Уже в 17 раз с 27 июня по 1 июля международная конференция "Оптика лазеров‑2016" в Санкт-Петербурге стала местом сбора более 1000 специалистов из 37 стран, работающих в сфере оптики, фотоники и лазерной физики. Из них около 300 иностранных участников из 37 стран мира. Эта крупнейшая российская научная площадка динамично развивается, задавая новые форматы для общения. И это не только демонстрация результатов научных исследований, — поднимаются вопросы практического внедрения инновационных разработок, представленных здесь же, в том числе в рамках выставочной экспозиции научных центров и производственных компаний. В этом году конференция работала в рамках международного конгресса «Лазеры и фотоника», объединившего для удобства участников ряд тематических мероприятий, ранее проводившихся отдельно: симпозиумы по лазерным микро и нанотехнологям, по перспективным материалам для фотоники, конференции по дифракции и коллоидным фотонным наноструктурам, школу молодых ученых и т. д.
Неудивительно, что в рамках этого мероприятия ведущий разработчик и производитель волоконных лазеров компания IPG/НТО «ИРЭ-Полюс» традиционно проводит свой симпозиум по мощным волоконным лазерам и их применениям. В этом году мероприятие прошло в восьмой раз, собрав ведущих специалистов российского и зарубежных подразделений компании, коллег и партнеров, а также технических специалистов российских промышленных предприятий.
Главное выступление также традиционно было подготовлено главой и основателем компании Валентином Павловичем Гапонцевым о статистике отрасли, новейших достижениях и направлениях развития технологий и оборудования компании, а также о новых уникальных приложениях в ряде отраслей.
Еще не так давно лазеры были громоздкими, неудобными, непрактичными и недоступными для массового применения, требовали постоянного обслуживания. Появление волоконных лазеров ввело новые стандарты качества по большинству параметров. Они практически не ограничены по мощности излучения; обеспечивают широкий спектр длин волн от ультрафиолета до среднего ИК-диапазона (до 5 мкм); могут быть одномодовыми и многомодовыми; по эффективности уже превысили КПД 50% розетки; надежные — гарантия от IPG/НТО «ИРЭ-Полюс» до 5 лет; компактные и легкие в обращении; для импульсных лазеров в широчайшем пределе обеспечиваются профили импульсов, частоты повторения, длительности от фемтосекунд до секунд. В связи с этим количество их применений очень быстро растет.
Ведущие мировые аналитики констатируют в 2015 году объем продаж по всем видам лазеров около 5 млрд долл. и предсказывают, что они будут расти в среднем на 7% в год и в 2020 году должны достигнуть 7 млрд долл. Волоконные лазеры занимают заметную часть и прогнозы роста выше — 11% в год. Текущая финансовая доля волоконных лазеров во всем обороте, по мнению аналитиков, 31%, в 2020 году — 37%. По данным IPG цифры выше — более 35 и
50-55% с возможностью выйти в будущем на 75%. Что касается физических единиц, по данным IPG, цифры еще выше: 2015 год — 40-45%, 2020 год — около 65-70%.
По данным аналитиков, в таком уже традиционном секторе, как лазерная резка листа задействованы 35,2% волоконных лазеров, 55.6% — СО2, 9,2% — дисковые и другие. По данным IPG уже более 50% составляют волоконные лазеры, а в 2020 году цифра вырастет до 80%. Стоит отметить, что уже сейчас порядка 90% новых систем для лазерной резки идут с волоконными лазерами.
Компания IPG c самого начала заявляла перспективные возможности волоконных лазеров и доказала это, разработав и внедрив сотни различных лазерных приборов на базе волоконной платформы. Доля компании — 75% мирового рынка волоконных лазеров по финансовым показателям, 85% — по количественным. С 2007 года IPG поставлены более 180 тыс. лазеров, в то время как поставки волоконных лазеров других компаний, по оценке
IPG, 20–25 тыс. шт. Если говорить о киловаттных лазерах, то в 2015 году
IPG поставлены: лазеры непрерывной мощности более 500 Вт — около 6500 шт., из них больше киловатта — около 4300 шт. В этом году ожидается поставка 7,5–8 тыс. шт. «Наше производство диодов самое крупное — более, чем у всех остальных компаний вместе взятых. По количеству производимых ЧИПов мы вышли на уровень около 10 млн в год, по упакованным диодам с волоконным выходом на базе многочиповых сборок — более 1 млн диодов со средней мощностью 60 Вт на диод в волокне», — отметил в своем докладе В. П. Гапонцев. «А качество продукции достигается за счет того, что в компании разработан набор всех компонентов, включая совершенные диоды накачки, активные волокна, каплеры связи, источники питания с КПД более 95%, уникальные покрытия, выходную оптику головок, сканеры и другие». Давней проблемой для компании было приобретение качественных оптических кристаллов. Но сейчас в российском отделении совместно с новосибирскими коллегами разработана новая технология роста LBO-кристаллов. В результате удалось практически на полпорядка повысить качество, уменьшив количество дислокаций дефектов внутри кристаллов, что повышает их лучевую прозрачность и положительно отражается на параметрах лазеров. Как показатель качества, уровень поглощения на 1 мкм у кристаллов компании — 1–2 ppm/сm, у конкурентов лучшие предложения — 6–12 ppm/cm. По данной оригинальной технологии сейчас начинается массовое производство кристаллов.
В этом году компания показала серию новых лазеров.
Для разрешения многолетней проблемы автомобильной промышленности был создан специальный трехпучковый высокоэффективный лазер для пайки. В процессе работы два лазерные пучка подготавливают поверхность, очищают ее от примесей, третий осуществляет пайку. Сейчас идет широкое внедрение разработки.
В компании создан специальный RGB лазерный источник для кино, прожекторов, кинотеатров, проекционных дисплеев и др., призванный заменить работоспособную, но уже устаревшую технологию, основанную на использовании ксеноновых лам. Зрителям нужны современные 3D-кинотеатры с широкими экранами, высокими яркостью и разрешением, и данная разработка может это обеспечить. Первую систему поставили одному из ключевых игроков рынка компании Dolby, ведется апробация и сертификация. Интерес и перспективы огромны.
Актуальные внедрения в микрообработке возможны с помощью наносекундных и пикосекундных лазеров — микрообработка пленок, дисплеев, полупроводниковых приборов, резка сапфира, стекла, гравировка. Работы проводятся многими фирмами, но для массового развития рынка нужен надежный, стабильный, регулируемый по всем параметрам лазер с ценой не выше 50 тыс. долл., т. е. в 5 раз ниже текущих цен. Так посчитали в компании IPG и решили задачу, изготовив лазер средней мощностью 100 Вт и энергией в импульсе до 100 мкДж. Другие параметры также являются достижением: размер лазерной головки 370×82×60 мм, гибкая доставка, эффективность 25%, длительность импульса от 400–500 фс до 5–10 пс. Сейчас он выводится на рынок. Теперь стоит задача повышения его средней мощности до 200 Вт, а энергии импульсов до 200 мкДж при 5–10 пс и более 100 мкДж при субпикосекундах, что позволит повысить скорость обработки.
Наносекундные импульсные лазеры с мощностью до 1 кВт подходят для лазерной абляции и актуальны для очистки поверхности металлов, полимеров, удаления краски — это огромный пласт задач. В связи с этим в IPG разрабатывается полная система лазерной очистки самолетов.
Впечатляющие результаты достигнуты по такому новому направлению как лазеры УФ и видимого диапазона, в котором волоконные лазеры имеют очень большие преимущества по отношению к другим существующим системам: лучшее термическое управление, высочайшая средняя мощность, эффективное расхождение, ультравысокое КПД, неограниченный выбор импульсов и частот повторения, широкий круг длин волн. И это ключ к решению многих задач. Например, в компании рассматривают замену эксимерных лазеров на волоконные УФ-диапазона в такой технологии, как отжиг при производстве тонкопленочных транзисторов для плоских цветных экранов с высоким разрешением. Такая замена даст существенный выигрыш в цене при производстве больших экранов. Первые результаты, полученные в компании, очень хорошие, но для доработки технологии потребуется еще пара лет.
Ограничением для широкого распространения лазеров являются цена и недостаток интеграторов. «Только с увеличением объемов производства лазер стал доступен по цене для массового применения. Что касается интеграторов, то в Европе их достаточно, в Китае — очень много, но слабые, в Америке — не выдержали конкуренции и сейчас очень мало, в России — буквально нескольких малых компаний. Поэтому продажи лазеров в России от нашего общего объема меньше 1%», — отметил докладчик. В связи с этим в компании было принято решение самостоятельно разрабатывать различные системы для обработки материалов, причем сосредоточиться преимущественно на нестандартных решениях.
Например, до сих пор сварка титана идет с помощью электронных пучков в огромных вакуумных камерах. Одна такая установка стоит до 50 млн долл. Качество сварки относительно низкое — 80–85% от прочности основного металла. В «ИРЭ-Полюс» разработали новую уникальную технологию, которая позволяет варить лазерными пучками в воздухе без вакуумных камер. Прочность сварки впервые выше прочности основного металла. Пройдены испытания, ведется сертификация, и первые установки уйдут заказчику.
Другая уникальная российская разработка — система орбитальной сварки газовых труб большого диаметра для трансконтинентальных газопроводов (для «Газпрома» диаметр труб 1,4 м). Условия работы сложные: укладка труб идет со скоростью 2 км в сутки (700 км в год), стыковка осуществляется в поле. После окончания испытаний и сертификации планируется поставка оборудования на прокладку газопроводов «Сила Сибири» и «Северный поток 2». Ранее использовались канадские уникальные газовые автоматические станции, однако такая станция стоит более 40 млн долл.
В компании разработали уникальный сканер мощностью до 30 кВт для удаленной сварки, в то время как только 2–3 компании в мире продавали головки 6–8 кВт по цене, превышающей стоимость лазера.
В российском отделении компании работает небольшая группа разработчиков — около 15 человек, но именно они в основном занимаются разработкой макросистем. Сейчас компания строит свои первые заводы в Минске и в Алабуге (Татарстан) для производства лазерного оборудования. И хочется надеяться, что ее уникальная продукция станет все более востребованной в России.
