马修泉博士:首推国产最高功率3万瓦激光器 为我国高端激光加工产业链贡献力量

来源:激光制造商情    关键词:国志激光马修泉, 激光器, 高端激光加,    发布时间:2019-10-17

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人物简介:

马修泉博士,现任华中科技大学机械科学与工程学院正教授级研究员,同时任华中科技大学光学与电子信息学院双聘教授,目前兼任广东国志激光技术有限公司首席科学家。他本科毕业于北京大学物理系,博士毕业于美国密歇根大学安娜堡分校的超快光学中心(美国三大光学中心之一,诞生了脉冲啁啾放大技术并获得2018年诺贝尔物理学奖),博士期间专修高功率光纤激光器并在大模场单基模特种光纤设计、高功率非线性效应的抑制机理、光纤光学与非线性频率转换等领域获得众多颇具影响力的研究成果,2016年全职回国从事激光器与激光加工工艺的研发与产业化工作。

20195月举办的中国(深圳)激光博览会期间,本刊编辑有幸采访了广东国志激光技术有限公司(简称:国志激光)首席科学家马修泉博士,通过此次的采访,我们对国志激光公司的产品和技术有了更进一步的了解。


广东国志激光技术有限公司 首席科学家 马修泉 博士

出任国志激光首席科学家

随着激光工艺和装备年来的飞速发展,激光器已经从一个研究对象慢慢变成了一种研究工具。过去人们不知道如何使用激光器,诞生一种新的激光器,才有人去探索如何使用它,所以那个时代是激光光源拉动激光加工工艺与装备缓慢地发展但现在情况发生反转,人们已经熟悉和掌握了激光光源大概的加工特性以及能够实现的功能,随着激光加工工艺与装备在各行各业的普及,几乎每一天都有层出不穷的激光加工新需求出现,可以说激光器已经从一种新奇的研究对象变成了所谓的激光刀具”,而作为需求方的激光加工工艺与装备逐渐成为激光器乃至整个激光产业的拉动者

因此,2016年马修泉博士回国入选国家“千人计划”后,选择进入华中科技大学机械学院激光加工团队工作,一心想在激光加工应用上做出可以引领激光器乃至整个激光行业发展的科研贡献,“华中科技大学机械学院激光加工团队在学科带头人邵新宇教授的带领下刚刚于2015年牵头获得激光加工领域的国家科技进步一等奖,在激光加工工艺与装备领域有数十年的积累”马修泉博士介绍说。然而,他发现可以满足前沿研究需求的高端激光器几乎都被国外产品所垄断,而进口垄断产品的售价和进口货期都让人难以接受,这让曾长期在美国工作的马修泉博士深深感觉到高端激光器依赖进口的种种掣肘,“在当时的2016年甚至4千瓦和6千瓦的光纤激光器都必须依赖进口,而进口高功率飞秒、皮秒以及紫外激光器的价格更是让人瞠目结舌”,于是马修泉博士决定依托自身的技术积累,先把高端激光器做出来,再推进激光应用的技术开发,马修泉博士开玩笑说“我是被进口激光器逼着成为了现在国志激光的首席科学家”。

项目落地和团队组建

虽然被迫从高端激光器入手开始参与我国激光行业的飞速发展,马修泉博士依然坚持自己“以激光加工带动激光光源等上游核心器件”的想法和初衷,选择与广东华中科技大学工业技术研究院和广东省智能机器人研究院这两个在珠三角地区非常有影响力的新型研发机构合作开展产业化进程,就是为了更加贴近机械行业,顺应激光加工拉动激光光源与器件的大势。与此同时,两个研究院的领导人张国军教授也给予了项目巨大支持。国志激光从诞生的那一刻开始,就带有适应下游应用和贴近工艺开发的基因,产品从研发目标确定开始就精确瞄准行业应用,产品无论是软件开发还是硬件设置都力求尽量满足下游应用的诉求。

机械加工的大环境中开始激光光源的研发与产业化固然更加贴近下游应用,但面临的困难是场地、设备、人才方面的短板,马修泉博士完全从零开始,从最初的洁净室场地装修到设备的选型与调试以及逐步的人才培养等工作都必须亲力亲为,最终在短短2年多的时间里向市场推出国内首台全自主知识产权的3万瓦全光纤激光器(200微米输出),这个速度是非常惊人的!相比之下,华中科技大学于2016年开始申购一台美国IPG 3万瓦全光纤激光器(300微米输出,劣于国志激光的200微米输出),由于受到欧美对我国高科技限制封锁政策的影响,IPG 3万瓦的激光器从认购到安装花了整整2年时间。“2年时间购买一台激光器是个什么概念呢?”,马修泉博士“2年时间足够我们自力更生、从零开始的完全把它做出来并用在实际工业应用中,而且我们也做到了”。

国志激光的技术研发和产品推广

马修泉博士介绍道国志激光的研发团队由一群80后的产业精英组成平均年龄大概35岁左右具有极强的技术攻关能力。目前国志激光已经推出的两款标志性产品分别是国际首台5000瓦商用单光纤激光模块和国内首台3万瓦商用全光纤激光器,并于2019年5月获得中科院光电研究院国家激光器件质量监督检验中心出具有CNAS、CMA、CAL资质的检测报告,并在ILAC体系下国际互认。目前国志激光接受3至10万瓦光纤激光器的订单已经可以覆盖高功率端的绝大部分应用

“国志激光从创立伊始就决心把技术做好、把产品做实,在产品指标和产品可靠性上向IPG这样的国际龙头看齐,力争做到产品一旦推出即刻获得市场的认可,所以在相当长一段时间里是专心做研发,生产团队和销售团队是2019年春节之后才建立起来,目前产品线已经可以覆盖从750瓦至10万瓦各个功率段的需求后续我们还会推出准连续型的QCW光纤激光器纳秒脉冲MOPA激光器绿光以及紫外激光器等高端产品”,马修泉博士对国志激光将来的技术研发能力充满信心,“目前还仅仅是开始,我们后面会有更具创新力、更有震撼性的创新产品推出”。

目前生产能力和销售能力还在提升中,但国志激光对自己研发出的产品非常有信心”,马修泉博士说,“我们的产品从设计到制造完全是一切围绕下游客户的需求,特别是针对下游客户在可用性和可靠性这两个方面的核心诉求,做出了巨大努力并获得了明显的优势。”据了解,国志激光的产品在抗高反方面的突出能力获得下游客户的一致认可,据客户反映是业界在抗高反方面最优秀的机型。再例如,国志激光的产品在冗余功率能力和长期功率抗衰减方面也获得下游客户的一致认可,已有试用样机累积工作超过几千小时无故障无衰减而且国志激光产品在最高功率水平还可以保持线性的电流功率提升能力对下游客户保持长期满功率运行提供确实的保障。另外,国志激光利用自身在器件层面自主研发和生产的优势,能够给客户带来与众不同的定制化能力,例如国际上最早出现光纤输出环形光斑在线可调系统是日本AMADA公司于2013年推出的ENSIS 3015AJ切割系统马修泉博士在美国JDSU公司工作期间正是亲自负责此系统光学设计的负责人,目前马修泉博士已经为下游客户解决了很多高难度的定制化问题,例如基于光纤激光输出的同轴填丝系统、基于光纤激光输出的双光束系统等等。

很有意思的是,马修泉博士本科毕业于北京大学物理系,而国志激光的另外两位负责人一位本科毕业于武汉大学物理系、一位本科毕业于国防科技大学物理系,整个国志激光带有一种物理学思维的精神:从研发理念来看,国志激光强调“从物理原理拓展到工程技术”,强调“知其然并且知其所以然”的研发思维,强调“悟物穷理”的精神;从公司文化来看,国志激光强调用“大道至简”物理学风格解决问题,强调“一切围绕满足客户需求”的单一原则,强调“返璞归真和回归本源”的矛盾解决方式。目前公司在良好的氛围下快速发展,也希望能够吸纳更多志同道合的产业精英共同奋斗,一起将公司做大做强。

国志激光的3万瓦光纤激光器在5月首次亮相

光纤激光器的产业爆发才刚刚开始

当讨论到光纤激光器的产业发展前景的时候马修泉博士详细的阐述了他的想法。首先马修泉博士认为激光加工的潜在市场需求远远超出我们的想象,后续还有十倍甚至百倍的市场容量有待开发:目前国产激光加工装备市场的主力军是激光平面切割装备,但众所周知,平面切割只是金属加工需求的首道工序,以金属焊接、金属表面处理为代表的众多后道工序的需求实际上远大于平面切割的需求,激光焊接和激光表面处理技术在绝大部分应用场景都相比传统技术占据巨大优势,随着激光器成本的快速下降,越来越多的工艺技术会在需求的牵引下逐步成熟,最终实现的激光加工装备市场将是目前的十倍甚至百倍。

其次马修泉博士认为万瓦级以上的超高功率激光器的大量应用指日可待“从经验主义的角度来看,似乎万瓦级以上超高功率激光器的应用需求少到可以忽略不计,目前行业界甚至还存在所谓功率瓶颈的说法万瓦级以上超高功率激光器在工艺上并显示不出更优越的能力。但从物理层面来讲,我们可以简单看一下激光装备与自动化行业不常关注的两个基本物理常数——金属的熔化阈值是百万瓦每平方厘米,金属的表面改性阈值是万瓦每平方厘米。从这两个技术物理常数来说,功率提升到万瓦以上是非常自然的,将来实际使用中出现十万瓦甚至百万瓦的激光功率都很正常。包括我自己在内,2018年前产业界的共识是激光切割采用6000瓦已经足够,不太可能再需要更高的功率。步入2019年后,奔腾楚天和大族激光推出的1.5-2万瓦高速高精激光切割机在市场上反响热烈,切割质量和速度都是6000瓦完全无法相比的所以产业技术进步的步伐是很快的,随着一些配套共性技术的突破,如光学透镜的热影响问题等,可能在一两年内1。5-2万瓦甚至3万瓦的切割机床将成为大型金属制造企业或者大型加工站的标准配置,而焊接市场对2万瓦以上超高功率激光器的需求更是出现爆发式成长。总之,金属加工领域对激光光源功率的需求将会不断上升,突破十万瓦可以说是指日可待。”

另外马修泉博士抛出了一个激光摩尔定律的全新概念来诠释光纤激光产业爆发的新形势“从物理学的角度来看,激光与半导体有很多类似之处,半导体技术和激光技术的发明时间分别为1947年和1960年,获得诺贝尔奖的时间分别为1956年和1964年,二者早期时间节点很接近,半导体是费米子的量子效应而激光是玻色子的量子效应,二者也都是量子效应的产物。然而,二者发展至今的体量和影响力却相去甚远,究其根本在于半导体技术能够一直按照每18个月能力翻一倍而成本降一半的摩尔定律快速发展。光纤激光诞生以来一直满足每5年功率上升10倍的发展速度,换成另外一个数字其实就是每18个月功率翻一倍。从另外一个角度来看,光纤激光近一两年的发展开始满足每18个月成本降一半的现象,也就是说光纤激光产业似乎开始进入一个类似摩尔定律的高速发展期。”马修泉博士补充道,“我查了一下Google,似乎我是国际上第一个正式提出这个激光摩尔定律的人。前不久我在一次会议上抛出这个概念,当时在座的国际同行似乎也都非常感兴趣,因为光纤激光器的泵浦源来自半导体制成工业,所以光纤激光器能够跟上摩尔定律这个现象似乎并不是很让人惊讶,我感觉国际同行都比较认同这一全新的说法。”

马修泉博士总结道:总之光纤激光的功率提升能力让越来越多的领域可以用上足够功率的激光光源而光纤激光的成本降低速度让越来越多的领域可以接受激光加工这个新兴的加工手段二者相辅相成,将会迎来更持久更猛烈的产业爆发可以说属于光纤激光的时代才刚刚开始

国产激光光源产业的发展是任重而道远

当讨论到我国激光加工产业现状与未来前景时,马修泉博士首先高度评价了我国激光加工装备行业的现状:“目前我国占全球激光市场装机总量的40%,激光制造产值居世界首位,国内激光装备年产值有望在2019年突破千亿大关,产业方面涌现出以大族激光、华工激光为代表的一系列优秀企业,其中大族激光的年产值排名世界激光企业第二位。可以说,凭借着在金属制造业方面强大的内需,我国已经成为世界范围内激光制造领域最为活跃的地区。”马修泉博士特别强调,“从某个角度来讲,在众多引领21世纪的新兴科学技术当中,激光制造是我国为数不多的明显占据相对优势的一个产业,值得国家给予持续的高度重视,不断突破上游核心技术,力争早日将激光制造业塑造成为一个可以支撑国民经济的支柱性产业。

马修泉博士谈到了国产激光光源产业发展的任重”问题。前面也提到了,马修泉博士认为是善长成本控制的中国企业将光纤激光的成本做到了满足摩尔定律的水平,从这个角度来讲,中国企业肩负着让更多的行业和领域用得起光纤激光的重任,“感觉激光技术在欧美很多小而美的技术公司里面就像一个昂贵的玩具,只有具备雄厚资本和技术积累的贵族企业才用得起,只有中国企业可以将激光技术做到让所有需要激光技术的领域都用得起激光器,只有中国企业可以让激光技术被广大手工业从业者和一带一路的第三世界国家用得起激光器,也只有这样才能催生更大规模的激光产业,这是国产激光光源产业光荣而神圣的使命。”

接着,马修泉博士也忧心忡忡的表达了国产激光光源产业发展的“道远”问题。据了解,IPG从2018年就开始接受50万瓦的商用激光器订单,IPG的官网上也接受2万瓦的单基模光纤激光器订单,而我国目前国产光纤激光器的最高功率只有3万瓦、最高功率的单基模激光器还无法超过1.5千瓦类似巨大差距的技术参数对比在IPG公司的官网上随处可见“作为一个在国外激光领域学习和工作了十年的从业者来讲,我深深感受到我国在激光技术领域的核心尖端技术与国外产业界的巨大差距。国产激光光源目前在产值和市场份额方面取得的长足进步是值得称赞的,但正如前面所提到的,产业技术的发展是非常迅速的,技术的迭代和发展有可能在近几年出现一次颠覆性的变化,所以国产激光光源企业必须要在抢占中低端市场份额的同时重视核心技术研发,要在技术上真正做到替代进口。”马修泉博士强调,从这一点上讲,国志激光以“国人骄傲、志存高远”为创办理念,是一家真正打算在技术上取得突破性进展的国产光源公司。

用一句话总结对国产激光技术和产业发展的看法,马修泉博士反复强调“国产激光光源产业的发展是任重而道远”,但马修泉博士对未来是非常充满信心的:“商用激光器归根到底是大批量的标准器件制造业,与手机和无人机类似,不管技术层面有什么困难,将来把商用激光器做到世界第一的一定是一家中国企业,这一点是我坚信的!”