2020年超快激光器規(guī)模超50億元，隨著技術(shù)的研發(fā)和完善，國產(chǎn)替代潛力無限[圖]

    一、激光器工作原理及分類

    光從組成物質(zhì)的原子中發(fā)射出來，原子獲得能量后處于不穩(wěn)定狀態(tài)（也就是激發(fā)狀態(tài)），它會(huì)以光子的形式把能量發(fā)射出去。激光是一種純色、準(zhǔn)直、高亮、同向、能量密度高的光子隊(duì)列，常常被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”。激光的應(yīng)用很廣泛，主要有激光打標(biāo)、激光焊接、激光切割、光纖通信、激光光譜、激光測距等等。

    激光器一般包括三個(gè)部分，工作介質(zhì)，激勵(lì)源和諧振腔。泵浦源為激光器的光源，激光的產(chǎn)生必須選擇合適的工作介質(zhì)，可以是氣體、液體、固體或半導(dǎo)體，在這種介質(zhì)中可以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，以制造獲得激光的必要條件。諧振腔可使腔內(nèi)的光子有一致的頻率、相位和運(yùn)行方向，從而使激光具有良好的方向性和相干性。

激光器工作原理示意圖

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    激光技術(shù)自發(fā)明以來，已從方方面面走進(jìn)了人們的生活，但激光器種類繁多，其各自波長不同，特性不同，因此所應(yīng)用的領(lǐng)域也不同。激光器可以按照工作介質(zhì)，輸出形式，輸出波長和激勵(lì)方式分類。

激光器分類

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    在工業(yè)上，通常將激光分成連續(xù)波、準(zhǔn)連續(xù)、短脈沖、超短脈沖四類。連續(xù)波以多模連續(xù)光纖激光器為代表，占據(jù)了當(dāng)前工業(yè)市場的大部分份額。準(zhǔn)連續(xù)波又稱長脈沖，可產(chǎn)生ms～μs量級的脈沖，占空比為10％，這使得脈沖光具有比連續(xù)光高十倍以上的峰值功率。短脈沖指的是ns量級的脈沖，廣泛的應(yīng)用于激光標(biāo)刻、鉆孔、醫(yī)療、激光測距、二次諧波的產(chǎn)生、軍事等領(lǐng)域。超短脈沖則是我們所說的超快激光，包括達(dá)到ps、fs量級的脈沖激光。

    二、技術(shù)進(jìn)步、超快激光器快速發(fā)展

    CPA技術(shù)突破瓶頸，超快激光成行業(yè)新秀

    CPA技術(shù)的提出，解決了超快激光發(fā)展的關(guān)鍵問題。在CPA技術(shù)提出前，科學(xué)家就已經(jīng)利用鎖模技術(shù)產(chǎn)生具有皮秒(ps，10−12s)及飛秒(fs，10−15s)脈寬的超短脈沖激光。但激光在達(dá)到放大飽和前，就由于強(qiáng)度依賴的克爾效應(yīng)導(dǎo)致的自聚焦及元件損傷，激光強(qiáng)度的進(jìn)一步發(fā)展遭遇巨大瓶頸。1985年，CPA技術(shù)的提出解決了這一難題，成為超快激光發(fā)展的里程碑。

    超快激光迅速發(fā)展，已成為激光行業(yè)重點(diǎn)研究方向。在CPA技術(shù)突破了超快激光發(fā)展瓶頸之后，超快激光的研發(fā)和應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的階段。而今，超快激光已廣泛運(yùn)用于精密加工，醫(yī)療，科研，軍事應(yīng)用等領(lǐng)域。無論是全球激光巨頭，還是國內(nèi)的激光后起之秀，都著眼于超快激光領(lǐng)域，超快激光已經(jīng)成為了激光行業(yè)爭先研究發(fā)展的新寵。

    三、超快激光應(yīng)用逐步擴(kuò)展，發(fā)展迎來歷史機(jī)遇。

    當(dāng)前超快激光已走出實(shí)驗(yàn)室，逐步走向各個(gè)行業(yè)的實(shí)際應(yīng)用，雖然當(dāng)前超快激光價(jià)格較高，但隨著技術(shù)的發(fā)展和成本的降低，超快激光在未來將會(huì)在多個(gè)行業(yè)廣泛應(yīng)用。國內(nèi)外超快激光龍頭已經(jīng)率先將超快激光運(yùn)用于相關(guān)產(chǎn)業(yè)，并且取得了良好的效果

    超快激光在真正意義上實(shí)現(xiàn)了冷加工，在精密加工方面有顯著優(yōu)勢，隨著超快激光器的生產(chǎn)工藝逐漸成熟，成本逐漸下降，未來有望廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療生物、航空航天、消費(fèi)電子、照明顯示、能源環(huán)境、精密機(jī)械等下游行業(yè)。

    1、“冷”加工優(yōu)勢使得超快激光在多個(gè)領(lǐng)域獨(dú)占鰲頭。

    超快激光以其獨(dú)特的超短持續(xù)時(shí)間和超強(qiáng)峰值功率正在打破以往傳統(tǒng)的激光加工方法，開創(chuàng)了材料超精細(xì)、低損傷和空間3D加工和處理的新領(lǐng)域，該技術(shù)已在精密加工、消費(fèi)電子、醫(yī)學(xué)美容、航空航天、光伏能源等多個(gè)領(lǐng)域得到非常廣泛應(yīng)用。

    2、超快激光在多種材料的微細(xì)加工方面的應(yīng)用。

    超快激光憑借其獨(dú)特的“冷”加工優(yōu)勢，在多種材料的微細(xì)加工，包括、鉆孔、切割、表面處理和3D結(jié)構(gòu)制作方面表現(xiàn)出色。例如對于一般金屬如鋼、銅、鋁等來說，由于具有很高的熱導(dǎo)性和較低的熔點(diǎn)溫度，在其表面實(shí)現(xiàn)高精度和高質(zhì)量的鉆空有很大的困難。而對于超快激光，由于脈沖持續(xù)時(shí)間只有飛秒量級，遠(yuǎn)小于材料中受激電子通過轉(zhuǎn)移"轉(zhuǎn)化等形式的能量釋放時(shí)間，從根本上避免了熱擴(kuò)散的存在和影響。

    3、超快激光在消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用。

    全球消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，消費(fèi)電子產(chǎn)品朝著高集成化、高精密化方向升級，其產(chǎn)品內(nèi)構(gòu)件越來越小巧，精密度、電子集成度越來越高。在產(chǎn)品研發(fā)中，更輕、更薄、更便攜是設(shè)計(jì)師的追求目標(biāo)，由此帶來了新材料、新工藝的不斷進(jìn)步。消費(fèi)電子行業(yè)中廣泛應(yīng)用的柔性材料、硬脆透明材料等，使加工變得日益高、精、尖、難。而超快激光技術(shù)的發(fā)展為消費(fèi)電子行業(yè)的精密加工帶來了更好的解決方案。

超快激光在消費(fèi)電子領(lǐng)域的應(yīng)用

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    4、超快激光在醫(yī)療美容領(lǐng)域的應(yīng)用。

    超快激光在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用也日益廣泛，包括我們熟知的飛秒激光近視治療，也包括高精尖的心臟支架加工。心臟支架的制造方式包含“由大做小”的激光切割、等離子切割、電火花加工、光蝕刻，或是“由小做大”的編織、鑄造、電鑄、3D打印等。其中，由于激光切割的支架質(zhì)量好，自動(dòng)化程度高，且成本較低，激光切割已成為支架制作的主流方式。在醫(yī)療美容方面，超快激光主要是應(yīng)用于祛痣祛斑祛黑色素、祛紋身、嫩膚等領(lǐng)域。

    5、超快激光在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用。

    航空領(lǐng)域，西安光學(xué)精密機(jī)械研究所率先利用超快激光極端制造技術(shù)攻克了新型超高溫單晶材料和高精度復(fù)雜微結(jié)構(gòu)制造難題，實(shí)現(xiàn)了對高壓渦輪葉片氣膜孔的“超精細(xì)冷加工”，解決了現(xiàn)有電火花、長脈沖激光加工工藝存在重鑄層、微裂紋、再結(jié)晶等缺陷的問題，完成了國產(chǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)多型號、多批次高壓渦輪單晶葉片的氣膜孔加工及驗(yàn)證，為國產(chǎn)大飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)換上“中國心”打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。除此以外，超快激光還應(yīng)用于航空濾網(wǎng)清洗，引擎噴油嘴打孔等方向。

    6、超快激光在光伏能源領(lǐng)域的應(yīng)用。

    超快激光憑借其獨(dú)特優(yōu)勢，在光伏能源領(lǐng)域應(yīng)用也取得了一定的成果。鈣鈦礦薄膜太陽能電池制造是光伏產(chǎn)業(yè)新的發(fā)展方向，具有取代現(xiàn)有晶硅太陽能電池產(chǎn)業(yè)的潛力。在鈣鈦礦薄膜太陽能電池的精密加工過程中，超快激光加工起著至關(guān)重要的作用。

    7、超快激光在精密檢測領(lǐng)域的應(yīng)用。

    太赫茲（Terahertz，THz）輻射是對位于某一個(gè)特定頻段電磁輻射的統(tǒng)稱，對應(yīng)的頻率在0.1~10THz（1THz=1012Hz）。基于太赫茲波自身特點(diǎn)，其對目前應(yīng)用較多的復(fù)合材料有著良好的透過性及成像效果，所以太赫茲波可以在無損檢測領(lǐng)域發(fā)揮獨(dú)特優(yōu)勢。目前最常用的太赫茲產(chǎn)生及檢測手段是太赫茲時(shí)域光譜（TerahertzTimeDomainSpectroscopy，THz-TDS）系統(tǒng)，其由飛秒激光器、太赫茲源、太赫茲探測器及延遲線組成。

    系統(tǒng)利用飛秒激光脈沖產(chǎn)生太赫茲脈沖，并探測被測樣品的透射波或反射波，然后通過傅里葉變換獲取探測信號的頻譜，進(jìn)而對測量樣品進(jìn)行鑒定。

透視式太赫茲時(shí)域光譜系統(tǒng)

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    四、國內(nèi)廠商奮起直追，國產(chǎn)替代潛力無限

    近年來，中國傳統(tǒng)制造業(yè)正面臨深度轉(zhuǎn)型和升級，附加值更高的高端精密加工市場需求大幅增長。隨著這一轉(zhuǎn)變，激光技術(shù)在消費(fèi)電子、新型顯示、激光內(nèi)雕、生物醫(yī)療等領(lǐng)域獲得了越來越多的應(yīng)用，這些新的需求對激光加工精細(xì)度的要求變得更加苛刻。在強(qiáng)大的市場需求力刺激下，超快激光技術(shù)不斷取得新的突破，并迅速成為行業(yè)重點(diǎn)關(guān)注的發(fā)展方向。而在超快激光器領(lǐng)域，當(dāng)前國內(nèi)大部分產(chǎn)品依靠進(jìn)口。進(jìn)口超快激光器占據(jù)了先發(fā)技術(shù)的優(yōu)勢，其可靠性和穩(wěn)定性已被廣泛認(rèn)可，即便價(jià)格較高，也同樣為國內(nèi)用戶所接受。

    2018年，國內(nèi)激光龍頭大族激光發(fā)布了自主研發(fā)的國內(nèi)首款達(dá)到20W的飛秒激光器。部分激光器制造企業(yè)已在超快激光領(lǐng)域深耕多年，例如華日激光從2014年開始從事超快激光器的研究。而今面對充滿潛力的市場，眾多激光廠商也紛紛涉足超快激光技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用，國內(nèi)超快激光發(fā)展態(tài)勢蒸蒸日上。隨著國產(chǎn)技術(shù)的研發(fā)和完善，我們認(rèn)為國產(chǎn)超快激光器將憑借價(jià)格優(yōu)勢在市場上占據(jù)一席之地。

    中國的激光產(chǎn)業(yè)在地域上呈現(xiàn)出很強(qiáng)的集聚性，各區(qū)域均有超快激光器廠商。我國目前已經(jīng)形成華中、珠三角、長三角、環(huán)渤海四大激光產(chǎn)業(yè)帶，四大區(qū)域均有數(shù)家超快激光器研發(fā)和生產(chǎn)企業(yè)。

中國四大激光產(chǎn)業(yè)集中帶

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    五、超快激光器前景

    從我國市場規(guī)模來看，超快激光行業(yè)正處于快速發(fā)展階段，智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國超快激光器行業(yè)市場現(xiàn)狀分析及發(fā)展前景預(yù)測報(bào)告》顯示：2017年我國超快激光器市場約13.5億元，預(yù)計(jì)2020年將超過50億元。

2015 年-2018 年國產(chǎn)超快激光器銷售數(shù)量（臺(tái)）

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2017年~2020年超快激光器市場規(guī)模

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    我國民用超快激光器在全世界范圍內(nèi)發(fā)展較快，己渡過萌芽期、成長期，進(jìn)入技術(shù)成熟期。北京、湖北和上海是目前中國超快激光器研制和發(fā)展的先進(jìn)地區(qū)，湖北工業(yè)大學(xué)、中科院半導(dǎo)體研究所和溫州大學(xué)技術(shù)暫時(shí)領(lǐng)先，但中國超快激光器的發(fā)展也存在過分集中在光學(xué)諧振器、部件的結(jié)構(gòu)和形狀研究，以及在利用激光束加工方面創(chuàng)新不足等問題。