千磨萬擊還堅勁——激光核心器件國產(chǎn)化再進一步！

2019年，中美間的貿(mào)易沖突達到了高峰。在這一年中，經(jīng)濟增長放緩、貿(mào)易額下降、制造業(yè)低迷成了中美雙方經(jīng)濟壓力的主要標簽。而中國在高端制造、核心技術(shù)領(lǐng)域所面臨的短板，也在中興事件之后成了關(guān)注的焦點。

對激光行業(yè)而言，同樣存在類似的短板。眾所周知，激光設(shè)備的核心在于光源，而目前工業(yè)應(yīng)用最主流的光源——光纖激光器，則有增益光纖、泵浦源、激光芯片、光纖光柵、光纖合束器、激光輸出頭及準直器等一系列核心部件。在我國科研人員及幾大國產(chǎn)激光器制造商的不懈努力下，一些核心部件先后實現(xiàn)突破及批量應(yīng)用，實現(xiàn)國產(chǎn)高功率光纖光柵和高功率激光芯片的批量應(yīng)用成了最后兩個待解難題。

從這幾年光纖激光器廠商的發(fā)展與布局來看，掌握核心光學(xué)器件、實現(xiàn)垂直一體化是國產(chǎn)突圍的關(guān)鍵所在，這也是國內(nèi)具有較強實力與規(guī)模的激光器廠商正在探索的道路。OFweek激光網(wǎng)了解到，作為國產(chǎn)激光器領(lǐng)先企業(yè)、剛剛完成科創(chuàng)板過會的創(chuàng)鑫激光，也在自產(chǎn)光柵方面取得了可喜成績。為此，OFweek激光網(wǎng)專程拜訪了創(chuàng)鑫激光研發(fā)中心負責(zé)人王英，了解創(chuàng)鑫激光在光柵上的突破與布局。

創(chuàng)鑫激光研發(fā)中心負責(zé)人 王英

圖片來源：OFweek激光網(wǎng)

OFweek激光網(wǎng)：創(chuàng)鑫激光是什么時候開始研發(fā)光柵的？光柵研制的難點是什么？

王英：創(chuàng)鑫激光以做器件起家，是國內(nèi)少有做到“器件先行”的廠家。創(chuàng)鑫激光產(chǎn)品所用的泵源、合束器、光纖光柵、激光輸出頭、剝模器、隔離器、聲光調(diào)制器、模式匹配器等90％以上的核心光學(xué)器件均已具備自產(chǎn)能力。2016年我們實現(xiàn)小功率脈沖光柵自產(chǎn)，同年我們連續(xù)產(chǎn)品受國外光柵品質(zhì)問題影響很大，那時就想把光柵品質(zhì)和性能控制在自己手里。

創(chuàng)鑫激光脈沖小功率光柵生產(chǎn)線

圖片來源：創(chuàng)鑫激光

2017年，我們開始著手研發(fā)高功率光柵項目。剛開始我們遇到很多困難，包括如何均勻穩(wěn)定成柵、降低光柵在高功率下的溫升、抑制拉曼的影響等等。為了解決這些問題，我們的研發(fā)團隊投入大量時間和精力，研究并驗證了每一個可能的影響，最終走出了創(chuàng)鑫獨創(chuàng)技術(shù)之路，這對于諧振腔內(nèi)光柵與合束器、有源光纖的匹配和光束質(zhì)量精細控制打下了很好的基礎(chǔ)。

我們都知道，光柵是光纖激光器諧振腔的必要構(gòu)成部件，決定了激光器的輸出波長與帶寬，并能控制激光模式與光束質(zhì)量。而高功率光柵遇到最大的問題就是溫升問題。光柵的溫升系數(shù)跟很多因素相關(guān)，最主要的就是保證光柵刻寫時的均勻穩(wěn)定，高效可靠的封裝以及管理光纖中增敏用的氫。

光纖激光器基本結(jié)構(gòu)及諧振腔結(jié)構(gòu)

圖片來源：創(chuàng)鑫激光招股書

成柵穩(wěn)定的關(guān)鍵在于光刻技術(shù)，而這也是光柵制造的難點。如果刻寫的光柵結(jié)構(gòu)不均勻，在缺陷處就容易形成熱點，這里的溫度就會高。合適的光刻機選型、匹配的掩模板參數(shù)設(shè)計，加上光斑勻化技術(shù)、刻寫光路設(shè)計、衍射處理技術(shù)都是能夠均勻穩(wěn)定成柵的基礎(chǔ)。經(jīng)過光路光斑調(diào)整優(yōu)化與波形關(guān)系、光刻機參數(shù)與光柵穩(wěn)定性關(guān)系的大量的實驗和理論探討，得益上述在光刻上的先進技術(shù)，創(chuàng)鑫激光已經(jīng)形成了光纖載氫、去涂覆、光柵刻寫、涂覆、退敏一整套完善的工藝流程，能夠確保穩(wěn)定成柵。

除光柵刻寫的缺陷會導(dǎo)致光柵升溫外，增敏后的殘留物也會導(dǎo)致光柵溫度升高。目前創(chuàng)鑫采用的是比較獨特的載氫增敏技術(shù)，以及成熟的退敏技術(shù)，可以有效地管理增敏的氫殘留，減少光柵發(fā)熱，配合創(chuàng)鑫激光高效的光纖光柵散熱封裝設(shè)計，有效解決光纖光柵的溫升風(fēng)險。

OFweek激光網(wǎng)：評價光柵性能好壞的指標有哪些？創(chuàng)鑫激光研制的光柵可以達到什么樣的效果？

王英：光柵比較重要的參數(shù)包括：中心波長、帶寬、反射率、溫度、邊模抑制比。光柵最重要的作用就是選擇波長，并把選定波長的光在激光腔里反射諧振，因此中心波長是光柵最基本的參數(shù)。這是由刻寫在里面的微觀結(jié)構(gòu)決定的，具體來說就是刻寫在光纖里面的折射率周期變化。

我們刻寫的是啁啾光柵，里面的周期是變化的，周期變化量的大小就決定了帶寬。而反射率決定了波長選擇之后反射光子的比例。創(chuàng)鑫激光光柵的中心波長、帶寬、反射率等指標完全符合激光器的使用要求，其中反射率最低＞99％，最高達到了99.99％。

對中高功率光柵來說，光柵溫度管理也是一個很重要的技術(shù)。光柵溫度變化，會直接影響著光柵對的參數(shù)穩(wěn)定，影響諧振腔的性能。創(chuàng)鑫激光的獨特光柵設(shè)計配合優(yōu)化的散熱封裝，可以保證我們的成品光柵溫升系數(shù)能做到小于0.005℃/W，高功率下光柵也能保證完美匹配，性能和可靠性完全達到甚至超過了國外同類產(chǎn)品水平。

創(chuàng)鑫激光自制光柵

圖片來源：創(chuàng)鑫激光

此外，創(chuàng)鑫對批量生產(chǎn)的光纖光柵波長控制極為精密嚴格，高反和低反光纖光柵中心波長的重復(fù)精度到達±0.1nm。這意味著數(shù)千只光纖光柵都是同一波長，高反和低反光纖光柵不再需要人工波長配對，極大簡化了諧振腔的組裝工藝，減少光柵的組裝損耗，提升了激光器的量產(chǎn)性能穩(wěn)定性和一致性。

值得一提的是，創(chuàng)鑫激光的光纖光柵技術(shù)不僅覆蓋了單模光纖光柵（芯徑10um），也可以生產(chǎn)大芯徑多模光纖光柵（20um，25um，甚至更大芯徑）。不同于成熟的光纖通信用單模光纖光柵，光纖激光用光纖光柵不僅有單模，而且很多是多模光纖光柵。它們生產(chǎn)的難度更大，穩(wěn)定性要求也更高。在這樣高難度的條件下，我們自制的高功率光柵在高溫高濕的環(huán)境下進行了5000多個小時的測試，溫度沖擊測試也進行了5000cycle，但光柵的性能表現(xiàn)基本沒有出現(xiàn)變化，完全符合工業(yè)生產(chǎn)的要求。目前創(chuàng)鑫自制高功率光柵已批量用于所有單模塊激光器上。

OFweek激光網(wǎng)：通過創(chuàng)鑫激光招股書數(shù)據(jù)可見，2019年創(chuàng)鑫的光柵采購量明顯下降。目前創(chuàng)鑫激光自產(chǎn)光柵的產(chǎn)能如何？是否會考慮對外銷售？

王英：從出貨量來看，我們2019年生產(chǎn)的光柵超過8000對。值得一提的是，2019年上半年我們還會外購光柵，但在項目加速推進后，我們的產(chǎn)能迅速提高，8月份后基本實現(xiàn)了自給自足。目前自產(chǎn)高功率光柵月產(chǎn)能接近2000對，全年自產(chǎn)率在80％以上。我們的光柵隨整機一起出貨，用戶反饋良好，可以說是經(jīng)受住了市場的考驗。

創(chuàng)鑫激光連續(xù)中高功率光柵生產(chǎn)線

圖片來源：創(chuàng)鑫激光

光柵自產(chǎn)實現(xiàn)了我們整機生產(chǎn)效率最大化，同時保障客戶能獲得最大效益。同時，在器件層面實現(xiàn)自產(chǎn)自用，既降低了我們自身的成本，也提升了外購器件時的議價能力。隨著我們產(chǎn)能的提高，2020年我們有能力實現(xiàn)100％的光柵自產(chǎn)，但我們也將保持一定的外購比例，在確保成本競爭優(yōu)勢的情況下也不排除適當(dāng)外銷。創(chuàng)鑫在技術(shù)上是開放的，我們希望業(yè)內(nèi)同仁能夠相互促進，共同推動行業(yè)總體的技術(shù)提升，使中國激光器整體的成本能繼續(xù)降低。

OFweek激光網(wǎng)：不久前，美國向荷蘭施壓禁止ASML向中國出售高端光刻機。創(chuàng)鑫的光柵光刻機供應(yīng)商情況如何？您認為我國激光核心器件未來的發(fā)展有哪些機遇與風(fēng)險？

王英：光柵需要的光刻機和ASML的光刻機本質(zhì)上是一致的，但也有區(qū)別。ASML的光刻機用在非常高端的領(lǐng)域，工作波長更短，主要是半導(dǎo)體芯片的線路刻寫，它的要求比我們高很多，而刻寫光柵的需求中低端的光刻機就能滿足，技術(shù)比較成熟?，F(xiàn)在我們掩模版的周期在740nm左右，精度要求比芯片低得多。創(chuàng)鑫激光的光柵刻寫機是自主設(shè)計光路，自動化平臺，定制部件，自主集成的。光刻機用的紫外激光器是外購的。自主設(shè)計的好處是光刻機可以方便的兼容各種紫外激光器，因此我們光刻機的紫外激光器供應(yīng)商并不單一，美國、德國、俄羅斯都有我們的供應(yīng)商，相對風(fēng)險也非常低。

隨著國內(nèi)工業(yè)轉(zhuǎn)型升級和智能制造的推進，激光加工技術(shù)作為先進的加工方式將被更多的制造企業(yè)接受，激光加工設(shè)備的市場需求也會逐漸增長。激光器作為激光加工設(shè)備的核心器件，占據(jù)了激光加工設(shè)備的大部分成本。要想加速推廣激光應(yīng)用，推動產(chǎn)業(yè)升級，必須降低激光器及設(shè)備使用成本，加速激光器國產(chǎn)化。

要想實現(xiàn)激光器國產(chǎn)化，從根本上縮短國產(chǎn)激光器與進口激光器的差距，必須掌握核心技術(shù)，實現(xiàn)器件與激光器研發(fā)、生產(chǎn)的垂直一體化。器件自產(chǎn)可以大幅提升成品品質(zhì)，提高產(chǎn)品的一致性和穩(wěn)定性，縮短新產(chǎn)品推出時間，加快了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本，提升產(chǎn)品市場競爭力。

目前國內(nèi)外高功率激光器競爭已經(jīng)進入白熱化階段，掌握激光器核心器件的研發(fā)生產(chǎn)能力將是國產(chǎn)激光器在競爭中獲勝的關(guān)鍵。創(chuàng)鑫激光秉承國產(chǎn)超高功率工業(yè)激光器開拓者的心態(tài)，一路攻堅克難，從器件到激光器的研發(fā)生產(chǎn)，全面推動國產(chǎn)激光技術(shù)的發(fā)展，為中國激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展添薪助力！

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