誰是夜空中最亮的星?在地球上仰望夜空，肉眼可見的最亮的恒星非天狼星莫屬。天狼星(Sirius)的名字來源于古希臘(∑εριο)，意為發(fā)光或灼燒。在某些古老的部落，天狼星被認(rèn)為是“太陽背后的太陽”，是太陽力量的來源。從古至今，圍繞天狼星衍生出了不計(jì)其數(shù)的神話和傳說。它璀璨、熾熱，引人矚目，又神秘、夢(mèng)幻，讓人心向往之。
在我國激光行業(yè)的璀璨群星中，近期也誕生了一顆“天狼星”。湖南大科激光近期發(fā)布了全新的天狼星系列光纖激光器，它擁有近乎極致的光束質(zhì)量和穩(wěn)定持久的性能，攻克了過去光纖激光器在新能源電池焊接中遇到的諸多難題，為新能源電池市場提供更高效率和更優(yōu)質(zhì)量的焊接解決方案。
“天狼星”由來——以更高亮度 為高端應(yīng)用市場引路
2021年，我國光纖激光器市場再度迎來發(fā)展高峰，全年市場規(guī)模接近125億元，同比增長33%，其中國產(chǎn)激光器市場份額接近70%。在市場高速發(fā)展、國產(chǎn)品牌加速崛起的過程中，這一市場卻因產(chǎn)品同質(zhì)化而陷入價(jià)格戰(zhàn)泥潭——部分激光器企業(yè)主動(dòng)降價(jià)搶占市場，而設(shè)備集成商在采購激光器時(shí)也片面強(qiáng)調(diào)功率和價(jià)格，“X kW多少錢”已成為集成商接觸激光器企業(yè)的開場白。
實(shí)際上，這樣的觀念只是把激光器視為單純的功率器件，而忽略了激光器的另一個(gè)重要特性——亮度，也忽略了亮度背后的價(jià)值。眾所周知，激光的四個(gè)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”。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)。
目前，光纖激光器更多應(yīng)用在金屬下料市場。在這一粗放型市場中，高亮度的作用并不明顯，但更高功率卻能帶來切割速度和切割能力的提升，因此過去十年間光纖激光器一直在追求更高功率。隨著我國產(chǎn)業(yè)升級(jí)的加速，越來越多的高端制造業(yè)對(duì)激光技術(shù)需求增加，也對(duì)激光的亮度提出了更高要求。例如，動(dòng)力電池的切割、焊接過程中常會(huì)遇到銅、鋁等高反材料，普通亮度的激光器在加工這些材料時(shí)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)。為解決這樣的痛點(diǎn)，具有更高亮度的天狼星系列光纖激光器應(yīng)運(yùn)而生。
亮度接近極致——效率、質(zhì)量、工藝窗口均提升
大科激光通過獨(dú)特的光路設(shè)計(jì)和工藝處理，抑制了橫向模式不穩(wěn)定和受激拉曼散射，實(shí)現(xiàn)了2.2kW純單模(M2<1.1，接近衍射極限)輸出，能量傳輸光纖(芯徑為14μm，NA為0.07)長度達(dá)到7m，拉曼抑制比優(yōu)于-35dB。這一系列突破，奠定了天狼星系列激光器(Sirius-1000W～4000W)的技術(shù)基礎(chǔ)。
2kW輸出時(shí)光束質(zhì)量M2為1.07
相比20μm芯徑，14μm芯徑光纖輸出的單模激光對(duì)應(yīng)的焦點(diǎn)光斑面積縮小了51%，功率密度提升1倍，從而實(shí)現(xiàn)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(shí)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。
為驗(yàn)證這一理論，大科激光實(shí)驗(yàn)室分別用芯徑為14μm、20μm、50μm的2kW激光器進(jìn)行紫銅焊接測試，在確保熔深為1.46mm的情況下，我們得出結(jié)論：芯徑為14μm的單模激光器焊接紫銅無明顯缺陷，且速度是20μm的準(zhǔn)單模激光器的1.5倍，是50μm的多模激光器的4.5倍。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：
更重要的是，芯徑為14μm的單模激光器可以在保持熔寬基本不變的情況下，逐漸增加熔深，實(shí)現(xiàn)穿透深度可控，為新能源、3C、電力等行業(yè)所需的高反材料(如鋁、黃銅、紫銅)的高質(zhì)量、高精度焊接提供了優(yōu)質(zhì)解決方案。
其次，芯徑為14μm的單模激光器的熔深穩(wěn)定。在-3～2.5mm的離焦量范圍內(nèi)，熔深變化只有±0.25mm，可以完美地解決由于熔深不穩(wěn)定造成的虛焊問題，具有更寬的工藝窗口。
品質(zhì)穩(wěn)如恒星——國產(chǎn)供應(yīng)鏈提供穩(wěn)定支撐
實(shí)際上，早在2021年6月，大科激光便已做出了天狼星Sirius-2000W 14μm激光器的原理樣機(jī)，實(shí)現(xiàn)了M2<1.1、拉曼抑制優(yōu)于-35dB、傳輸光纖達(dá)到7米的指標(biāo)。但大科激光在此后進(jìn)行了長達(dá)8個(gè)月的應(yīng)用測試和可靠性驗(yàn)證工作，一方面是總結(jié)相關(guān)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，另一方面則是針對(duì)穩(wěn)定性、可靠性進(jìn)行改進(jìn)升級(jí)。
眾所周知，在光纖激光器的長期使用中，不可避免會(huì)出現(xiàn)光子暗化效應(yīng)及受激拉曼散射。天狼星激光器樣機(jī)在烤機(jī)測試初期表現(xiàn)穩(wěn)定，但隨著烤機(jī)時(shí)間增長開始出現(xiàn)功率波動(dòng)現(xiàn)象。大科激光的技術(shù)人員對(duì)此進(jìn)行了多輪優(yōu)化與迭代，開發(fā)出用于模式凈化的DEC技術(shù)和用于抑制拉曼光的RSF技術(shù)，最終使天狼星激光器通過了長達(dá)720小時(shí)的烤機(jī)測試，消除了光子暗化現(xiàn)象，確保了整機(jī)功率的長期可靠性。
大科激光董事長郭少鋒表示：“我們之所以把這一系列激光器命名為天狼星系列，正是因?yàn)樗c天狼星具備同樣的特質(zhì)。第一，天狼星是恒星，而我們的激光器經(jīng)過驗(yàn)證，功率穩(wěn)定性就像恒星一樣。第二，天狼星是最亮的恒星，而我們的天狼星激光器亮度也是極高的，2kW激光測試的光束質(zhì)量M2為1.07，已經(jīng)充分接近激光光束質(zhì)量的理論極限值。”
值得一提的是，在天狼星激光器進(jìn)行穩(wěn)定性測試的初期，是國產(chǎn)器件版與進(jìn)口器件版同步進(jìn)行的。隨著測試的深入，大科激光發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)器件的性能與穩(wěn)定性與進(jìn)口器件幾乎沒有差異。基于供應(yīng)鏈安全的考慮，最終大科激光選擇大批量導(dǎo)入國產(chǎn)元器件。目前，大科激光天狼星產(chǎn)線已經(jīng)建成，月產(chǎn)能超過300臺(tái)。可以說，穩(wěn)定可靠的國產(chǎn)元器件供應(yīng)是天狼星激光器穩(wěn)定量產(chǎn)的基石。
奔向星辰大海——針對(duì)高端市場全線產(chǎn)品升級(jí)
如前文所說，目前光纖激光器的應(yīng)用主要是金屬下料市場，大家對(duì)亮度的價(jià)值認(rèn)知尚不充分。天狼星系列激光器的出現(xiàn)，對(duì)高亮度激光器的應(yīng)用破局有著重要意義。郭少鋒博士表示：“隨著制造業(yè)的升級(jí)，光纖激光器必將從功率時(shí)代發(fā)展到亮度時(shí)代。大科激光將會(huì)堅(jiān)持亮度為王的思想，加強(qiáng)對(duì)高亮度、細(xì)纖芯激光器應(yīng)用的探索。天狼星是夜空中最亮的恒星，天狼星激光器也將憑借極高的亮度，為新能源電池焊接、3D打印等行業(yè)提供更優(yōu)的制造方案。”
天狼星激光器-軟包極耳焊接
天狼星激光器-方形極耳焊接
天狼星激光器-防爆閥焊接
天狼星激光器-極柱焊接
天狼星激光器-密封釘焊接
天狼星激光器-匯流排焊接
除天狼星系列外，大科激光還對(duì)旗下全線產(chǎn)品進(jìn)行了重新定義。如：
金牛座(Taurus)系列激光器，功率段覆蓋6kW-20kW，憑借獨(dú)特的HBSC(高亮度合束)技術(shù)，適用于大功率激光切割市場。
獅子座(Leo)系列激光器，功率段覆蓋1.5kW-3kW，憑借獲得湖南省專利一等獎(jiǎng)的BRP(后向光防護(hù)技術(shù))技術(shù)，能夠確保穩(wěn)定切割高反材料。
飛馬座(Pegasus)系列激光器，功率段覆蓋500W-1500W，憑借HPPS(高精度功率穩(wěn)定技術(shù))技術(shù)，適用于3D打印市場。
半人馬(Centaurus)系列激光器主要為窄線寬系列激光器，功率段覆蓋500W-1500W，適用于各類科研定制市場。
這一系列產(chǎn)品的重新命名，既凸顯了大科激光將高亮度激光應(yīng)用推向星辰大海的決心，又預(yù)示著激光行業(yè)即將打破同質(zhì)化競爭局面，從通用化市場逐步走向體現(xiàn)技術(shù)特點(diǎn)的細(xì)分市場。
從某種角度來說，在應(yīng)用層面上更好地發(fā)揮高亮度、細(xì)纖芯激光器的價(jià)值，比單純把激光器指標(biāo)做出來的難度更大。正如郭少鋒博士所言：“目前我們?cè)诠庠醇夹g(shù)儲(chǔ)備上已經(jīng)具備一定的超前性，但在應(yīng)用方面還需要努力開拓。我們的應(yīng)用團(tuán)隊(duì)正和客戶展開深度合作，根據(jù)具體的應(yīng)用需求，針對(duì)性地改進(jìn)激光器功能。我們希望把全系列的高亮度光纖激光器都能夠很好地運(yùn)用起來，也希望跟合作伙伴攜手拓展高亮度激光器的應(yīng)用領(lǐng)域，為激光行業(yè)及相關(guān)的行業(yè)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。”
