在近日舉辦的“第19屆中國國際光電博覽會”上，亨通宣布在特種光纖領域再次突破，推出了三大系列摻鐿激光光纖產品。“以激光光纖為代表的特種光纖是技術研發的前沿領域，體現了公司的技術實力和話語權，同時也帶來了新的利潤增點。為此盡管挑戰很大，亨通依舊下定決心攻克這一技術難關，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，隨著“中國制造2025”戰略的推進，我國工業生產的自動化和智能化水平日益提高，同時工業生產過程的精準度和產品質量也越來越高，這其中光纖激光器發揮了重要作用。
簡單來說，光纖激光器可以產生和發射激光，而許多工業領域都離不開光纖激光器及其產生的激光：在民用領域，光纖激光器可以用于包裝盒打標，例如在礦泉水瓶上用激光打標生產日期，具有不可涂改、不易刮擦的優點；在工業領域，光纖激光器可用于鋼板切割，能夠提高工業生產的精準度；在軍事領域，光纖激光器可用于空間對抗和作戰。
應用領域廣泛的光纖激光器已經嶄露出了良好的增長潛力。陳偉表示，截至目前激光器已經有三代產品問世——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。陳偉介紹，2010年，光纖激光器在整個激光器市場中的占比不到10%，2015年這一比例上升至50%，發展勢頭相當迅猛，中國的光纖激光器年增長率更是接近80%。而在這一領域相對壟斷的美國IPG公司，其年復合增長率達到了38%。
光纖激光器前景如此誘人，但是我國的高端摻鐿激光光纖的質量與可靠性情況卻并不樂觀。雖然我國也有企業通過收購等方式進入激光光纖市場，但是高端的激光光纖產品，尤其是千瓦級產品都依賴于進口。
“要想生產出質量合格的光纖激光器產品，就需要從預制棒開始，全面攻克硬件設備、加工工藝等，這樣才能生產出既能產生、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，用了短短兩年時間實現了技術突破，目前激光光纖產品成功進行商用。”
從材質到工藝，激光光纖要求大不同
江蘇亨通光纖科技有限公司研發經理朱永剛博士介紹，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，用半導體泵浦光，再將光耦合到摻鐿光纖，其中的稀土鐿能夠實現激光從低能級躍遷到高能級，再從高能級躍遷回低能級的轉變，在躍遷過程中產生的光，通過光纖光柵等放大，最后產生激光并輸出。
談起摻鐿激光光纖與傳統光纖的最大區別，朱永剛表示，摻鐿光纖不僅傳輸光，而且產生和放大光，而傳統的光纖只是簡單地傳輸。因此，如果將傳統光纖稱為被動光纖和無源光纖，那么摻鐿光纖就是主動光纖和有源光纖。
朱永剛表示，與普通光纖相比，摻鐿光纖在產品構成的各個層面都有特別的技術需求，種種需求疊加，就構成了摻鐿激光光纖高高的技術門檻。
朱永剛介紹，摻鐿激光光纖由纖芯、內包層、外包層、涂層構成。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，時日長久會出現光子暗化的現象，需要摻雜其他元素從而抑制暗化現象。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，其比例設置、濃度配比，以及如何摻加、生產的溫度控制等都是復雜的工藝。而纖芯是由預制棒拉絲而來的，為此需要從預制棒環節解決原材料問題，并切實提高拉絲工藝。
內包層是摻鐿激光光纖獨特的構成部分。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包層傳輸。因為泵浦光具有大功率、形狀發散的特點，而傳統的光纖纖芯非常細，發散的大功率激光很難耦合進去。20世紀90年代，一位美國教授提出了雙包層的概念，將泵浦光耦合到內包層，與直徑10微米的纖芯相比，直徑達125微米、250微米、400微米的內包層能夠很好地滿足傳輸分散型激光的需求。
除了內包層功能特殊之外，其形狀也與傳統的通信光纖有所不同。朱永剛表示，傳統的通信光纖截面為規則圓形。對于螺旋激光等特殊激光而言，如果在對稱的圓形載體中傳輸，那么其無論如何都不會進入纖芯層，也不會被稀土元素所吸收，這就產生了浪費。為了減少浪費，業界經過多年探索最后達成共識：將包層做成八邊形結構。
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。普通光纖的涂層無法束縛住光，一旦激光到了內包層和涂層的界面處就會散射出去，因此激光光纖的涂層采用低色散涂料，能將激光束縛在內包層。
推出3個系列摻鐿激光光纖
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難題。此次展會上，亨通帶來了3個系列摻鐿激光光纖產品。
首先是10瓦-20瓦級產品，其特點是吸收一致性好、非線性效應低、轉化效率高，具有低數值孔徑的大模面積和零光子暗化效應，適用于民用打標、電子元器件、電工電氣和集成電路生產等領域。
其次是百瓦級產品，具有大芯包比、大模場面積、低非線性效應的特點，吸收一致性好，零光子暗化效應和高功率泵浦等特點，適用于小型切割焊接等。
最后是千瓦級產品，具有大直徑、泵浦光高效耦合、高激光承載功率、低NA大模場面積、低非線性效應、高轉化效率等特點，可適用于汽車制造和大型輪機制造等大型切割焊接等場景。
朱永剛表示，由于是新產品問世，因此也有一個與客戶不斷溝通和改進產品的過程。他也坦言，摻鐿光纖起初價格較高，但是亨通將做出好產品、滿足客戶需求放在首位，下一步將致力于降低成本。“激光光纖體現了公司的技術實力和行業話語權，也代表了新的利潤增長點，因此亨通立志拿下這一市場，并實現摻鐿激光光纖的國產化和產業化。”
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