千磨萬擊還堅勁——激光核心器件國產化再進一步！

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

對激光行業(yè)而言，同樣存在類似的短板。眾所周知，激光設備的核心在于光源，而目前工業(yè)應用最主流的光源——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激光器制造商的不懈努力下，一些核心部件先后實現突破及批量應用，實現國產高功率光纖光柵和高功率激光芯片的批量應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，掌握核心光學器件、實現垂直一體化是國產突圍的關鍵所在，這也是國內具有較強實力與規(guī)模的激光器廠商正在探索的道路。OFweek激光網了解到，作為國產激光器領先企業(yè)、剛剛完成科創(chuàng)板過會的創(chuàng)鑫激光，也在自產光柵方面取得了可喜成績。為此，OFweek激光網專程拜訪了創(chuàng)鑫激光研發(fā)中心負責人王英，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)中心負責人 王英

圖片來源：OFweek激光網

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

創(chuàng)鑫激光脈沖小功率光柵生產線

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)技術之路，這對于諧振腔內光柵與合束器、有源光纖的匹配和光束質量精細控制打下了很好的基礎。

我們都知道，光柵是光纖激光器諧振腔的必要構成部件，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。光柵的溫升系數跟很多因素相關，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。

光纖激光器基本結構及諧振腔結構

圖片來源：創(chuàng)鑫激光招股書

成柵穩(wěn)定的關鍵在于光刻技術，而這也是光柵制造的難點。如果刻寫的光柵結構不均勻，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、匹配的掩模板參數設計，加上光斑勻化技術、刻寫光路設計、衍射處理技術都是能夠均勻穩(wěn)定成柵的基礎。經過光路光斑調整優(yōu)化與波形關系、光刻機參數與光柵穩(wěn)定性關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，創(chuàng)鑫激光已經形成了光纖載氫、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致光柵升溫外，增敏后的殘留物也會導致光柵溫度升高。目前創(chuàng)鑫采用的是比較獨特的載氫增敏技術，以及成熟的退敏技術，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計，有效解決光纖光柵的溫升風險。

OFweek激光網：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。這是由刻寫在里面的微觀結構決定的，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。光柵溫度變化，會直接影響著光柵對的參數穩(wěn)定，影響諧振腔的性能。創(chuàng)鑫激光的獨特光柵設計配合優(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精度到達±0.1nm。這意味著數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不僅覆蓋了單模光纖光柵（芯徑10um），也可以生產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，但光柵的性能表現基本沒有出現變化，完全符合工業(yè)生產的要求。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：通過創(chuàng)鑫激光招股書數據可見，2019年創(chuàng)鑫的光柵采購量明顯下降。目前創(chuàng)鑫激光自產光柵的產能如何？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，我們的產能迅速提高，8月份后基本實現了自給自足。目前自產高功率光柵月產能接近2000對，全年自產率在80％以上。我們的光柵隨整機一起出貨，用戶反饋良好，可以說是經受住了市場的考驗。

創(chuàng)鑫激光連續(xù)中高功率光柵生產線

圖片來源：創(chuàng)鑫激光

光柵自產實現了我們整機生產效率最大化，同時保障客戶能獲得最大效益。同時，在器件層面實現自產自用，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。隨著我們產能的提高，2020年我們有能力實現100％的光柵自產，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外銷。創(chuàng)鑫在技術上是開放的，我們希望業(yè)內同仁能夠相互促進，共同推動行業(yè)總體的技術提升，使中國激光器整體的成本能繼續(xù)降低。

OFweek激光網：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)展有哪些機遇與風險？

王英：光柵需要的光刻機和ASML的光刻機本質上是一致的，但也有區(qū)別。ASML的光刻機用在非常高端的領域，工作波長更短，主要是半導體芯片的線路刻寫，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，技術比較成熟?，F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商并不單一，美國、德國、俄羅斯都有我們的供應商，相對風險也非常低。

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

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

目前國內外高功率激光器競爭已經進入白熱化階段，掌握激光器核心器件的研發(fā)生產能力將是國產激光器在競爭中獲勝的關鍵。創(chuàng)鑫激光秉承國產超高功率工業(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，全面推動國產激光技術的發(fā)展，為中國激光產業(yè)的發(fā)展添薪助力！

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