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用讲故事的方式告诉你关于激光的“前世今生”系列一光纤激光器
关闭】【 浏览: 】【 时间:2019-03-12 08:48】
       这是一个关于激光产业的故事,在了解之前,我们先说点基础的科学常识,及激光的诞生以及发展史!
 
激光是20世纪的重大科技发明之一,英文名“Laser”,1964年钱学森建议中文名为“激光”。激光的科学原理“受激辐射”是爱因斯坦1917年提出的,其实挺简单的,高中物理知识就能理解。

                                                               
       继上一篇激光的产生,我们这一章节里面主要讲述激光器的演变历程,重点是光纤激光的发展之路!            
                                    

2017年全球工业激光器销售额20亿美元,其中48%是光纤激光器。光纤激光器的关键人物是俄罗斯人瓦伦京·加彭切夫(Valentin Gapontsev)。
 
加彭切夫生于1939年,是激光材料物理领域的资深科学家,苏联科学院无线电工程及电子科学研究实验室的负责人,正宗的苏联技术出身。苏联以及解体后的俄罗斯人似乎办企业不太灵,但是加彭切夫行!加彭切夫1990年创立了IPG光子,2006年在纳斯达克上市(简称IPGP),2017年营收14亿美元,目前市值60亿美元,是业界最知名的光纤激光器企业。加彭切夫持有IPG近半股份,是亿万富豪,虽然79岁了仍然任公司董事会主席和CEO。
 
2009年,加彭切夫获得了美国激光协会颁发的阿瑟·肖洛奖,这是业界对他学术成就的认可。2010年,加彭切夫获得了俄罗斯国家科技奖,是俄罗斯科技最高荣誉。其实加彭切夫是俄罗斯美国双重国籍,IPG公司总部在美国马萨诸塞,制造工厂在美国、德国、俄罗斯和意大利。但是加彭切夫获这个奖是名正言顺的,公司的创立发展与苏联俄罗斯关系很深。
 
让加彭切夫荣誉等身又发了大财的光纤激光器是什么东西?没有光纤激光器之前,市场上用来作材料处理的工业激光主要是气体激光器和晶体激光器。气体激光器,典型代表是CO2激光器。晶体激光器代表是YAG激光器,YAG指的是添加钕或镱的钇铝石榴石。
激光打标就是用激光在金属或非金属材料上打上精美图案文字。CO2激光机以CO2作为工作物质负责产生激光辐射,一起充入放电管的还有辅助气体氮气和氦气。电极上加高压时,放电管中产生辉光放电,使气体分子释放出激光,能量放大后,形成激光束。打标就通过电脑控制振镜,改变激光束光路实现自动打标。CO2激光机体积大、结构复杂、维护困难。
 
YAG激光器,需要用氪气或氙气灯管作为“泵浦灯”,发出光来照到Nd:YAG晶体产生激光。泵浦灯的发射光谱是宽带连续谱,仅少数光谱峰被Nd离子吸收,大部份没被吸收的光谱能量转成了热能,所以能量的使用率偏低。
 
虽然说CO2和YAG激光器有这样那样的缺点,但是搞出来的大功率激光在工业界还是很有用的。工业界常有这样的例子,老一代产品把市场培养起来,工艺切换,然后新一代产品又实现效率提升。光纤激光器就是用来提升效率的。
 
前面说了,半导体激光器优点很多,但是为什么开始没发展起来?因为它有一个致命弱点:发出来的激光质量不行。晶体激光器的输出光束质量高,有很高的时间和空间相干性,号称发射一束激光到月球上只有2公里的光斑。半导体激光器的光谱线宽与光束发散角,比晶体激光器要高几个量级,主要功能不行,那一堆优点就意义不大了。
 
一个办法是,让半导体激光器当晶体激光器的泵浦,把二者的优势结合起来。半导体激光器发出的光源,经过晶体激光器“优化”之后,形成高质量的光束再发出去。但是这个方案也有问题,块状晶体吸收波长短的高能量光子,转化为波长较长的低能量光子,总有一部分能量以无辐射跃迁的方式转换为热能。这部分热能如果在块状晶体中散不出去,那就要命了,一会就烧毁了,所以散热问题很重要。
 
如果能把块状晶体做成细长条,散热面积就非常大了,能解决问题,这其实就是做成光纤的样子。1964年就有人做出了玻璃激光器,晶体用的就是光纤,虽然光源不是半导体激光器的。但那时光纤本身也没发展起来,缺陷很大,光源很难聚焦到光纤,所以这条路线20多年没什么进展。
 
到1980年代,作为泵浦的半导体激光器进展很大,光纤随着网络通信的大发展也进步非常大,光纤激光器的技术条件慢慢成熟了。1987年英国南安浦顿大学和美国贝尔实验室证明了掺铒光纤放大器的可行性,取得了关键的科研突破。但是产业突破是加彭切夫1990年创立的IPG坚持多年后实现的。光纤激光器是非常高端的高科技,涉及多个学科。作为泵浦的半导体激光器的功率要能做大,光纤的放大性能也要不断改进。光纤改进的绝招就是在里面加各种稀土元素。IPG是典型的西方国家高科技企业,研发很不简单,产品利润率也高达50%~60%。
 
光纤激光器有半导体激光器的一系列优点,又有晶体激光器光束质量高的优点。从产业上来说,比起CO2激光器和YAG激光器,光纤激光器的优点一目了然,优势大到没什么好比的。光纤激光器有绝对理想的光束质量,又有半导体激光器超高的转换效率,又象光纤和LED灯一样完全免维护,稳定性高,体积还很。娴氖欠浅M昝赖牟。
 
当然,高科技新产品出来都有一个缺点:贵。对IPG来说,这不是问题,有这么多优点的激光器,卖高价是理所当然的,就算成本高企业也能够大发展。
 
这时,我们终于要说中国了。在前述激光与光纤激光器的科学发展过程中,似乎没中国什么事。但是要说产品贵,产业发展需要降成本,那就是中国的拿手好戏了。
 
其实IPG的主要市场就是在中国。IPG搞的是工业激光,中国工业产值世界最高,需求当然也最大。虽然IPG开始是在欧美做,但是中国市场份额越来越高,到2018年2季度,IPG的销售额49%靠的是中国市场。
 
对消费者或者工业应用,光纤激光器并不能直接就用,需要做成各种“激光打标机”“激光切割机”来用。中国象大族激光这样的龙头厂家,就是生产打标机、切割机的。IPG生产的光纤激光器,大族激光买来做成加工机器,是天作之合。就算光纤激光器这个部件很贵,大族生产的机器其它成本便宜,最终客户看到的产品就是性能很好,价格可以接受的升级产品。所以中国市场帮了IPG的大忙,整机走量摊薄成本,光纤激光器的应用就繁荣起来,整个产业链滚动发展。
 
但是IPG对中国市场抱怨很大。这也是欧美科技企业的常态,对中国市场爱恨交加,情绪复杂。
 
光纤激光器产业:始于苏联,兴于中国
(未完待续...........)下一篇:IPG激光器在中国的突围战和遭遇战!
 

 

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