Может ли оптическое волокно, тонкое как человеческий волос, передавать лазерную энергию мощностью в десятки тысяч ватт? 

Может ли оптическое волокно, тонкое как человеческий волос, передавать лазерную энергию мощностью в десятки тысяч ватт?

Может ли оптическое волокно, тонкое как человеческий волос, передавать лазерную энергию мощностью в десятки тысяч ватт? Компания, базирующаяся в «Оптической долине» (Optics Valley), дала на этот вопрос уникальный и исчерпывающий ответ.

Компания Wuhan Ruixin Special Optical Fiber Co., Ltd. (далее — Ruixin Fiber), дочернее предприятие Raycus Laser, самостоятельно разработала одномодовое оптическое волокно, легированное иттербием, способное выдерживать мощность в десятки тысяч ватт.

Из-за исключительной сложности разработки этот тип волокна в отрасли когда-то называли «невозможным волокном». В сентябре прошлого года, используя этот продукт, компания Raycus Laser успешно создала единственный в мире волоконный лазер, работающий практически в режиме основной моды и обеспечивающий выходную мощность в несколько киловатт, тем самым установив новый мировой рекорд.

«Оптическое волокно — это ключевой элемент волоконного лазера; от того, каким волокном вы располагаете, зависит уровень производительности, которого может достичь лазер», — отметил Ли Цун, руководитель отдела маркетинга Ruixin Fiber. Раньше китайским лазерным компаниям приходилось обращаться к зарубежным фирмам для закупки специальных оптических волокон, часто сталкиваясь с перебоями в поставках; сегодня же специальные волокна собственной разработки Ruixin Fiber продаются по всему миру, а производственные линии работают круглосуточно.

Дорого и трудно достать? Лучше производить самим

Если сравнить волоконный лазер с сердцем, то три типа специальных оптических волокон — активные, пассивные и волокна для передачи излучения (delivery fibers) — выполняют роль кровеносных сосудов. Лазерная энергия непрерывно течет по этим сосудам, подобно крови, обеспечивая мощную работу «сердца».

Еще в 2007 году компания Raycus Laser разработала первый в стране импульсный волоконный лазер мощностью 25 Вт, совершив прорыв и перейдя от нуля к единице; однако специальные оптические волокна, необходимые для мощных волоконных лазеров, по-прежнему приходилось импортировать.

«Импортные специальные оптические волокна могли стоить более тысячи юаней за метр, при этом их наличие не гарантировалось — их нельзя было просто купить в любой момент», — рассказал Ли Цун. Зарубежные поставщики не открывали свои рынки для китайских компаний в полной мере, не давали гарантий по срокам поставки и не обеспечивали послепродажную поддержку. «Какими бы жесткими ни были условия, нам приходилось с ними мириться: в случае конфликта с поставщиком комплектующих поставки могли прекратиться полностью».

В 2011 году государство поставило перед компанией Raycus Laser важную стратегическую задачу: «Мы должны самостоятельно производить ключевой компонент волоконных лазеров — активное оптическое волокно, — обеспечивая тем самым независимый контроль над технологией».

Компания Ruixin Fiber была основана в 2013 году с четкой миссией: специализироваться на производстве особых видов волокна для волоконных лазеров, устраняя тем самым критический пробел в цепочке поставок для Raycus Laser и всей отечественной лазерной отрасли.

Разработка специализированного волокна — это сложнейшая область независимых инноваций, требующая значительных инвестиций в материальные активы, кадры и производственные процессы. «Научно-исследовательские институты могут проводить изыскания, но реальное производство продукта, его поставка и обеспечение стабильной работы в условиях эксплуатации — это совершенно иные задачи», — отмечает У Цзе, руководитель отдела исследований и разработок Ruixin Fiber. Чтобы справиться с этим вызовом, команда начала с основ: при отсутствии ключевых данных их получали путем поэтапных экспериментов; не имея специализированного испытательного оборудования, сначала использовали методы, основанные на эталонных образцах волокна, а затем постоянно их совершенствовали; когда показатели выхода годной продукции были низкими, формулы и параметры корректировали до тех пор, пока не удавалось наладить стабильное производство.

На второй год работы компания Ruixin Fiber успешно выпустила свое первое активное волокно собственной разработки. В 2015 году продукт прошел оценку научно-технических достижений, организованную Департаментом науки и технологий провинции Хубэй, и был признан соответствующим передовому международному уровню. Что еще важнее, решив эту сложнейшую задачу до того, как внешние условия существенно изменились, Ruixin Fiber не только устранила препятствия для будущего роста, но и укрепила уверенность в своих силах для дальнейшего покорения новых высот благодаря инновациям.

От роли догоняющего к заданию курса

Согласно «Отчету о развитии лазерной индустрии Китая — 2025», компания Ruixin Fiber занимает наибольшую долю рынка специализированных волокон, используемых в лазерах отечественного производства, а коэффициент использования производственных мощностей в 2025 году достиг 97%.

Путь от выпуска первого продукта до лидерства на рынке занял восемь лет. По мнению У Цзе, стремительный рост Ruixin Fiber обусловлен уникальным преимуществом: компания и ее материнская фирма служат друг для друга «взаимными испытательными площадками». «Raycus Laser формулирует требования, а Ruixin Fiber изготавливает образцы; Raycus Laser проводит испытания на оборудовании и выявляет проблемы, после чего Ruixin Fiber корректирует рецептуры и параметры», — рассказывает У Цзе. В данной отрасли цикл разработки и совершенствования специализированных оптических волокон обычно превышает год, однако благодаря эффективному сотрудничеству Raycus Laser и Ruixin Fiber этот срок удалось сократить до менее чем трех месяцев. Такое партнерство не только активно способствует разработке новых продуктов Raycus Laser, но и открывает более широкие возможности на рынке.

«Когда новые запросы конечных потребителей удовлетворяются оперативно, конкурентоспособность продукции закономерно возрастает», — отмечает Ли Цун. Он считает, что смысл упорного следования курсу на собственные инновации заключается не просто в «импортозамещении», а в сохранении полного контроля над определением характеристик продукта.

Настоящим событием, привлекшим всеобщее внимание в отрасли, стала разработка компанией Ruixin Fiber одномодового волокна с иттербиевым легированием, рассчитанного на мощность 10 кВт; работы над ним начались в 2020 году.

По мере того как мощность волоконных лазеров выросла с уровня одного киловатта до десяти, к специализированным волокнам стали предъявляться новые требования. По сравнению с волокнами киловаттного класса, волокна класса 10 кВт имеют сердцевину, площадь поперечного сечения которой в несколько раз больше. Увеличение размеров сердцевины значительно усложняет задачу обеспечения равномерного легирования редкоземельными элементами, не допуская при этом ни малейших дефектов. До этого ни одной компании в мире не удавалось покорить эту вершину.

Почему Ruixin Fiber решила взяться за столь сложную задачу? Потому что иного пути не было. У Цзе поясняет: поскольку мощность лазеров у конечных потребителей постоянно растет, отставание в разработке специализированных волокон ограничивает производительность всей системы; кроме того, сохранение зависимости от сторонних поставщиков ключевых материалов делает невозможной модернизацию отрасли. «Чтобы сделать волоконные лазеры более мощными, стабильными и эффективными, нам необходимо было преодолеть технологический барьер, связанный с созданием одномодового специализированного волокна класса 10 кВт».

После пяти лет исследований и разработок компания Ruixin Fiber в прошлом году представила собственную технологию «кругового перемешивания мод в волокне с двойной оболочкой» (circular mode-scrambling double-clad technology). Благодаря этому нововведению выходная мощность одного волокна достигла 22 000 Вт, что позволило создавать мощные лазеры с номинальной мощностью 12 000 и 20 000 Вт.

Обладая передовыми технологиями и продукцией мирового уровня, компания добилась изменения отношения рынка. «Еще несколько лет назад, когда мы представляли свою продукцию на зарубежных выставках, клиенты часто спрашивали: “Откуда у вас эта технология? Насколько она надежна?”» — вспоминает Ли Цун. С тех пор ситуация кардинально изменилась: более десятка известных мировых компаний, работающих в сфере лазерных технологий, сами проявили интерес к продукции Ruixin Fiber, и все без исключения высоко оценили ее качество после практического применения.

**Выход за рамки традиционных рынков для удовлетворения инновационных потребностей**

С наступлением эры искусственного интеллекта ценность оптического волокна переосмысливается, а сфера его применения расширяется. Компания Ruixin Fiber не ограничивает свое развитие исключительно областью волоконных лазеров.

На сегодняшний день Ruixin Fiber сформировала портфель продукции, включающий десять основных серий и сотни наименований с различными техническими характеристиками. Эти изделия находят применение в самых разных отраслях: от промышленных лазеров, волоконно-оптической связи, гироскопов и лидаров до медицинских и космических лазеров, волоконно-оптических датчиков, а также других специализированных компонентов и сервисов.

В производственных цехах продукция компании используется в мощных волоконных лазерах, задействованных в передовых технологических процессах — например, при резке металла сверхбольшой толщины и сварке аккумуляторов для электромобилей. В сетях связи эти волокна служат важнейшим элементом систем усиления сигнала; высокое качество видеоизображения и минимальная задержка при видеозвонках во многом обеспечиваются именно благодаря этой специализированной технологии.

Еще более сложные задачи решаются в космической отрасли. Орбитальные спутники постоянно подвергаются воздействию радиации (в частности, высокоэнергетических частиц и космических лучей), что может ухудшить характеристики стандартных оптических волокон и нарушить стабильность межспутниковой связи. Ruixin Fiber выпустила линейку радиационно-стойких изделий — включая волокна, легированные эрбием, эрбием и иттербием, а также радиационно-стойкие волокна с сохранением поляризации, — обеспечивающих необходимую технологическую базу для межспутниковой оптической связи и передачи данных в открытом космическом пространстве.

Существуют и неожиданные, сугубо земные сферы применения. Например, лазеры, оснащенные специализированными волокнами, используются для дробления камней в почках; Лазер превращает камни в пыль, которая затем выводится из организма естественным путем, что значительно снижает дискомфорт для пациента.

«Когда в конце 2013 года была основана компания Ruixin Fiber, в ней работало всего шесть человек, однако на нее была возложена важная государственная задача». У Цзе, ранее работавший в оптической компании, в начале 2014 года узнал, что Ruixin Fiber занимается решением сложных технических задач по производству специализированных волокон для волоконных лазеров, и твердо решил присоединиться к команде. В конце беседы журналист спросил У Цзе: «Когда вы пришли в Ruixin Fiber, понимали ли вы, насколько сложно будет наладить в Китае собственное производство специализированных оптических волокон?» У Цзе спокойно ответил: «Я предвидел трудности, и путь действительно был полон препятствий, но это было важное дело, которое необходимо было выполнить. Я твердо верил, что рано или поздно мы добьемся успеха, — и мы действительно его добились».