎo)，光纖激光器市場迎來了腥風(fēng)血雨的價格戰(zhàn)，企業(yè)毛利率大幅下降。為了從價格戰(zhàn)的焦土中找到新的出路，各大企業(yè)紛紛發(fā)力，或向外探索更多的應(yīng)用市場，或向內(nèi)追求更極致的激光特性，“高亮度”這一特性也逐漸被更多人關(guān)注。
什么是亮度？高亮度激光有什么優(yōu)勢？
激光的四個基本特性是方向性好、單色性好、相干性好、亮度高。亮度表示了激光的明亮程度，其定義是：光源在單位面積、單位頻帶寬度和單位立體角內(nèi)發(fā)射的光功率，簡單來說就是“單位空間內(nèi)激光的功率”，計量單位為cd/m2(讀作：坎德拉每平方米)。在激光領(lǐng)域激光亮度可以簡化為BL=P/π2·BPP2(其中P為激光功率，BPP為光束質(zhì)量)。
亮度是衡量激光器綜合性能的重要指標(biāo)之一，也是研究激光應(yīng)用的重要參考依據(jù)。
過去的十幾年中，光纖激光器市場的爆發(fā)更多是依托金屬下料市場的工具升級(以激光切割取代等離子、火焰切割等)。在這一追求效率的粗放型市場中，提高功率能顯著提升切割速度和切割能力，但現(xiàn)有工藝下尤其對薄板加工有顯著效果，對中厚板的潛力還未充分發(fā)掘，因此過去十年間工業(yè)光纖激光器領(lǐng)域一直在追求更高功率。隨著我國產(chǎn)業(yè)升級的深入，越來越多的高端制造業(yè)對激光技術(shù)需求增加，即便是金屬加工市場也進(jìn)入精細(xì)化競爭時代，這些變化對激光的亮度提出了更高要求。
激光曾在切割測試中發(fā)現(xiàn)，高亮度激光切割能夠顯著降低端面錐度，減小熱影響區(qū)改善切割質(zhì)量，在對錐度、質(zhì)量要求更高的場景有著重要作用。同時，高亮度激光能夠以較低功率實現(xiàn)黃銅、紫銅等高反材料的切割，達(dá)到高功率激光器的效果。需要注意的是，激光亮度與模場直徑和發(fā)散角密切相關(guān)，只有與激光器匹配的切割頭及工藝才能真正發(fā)揮出高亮度激光的優(yōu)勢，這對切割頭的設(shè)計和制造工藝提出了新的要求，也讓兼具激光器和切割頭研發(fā)實力的企業(yè)具備了先發(fā)優(yōu)勢。
在焊接應(yīng)用上，隨著汽車輕量化趨勢和新能源汽車快速發(fā)展，車身激光焊接、動力電池激光焊接的需求與日俱增。普通激光器在直接焊接時(尤其是對銅鋁等高反材料)往往面臨工藝窗口窄、熔池可控性低、易產(chǎn)生飛濺、焊接缺陷明顯等痛點(diǎn)。為解決這些痛點(diǎn)，業(yè)內(nèi)通過多種渠道進(jìn)行技術(shù)革新，包括：工藝創(chuàng)新(復(fù)合焊、搖擺焊等)、光整形(環(huán)形光斑、可變光斑等)、改變波長(藍(lán)光、綠光等)。
實際上，高亮度激光器也能有效提升焊接品質(zhì)。維科網(wǎng)激光經(jīng)測試后發(fā)現(xiàn)，提高激光亮度后能夠在較低輸出功率下熔化銅鋁等高反射率金屬，不僅大幅降低生產(chǎn)能耗，還在提升生產(chǎn)效率同時縮小焊接中的熱影響區(qū)，從而減少熔池飛濺和降低焊縫缺陷率。此外，高亮度激光焊接能夠提高熔深及穩(wěn)定性，可以解決由熔深不穩(wěn)定造成的虛焊問題，具有更寬的工藝窗口。綜合而言，高亮度激光器的出現(xiàn)很好地彌補(bǔ)了激光焊接解決方案體系，結(jié)合工藝創(chuàng)新、光整形、可見光波長等方案，能夠為解決我國的高端焊接制造難題提供更多的可能性。
破局之戰(zhàn)——萬瓦高亮度激光器橫空出世
前文提到，我國光纖激光器出貨量格局的改變是在“國產(chǎn)萬瓦風(fēng)暴”后實現(xiàn)的。隨著功率競賽陷入瓶頸，價格戰(zhàn)愈演愈烈，朝高亮度方向破局成為一些企業(yè)新的發(fā)展方向。包括率先引入高亮度976泵浦技術(shù)的光惠激光、從事科研多年，憑借深厚技術(shù)底蘊(yùn)投身工業(yè)制造的大科激光等。值得一提的是，在2020年掀起“國產(chǎn)萬瓦風(fēng)暴”的創(chuàng)鑫激光，也在自身萬瓦激光優(yōu)勢的基礎(chǔ)上向高亮度進(jìn)軍，率先將高功率和高亮度優(yōu)勢合二為一，開發(fā)出50um芯徑的萬瓦高亮度激光器。
2022年6月中旬，創(chuàng)鑫激光在云端召開了《破曉——新技術(shù)路線發(fā)布會》，并在其中提到了萬瓦高亮度激光器的三大核心思想：高亮度泵源是實現(xiàn)高功率+高亮度的基礎(chǔ)、高集成單模塊方案是實現(xiàn)高功率+高亮度的路徑、有效抑制拉曼效應(yīng)是實現(xiàn)高功率+高亮度的保障。實際上，早在多年以前創(chuàng)鑫激光就已圍繞這三大核心思想開始了技術(shù)布局。
以高亮度泵源為例。在行業(yè)高集成泵源單纖輸出功率大約在300W左右水平時，創(chuàng)鑫激光已開始采用單纖600W輸出功率的泵浦源，目前已實現(xiàn)大于1500W的單纖泵源輸出功率。
而創(chuàng)鑫的高集成單模塊方案早在2019年就開始量產(chǎn)實踐，從單模塊4kW，到單模塊5kW、6kW，12kW，通過大量實踐積累，優(yōu)化提升了高集成單模塊解決方案，在最新發(fā)布的產(chǎn)品中采用高亮度一體化泵源集成技術(shù)，避免了多次合束造成的泵浦光能量損耗及輸出光光束質(zhì)量劣化，確保了萬瓦高亮度得以實現(xiàn)。
針對光纖激光不可避免的受激拉曼散射，創(chuàng)鑫激光另辟蹊徑，通過在諧振腔內(nèi)采取拉曼抑制光柵和增益模式優(yōu)化技術(shù)，并采取新型的輸出光纖設(shè)計，突破了常規(guī)拉曼非線性限制。
從結(jié)果上看，創(chuàng)鑫激光發(fā)布的12kW“高功率+高亮度”技術(shù)路線，其光束質(zhì)量BPP值為1.2，而普通多模塊12kW激光器的BPP約為3.5。按亮度公式計算，其亮度指標(biāo)可達(dá)傳統(tǒng)多模12kW的8倍。從應(yīng)用上看，當(dāng)前主流激光加工切割是利用了激光的高能量，其本質(zhì)是能量平衡的一個過程，激光功率代表了總能量，決定了能切多厚，而光束質(zhì)量代表了能量的有效利用，對加工效率和效果有重要影響。同時具備高功率和高亮度為激光加工提供了更多應(yīng)用場景和工藝優(yōu)化空間，這為創(chuàng)鑫激光走向高精度加工、高端制造應(yīng)用打下了堅實基礎(chǔ)。
千帆競發(fā)——差異化路線格局漸顯
近年來市場對高亮度的關(guān)注日益提升，但也由此引發(fā)另外一種擔(dān)憂：是否未來有一天，所有激光器企業(yè)會像當(dāng)年涌入高功率賽道一樣，一起涌入高亮度賽道，使得我國激光行業(yè)從“功率卷”變?yōu)?ldquo;亮度卷”，大家依然沒利潤？
維科網(wǎng)激光認(rèn)為，從目前行業(yè)的發(fā)展情況來看，并沒有呈現(xiàn)上述趨勢，反而呈現(xiàn)出差異探索、千帆競發(fā)的格局。例如，銳科激光最新發(fā)布的旗幟系列激光器，劍指高端應(yīng)用，力求在目前依然被進(jìn)口壟斷的細(xì)分市場實現(xiàn)國產(chǎn)替代；大科激光則進(jìn)一步追求極致亮度，目前已在2000W功率實現(xiàn)M2=1.07(接近極致的光束質(zhì)量)，在5000W功率實現(xiàn)M2=1.38，通過極致亮度探索更前沿的應(yīng)用場景；凱普林則瞄準(zhǔn)體積更小、重量更輕、應(yīng)用更靈活的方向，開發(fā)出全新閃電系列激光器，“less is more”的理念或?qū)す猱a(chǎn)品之外的高端制造產(chǎn)生更深遠(yuǎn)的影響。而率先在行業(yè)推出單模塊萬瓦高亮度的創(chuàng)鑫激光，則將沿著“高功率+高亮度”的路線進(jìn)一步深耕，預(yù)計很快將推出更令行業(yè)震驚的高亮度單模塊20kW激光器、高亮度單模塊30kW激光器及配套加工頭。
從現(xiàn)有情況來看，盡管短時間內(nèi)價格戰(zhàn)仍然難以退潮，但各企業(yè)發(fā)力的焦點(diǎn)不再“唯一”是非常良性的趨勢。盡管本文重點(diǎn)著墨于高亮度激光的探討，但筆者同樣希望，高亮度只是激光行業(yè)未來諸多出路的其中一條。多元化的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，差異化的技術(shù)路線，能夠為激光應(yīng)用帶來更多樣的方案選擇和技術(shù)儲備，更有利于激光產(chǎn)業(yè)和高端制造業(yè)的發(fā)展。
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