作者 | 王昊昊
激光被称为“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。近日，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。
南华大学科研人员在控制100千瓦激光器出光功率。王昊昊摄
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。
“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华中科技大学教授、锐科激光总工程师闫大鹏团队，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，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。
高功率产出更高效率研究团队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’。”南华大学激光应用联合实验室高级工程师韩良华告诉《中国科学报》，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。
“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。
走向“万物皆可切”时代100千瓦激光器的主要性能体现在“最快的刀”方面。那么，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科研生态。
目前，100千瓦激光器主要用于科学研究。 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。
但韩良华指出，目前激光产业还比较分散，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；要联合各行各业，携手开展激光相关应用的研究，共同攻坚高精尖技术。
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