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锂电技术+制造工艺进阶,激光企业如何应对

激光技术具有高效精密、灵活、可靠稳定、焊材损耗小、自动化和安全程度高 等特点被充分应用于锂电池切割、清洗、焊接、打码等工序中。根据激光制造网官方微信公众号信息,在国家政策的大力支持及新能源汽车推广应用进程加快的带动 下,中国车用动力电池需求大幅增长。新能源汽车电池、电机、电控三大核心零部 件中,核心部件动力锂电池在整车成本中所占比例高,也直接决定整车续航里程。


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锂电池的生产制造是由一道道工序连接而成,其生产过程主要分为极片制造、电芯 制作以及电池组装三部分。锂电池质量直接决定新能源汽车的性能,因此对其制造工序有着极高的精度要求。

激光技术作为先进的“光”制造工具,以其高效精密、灵 活、可靠稳定、焊材损耗小、自动化和安全程度高等特点,被应用于动力锂电池部件加工的切割、清洗、焊接和打码等工序中。

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激光焊接:

工艺壁垒较高,大圆柱等新电池技术拉动焊接量上行

1.1 原理:
保障电池安全性,焊接质量取决于激光器能量控制与过程工艺参数

激光焊接具有熔深深、速度快、变形小等诸多优点,可大幅提升动力电池的安 全性。根据联赢激光招股说明书,激光焊接作为一种现代焊接技术,具有熔深深、 速度快、变形小、对焊接环境要求不高、功率密度大、不受磁场的影响、不局限于 导电材料、不需要真空的工作条件并且焊接过程中不产生 X 射线等优势,被广泛应 用于高端精密制造领域,尤其是新能源汽车及动力电池行业。动力电池焊接部位 多、难度大、精度要求高,动力电池厂商对电池生产设备的自动化、安全性、精密 性、加工效率的要求也高。激光焊接技术独特的优势可大幅提升电池的安全性、可 靠性、一致性,降低成本,延长使用寿命,成为了动力电池厂商最优的选择。性、 可靠性、一致性,降低成本,延长使用寿命,成为了动力电池厂商最优的选择。

决定激光焊接质量的主要核心要素为激光器能量控制及焊接工艺技术。①激光器能量控制:根据联赢激光招股说明书,由于被焊接的材料对不同波 长激光的吸收率不同(可以从 5%到 50%不等),激光器选择不同,焊接效果完全不 同。为了对焊件输出统一、稳定的焊接激光束,就需要激光输出功率具有良好的一 致性或者能够精确控制激光输出功率,功率过低会导致焊接熔融不足而影响焊接质 量,功率过高或上下波动会导致飞溅、气孔等不良效果。因此,激光器能量的控制就成为激光焊接最为关键的技术之一。

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②焊接工艺技术:根据联赢激光招股说明书,激光与物质的作用过程较为复 杂,激光焊接效果与激光波长、功率密度大小、焊接时间、焊接头角度、焦点距 离、焊件对激光的吸收率及清洁程度、焊件的厚度及导热性能、保护气体类型及流 量等数十种因素有关。因此,激光焊接工艺技术也是影响焊接质量关键的因素之 一,需要激光焊接工艺技术人员不断摸索总结,长时间实验积累才能够获得良好的 焊接效果。

按照工作原理焊接可分为五种类型,根据不同的应用要求选取不同的焊接方 式,以达到最佳效果。根据联赢激光招股说明书,根据工作原理的不同,适配不同 的加工场景,激光焊接可分为热传导焊、深熔焊、复合焊接、激光钎焊和激光传导 焊接五种。根据不同的客户、不同的加工应用场景,选取合适的焊接方式,以达到 最佳的焊接效果。

1.2 应用现状:
电芯制造、PACK 焊接价值量约 1000-3000 万/GWh

在动力电池的生产中使用激光焊接的环节在电芯制造环节与电池 PACK 环节。根据联赢激光官网信息,在动力电池的生产中,使用激光焊接的环节主要包括:①中道工艺:极耳的焊接(包括预焊接)、极带的点焊接、电芯入壳的预焊、外 壳顶盖密封焊接、注液口密封焊接等;②后道工艺:包括电池 PACK 模组时的连接 片焊接,以及模组后的盖板上的防爆阀焊接等。

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前激光焊价值量约为 1000-3000 万元/GWh。根据联赢激光招股说明书,激光焊 接设备在动力电池厂商投入中约占比 5-15%,根据高工锂电官网信息,按照动力电 池单 GWh 设备投资额约为 2 亿元测算,目前动力电池激光焊接设备单 GWh 投入在 1000 万元至 3000 万元。

1.3 需求:
全球“缺芯”下半导体厂扩大资本开支,设备景气度持续上行

4680 大圆柱对激光工艺要求更高,且相比方形电池、小圆柱电池焊接量有望 上行。1)4680 电池对激光工艺求要求更高,极耳形态不受控制是工艺难点。根据华 经产业研究院官网信息,4680 电池采用全极耳工艺,打破了传统电池一正一负两个 极耳的模式,其工艺难点在于极耳形态不受控,易发生短路,制造时两段封闭,电 解液渗入阻碍大,并且多极耳很难折叠整齐,对激光工艺要求更高。2)4680 大圆柱电池激光焊接相比方形电池、小圆柱电池分别在焊接工序、所 需焊接设备上有所增加。根据华经产业研究院官网信息,1)相比方形电池,大圆 柱的全极耳所需的面焊,其激光焊接工序从 5 道增加至 7 道;2)从小圆柱电池看, 单 GWh 相较于 18650 和 21700 电池产线增加 5 台焊接设备。结合上述情况,我们 认为,4680 大圆柱的激光焊接需求相比方形电池、小圆柱电池有望增长。

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其他焊接环节技术:解决异种金属焊接问题,比如电池 PACK 中汇流排焊接有 望替代为激光焊接,我们判断,随着激光焊接工艺不断上行,激光焊接渗透率有望 上行。以方形电池后道模组/PACK 中汇流排焊接存在的 Al/Cu 异质金属焊接为例:①Al、Cu 对光吸收率低,且容易产生高脆性金属化合物是 Al/Cu 难点:根据 《汽车电池模组件 Al/Cu 异种金属激光焊接技术新进展》,由于 Al 和 Cu 的材料物理 性能迥异,Al/Cu 异种金属激光焊接具有若干挑战性的限制。一个主要是在 1um 的 激光波长下 Al 的吸收率低,而 Cu 的吸收率更低;另一个挑战来自 Al-Cu 合金的冶 金性能,即高脆性的金属化合物可能导致裂纹的形成。可能形成Cu含量为50%-80% 的金属间化合物相。

汇流排焊接目前激光焊接仍无法解决脆性化合物问题,但激光焊接为大概率方 向。根据联赢激光官网,由于铜和铝之间采用激光焊接后易形成脆性化合物,无法 满足使用要求,通常采用超声波焊接外,铜和铜、铝和铝一般均采用激光焊接。同 时,由于铜和铝传热均很快,且对激光反射率高,连接片厚度相对较大,因此需要 采用较高功率的激光器才能够实现焊接。通过九种不同参数及方法的调整实验,其 中 7 种有不同增益,我们认为,随着未来激光工艺的不断进步,汇流排 Al/Cu 激光 焊接存在问题有望得到解决,激光焊接为大概率方向。

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激光切割:

极片激光切割替代加速,高倍率电池推动极耳/极片切割量提升

2.1 优势:
较模切具精确度更高、运营成本较低等优势,助力电池生 产提效降本

激光切割技术可应用于锂电池制造过程中的极耳切割成型、极片分切以及隔膜 分切等工序,相比模切,激光切割具有精确度更高、运营成本较低等优势,有助于 电池生产提效降本。根据维科网锂电官方微信公众号信息,传统模切会不可避免地 出现磨损,粉尘掉落并产生毛刺,进而引起电池过热、短路、甚至爆炸等各类危险 问题。为了避免锂电池加工品质不佳造成的危险,使用激光进行切割更适合。与传 统的机械切割相比,激光切割拥有无物理磨损、切割形状灵活、边缘质量控制、精 确性更高和运营成本较低等优势,有利于降低制造成本、提高生产效率、大幅缩短 新产品模切周期。

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2.2 极耳切割:
激光切割为主流技术,放卷速度与张力控制是竞争要点

激光极耳成型是目前主流技术,工艺参数、控制系统、切割工位设计决定切割 的速度和质量。根据利元亨官网信息,传统上极耳成型主要使用机械模切工艺。机 械模切工艺有模具损耗快、换模时间长、灵活性差和生产效率低等局限性,已经越 来越不能满足锂电池制造的发展要求。由于激光切割技术的诸多优点,随着高功 率、高光束质量纳秒激光器、单模连续光纤技术的成熟,目前激光极耳切割逐渐成 为极耳成型技术的主流。稳定的放卷速度、张力及极片宽度方向位置控制,精确稳 定的放卷速度、张力和纠偏控制是实现高质量高速度极耳成型的基础。以海目星为例,根据维科号官网引用第二届新能源汽车及动力电池国际交流会 中海目星软件专家苗健烨的演讲内容,海目星拥有独家集成化张力技术,是由驱动 和反馈系统构成,整个反馈系统结合了整体带入实时的趋势,采用理论算法和实际 反馈闭环相结合的开发理念,将驱动性能和调解性能衔接为一体,张力波动可以控 制在 2%以内,以及多样切割兼容技术,可实现飞行切割一键换行,满足了客户定 制化的需求。

2.3 极片切割:
传统模切效率成产线提效瓶颈,MOPA 技术兼具成本与性能优势

圆盘分切和模切品质量不稳定;激光能量和切割移动速度是两个主要的工艺参 数。根据动力电池网信息,极片切割有圆盘分切和模切、激光切割三种方式,圆盘 分切和模切都存在刀具磨损问题,这容易引起工艺不稳定,导致极片裁切品质差, 引起电池性能下降;激光能量和切割移动速度是两个主要的工艺参数,对切割质量 影响巨大。当激光功率太低或者移动速度太快时,极片不能完全切开,而当功率太 高或移动速度太低时,激光对材料作用区域变大,切缝尺寸更大。

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MOPA 是一种激光调制技术,兼具高峰值功率和高光束质量的最优方式,杰普 特获宁德时代定点。根据高工锂电官网信息,目前杰普特特殊定制的极片切割脉冲 光纤激光器,产线切割效率可达 120m/min,切割毛刺小于 7μm,热影响区小于 50μm,也是市场唯一一款真正做到无毛刺无热影响的激光器,变频、变功率响应 时间最快<10μs,可有效减少拐角衔接处参数变化带来的质量问题。根据杰普特 《关于收到供应商定点通知的公告》,2022 年 3 月 22 日,杰普特公告收到宁德时代 定点通知,提供 MOPA 脉冲光纤激光器,应用于动力电池电芯制造的极片切割工 序。根据英诺激光招股说明书,MOPA 技术是将具有高光束质量的种子信号光和泵 浦光,通过一定的方式耦合进双包层光纤进行放大,从而实现对种子光源的高功率 放大;激光器的 MOPA 结构是解决超快激光兼具高峰值功率和高光束质量的最优方 式。

皮秒是长期最优选择,MOPA 是目前最具性价比选择。根据《锂离子动力电池 极片的激光切割分析》,除了脉宽外,重复频率、光束模式、激光波长也对切割质 量有影响。因此窄脉宽、高重复频率的皮秒激光器是切割铝箔和铜箔最理想的激光 器。但由于皮秒技术未完全成熟,价格还很高,难以工业推广。而脉宽相对“窄”的 MOPA 激光器价格低廉,切割的正极片也完全满足工业要求,是切割正极片性价比 最高的激光器,随着其脉宽的减少和频率的增加,其应用前景会越来越好。

2.4 隔膜切割:
隔膜激光切割仍在布局阶段,热影响控制是难点

隔膜切割目前以刀具切割为主,目前已有两项激光切割技术专利。根据专利之 星检索系统信息:①专利一:根据《一种隔膜激光切割机》专利内容,隔膜的切 割通常以钢材质隔膜切刀进行切割。采用隔膜切刀切割,结构稳定性较差,切刀需 要定期更换,隔膜切口处的效果不好,容易起毛刺或卷翘,结构复杂,不便调试和 维护。通过激光切割可解决以上问题;②专利二:根据《锂电池隔膜生产用激光 切割设备》专利内容,通过激光切割组件切割由翻转辊交替切换两个隔膜卷曲组件 卷绕的隔膜,实现了自动化均匀切割隔膜的功能,避免了切割过程中的脱粉、挑 丝、碎膜以及切不断的现象,便于在批量生产线中实用。

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热影响控制仍是难点,紫外激光存在替代传统模切可能。根据存能电气官网信 息,锂离子电池隔膜 PP 膜与 PE 膜两者的熔点不同,PE 隔膜在 130℃左右,PP 隔膜 在 160℃左右。根据英诺激光招股说明书,在薄膜非金属材料加工等领域,高能量 的紫外光子直接破坏非金属材料表面的分子键,使分子脱离物体,这种方式不会产 生高热量反应,因此通常被称为“冷加工”,紫外激光机在微加工领域具有不可替代 的优势。我们判断,在目前仍是模切为主的隔膜切割环节,由于隔膜较低的熔点导 致激光切割热影响控制仍是难点,紫外激光以“冷加工”的优势存在替代传统模切可能。

2.5 叠片工艺技术:
有望带来激光切割需求增加

方形叠片工艺中激光极耳、极片切割需求有望增加。根据格普瑞电池官网信 息,方形叠片法由于各个正负极片之间互相隔绝,所以每个极片都要安装一个极 耳,然后分别焊接在一起,形成最终的正负极,但卷绕法为了减少工序,只会隔几 层才安装一个极耳,总数通常只有前者的一半。基于以上情况,我们判断,叠片工 艺相比卷绕工艺,极耳数量增加一倍,叠片工艺下极耳切割需求量预计上行,同时 叠片工艺需要多次裁切正负极片(热复合技术工艺),极片切割需求也会有所增 加。

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其他应用:

激光清洗、激光打标

3.1 激光清洗:
避免清洗损伤等问题,提升电池制造工艺水平

极片涂覆前激光清洗可以有效避免原湿式乙醇清洗造成的损伤;电池焊接前激 光清洗采用脉冲激光使基底受热震动膨胀令污染物克服表面吸附力脱离基底达到去 污的作用;电池组装过程中激光清洗可对绝缘板、端板进行激光清洗,清洁电芯表 面脏污,粗化电芯表面,提高贴胶或涂胶的附着力。根据 C114 通信网官网信息:极片涂覆前:锂电池的正负极片是在金属薄带上涂覆锂电池正负极材料而成, 金属薄带在涂覆电极材料时,需要对金属薄带进行清洗,金属薄带一般为铝薄或铜 薄,原来的湿式乙醇清洗,容易对锂电池其他部件造成损伤。激光干式清洗机能够有效解决以上问题。

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电池焊接前:根据 C114 通信网官网信息,采用脉冲激光直接辐射去污,使其 表面温度升高而发生热膨胀,热膨胀使污染物或者基底振动,从而使污染物克服表 面吸附力脱离基底表面从而达到去除物体表面污渍的目的。这种方式可以有效地去 除电芯极柱端面的污物、粉尘等,为电池焊接提前做准备,以减少焊接的不良品。电池组装过程中:根据 C114 通信网官网信息,为了防止锂电池发生安全事 故,一般需要对锂电池电芯进行外贴胶处理,以起到绝缘的作用,防止短路的发生 以及保护线路、防止刮伤。对绝缘板、端板进行激光清洗,清洁电芯表面脏污,粗 化电芯表面,提高贴胶或涂胶的附着力,且清洗后不会产生有害污染物,属于环保 的绿色清洗方法,这在全球高度关注环保的情况下越发显出它的重要性。

3.2 激光打标:
为动力电池提供更高效安全的信息追踪可能

传统打标技术缺点明显。根据奇铭激光科技官网信息,传统的打标技术有几 种,分别是喷墨打标、钢针雕刻打标、贴纸标识等,但这些方式都有对应的工艺缺 陷,例如喷墨打标需要耗材,喷后墨水没干进行其他工序会有掉色可能等;钢针雕 刻速度较慢加工效率低等,由此应运而生的新型技术便是激光打标技术。

安全性上均有不同程度提升。根据楚天中谷联创官网信息,为更好的把控产品 品质,追溯锂电池的全程生产信息,包括原料信息、生产过程和工艺、产品批次、 生产厂家及日期等,需要将关键信息存储在二维码内并在电池上进行标识。传统的 油墨喷打码技术存在易摩擦,长时间容易缺失信息等问题,而激光打标具有永久性 强、防伪性高、精度高、耐磨性强、安全可靠等特点,可以为产品品质追踪提供最佳的解决方案。

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重点公司分析

4.1 先导智能:
全道整线方案供应商,具备海内外客户激光设备切入的先发优势

先导智能是全道整线方案供应商,具备海内外客户激光设备切入的先发优势。根据先导智能 2021 年年报信息,公司致力于成为全球领先的智能制造整体解决方 案服务商,打造世界级创新型企业。提供涵盖方壳电池、圆柱电池、软包电池、固 态电池等各类电池类型在内的锂电池智造整线解决方案。公司是国内装备企业中最 早进行国际化布局的公司之一,目前已在美国、德国、瑞典、日韩等地设立分/子 公司。目前公司所产设备已远销欧洲、美国和日韩等地,将进一步规划全球化研发 中心和生产制造基地,不断加强海外市场的开拓工作。我们认为,公司是全道整线方案供应商,具备海内外客户激光设备切入的先发优势。公司在多行业拥有多种激光技术能力及锂电激光设备储备。根据先导智能 2021 年年报信息,激光精密加工装备已应用于消费电子、显示面板、半导体、汽 车、锂电、光伏等行业,提供激光精细微加工、相关联行业的测量和自动化智能车 间解决方案。包括激光切割、激光焊接、激光打标、激光蚀刻、激光开孔等智能装 备和整线服务。拥有激光极耳成型机及激光模切分切一体机设备储备。

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4.2 海目星:
极耳切绝对龙头,装配焊接段、极片切割有望突破

在技术储备上,海目星致力于提高极耳切与装配线效率,同时延伸至叠片技 术,极片切割激光研究等,随着产品性能增强与类型增多,未来有望获取更多的订 单红利。

1)现有产品:公司致力提升极耳激光切与动力电池装配效率。根据公司 2020 年年报内容:①公司动力电池集群式智能装配关键技术研发项目已进入产业化实 施阶段,拟将整线产能从 20PPM 提升至 50PPM 以上。②公司超高速极耳激光切进入产业化实施阶段,拟达到目标为开发出 超高速激光切割技术,激光切割速度达到 120m/min。2)产品拓展:公司向叠片、激光极片切割等工艺探索、拓展,有望获取更多 订单红利。根据公司 2020 年年报内容:①公司极片高速激光切裁叠关键技术研究 项目的目标是将激光切割、裁切、叠片以及热复合技术进行整合,目前已进入产业化实施阶段。如海目星切叠一体机的终极目标速度为 500-600 片/分钟,占地面 积要接近现有的卷绕工艺,综合成本优于现有工艺;②公司锂电池电芯极片 200 米 高速切割技术研发项目正在开发,可使激光制片速度达到 200m/min,制造成本降 低约 30%,目前行业技术水平最高可达 120m/min。我们认为,随着公司产品系列 的不断拓展,未来在锂电制造关键工艺中涉及的设备种类有望增加,获取更多订单红利。

海目星积累大量优质客户,极片激光切割设备成熟后有望快速切入。根据公司 《2021 年年度报告》,在动力电池领域,公司作为国内重要的动力电池设备供应 商,自成立以来就定位于服务下游各应用场景的龙头企业,专注于优势产品的推 广,并不断巩固产品领先性。经过不懈努力,公司客户包括宁德时代、特斯拉、中 创新航、蜂巢能源、力神、长城汽车、瑞浦能源、亿纬锂能、欣旺达等国内、国际 主流动力电池企业保持着良好的合作关系,在动力电池设备行业积累了丰富的经 验。我们认为,公司积累了大量国内外优质客户,在极片激光切割设备成熟后有望 快速切入。

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4.3 联赢激光:
专注动力电池焊接领域,拥有强激光焊接技术壁垒

联赢激光专注动力电池焊接领域,行业龙头客户对其产品技术高度认可。根据 联赢激光《2021 年年度报告》,公司是国内领先的精密激光焊接设备及自动化解决 方案供应商,专业从事精密激光焊接机及激光焊接自动化成套设备的研发、生产、 销售。公司在对激光焊接质量要求极高的动力电池领域的市场地位尤为突出,根据 高工产研锂电研究所(GGII) 统计的 2021 年动力电池装机量前十名企业均采用过 公司的产品与服务,体现了行业龙头客户对公司产品及技术的高度认可。联赢激光拥有强激光焊接领域研发及技术优势。根据联赢激光《2021 年年度 报告》优势主要体现在两方面:①技术研发优势:公司副董事长、研发负责人牛 增强博士长期从事各种激光电源及控制系统的研究工作,拥有深厚的学术背景及研 发经验。公司先后与深圳大学、华南师范大学、香港理工大学、华南理工大学等、 华中科技大学、哈尔滨工业大学、中科院半导体研究所等高校及研究所合作进行技 术研发。在激光器、自动化控制、焊接工艺等领域研发成果颇丰,截至 2021 年 12 月 31 日,公司已经获得专利 208 项,其中发明专利 20 项,另外还拥有软件著作权 193 项;②解决问题能力:对于各种焊接材料如:钢铁、不锈钢、铜、铝、锡、 金、银、塑料等均有系统的工艺数据积累,且长期的客户服务使公司对下游客户所 处行业有着较为深刻的理解,可以快速专业地为客户提供定制化的行业解决方案。

4.4 赢合科技:
聚焦核心锂电中道设备,已获国内外一线客户认可

赢合科技聚焦核心锂电中道设备,已获得国内外一线客户的认可。根据公司 2021 年年度报告,公司锂电池自动化装备广泛应用于锂电池生产的前中段主要工 序。通过持续研发和创新,公司的涂布机、辊压机、分切机、制片机、卷绕机、叠 片机、组装线等系列核心设备的技术性能行业领先,已获得国内外一线客户的认 可。在 2021 年度,公司收获了来自宁德时代、比亚迪、蜂巢能源、亿纬锂能、欣 旺达、珠海冠宇、LG 能源、ACC、宝马等国内外一线客户的锂电设备订单。

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赢合科技拥有激光模切机等产品储备,推出一出六激光模切一体机。根据公司 2021 年年度报告,激光模切机等产品的效率和性能均达到行业领先水平,并在此基 础上成功推出了涂布辊压分条一体机、激光模切卷绕一体机、激光模切叠片一体机 等产品。公司在 2021 年推出的一出六激光模切分切一体机设备,可适应 150mm800mm 极片宽度,稳定运行线速度达 80m/min,激光切割毛刺和极片分切毛刺均得 到较大改善,远优于同行一出二或一出四设备,设备集成化程度高,减少了工序的 流转,间接提高了客户材料的利用率。

4.5 利元亨:
重视激光技术研发,不断增加激光技术应用场景

利元亨重视激光技术的研发,不断增加激光技术的应用场景。根据利元亨 《2021 年年度报告》,公司是国内锂电池制造装备行业领先企业之一,已与新能源 科技、宁德时代、比亚迪、蜂巢能源、欣旺达等知名厂商建立了长期稳定的合作关 系,并积极布局海外业务,获得包括北美、德国和韩国等国外一线客户的锂电设备 订单。且持续研发激光控制、激光焊接、激光切割、激光清洗技术,增加激光技术 应用场景,而且“锂电池激光焊接关键技术研究及产业化应用”经广东省机械工程学 会鉴定为“国际先进水平” 利元亨在激光切割中拥有激光模切分条一体机、激光极耳分切一体机等产品储 备。根据公司官网,公司拥有激光模切分条一体机、激光极耳分切一体机等激光产 品储备,激光极耳分切一体机已达到 120m/min 生产速度,切割毛刺最大 7um。激 光模切分条一体机已达到 12000mm 超宽兼容,±1.5mm 精度,热影响区小于 70um,纵向毛刺小于 15um。

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在激光焊接中拥有圆柱电池焊接机,刀片电池焊接机等激光焊接设备储备。根 据公司官网信息,刀片电池焊接机使用公司自主研发的 POS 激光焊接技术,以及三 维激光数控运动控制技术,结合可调节环形光斑模式激光器输出光斑,最大有效焊 接速度可达 300mm/s。帮助锂电池企业提升产品性能和降低成本。圆柱电池焊接机 可实现圆柱电池顶盖封口焊接、电池极耳焊接、圆柱电池侧缝焊接等焊接工艺环 节。

4.6 杰普特:
MOPA 激光器领域国产龙头,已实现极片无毛刺切割效果

杰普特是中国首家商业化批量生产 MOPA 脉冲光纤激光器的厂商。根据公司 《2021 年年度报告》,经过十余年的科研积累和业务发展,公司搭建了国际化的研 发营销平台,积累了丰富的专利技术、研发经验和客户资源,赢得了一定的市场占 有率和品牌知名度,成为中国首家商业化批量生产 MOPA 脉冲光纤激光器的厂商。MOPA 激光器优势明显,公司产品已适用于电芯制造极片。根据高工锂电官网 信息,公司 MOPA 脉冲光纤激光器产品具有脉宽可调、频率范围广、响应速度快、 首脉冲可用、全温度范围内输出功率波动小、体积小、噪声低等特点。产品脉冲频 率和脉冲宽度独立可控,通过两项激光参数调整搭配,可实现恒定的高峰值功率输 出。在动力电池领域,杰普特通过配套赢合科技、大族激光、联赢激光、光大激光 等知名激光装备制造商,已成功进入到动力电池头部企业供应链中。2021 年荣获在 国家级专精特新“小巨人”企业称号,紧跟客户需求,为新能源领域研发出适用于动力电池电芯制造的极片切割的 MOPA 脉冲激光器。根据公司《关于收到供应商定点 通知的公告》,2022 年 3 月 22 日,公司被选定为宁德时代的供应商,为宁德时代 提供 MOPA 脉冲光纤激光器,应用于动力电池电芯制造的极片切割工序。



来源 : 未来智库 发布时间 : 2022-08-11

原子能院在激光驱动磁化“开尔文-亥姆霍兹”不稳定性研究中取得进展

近日,原子能院核物理研究所强流粒子束与激光研究室联合北京大学和北京师范大学,在激光驱动的磁化“开尔文-亥姆霍兹”不稳定性(KHI)研究中取得重要进展。研究成果《外加磁场对多模扰动下激光驱动开尔文-亥姆霍兹不稳定性的影响》在国际知名学术期刊《等离子体物理》(Physics of Plasmas)发表,为激光驱动磁化“开尔文-亥姆霍兹”不稳定性实验提供理论指导,在可控核聚变前沿研究方面进行了积极探索。原子能院核物理研究所孙伟博士为文章第一作者,该研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院战略优先研究计划以及中国科学院重点项目的支持。

“开尔文-亥姆霍兹”不稳定性(KHI),是指在有剪切速度的连续流体内部,或有速度差的两个不同流体的界面之间发生的不稳定现象。其作为流体和等离子体中的基本物理过程,广泛存在于卷状云等自然现象、太阳日珥和地磁层等空间物理现象以及惯性约束聚变等工程领域中。尽管目前已开展了不少与KHI相关的实验和数值研究,但由于磁化KHI以及其他宏观流体不稳定性之间的复杂耦合作用,会造成不同燃料层之间发生物质混合和能量耗散,成为现阶段惯性约束聚变点火失败的关键因素。因此针对磁化KHI的起源和发展的研究将有助于制定抑制措施,以遏制不稳定性的增长,从而提高惯性约束聚变点火成功概率。


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初始模拟设置图

近年来,随着强激光以及诊断技术的不断发展,其逐渐成为开展磁化KHI研究的重要手段。激光驱动的磁化KHI研究在惯性约束聚变、空间物理和天体物理等领域具有重要意义。研究团队提出了一种通过激光驱动等离子体产生KHI的实验方案,通过辐射磁流体力学程序对激光驱动的调制靶产生的KHI进行了二维数值模拟,充分研究了外加磁场对多模扰动KHI涡旋演化的影响。

数值模拟表明,水平流向外加磁场可抑制单模KHI涡旋发展和多模KHI涡旋的并合过程,外加磁场对多模扰动KHI的演化具有更加强烈的制稳效果,在25纳秒内KHI的平均增长率降低了20%。研究结果可为在强磁环境下利用强激光装置开展KHI实验提供理论指导,对惯性约束聚变前沿研究具有重要意义。

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不同模式下的电子密度分布

何为“可控核聚变”?


随着科技的不断进步,原子能的利用主要分两条路径,分别是核裂变和核聚变。在能源需求方面,人们需要实现能量可控,其中以核裂变为基础的核电站已经得到充分发展,而可控核聚变尚处于探索阶段。

可控核聚变有两条实现路径,以激光作为驱动器的惯性约束核聚变是其中之一,由我国科学家王淦昌和苏联科学家巴索夫分别于上世纪六十年代独立提出。其基本思想是用多路高能量密度的激光束对称聚焦、辐照氘氚靶,将燃料向内压缩,由于自身惯性,靶材料形成的等离子体还来不及向四周飞散,就被加热到极高温度并发生聚变反应。

海水中蕴藏着大约40万亿吨氘,一升水能够提炼0.03克的氘,其发生聚变反应释放的能量相当于燃烧300升汽油。1立方公里海水中的氘氚聚变反应所释放出的能量,就相当于全球石油储量燃烧的能量。从这个意义上说,聚变能是未来的清洁、高效、安全的终极能源之一。


来源 : 中国原子能科学研究院 发布时间 : 2022-08-10

中国激光“三城记”:武汉深圳济南上演“三强争霸”

南有深圳,中有武汉,北有济南。


这三城,都瞄准了“一道光”——如火如荼的激光产业。

这三城,也各有优势:武汉以院校背景浓厚、科研能力强而著称;深圳因拥有众多极具竞争力的激光企业而闻名;而济南有完备的激光产业链,借力世界激光产业大会,绽放“最亮的光”。

业内认为,国内激光产业有“三极”,一是以深圳为代表的珠三角地区;二是以武汉为代表的华中地区;三是以济南为代表的华北地区,正加速度争抢激光“第三极”。

武汉、深圳和济南,这三座激光产业大市,让中国激光版图呈现出“三足鼎立”之势。

未来,随着激光技术进一步应用到高端制造业,相信越来越多的城市将卡位争抢激光产业蛋糕。


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武汉:从“一束光到一座城”的蝶变

“或许有人不知道武汉在哪里,但一定知道中国有一个光谷!”

当被问及武汉的激光行业在世界中的地位,楚天激光集团董事长、湖北省激光行业协会名誉会长孙文这样说。

事实上,武汉,正是中国激光产业的发源地。

上世纪80年代起,武汉已相继诞生了楚天激光、团结激光、华工激光等国内第一批量产激光工业设备企业,激光焊接、激光热处理等一批研究成果进入了工业应用,并逐步规模产业化。

武汉的光电产业闻名天下,却是源于武汉光谷——现在,这块518平方公里的土地上,拥有全球最大的光纤光缆生产基地、最大的光电器件研发生产基地、最大的激光产业基地。

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有人说,从激光和光通信起步,光谷实现从“一束光”到“一座创新城”的发展跨越。

这些年,光谷的发展也有目共睹,这里的激光企业创下了多个第一,这些成绩也是其他城市羡慕不已又无法取得的。

此外,作为中国光电子产业的一张名片,在武汉光谷定期举办的武汉光博会,更是集聚了政府、光电企业、专家学者、金融资本等多方面的资源,满足各方面需求,这是激光行业最为盛大的展会之一。

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一份来自中国光电子行业协会激光分会统计数据显示,武汉光谷的激光企业早已超过了200余家,且激光企业密度全国领先,成为中国最大的激光设备制造基地之一。

根据湖北省相关部门的最新统计数据,2021年,湖北省激光产业销售收入超过350亿元,超过全国1/3。

特别需要提出的是,湖北拥有华工科技、华中数控、金运激光、久之洋、锐科激光、帝尔激光等诸多A股上市激光企业,其中,华工科技、锐科激光2家企业居前10强。

光谷的迅猛发展,也得益于地方政府的扶持政策不断加码。

武汉还提出:将在湖北东湖科学城建成产业链、创新链和价值链国际领先的激光产业集群,到2025年,湖北东湖科学城激光企业产值达到1000亿元,实现新增上市激光企业不低于5家。

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而且,武汉东湖高新区发布了激光产业发展规划和“激光产业黄金10条”扶持政策,包括设立100亿元激光产业发展基金、对新兴企业最高补贴1亿元等措施。

根据规划,到2025年,光谷激光企业产值达到1000亿元,新增上市激光企业不低于5家;到2035年,激光企业产值达到3000亿元。

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目前,武汉着力推动创新链、产业链和价值链“三链融合”,建设全球工业激光器种类最齐全、产业规模最大的激光基地,形成辐射带动武汉城市圈激光产业集聚发展的产业带。

那么,未来武汉能否延续激光发源地的荣光,让我们拭目以待。


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深圳:后起之秀孵出“航母级”激光企业

大族激光,这个企业的名字,在激光行业无人不晓。

这家在深圳起步的企业,背靠珠三角强劲的制造业资源,通过不断的技术革新和强大的研发能力,以及在资本市场上的长袖善舞,迅速成长为“中国激光装备行业领军企业”。

大族激光无愧于激光行业的一面旗帜。自上市成功至今,大族激光十多年来,一直保持高速发展,目前,大族激光总市值超过了350亿元。

值得一提的是,2021年大族激光的营收达到了163.32亿元,实现净利润19.94亿元。

毫无疑问,这是一家“航母级”激光企业,其体量之大,创新之强,业内也鲜有对手。

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事实上,大族激光的发展历程,正是深圳激光行业发展的一个缩影。

“深圳激光产业爆发式增长,得力于资本沃土的给养。”有业内人士分析认为,像深圳等珠三角城市能成长为我国激光产业最大的应用市场,除了制造业发达、激光应用市场潜力巨大外,还与当地资本市场发达、金融资源丰富有关,比如说,大族激光等激光企业正是借助资本的力量,在短时间内迅速做大做强的。

借力资本将企业做强做大,在深圳,不只有大族激光一家,还有光韵达、杰普特、海目星、联赢激光、英诺激光、光峰科技等公司。

依托巨大的制造业对加工设备的需求,深圳的激光产业得以迅速发展。

短短几年的发展,深圳聚集了300多家激光企业,其产业规模早已超过250亿元,成为继武汉之后的国内第二大激光产业聚集地。

广东社科院综合研究中心主任黎友焕接受采访时也曾表示,深圳激光产业的发展已经进入“青年期、成熟期”。

在他看来,由于激光产业是新型技术产业,容易获得社会的认同和市场融资,预计未来上市的公司会越来越多。

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深圳,作为改革开放的最前沿阵地,背靠港珠澳大湾工业区,在得天独厚的华南工业优势背景中逐渐崛起,成为最为耀眼的后起之秀。

据悉,深圳的激光企业主要集中在南山、宝安、龙岗三个区,包括大族激光、光韵达、创鑫激光、联赢激光、迪能激光、光大激光、木森科技、瑞丰恒、铭镭激光、柠檬光子、艾贝特、青虹激光等。

目前,深圳的激光加工优势已吸引光通讯、半导体、光伏、汽车、电子科技、机械重工等产业的关注。

业内人士认为,深圳激光产业具备战略性行为意识,产学研用相对紧密,且注重利用现有的工业基础进行高新技术引进工作,使世界先进的激光技术纷纷进驻深圳并开花结果。


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济南:“北方光谷”强势崛起,打造激光“第三城”

大家是否还记得,2021年东京奥运会上,镶嵌于颁奖台的那个五环标志?

这也跟中国一家激光企业有关联——那个五环的制作和加工,便是来自济南的邦德激光生产的激光切割机。

我们都知道,能在这种国际体育赛事上展现中国技术的,并不是一件容易的事,毫无疑问,邦德激光代表着领先同行业的切割精度和速度。

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济南,被称为“四面荷花三面柳,一城山色半城湖”的北方城市,她还有个很好听的别称,“泉城”。邦德激光便出身于此。

济南不仅风景美,其制造业也不错,尤其是激光产业,已经悄悄地崛起。

山东省科学院激光研究所所长贾中青表示,济南作为我国北方地区最大激光装备产业基地,具有完备的激光装备产业链,是山东省激光产业的核心区域,拥有华光光电、晶众光电、邦德激光、森峰科技、金威刻等一批成长性良好的优势企业。

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邦德激光、金威刻、森峰科技并称为济南激光装备产业链上的民营“三剑客”。其中,邦德激光是北方最大的激光切割设备生产商;金威刻是美国市场占比最大的中国激光机品牌;森峰科技是长江以北最大的数控激光设备制造企业。

而济南激光产业带蓬勃发展的同时,数家国内激光名企远道而来,北上济南投资建厂。

2020年,广东宏山激光来济南建厂;同年,总部在苏州的迅镭激光在济南设立国际电商中心;2021年,深圳大族激光落户济南,建设“北方智能制造基地”;2022年,武汉华工激光也准备落户济南……

随着宏山、大族等巨头纷纷北上设厂,济南成为激光产业龙头企业投资的热土,济南市提出建设“国际激光谷”,力图成为继深圳、武汉之后的激光“第三城”……

数据显示,2020年,济南激光产业收入突破120亿元,2021年突破150亿元。

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据统计,目前,济南激光装备产业链核心企业达到20家,中小型制造业企业320多家,已经形成一定规模的产业链,也有以邦德激光、华光光电为首的研发能力强的激光企业。

济南方面表示,将扶持激光产业发展,加快培育千亿级激光产业集群,以建设“北方光谷”为战略愿景,将济南打造为比肩武汉、深圳的“中国激光第三极”。

“预计到2025年,济南激光装备产业集群营收将达500亿元。”济南市贸促会会长周波对此信心满满。


来源 : 激光制造网 作者: 十一郎 发布时间 : 2022-08-09

超快激光市场需求旺盛,奥创光子飞秒激光技术新“作品”面世

1974 年,E.P.Ippen 等人发明了腔外光栅对压缩技术,通过染料激光器第一次获得了飞秒激光脉冲,而后在科研人员锲而不舍的钻研探索,它的发展进程也在不断加快。历经40年发展历程,飞秒激光的脉宽越来越短,脉冲的峰值功率越来越大,并且从实验室逐渐走向了工业应用。

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飞秒激光技术新“作品”面世

市场需求旺盛

继6月奥创光子A+轮融资完成后,奥创光子一次推出两款高能量飞秒脉冲激光器新品:30W紫外飞秒激光器、300W红外飞秒激光器。

目前,30W紫外飞秒激光器产品已签约意向客户,批量上市,300W红外飞秒激光器产品,也已经得到终端锂电行业客户的验证测试,这两款新品将为多行业用户提供高性价比的选择。

9月7日-9月9日深圳光博会将惊艳亮相,敬请期待~

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据悉,在超快激光的市场需求方面,根据中国科学院武汉文献情报中心、中国激光杂志、中国光学学会等机构联合发布的《2021中国激光产业发展报告》统计数据,2015-2020年中国皮飞秒超快激光器出货量逐年增长,增速均超过了50%,2020年中国皮飞秒超快激光器出货量达到2100台,同比增长52.2%。

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目前市场对30W紫外飞秒激光器,在信息显示领域OLED方面的应用场景需求旺盛。本次奥创光子推出的30W紫外飞秒激光器,可替代一些主流进口产品在该领域的应用。同时30W紫外飞秒激光器在集成电路领域,和紫外皮秒激光器相比优势更甚。

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本次推出的300W红外飞秒激光器算是市场上功率较高的一款飞秒激光,未来将开拓更多应用领域,赋能更多行业发展。

30W紫外飞秒激光器上市

脉冲能量>50uJ

30W紫外(UV)飞秒激光器(343nm)采用被动锁模光纤振荡器产生飞秒脉冲,该振荡器为全光纤结构,可靠性高,寿命长。放大器基于CPA技术使用光纤固体混合放大,兼顾了光纤的高光束质量以及固体放大器的低非线性效应,实现了高功率高对比度脉冲的能量输出。

高效的三次谐波产生技术,可以获得>30%的三倍频效率,平均功率可达30W,脉冲能量>50uJ,脉冲宽度<500fs,重复频率1Hz-1MHz可调。机器操作简单,界面直观,控制系统简单方便易操作,可实现PSO、POD等多种功能,使用起来更加便捷高效。

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*30W紫外飞秒激光器图

奥创光子从市场需求、应用等多方考量,不断研发创新,推出的30W紫外飞秒激光器,相比其他激光器具有极佳的能量稳定性以及最小的热影响区(HAZ),可在微电子领域实现高通量、高精度的切割、划线和钻孔等。

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同时这种特性,也使得紫外飞秒激光器对于OLED切割、晶圆切割、薄聚合物薄膜和薄膜的切割、柔性电路和低介电常数材料的加工更加高效稳定。

300W红外飞秒激光器

单脉冲能量可达3mJ

随着超快激光器的进步,飞秒激光器目前可用于材料加工、外科手术、电信、光谱学、国防应用和基础科学。

其中红外激光器在所有这些应用领域都具有前所未有的优势,如半导体器件和太阳能电池制造领域的材料加工、国防领域的应用,甚至是科学研究领域的X射线源或激光驱动的粒子加速等。

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这次奥创光子通过众多科研人员的不断努力和尝试,推出国内首款300W红外飞秒激光器。这款激光器基于CPA技术,采用了全光纤结构锁模的飞秒种子源+LD端泵固体放大技术+板条放大技术,放大结构稳定可靠,克服了放大过程中产生的非线性效应。

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*300W红外飞秒激光器图

并且解决了高平均功率放大下的晶体热效应问题,实现了高平均功率、高单脉冲能量的输出,最大单脉冲能量可达3mJ,脉冲宽度<800fs,重频100k-500k可调。所能达到的高功率使其兼具高品质高效率,将会使加工工艺达到一个新高度,帮助攻克众多加工瓶颈,如航天航空领域。

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近年来我国激光行业虽然高速发展,但相比欧美国家,我国激光特别是飞秒激光制造产业,长期以来存在大而不强的问题,飞秒激光器以依赖国外进口为主,关键核心技术受制于人问题严峻。

2015年2月,习近平总书记在西安光机所考察飞秒激光技术并指出:“核心技术靠化缘是要不来的,必须靠自力更生。”为贯彻落实习近平总书记重要指示精神,2018年,奥创光子在中科院西光所的大力支持下,在飞秒激光项目组负责人杨直博士为代表的 50多位科学家和研发人员的共同努力下于杭州成立。

近年来依托西安光机所 30 多年的技术积累,在原始创新上不断取得突破,在技术方面,已申请60余项专利,突破了国外多项“卡脖子”技术。

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飞秒之间,创造无限可能。奥创光子的愿景,是让超快激光不断提升人类的生活品质,让飞秒激光开启高端精密制造新纪元。



来源 : 奥创光子 发布时间 : 2022-08-08

深圳宝安区政协:加快建设宝安区世界级激光产业高地

8月3日下午,宝安区政协就《关于加快建设宝安区世界级激光产业高地的提案》办理情况进行视察并召开座谈会。副区长练聪、区政协副主席朱桂明、区政协提案委主要负责同志等参加活动。



在今年的区政协六届二次会议上,区政协科技组提出了《关于加快建设宝安区世界级激光产业高地的提案》。该提案对宝安区激光产业发展现状进行了全面深入梳理,指出存在的部分核心材料和器件高度依赖进口、技术应用有待深化等方面问题,并给出了加快打造激光产业集聚区、加紧建设激光产业公共技术服务平台等意见建议。经区政协六届九次主席会议研究确定为今年区政协的重点提案,由副区长练聪领办、区政协副主席朱桂明督办。


当天,区政协委员们实地视察了深圳市创鑫激光股份有限公司、大族激光科技有限公司。在随后召开的座谈会上,区科技创新局、区委组织部、区工业和信息化局、市市场监督管理局宝安监管局、区国有资产监督管理局等单位分别汇报了提案办理情况。据介绍,目前宝安区是国内最大的激光产业集聚区,产业规模、企业数量均居全国首位。区委区政府和各相关部门高度重视激光产业的发展,已成立宝安区激光产业链技术与应用创新联盟,出台相关政策对激光产业企业给予空间、规模成长、技术改造、金融等全方位的扶持。接下来,将聚焦重点产业发展领域,推进创新集聚区建设,在新桥东国家高新片区打造新桥激光产业创新集聚区,并大力建设激光等重点产业人才队伍。委员们围绕如何培育激光战略性新兴产业集群、促进激光产业转型等积极建言献策。


练聪指出,《关于加快建设宝安区世界级激光产业高地的提案》提得准、有深度,契合宝安打造世界级先进制造业高地的目标。她要求,区政府相关职能部门要加快激光产业核心技术攻关,加强优质企业的空间发展保障,促进激光企业产业集聚、商业聚合,加快构建激光战略性新兴产业集聚区。同时,要搭建好各类科技服务平台,建立梯队化的激光人才队伍,推动激光企业与科研机构合作,加快提升宝安激光品牌知名度,全面推动宝安激光产业向价值链高端发展。


朱桂明表示,此次座谈会既是区政协年度重点提案的督办会,更是一个提案办理质量的评估会。该提案提得好,委员们用心、尽责、有担当,办理单位认真、重视、下功夫,提案办理初有成效。他强调,各职能部门要继续深化提案办理,认真研究制定激光产业规划,主动对接,加强服务,助力宝安区激光产业高地建设取得新成效。政协委员要求真务实,履职尽责,深度调研,担当作为,为宝安经济社会发展贡献政协智慧和力量。



来源 : 宝安日报 发布时间 : 2022-08-06

广东中科微精攻克核心技术,推出超快激光无碳化切割设备

2021年被业界视为Mini LED技术的商用元年,苹果推出重量级Mini LED相关产品,三星、TCL、创维、海信、康佳等电视品牌对于Mini LED的卡位战日趋激烈,华为、小米也已加入战团,在多家互联网巨头开路下,Mini LED赛道更加热闹非凡。前瞻产业研究院预计2026年中国Mini LED行业需求规模有望突破400亿元,2020年-2026年复合增长率将达50%。

随着Mini LED的消费电子产品的需求增加,Mini-LED采用COB封装对电路板的平整性要求极高,也需要有创新突破的先进加工制造方法以满足对高精度、高品质和高产量的要求。

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MiniLED(素材来自互联网)

这是一小块miniLED背板,这么干净整齐的切割截面及上下表面!到底是怎么做到的?今天我们来到中科微精松山湖生产基地一探究竟。

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1.6mm厚MiniLED背板

激光分板作为一种非接触式工艺,避免了机械加工刀具磨损、机械应力、材料拉丝等诸多不良现象;且效率快,精度高,可加工任意图形,逐渐在精密加工领域得到广泛应用,特别是在PCB类材料加工工艺中更是占据了主导地位。

但激光加工PCB类材料时,也有着难以克服的缺点,在加工过程中大量光能转化为热能,切割边缘会出现烧糊的“碳”,材料越厚,“碳”化程度越严重,碳化可能会产生电路微短路等不良现象,且影响材料美观。尤其对于一些对加工质量要求较高的产品,如miniLED背板等,因其整个产品需直接呈现在用户面前,切割位置发黑是致命伤。

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MiniLED三种不同切割方式的切割截面对比图

针对这个难题,广东中科微精成立研发攻关小组,采用符合特殊指标的激光光源和自研的激光光束调制技术,加上自主研发的光束控制技术,经过大量的研究实验和工艺参数优化,实现了PCB类材料的无碳化切割,切割截面干净整洁,没有碳层覆盖,洁净程度可媲美机械加工效果,受到诸多PCB领域客户的高度认可与赞扬。

为更好的满足PCB高质量激光切割需求,广东中科微精把无碳化切割工艺和公司多年激光微加工技术储备进行系统集成,推出新一代4.0无碳化微加工系统。该设备专注于无碳化高速切割,精度高,稳定性好,加工效率快。经过反复测试,加工0.3mm厚的MiniLED背板,综合加工速度可达100mm/s;加工1.6mm厚的MiniLED背板,综合加工速度可达25mm/s;加工2mm厚的PCB硬板,综合加工速度25mm/s。产能较普通激光切割设备提高了至少2.5倍以上。

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不同材料的无碳化切割速度对比图

据资料显示,广东中科微精技术团队源自中科院西安光机所和松山湖材料实验室,始终站在技术的前沿,不断探索,解决一个又一个的行业难题,在激光微加工领域贡献自己的力量,专注于超快激光精密切割钻孔,可提供整套解决方案或代加工服务。

中科微精表示,每一次产品的迭代升级,都离不开制造技术的创新,每一次创新,都需要勇往无前的尝试和不计回报的付出。



来源 : 广东中科微精 发布时间 : 2022-08-05

Laser & Photonics Reviews:全介质超表面产生纵向演化的矢量涡旋光束

 

导读

近日,天津大学姚建铨院士课题组与首都师范大学张岩教授课题组合作报道了一种通用的全介质超表面平台,可以在太赫兹波段产生纵向变化的矢量涡旋光束。作为概念证明演示,表征了一系列产生涡旋光束拓扑荷演化和矢量涡旋光束的矢量偏振态演化的超表面。实验与仿真结果充分验证了所提方案的可行性。该方案在可见光和微波等波段同样适用。相关成果以“Creating longitudinally varying vector vortex beams with an all-dielectric metasurface”为题发表于Laser & Photonics Reviews上。天津大学郑程龙博士为该项工作的第一作者,天津大学张雅婷副教授、姚建铨院士和首都师范大学张岩教授为论文的通讯作者。本工作得到了包括国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目资助。


研究背景

携带有轨道角动量的电磁波称为涡旋波,具有螺旋状的相位结构和甜甜圈状的强度分布。由于具有不同拓扑荷的涡旋光束之间的模式正交性,使得其在大容量通信中具有重要的应用价值。除此之外,涡旋光束还被广泛应用于捕获和旋转微粒、量子信息、超分辨成像等领域。

除了具有空间均匀的偏振光外,具有不均匀偏振特征的光束称为矢量光束,也是当前的研究热点。其独特的偏振分布引起了其在光学捕获、超分辨显微、激光加工方面的工程应用。轴向双折射元件、空间变化延迟器、超表面等都可以用来产生矢量光束。同时具有非均匀的偏振态和携带轨道角动量的光束称为矢量涡旋光束。

除了只考虑单个平面上的偏振和涡旋分布,也有一些文献报道了在多个平面上操控光场的能力。然而,现有的这些方案要么是采用体积庞大的空间光调制器实现,要么需要复杂的光路以及滤波操控才能实现。这些在实际应用特别是在太赫兹波段会造成很大的限制。 


亮点 

图1 可产生纵向变化的矢量涡旋光束的全介质超表面示意图。

(1)涡旋光束拓扑荷纵向演化


首先展示了该超表面器件产生纵向变化的涡旋光束的能力。在左旋圆偏振(LCP)波入射下,产生的涡旋光束的拓扑荷随着传播距离的增大从l = +2演化到 l = -2(如图2a1和a2所示);在右旋圆偏振(RCP)波入射下,产生的涡旋光束的拓扑荷随着传播距离从l = +1演化到l  = -1(如图2a3和a4所示)。计算的模式纯度随传播距离的演化同样证实了这一现象(如图2b所示)。

 

图2 产生涡旋光束的拓扑荷纵向演化的表征

 

(2)矢量涡旋光束偏振态的纵向演化

通过将产生多个涡旋态的相位赋予超表面,并操纵左右旋圆偏振间的相位差,设计了一种能够产生的矢量涡旋态从一阶径向偏振往二阶径向偏振演化的超表面(如图3)。可以通过观察不同入射和出射偏振下的光强分布和仿真的偏振分布识别出相应场的偏振态。

 

图3 产生矢量涡旋光束的偏振态纵向演化的表征


总结与展望 

本文展示了利用全介质超表面平台产生纵向变化的矢量涡旋光束。通过充分利用传输相位和几何相位两个自由度,将两束不同焦距的长焦深涡旋光束集成到两种正交的圆偏振态。通过改变监测距离,观测到纵向变化的矢量涡旋光束。虽然提出的方案是在太赫兹波段被验证,它同样适用于其他波长,包括可见光和微波范围。所提出的超表面策略可以应用于从粒子操控和偏振光学。

 


来源 : 九乡河 发布时间 : 2022-07-29

实现高平整度激光熔覆涂层,选择圆光斑or矩形光斑?

激光熔覆是利用高能激光将金属粉末和金属基体表面同时熔化并快速冷却凝固,从而在金属基体表面形成一种合金涂层。该涂层与基体表面为冶金结合,具有很好的防腐、耐磨、耐高温特性。

       
绝大多数工业用户在激光熔覆时,都希望熔覆涂层的表面有较高的平整度。表面越平整,后续磨抛加工量越少,越节省金属粉末,生产成本就越低。实际工作中,激光熔覆涂层是由多道熔覆叠加而成的,激光熔覆涂层平整度主要受单道熔覆的平整度、单道熔覆的厚度以及相邻两道熔覆之间的搭接率三个因素影响。
      
由于液态金属的表面张力和润湿性的共同作用,当单道熔覆宽度较小时(使用3mm-5mm的圆光斑 ),熔道表面是凸面而不是平面;当单道熔覆宽度较大时(使用10mm-30mm的矩形光斑),由于送粉均匀性和光斑强度均匀性等因素的影响,单道熔覆层也不是一个理想的平面。
     
激光熔覆时,相邻熔道必须有一定的重叠量,也就是说相邻熔道存在搭接,如图1所示。图中,W为单道熔覆宽度,D为搭接宽度。D与W的比值

R=D/W×100%

称为搭接率,R表示相邻熔覆道间的搭接程度。图1 中d被称为步进,也就是每熔覆一道前进的距离。如果使用步进d,搭接率可表示

R=(W-d)/W×100%

从上式可以看出,步距越小,搭接率越大,也就是相邻熔道的重叠量越大。
 
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图1  熔道搭接示意图
      
若使用矩形光斑,搭接率一般小于50%,搭接率太大会影响熔覆效率。如果搭接率为50%,理论上可以避免涂层的搭接起伏。如果搭接率小于50%,相邻熔道之间搭接肯定会引起涂层厚度的波动。假设激光熔覆单道熔覆层厚度为1mm,那么涂层最薄处厚度为1mm,最厚处理论上约为2mm(实际会小一些),因此长矩形光斑理论上无法实现熔覆涂层较高的平整度。
       
要实现较高的平整度,必须采用3-5mm的圆光斑。使用3-5mm圆光斑制备熔覆涂层,其过程与矩形光斑的工作原理截然不同。矩形光斑是通过单层(最多2层)达到需要的熔覆厚度,而3-5mm圆光斑的熔覆厚度是通过多层叠加实现的。假设熔覆光斑为5mm,步进为1mm(搭接率为80%),假设最终涂层的厚度为1mm,这个1mm的涂层实际上是由5层厚度为0.2毫米熔道叠加而成的。这是小圆光斑激光熔覆与矩形光斑激光熔覆的重大差别。通过3-5mm圆光斑激光熔覆可以实现较高的平整度(10微米以下)。图2为中科中美3-5mm圆光斑高速激光熔覆涂层平整度的检测结果,平整度达到Ra5-6um。

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图2 高速激光熔覆层平整度检测
       
通过以上分析可以得出如下结论:熔覆光斑形状尺寸决定着熔覆涂层的制备过程。3-5mm圆光斑的熔覆过程搭接率较高,通过多层熔覆层叠加达到需要的熔覆厚度,这是实现较高平整度涂层的最佳方式。


来源 : 中科中美高速激光熔覆 ​ 发布时间 : 2022-07-27

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