欧盟FP7计划助力创新型激光技术再上新台阶

2013-07-13 admin1 160

激光技术已被广泛地应用于塑料部件的焊接,通过将光能转化成焊接区域的热能,其中热能的有效控制成为关键因素。欧盟第七研发框架计划(FP7)提供部分资助,由德国弗劳恩霍夫(Fraunhofer)协会进行总协调,欧盟多个成员国科研机构和工业企业参与的欧洲POLYBRIGHT研发团队,成功开发出一款创新型的高亮度激光束源和光束整形技术,可优质快捷地进行复杂几何形状塑料组件的焊接及整形,具有非常广阔的应用前景。

研发团队开发的创新型激光焊接技术的主要突破点在于:

1、开发出2款优化设计的120瓦中红外(Mid-IR)激光束源、脉冲波长分别为1567纳米和1940纳米;

2、开发出新颖实用的激光束整形组件,分别对衍射和折射光学元器件(DOE and ROE)进行优化组合,可生产出类似M形状的激光束源;

3、先进辐照(Irradiation)工艺的计算机芯片自动控制模块,可对焊接区域的热能进行优化分布,以增强产品的外观度和坚固性(Robustness);

4、首次采用适应塑料高分子材料吸收特性的红外波长激光束源设计理念。

当今世界,塑料产品的应用无处不在,从塑料和洗涤剂包装到家用电器和各种电子消费品,包括汽车工业和飞机制造业的各种部件等,激光焊接技术是生产制造塑料产品优质价廉的最佳选择。研发团队开发的创新型激光焊接技术,必将持续显著影响不断扩大的世界塑料产品市场。

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过去的10年,大功率光纤激光器技术快速从实验室向商业化转移。同传统的二氧化碳激光器技术相比较,光纤激光器技术可以提供高质量、更完美和远距离的激光束,额外的优势还包括高效低能耗、低运营成本、工业化维修和便于生产工艺的自动化。在快速增长的世界激光技术应用市场中,光纤激光技术的市场份额已从2006年的占8%增长到2008年的占10%,2013年有望增长到中30%。

早在1961年,美国光学公司的E.Snitzer等就在光纤激光器领域进行了开创性的工作,但由于相关条件的限制,其实验进展相对缓慢。而80年代英国Southhampton大学的S.B.Poole等用MCVD法制成了低损耗的掺铒光纤,从而为光纤激光器带来了新的前景。

一、欧盟第七研发柜架计划

先进的光纤激光器技术,以毫微微秒(Fentosecond,10-15秒)量级产生激光脉冲,自诞生之日起就以复杂、昂贵和不稳定的特点而闻名。欧盟第七研发柜架计划(FP7)资助1000万欧元,总研发投入1600万欧元,由德国科技人员进行总协调,欧盟7个成员国及联系国德国、瑞士、英国、法国、芬兰、丹麦和瑞典21家机构科技人员参与的欧洲LIFT研发团队,成功地研制出新型的、稳定的和价格合理的大功率毫微微秒光纤激光源,为光纤激光技术的推广应用奠定了基础。研发团队能在相对较短的时间内开发出基于光纤的短脉冲激光发生器和被称作“冷处理”的超短脉冲激光发生器,完全得益于研发团队科技人员的构成及相互协调配合。研发团队的科技人员来自广泛的学科领域,覆盖激光技术科研机构、激光源供应商和光学仪器组件生产企业的科研、实验和工程研究人员及工程师。

该研发团队在开发光纤激光器技术上的成功,将继续保证欧盟在激光技术及激光制造业的世界领先水平和竞争力。目前,研发团队的主要目标已转向光纤激光技术的商业化应用,包括:利用新一代光纤激光技术的运程切割与焊接工艺的开发;应用于医学的痤疮及粉刺技术已申请发明专利;应用于部分癌症治疗技术的开发;应用于太阳能电池组件制造技术的开发等。

二、大功率光纤激光器技术入选国家863计划

科技部近日公布国家科技支撑计划2014年备选项目征集指南 ,备受关注的光纤激光技术入选。这体现出国家层面的重视程度,国内的光纤激光产业将迎来快速发展期。

指南中提到,针对我国制造业装备基础核心部件薄弱的问题,重点选取急需解决的、对重大装备及未来产业发展有较大影响的基础核心部件进行攻关,突破基础核心部件相关技术,提升研制能力和装备水平。设高性能大功率光纤激光器为2014年863计划备选项目,国拨经费控制额不超过1000万元、由企业牵头申报。

该项目面向我国对高性能和大功率激光器的迫切需求,研究基于新型光纤结构的超窄线宽、超低噪声单频光纤激光器、高端光纤激光器关键功能器件等关键技术,研制8-10千瓦量级高功率和高能量的光纤激光器,在典型应用领域实现高端光纤激光器的应用示范。

光纤激光器作为目前最为活跃的激光光源器件,是在EDFA技术基础上发展起来的技术,它是激光技术的前沿课题。国内光纤激光器的研究比较晚,始于上世纪90年代后期,南开大学在国内率先开展了光纤激光器方面的研究,随后上海光机所、中国兵装院、中电11所、西安光机所等单位在此方面进行了很多试验研究,但这些研究基本全都停留在实验室阶段,离产品化相去甚远。如今,光纤激光技术入选863计划,特别是国家拨款经费支持产业的研究和发展,体现了国家对光纤激光的重视程度。光纤激光是一场制造技术的革命,是中国制造业升级的重要一环。

1、我国大功率光纤激光技术现状

2011年6月14日,国防科技大学宣布,他们研制成功我国首台“千瓦级光纤激光相干合成试验系统”,系统输出总功率达1.5千瓦,而此前国际上此类系统的最大输出功率仅为725瓦。该系统实现了9路光纤激光相干合成,系统输出总功率达到1.5千瓦,光—光转换效率达到75%,同时具有输出功率大、光束质量高、散热效果好、系统成本低等特点。相关专家指出,该系统是国际上首次实现光纤激光千瓦级相干合成输出,其综合性能达国际先进水平,在相干合成输出功率、宽带和多波长激光相干合成技术等方面处国际领先地位。不仅如此,2012年,他们还成功实现了17kW相干合成输出。

该系统的主要负责人国防科大刘泽金教授率领课题组经过多年研究,发明了基于随机并行梯度下降、单频抖动等两种光纤激光相干合成相位控制方法,建立了描述相干合成阵列激光的传输通用模型和传输方程,提出了相干合成光束质量评价指标,掌握了一系列拥有自主知识产权的核心关键技术。

近日,我国首台万瓦连续光纤激光器在光谷问世,中国成为继美国后世界第二个掌握此技术的国家。该款光纤激光器由两位国家“千人计划”专家闫大鹏、李成率队,历时一年研发攻关,终于掌握该技术的自主知识产权,自此中国在高功率光纤激光器研发上面又上了一个新台阶。

中国光学学会理事长、中国科学院院士周炳琨认为,光谷这一技术国际领先,仅次于美国,对我国工业发展将产生巨大推动。过去,我国核心激光器件主要依赖进口,万瓦光纤激光器克服了很多技术困难,企业自主创新难能可贵。

据透露,该技术已纳入明年的国家863计划。闫大鹏表示,年内有信心冲刺2万瓦技术,实现产值1.6亿元。

2、支持我国光纤激光产业发展的政策建议:

采取财税金融政策上积极支持、积极引导建立行业协会,鼓励研发,加强教育培训等措施,进一步促进光纤激光社会化推广。

2.1、促进光纤激光产业优先发展

建议将光纤激光技术定位为生产性及制造业信息化工程的关键技术和共性技术,将该产业纳入优先发展产业及产品目录。在财税金融政策上,鼓励企业投资、研发、生产和应用光纤激光,支持光纤激光设备的进出口。

2.2加强产业联盟、行业协会建设,推动光纤激光产业协同发展

积极引导光纤激光研发企业和机构,利用有关学会、协会的平台加强研讨和交流,共同推动光纤激光技术研发和行业标准制定。促进光纤激光技术发展的市场平台建设,包括光纤激光知识产权保护机制及项目投融资机制等,促进产业可持续发展。

2.3加大科技扶持力度,提升光纤激光技术水平

设立专项基金,重点推进关键技术的研发。在研发扶持中,要注意建立公平、公正的研发绩效评估体系,鼓励各研发主体探索不同的技术路径。加强对光纤激光产学研合作的支持,特别对实施产业化的企业在市场销售、社会推广上给予政策支持。

三、结语

欧盟是传统的工业强国,不仅在激光领域上的研究比较早,在一些激光技术上仍处于世界领先地位。近年来,欧盟推出了各项雄心勃勃的激光计划如:欧盟将耗资7亿欧元,分别在捷克、罗马尼亚及匈牙利建置举世最强的激光发射器。这项研究计划名为“超强激光构造计划”(Extreme Light Infrastructure,ELI),有13个欧盟成员国的近40个学术机构参与。然而近年来由于受到经济低迷、欧债危机的困扰,使得各项科研计划不是胎死腹中就是拖延无期。反观中国,随着改革开放获得的巨大成就,不仅在经济上超过德国和日本成为世界第二大经济体,在科学技术发展上的成就也是令人瞩目。

激光技术一直是中国政府重点扶植的一项高新技术,从1963年当时的全国科技发展规划以及后来的“六五”“十五”计划,再到国家制定的《2006—2020年国家科技中长期发展规划》激光都被明确列为重点发展的高新技术。在国家“十一五”计划中,中国政府已把激光列为关键支撑技术。如今,光纤激光技术作为该领域的前沿课题,国家列入2014年国家科技支撑计划项目中,提供专项科研经费,在可以预见的将来,我国的激光技术将超越欧盟。

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