Фотоника-2023. Обзор выставки как экскурсия в мир лазеров

28-31 марта 2023 в Экспоцентре проходила 17-я выставка Фотоника 2023: мир лазера и оптики. Я хотел бы поделиться теми знаниями и впечатлениями, которые показались мне интересными для знакомства с этой обширной темой промышленных технологий.


На выставке. Фотогалерея автора

стенд IPG, фото автора

1.Если говорить о фишках выставки Фотоника 2023, то самая практичная из них — это лазерная очистка металла. Компания IPG/ИРЭ Полюс представила впервые (на выставке Фотоника) аппарат ручной лазерной очистки металла IPG LightCLEAN. Откуда росли корни у этой новации? В далеком уже 2016 году появилась научная статья "Перспективы индустриальных применений лазерной очистки материалов"

лазерная очистка. Ист. компания IPG

В процессе производства и эксплуатации на поверхности металла возникают загрязнения — неорганические – окисные пленки, ржавчина, окалина и органические – остатки смазочных и охлаждающих жидкостей (СОЖ), масляные пятна и т.д. Они все удаляются методами механической, ультразвуковой, химической и электрохимической обработки. И везде есть свои недостатки. У лазерного способа, — бесконтактного, безабразивного, высокопроизводительного и экологически чистого, — большим недостатком была его высокая цена. С появлением волоконных лазеров (в конце 20 века) появилась возможность удешевления процесса.

Теперь IPG представил агрегат ручной лазерной очистки мощностью 1 кВт ценой 3,6 млн руб., рядом с ним располагался более старый агрегат ручной сварки ценой 2,3 млн.руб (?). Хочу заметить, что никакого договора на рекламу с этой и другими компаниями у меня нет, поэтому цены указаны ориентировочно. Существенный минус, по мнения представителя компании «Юсто» — сама лазерная очистка по автомобилям пока очень дорога, чтобы конкурировать с пескоструйной очисткой. Но всё ещё впереди.

аппарат ручной очистки LightClean. Фото автора 

По моей просьбе, сотрудник компании продемонстрировал процесс очистки.

И рядом — по совпадению или нет на стенде ОКБ Булат присутствует тот же самый аппарат очистки IPG с предметом для очистки — ржавой автомобильной дверью. Фото автора

Почему эффективна именно лазерная очистка? В основном поверхность загрязняется неметаллическими веществами, чей показатель поглощения света на несколько порядков ниже по сравнению с металлами, а потому «грязь» прозрачна для луча. Если плотность мощности лазерного излучения достаточна для того, чтобы разогреть материал до температуры кипения, то на границе раздела загрязнение – основной материал начинается испарение материала. Под давлением разогретых до высоких температур паров металла слой неметаллического загрязнения разрушается и удаляется с поверхности. Чтобы минимизировать потери паров металла при этом разогревании, используют импульсный режим воздействия при максимальном сокращении длительности воздействия.

На рынке, между прочим, присутствуют и конкурентные китайские аппараты ручной очистки от JPT, Raycus. Есть компактные установки лазерной очистки у российского Лассарда.


Серия YLS на стенде IPG. Фото автора

Другой фишкой от IPG является лазер мощностью 30 кВт YLS-30000 (Ytterbium Fiber Laser Systems) — мощный промышленный иттербиевый волоконный лазер. Поставляемые в самом маленьком форм-факторе, доступном на рынке, эти лазеры могут быть легко интегрированы в станки для резки. Лазеры упакованы в герметичный шкаф с внутренним осушителем, что позволяет использовать лазер в самых суровых производственных условиях. На длине волны 1070+-5 нм (1 микрон) в серии YLS доступны мощности до 120 кВт, но такие величины присутствуют в таблице на англоязычном сайте IPG, на русскоязычном сайте IPG/ИРЭ Полюс линейка представления в таблице заканчивается для YLS на 40 кВт. Возможно, такая избирательность связана с тем, что для наших промышленных нужд и 30 кВт уже выше чаяний. Между прочим, первый коммерческий 100 кВт лазер был продан IPG в 2013г. материаловедческому научному центру в Японии. Его используют для резки металлических частей толщиной до 300 мм.

Популярность лазеров большой мощности возросла в России в период пандемии ковида. Внезапно обнаружился дефицит чистого кислорода необходимого для кислородной резки металла из-за забора кислорода на нужды здравоохранения. Лазер же может резать металл и на обычном атмосферном воздухе, и чем он мощнее, тем с большими задачами справляется. Так или иначе, но заказы на 20 кВт источники со стороны отечественной промышленности для раскроя металла с 2021г. перестали иметь единичный характер. За рубежом применяют и 50, 60 кВт.

Продукция для урология. Фото автора

Самым привлекательным является всё же медицинское использование лазера. С его помощью можно изничтожать камни любого размера в почках в пыль. IPG здесь на рынке вытесняет всех. Также разработки компании сулят прорыв во флебологии, поскольку путем лазерного лечения вздувшиеся вены не вырезаются, а схлопываются, исчезают.

аппараты для литотрипсии (моче-каменная болезнь) и по флебологии. Фото автора

2. Компания Лассард из Обнинска, производитель лазерных систем «сверху донизу», на рынке присутствует с 2015г. Серия малогабаритных лазерных станков SMART и средних OPTIMUM внесены в реестр продукции, произведённой на территории Российской Федерации. Как уверяют представители компании, в этих станках используется волоконный лазерный источник собственного изготовления мощностью до 3 кВт. Но в профобзорах находим, что в линейке станков Smart используется и волоконный лазер IPG с регулируемой мощностью 150/1 500 Вт и 300/3 000 Вт.

стенд Лассарда. Фото автора, на переднем плане, как и в 2022г., линейка из 3 лазеров Lassard (как чемоданчики)

В планах разработчиков выйти на мощности 6 и 12 кВт, а в мечтах обогнать лидера IPG, пока режим санкций негативно влияет на деятельность этой российско-американской компании. Как и другие, Лассард сталкивается с проблемами вокруг использования западных компонентов в новых условиях. Так я понял, важный момент для российских промышленников — это хорошие лазерные головки для станков, — то, что принимает и фокусирует лазерный луч при обработке изделия.

Квантроны с диодной накачкой (DPSS) на стенде компании. Фото автора

Способность компании Лассард проводить собственные высокотехнологические работы иллюстрируют её квантроны. Квантрон — это усилитель или предусилитель лазера, собранный в модуль. Для усиления света, летящего по стержню, требуется так называемая накачка. «Дополнительный» свет идет на подмогу нашему потоку, идет как бы «сбоку» — от диодов или ламп. В силу фундаментальных законов энергия накачки передается основному пучку света. Вообще то разработка лазерного квантрона, включающего систему высокоэффективного охлаждения АЭ (активного элемента) и оптическую систему ввода излучения накачки в АЭ является ноу-хау любой компании.

Одна из схем квантрона. Свет здесь перемещается по лазерному кристаллу (активный элемент), параллельно происходит его подкачка посредством лазерных диодных решеток (ЛДР) через цилиндрическую линзу diss.gpi.ru/media/diss/109/abstract.pdf

Важный компонент квантрона — лазерные диодные решетки (ЛДР) производятся самим Лассардом. А лазерные диоды для ЛДР, похоже, им поставляет российский Инжект.

На стенде компании Лассард демонстрируются лазерные диодные модули компании Инжект, хотя у Инжекта был свой стенд на выставке Фотоника 2023. Фото автора


стенд компании Инжект, фото автора

3. Волоконные лазеры конкурируют с полупроводниковыми в общей группе твердотельных лазеров. Полупроводниковые (диодные) лазеры могут иметь дело не только с металлами, а с деревом, акрилом, камнем и т.д. Им не нужен оптоволоконный кабель. Они работают на меньших длинах волн света (550-980 нм) видимого диапазона, чем волоконные «коллеги». Компания Инжект (Саратов, Росатом) представила на выставке как раз полупроводниковый лазер (станок) для пайки. Фото станка в интернете отсутствует, но из описаний подхода на сайте компании следует, что здесь — «В отличие от существующих зарубежных аналогов в отечественном комплексе обеспечивается возможность индивидуальной регулировки энергетического профиля лазерного пятна в зоне обработки путем настройки выходной мощности оптического лазерного излучения каждого лазерного модуля устройством программируемого компьютерного управления.»

Лазер компании Инжект, фото автора

Инжект производит и одномодовые волоконные лазеры, в т.ч.с диодной накачкой, но их перечень в каталоге мал. Зато в каталоге компании широко представлены диоды, диодные решетки, диодные матрицы. Их можно использовать для накачки лазеров (усиления), для датчиков, как самостоятельные источники излучения. Решетка лазерных диодов состоит к примеру из диодных линеек, и содержит основание из теплопроводящего материала, например меди. Освоила компания производство собственных блоков питания для лазеров, отказавшись от их импорта. Также занимается микрооптикой.



диоды, лазерные модули, оптоволокно, волоконно-оптический жгут и др.продукция Инжекта, фото автора

4.Знаменитый НИИ Полюс им.Стельмаха входит в холдинг Швабе корпорации Ростех. Компания занимается такими же диодами, как и Инжект. Когда-то выступала как учредитель ИРЭ Полюс/IPG, но кооперация с этой частной компанией расстроилась из-за решения государственных задач НИИ. В основном сообщения СМИ о НИИ Полюс касаются разработки квантово-каскадные лазеров, которые в частности, могут заметно повысить эффективность досмотровых комплексов, процедур спектроскопии и газоанализа, визуализации и удаленного зондирования и даже контроля качества продуктов питания.

фото стенда Швабе, на переднем плане уголок НИИ Полюс, фото автора

Компания демонстрировала на Фотоника 2023 свои ИЛПИ. Это импульсный лазерный полупроводниковый излучатель. Излучатели изначально предназначены для наводки на цели и ночное видение. Излучатели на стенде: ИЛПИ-142, гетеролазер мощностью 2500 мВт для наведения ИЛПИ 138-1, — диод для оптической накачки неодим-содержащих активных элементов твердотельных лазеров, ИЛПИ 139  для систем аэронавигации и подсветки.

На переднем плане излучатели и активный элемент дискового лазера НИИ Полюс. Фото автора
 
Если волоконный лазер имеет значительные преимущества при малых средней и пиковой мощностях излучения, то дисковый предпочтительнее использовать в диапазоне больших и очень больших мощностей. Дисковые лазеры дают наилучшее решение для значительного ряда промышленных применений в многокиловаттном диапазоне мощностей. Диск — простой и легко возбуждаемый элемент лазера, который позволяет без больших затрат генерировать очень хорошее по своим параметрам излучение. Если Архимед и сжег вражеский флот, то как раз за счет этого принципа.

5. Санкции США не обходят стороной и лазерные темы. Так, попадают под санкции одномодовые волоконные лазеры с качеством пучка M² < 1,3 мощностью более 500 Вт. Одномодовый лазер означает, что излучение света передается как бы только на одной волне. M² (или фактор качества пучка) — это как раз значение, показывающее, насколько близок лазер к одномодовому пучку TEM00, что, в свою очередь, позволяет определить возможность максимальной фокусировки луча — c высокой плотностью мощности.

Стенд ЛЛС. Фото автора

Знакомство со стендом компании ЛЛС (Петербург) и началось со знакомства с волоконным непрерывным одномодовым лазером мощностью 5 кВт турецкого производства. Лазер выполнен компанией Ermarksan в металлической оболочке Милитар, то есть его можно поставить для испытаний и в лабораторию института, и на вертолёт и использовать в условиях чреватых тряской и прочим. В характеристиках лазера, впрочем, указано, что типовое качество пучка (M² ) =1.95, то есть «под санкции» этот лазер не попадает.

Турецкий волоконный лазер. Фото автора

Заявляется, что Ermarksan имеет собственные лазерные источники, или резонаторы. Однако в её рекламе лазерных станков читаем следующее «Комплектация установок ERMAKSAN базируется на тщательно подобранных деталях и агрегатах, а наиболее ответственные узлы взяты от лучших мировых производителей. Например, приводы BECKHOFF (Германия), режущие (лазерные) головки PRECITEC (Германия), лазеры IPG (Россия).»

Новый брэнд EON на рынке лазерных источников

Тем не менее, есть и указания, что турецкая компания использует в той же серии YRL собственный лазерные резонаторы мощностью от 500 Вт до 14 кВт под маркой EON, то есть импортозамещает резонаторы российско-американской IPG, производимые, кстати, и в Германии. Для справки добавим, что турки говорят, что их станок, оснащенный резонатором IPG мощностью 6 кВт и немецкой лазерной головкой компании PRECITEC, режет низкоуглеродистую сталь толщиной до 25 мм, нержавеющую сталь до 15 мм, алюминий до 12 мм, медь и латунь до 8 мм.

Вид на стенд Нордлэйз со стенда ЛЛС. Фото автора

Как говорят представители ЛЛС, они видят пути реализации своей миссии в поисках ЗАМЕНы лазерно-оптических компонентов и оборудования на продукцию из дружественных стран для наших клиентов. А в России компания налаживает варианты импортозамещения через дистрибьюции продукции компании Нордлэйз. Для иллюстрация успешности усилий на стенде NordLase представлен одномодовый иттербиевый волоконный лазер NL-YFLM-1080-1000. Последний предназначен для высокоточной обработки металлов, микросверления, аддитивных технологий, обработку глухих отверстий и т.п. Качество пучка M² у него ниже 1,2, мощность от 200 Вт до 2 кВт, то есть по параметрам он подходит под импортозамещение санкционных товаров.

лазеры от Нордлэйза. Иттербиевый лазер справа. Фото автора

Какой у этого аппарата лазерный источник, или резонатор компания не раскрывает. Пишется, что его аналоговое или цифровое управление совместимо с лазерами (резонаторами) IPG (у которой есть, конечно, хорошие одномодовые иттербиевые лазеры), Raycus, Maxphotonics и т.д. Что же это означает на практике? Новинку от Нордлэйз в конфигурации или нечто большее? Анализ научной литературы позволяет сделать вывод, что, возможно, речь идет о разработках волоконных усилителей и лазеров на основе активного конического волокна, которым занимаются и в Нордлэйз. Например, утверждается, что применение в волоконных усилителях конического волокна с двойной оболочкой, легированного иттербием, позволяет повысить порог возникновения нелинейных эффектов и максимальную пиковую мощность оптического излучения.


6. Макрогрупп — дистрибьютор электронных и оптических компонентов с 1994г… К оптике перешла позже электроники — несколько лет назад. Представители компании утверждали, что российское оптическое волокно слишком дорого — «в 4 раза дороже иностранцев». В части диодов эта компания ориентирована на китайскую компанию Skyera (2012 г.р.) На первый взгляд производимая диодная линейка у китайцев гораздо шире, чем у того же Инжекта. Полностью совпадающих аналогов у того же лазерного диода с волоконным выходом мощностью 90 Вт у Инжекта, например, я не нашёл, хотя такой же тип продукции у этой российской компании присутствует.





фото стенда компании Макрогрупп и её буклета. Фото автора 

7. Авеста из Троицка — российский лидер по производству фемтосекундных лазеров.




"Особенность лазеров с ультракороткими импульсами в том, что за время импульса материал, на который воздействует установка, не успевает нагреться. При этом энергия фемтосекундных импульсов невелика. Но в силу очень малой длительности их вспышки, мощность одного импульса сопоставима с мощностью всех электростанций мира. Сегодняшние технологии позволяют генерировать импульсы длительностью в 10 фемтосекунд (фемтосекунда — от секунды 10^{-15  )} это настолько же короче 1 минуты, насколько минута короче времени жизни Вселенной." По ряду диапазонов Авеста единственна в мире. Фемтосекундные импульсные лазеры используются как во многих областях физики, биологии, медицины и других естественных наук, так и в прикладных сферах, таких, как тестирование телекоммуникационного оборудования, многофотонная микроскопия, параметрическая генерация, метрология оптических частот и др. 


у изображения лазера TiF-DP нарисован поросенок как знак его дешевизны. Фото автора

TiF-DP. Титан-сапфировый фемтосекундный лазер cо встроенной прямой диодной накачкой, последняя удешевляет установку, не снижая качества пучка света (M² ) и стабильность работы. TiF-DP оптимален для применения в качестве задающего генератора для регенеративных усилителей, а также может использоваться для решения научных задач в областях микроскопии и спектроскопии не требующих больших средних выходных мощностей. По словам представителя компании, прямая диодная накачка здесь заменила так называемую уайтхаусовскую накачку, недоступную нам теперь. В интернете подтверждения этому высказыванию  я не нашел.

фото автора

Фемтосекундный титан-сапфировый осциллятор TiF-HP с максимальной выходной мощностью (1.8 — 3 Вт на 800 нм); имеет самый широкий диапазон перестройки из семейства TiF — от 720 до 990 нм. Замечательно то, что ширина спектра титана в сапфире такова, что непосредственно из лазера, без хитроумных методов нелинейной оптики, в режиме синхронизации мод можно получать импульсы короче 10 фемтосекунд


Ист. фото cv.iee.unn.ru/site/about/news/nngu-stal-pobeditelem-v-konkurse-na-organizatsiyu-nauchnykh-tsentrov-mirovogo-urovnya
тот же текст с фото лучшего разрешения см. в моем ЖЖ
Олег Душин, аналитик
Телеграмм канал Аналитика без упрека -
t.me/edge_analitics