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2020年超快激光器规模超50亿元,随着技术的研发和完善,国产替代潜力无限[图]

2019年07月19日 13:21:59字号:T|T

 

    一、激光器工作原理及分类

    光从组成物质的原子中发射出来,原子获得能量后处于不稳定状态(也就是激发状态),它会以光子的形式把能量发射出去。激光是一种纯色、准直、高亮、同向、能量密度高的光子队列,常常被称为“最快的刀”、“最准的尺”、“最亮的光”。激光的应用很广泛,主要有激光打标、激光焊接、激光切割、光纤通信、激光光谱、激光测距等等。

    激光器一般包括三个部分,工作介质,激励源和谐振腔。泵浦源为激光器的光源,激光的产生必须选择合适的工作介质,可以是气体、液体、固体或半导体,在这种介质中可以实现粒子数反转,以制造获得激光的必要条件。谐振腔可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向,从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图

资料来源;公开资料整理

    激光技术自发明以来,已从方方面面走进了人们的生活,但激光器种类繁多,其各自波长不同,特性不同,因此所应用的领域也不同。激光器可以按照工作介质,输出形式,输出波长和激励方式分类。

激光器分类

资料来源;公开资料整理

    在工业上,通常将激光分成连续波、准连续、短脉冲、超短脉冲四类。连续波以多模连续光纤激光器为代表,占据了当前工业市场的大部分份额。准连续波又称长脉冲,可产生ms~μs量级的脉冲,占空比为10%,这使得脉冲光具有比连续光高十倍以上的峰值功率。短脉冲指的是ns量级的脉冲,广泛的应用于激光标刻、钻孔、医疗、激光测距、二次谐波的产生、军事等领域。超短脉冲则是我们所说的超快激光,包括达到ps、fs量级的脉冲激光。

    二、技术进步、超快激光器快速发展

    CPA技术突破瓶颈,超快激光成行业新秀

    CPA技术的提出,解决了超快激光发展的关键问题。在CPA技术提出前,科学家就已经利用锁模技术产生具有皮秒(ps,10−12s)及飞秒(fs,10−15s)脉宽的超短脉冲激光。但激光在达到放大饱和前,就由于强度依赖的克尔效应导致的自聚焦及元件损伤,激光强度的进一步发展遭遇巨大瓶颈。1985年,CPA技术的提出解决了这一难题,成为超快激光发展的里程碑。

    超快激光迅速发展,已成为激光行业重点研究方向。在CPA技术突破了超快激光发展瓶颈之后,超快激光的研发和应用进入了一个新的阶段。而今,超快激光已广泛运用于精密加工,医疗,科研,军事应用等领域。无论是全球激光巨头,还是国内的激光后起之秀,都着眼于超快激光领域,超快激光已经成为了激光行业争先研究发展的新宠。

    三、超快激光应用逐步扩展,发展迎来历史机遇。

    当前超快激光已走出实验室,逐步走向各个行业的实际应用,虽然当前超快激光价格较高,但随着技术的发展和成本的降低,超快激光在未来将会在多个行业广泛应用。国内外超快激光龙头已经率先将超快激光运用于相关产业,并且取得了良好的效果

    超快激光在真正意义上实现了冷加工,在精密加工方面有显著优势,随着超快激光器的生产工艺逐渐成熟,成本逐渐下降,未来有望广泛的应用于医疗生物、航空航天、消费电子、照明显示、能源环境、精密机械等下游行业。

    1、“冷”加工优势使得超快激光在多个领域独占鳌头。

    超快激光以其独特的超短持续时间和超强峰值功率正在打破以往传统的激光加工方法,开创了材料超精细、低损伤和空间3D加工和处理的新领域,该技术已在精密加工、消费电子、医学美容、航空航天、光伏能源等多个领域得到非常广泛应用。

    2、超快激光在多种材料的微细加工方面的应用。

    超快激光凭借其独特的“冷”加工优势,在多种材料的微细加工,包括、钻孔、切割、表面处理和3D结构制作方面表现出色。例如对于一般金属如钢、铜、铝等来说,由于具有很高的热导性和较低的熔点温度,在其表面实现高精度和高质量的钻空有很大的困难。而对于超快激光,由于脉冲持续时间只有飞秒量级,远小于材料中受激电子通过转移"转化等形式的能量释放时间,从根本上避免了热扩散的存在和影响。

    3、超快激光在消费电子领域的应用。

    全球消费电子产业发展迅速,消费电子产品朝着高集成化、高精密化方向升级,其产品内构件越来越小巧,精密度、电子集成度越来越高。在产品研发中,更轻、更薄、更便携是设计师的追求目标,由此带来了新材料、新工艺的不断进步。消费电子行业中广泛应用的柔性材料、硬脆透明材料等,使加工变得日益高、精、尖、难。而超快激光技术的发展为消费电子行业的精密加工带来了更好的解决方案。

超快激光在消费电子领域的应用

资料来源:公开资料整理

    4、超快激光在医疗美容领域的应用。

    超快激光在医疗领域的应用也日益广泛,包括我们熟知的飞秒激光近视治疗,也包括高精尖的心脏支架加工。心脏支架的制造方式包含“由大做小”的激光切割、等离子切割、电火花加工、光蚀刻,或是“由小做大”的编织、铸造、电铸、3D打印等。其中,由于激光切割的支架质量好,自动化程度高,且成本较低,激光切割已成为支架制作的主流方式。在医疗美容方面,超快激光主要是应用于祛痣祛斑祛黑色素、祛纹身、嫩肤等领域。

    5、超快激光在航空航天领域的应用。

    航空领域,西安光学精密机械研究所率先利用超快激光极端制造技术攻克了新型超高温单晶材料和高精度复杂微结构制造难题,实现了对高压涡轮叶片气膜孔的“超精细冷加工”,解决了现有电火花、长脉冲激光加工工艺存在重铸层、微裂纹、再结晶等缺陷的问题,完成了国产发动机多型号、多批次高压涡轮单晶叶片的气膜孔加工及验证,为国产大飞机发动机换上“中国心”打下坚实基础。除此以外,超快激光还应用于航空滤网清洗,引擎喷油嘴打孔等方向。

    6、超快激光在光伏能源领域的应用。

    超快激光凭借其独特优势,在光伏能源领域应用也取得了一定的成果。钙钛矿薄膜太阳能电池制造是光伏产业新的发展方向,具有取代现有晶硅太阳能电池产业的潜力。在钙钛矿薄膜太阳能电池的精密加工过程中,超快激光加工起着至关重要的作用。

    7、超快激光在精密检测领域的应用。

    太赫兹(Terahertz,THz)辐射是对位于某一个特定频段电磁辐射的统称,对应的频率在0.1~10THz(1THz=1012Hz)。基于太赫兹波自身特点,其对目前应用较多的复合材料有着良好的透过性及成像效果,所以太赫兹波可以在无损检测领域发挥独特优势。目前最常用的太赫兹产生及检测手段是太赫兹时域光谱(TerahertzTimeDomainSpectroscopy,THz-TDS)系统,其由飞秒激光器、太赫兹源、太赫兹探测器及延迟线组成。

    系统利用飞秒激光脉冲产生太赫兹脉冲,并探测被测样品的透射波或反射波,然后通过傅里叶变换获取探测信号的频谱,进而对测量样品进行鉴定。

透视式太赫兹时域光谱系统

资料来源:公开资料整理

    四、国内厂商奋起直追,国产替代潜力无限

    近年来,中国传统制造业正面临深度转型和升级,附加值更高的高端精密加工市场需求大幅增长。随着这一转变,激光技术在消费电子、新型显示、激光内雕、生物医疗等领域获得了越来越多的应用,这些新的需求对激光加工精细度的要求变得更加苛刻。在强大的市场需求力刺激下,超快激光技术不断取得新的突破,并迅速成为行业重点关注的发展方向。而在超快激光器领域,当前国内大部分产品依靠进口。进口超快激光器占据了先发技术的优势,其可靠性和稳定性已被广泛认可,即便价格较高,也同样为国内用户所接受。

    2018年,国内激光龙头大族激光发布了自主研发的国内首款达到20W的飞秒激光器。部分激光器制造企业已在超快激光领域深耕多年,例如华日激光从2014年开始从事超快激光器的研究。而今面对充满潜力的市场,众多激光厂商也纷纷涉足超快激光技术的研发和应用,国内超快激光发展态势蒸蒸日上。随着国产技术的研发和完善,我们认为国产超快激光器将凭借价格优势在市场上占据一席之地。

    中国的激光产业在地域上呈现出很强的集聚性,各区域均有超快激光器厂商。我国目前已经形成华中、珠三角、长三角、环渤海四大激光产业带,四大区域均有数家超快激光器研发和生产企业。

中国四大激光产业集中带

资料来源:公开资料整理

    五、超快激光器前景

    从我国市场规模来看,超快激光行业正处于快速发展阶段,智研咨询发布的《2019-2025年中国超快激光器行业市场现状分析及发展前景预测报告》显示:2017年我国超快激光器市场约13.5亿元,预计2020年将超过50亿元。

2015 年-2018 年国产超快激光器销售数量(台)

资料来源:公开资料整理

2017年~2020年超快激光器市场规模

资料来源:公开资料整理

    我国民用超快激光器在全世界范围内发展较快,己渡过萌芽期、成长期,进入技术成熟期。北京、湖北和上海是目前中国超快激光器研制和发展的先进地区,湖北工业大学、中科院半导体研究所和温州大学技术暂时领先,但中国超快激光器的发展也存在过分集中在光学谐振器、部件的结构和形状研究,以及在利用激光束加工方面创新不足等问题。

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