这把“最快的刀” 该怎么用？

原子能、半导体、计算机和激光，是20世纪的四大发明，它们之间相互融合交叉式发展，共同进步。激光是“万能的工具”，被称为“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”。

随着科学技术的不断进步，高功率激光的应用越来越广，比如核设施退役中激光远程切割、辅助破岩和管道焊接等。12月10日，南华大学与武汉锐科光纤激光技术股份有限公司（以下简称锐科激光）等单位联合研制的我国首台100千瓦工业光纤激光器（以下简称100千瓦激光器）正式在南华大学激光应用联合实验室启用，这是全球第二大功率的工业激光器，目前已经过满功率出光检验，现场出光测试工作情况稳定，可投入使用。

告别“卡脖子”期

与传统加工技术相比，激光加工技术有材料浪费少、生产成本效应明显、适应性强等明显优势。光纤激光器具有电光转换效率高、金属吸收系数好、光束质量高等优势，广泛应用于工业制造、航空航天、3C电子、医疗设施等领域，可普遍用于焊接、切割、表面去污等场景。

超高功率激光器是相对中低功率工业激光器而言的，当前阶段业界将功率超过10千瓦的激光器定义为超高功率激光器。

2006年，我国发布《国家中长期科学和技术发展规划纲要（2006—2020年）》，并首次将激光技术列为我国重点发展的前沿技术。随后，我国对激光产业发展的支持政策逐渐出台，激光产业迎来长足发展。随着我国制造业的转型升级，激光技术的成本不断下降，应用需求空间不断扩增，激光制造的市场规模不断扩大。

深度参与该激光器研究的华中科技大学教授、锐科激光总工程师闫大鹏说，我国工业产业正在加速转型升级，各行各业对激光技术都有一定需求，但此前迫于技术限制，一些研究工作无法正常开展。以前国内也有科研机构购买过外国的激光器，但因技术、相关设备等限制，这些激光器拿回国后也无法有效发挥其作用。

近几年，我国激光器制作水平显著提升，锐科激光更是成为我国首家核心器件完全自研自产的激光器制造商，这为100千瓦超高功率激光器研发生产奠定了基础。

“我国的超高功率激光器技术近年来虽然发展迅速，但泵浦源、合束器、特种光纤等核心器件仍受制于国际领先技术，处于‘卡脖子’期，使得国产超高功率激光器功率难以有较大突破，国产超高功率激光器目前仅有几家制造商能达到3万瓦的水平。因此进行超高功率激光器的设计研发具有十分重要的意义。”南华大学教授、激光应用联合实验室首席科学家刘列表示。

“外国人能做到的，我们中国人一定也可以。”毕业于华中科技大学（原华中工学院）第一届激光技术本科专业的刘列，一直梦想做一台最大功率的工业激光器。深耕激光技术领域数十年的闫大鹏教授团队，也在不断向这个目标迈进。2016年，他们联合起来，开始构思超高功率激光器研发事宜。

“国内工业用产品和实验室用产品要求不同，对设备稳定性和用户可接受性具有更严的要求。从今年该项目立项开始，各方团队经历6个月的日日夜夜，才成功研制出该激光器。”闫大鹏说，激光器由南华大学和锐科激光等共同研发，锐科激光牵头生产，未来双方还将基于核工业领域，不断将应用场景拓展至更多高精尖领域。

“目前国际上只有美国拥有120千瓦的超高功率激光器，我们研发的激光器关键技术全部实现了国产化，后期经过调试和设备改进，其功率能够很快达到120千瓦甚至140千瓦。”刘列表示，100千瓦激光器可进行核设施管道的焊接、放射环境下核设施的退役拆除、核污染元器件的表面去污、高放废液的玻璃固化等高端应用，将彻底改变我国在该领域技术受国际限制的局面。

南华大学激光应用联合实验室高级工程师韩良华透露，南华大学在该激光器研制过程中，提供了可扩展的模块化设计方案，参与了超大功率合束器的设计，研发了超大功率的激光输出头，解决了输出端帽与高功率激光输出头高度匹配等问题，多项技术打破了国外垄断。

激光氩弧复合焊接。王昊昊 摄

高功率回返光可控可扛

100千瓦激光器整机以高功率单模光纤激光器为单元模块，优化整机结构布局设计，开发出完整的系统集成及模块化组装技术，采用自制大功率工业级激光合束器和传输组件，并结合功率、温度等多参数实时监控技术，研制出多模100千瓦光纤激光器，提高了我国大型装备制造业水平。

“以高放废液玻璃固化处理为例，激光固化具有热效率高、设备寿命长、退役难度低等特点，此前之所以没有开展设计应用，就是因为激光器功率过低，能量达不到要求。”闫大鹏表示，相较于传统激光器，100千瓦激光器结构更加紧凑，可随时使用，且具有更高的电、光转换效率，更低的能耗和更好的光束质量。它能基于其柔性的激光输出方式，方便地与系统设备进行集成。

“以前在做玻璃固化时，一般采用感应加热或焦耳热的方式，感应加热类似于一个电磁炉加热；焦耳热相当于在一对电极间形成一个放电通道，然后产生电流和电阻，这两种方式都需要设备在高放射性的环境下进行，当玻璃固化完成后，相关设备本身也就变成了一个污染源，必须‘退役’。”韩良华表示，100千瓦激光器在做玻璃固化时，只通过一个小窗口把光照进去就行，整个设备都在外围，效率更高，设备也不会被污染。

其实，在100千瓦激光器成功研发前，我国并没有完全成熟的超高功率激光器整体系统研发经验可借鉴，相关产业和模块的发展水平也参差不齐。100千瓦激光器在输出光缆、合束器、控制系统等方面突破了多项技术瓶颈。

在输出光缆上，100千瓦激光器突破高功率激光传输组件中的重要组件——端帽，使用高性能材料和特制镀膜工艺，突破性地采用自创的端帽熔接加后处理技术，实现传能光纤和端帽的无损高质熔接，其承受功率超过200千瓦；采用先进的隔离吸光散热技术，使其回返光承受能力达到万瓦以上，并结合首创的光热监控技术，使得对于高功率回返光可控可扛；突破性地解决传能光纤自发热难题，首创铠装管主动冷却技术，支持整机10万瓦机器长时间（数小时）连续不间断出光。

100千瓦激光器合束需要对双包层传输光纤在高功率工作条件下的状态进行分析，确保高功率传输光的传输效率和光束质量，为此，研发团队开展了高性能双包层传输光纤研究，设计了适合制作高功率光纤信号合束器的高性能双包层传输光纤；强化了光纤束拉锥技术，优化平衡了各拉锥的参数；开发了光纤模式匹配技术，使得合束器中输入光纤和输出光纤模式实现严格匹配，尽可能降低传输功率损失，提高合束的传输效率。

“激光器就好比是汽车的发动机，汽车光有发动机不行，没法跑起来，激光器也需要一个控制系统，让它很好地运行起来。”韩良华表示，100千瓦激光器的控制系统内部采用以太网通信集成多个高功率单元，通信速度高，抗干扰能力强，并能灵活扩展更高功率的激光器；内置了丰富的监测传感器，具有传感器自诊断功能，实时监测并显示激光器内部各个模组的健康状况；自带平板式工控机，能在激光器上直接查看激光器的运行状态、工作参数并切换工作模式。

科研人员开展出光测试相关工作。王昊昊 摄

走向“万物皆可切”时代

激光广泛应用于光纤通信、激光光谱、激光测距、激光雷达、激光切割、激光武器等行业，100千瓦激光器的主要性能体现在“最快的刀”方面。

这把“最快的刀”究竟有多快？“通俗地说，它可以切断20厘米厚的钢板，并且切割速度快，切20厘米厚钢板时，每分钟可切10至30厘米长。”韩良华说，以前没有高铁，难以想象现在的交通方式有这么便捷。100千瓦激光器的出现就是这样，大家没有预料到激光器能有这么强，它将改变人们的生活和整个的科研生态。

目前，100千瓦激光器主要用于科学研究。“用它开展的每一项研究，将是引领性的。” 韩良华表示，未来100千瓦激光器将走向“万物皆可切”时代，在制造业等领域广泛应用。

“未来激光器的应用场景将不断延伸至激光输电、激光射孔完井、激光破岩等领域。” 韩良华说，比如川藏铁路的修建要经过很多大山，如果山上的岩石特别硬，目前的解决办法是用盾构机破岩，但这种方式对钻头的要求很高，盾构机的能耗等也很高。如果运用激光辅助破岩，将激光照射在需要破除的岩石上，它能马上把目标点烧成洞，这在提升破岩效率、降低成本等方面将有变革性发展。

刘列则表示，激光的投入能极大提升相关领域的发展速度，体现“更高、更快、更强”的精神，加速改变行业本身和应用领域面貌，并不断与其他技术融合孕育孵化新的应用点，具有突出的引领性作用。

闫大鹏认为，如今我国超高功率激光器的研发已经有了巨大的突破，未来功率的继续提升将不是主要难点，真正的难点在于应用领域的探索，以及为不同应用领域需求提供定制化产品及解决方案。这也将是锐科激光与南华大学等科研院所、企业机构深入合作的出发点和落脚点。

“100千瓦激光器及相关设备研制成功，将带动整个激光产业链不断发展。”韩良华表示，目前激光产业还是比较分散的，没有形成产业链，要向做大做强的方向迈进；高校和科研院所在研究上，要更加注重产学研协同发展，将科研成果很好地推广应用起来；要让更多的科研人员知道100千瓦激光器能干什么、有多强，加大对高能激光的科普力度；要让各行各业联合起来，携手开展激光相关应用的研究，共同攻坚高精尖技术。

模拟高放废液玻璃固化的原理研究。王昊昊 摄