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我國激光器核心元器件進口轉國產(chǎn)，助力名族自信
激光器是利用受激輻射方法產(chǎn)生可見光或不可見光的一種器件，構造復雜，技術壁壘較高，是大量光學材料和元器件組成的綜合系統(tǒng)，居于整個激光產(chǎn)業(yè)鏈的核心中樞位置，主要由光學系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機械機構四個部分組成，其中光學系統(tǒng)主要由泵浦源(激勵源)、增益介質(工作物質)和諧振腔等光學器件材料組成。
作為終端設備的核心光學系統(tǒng)，激光器的性能往往直接決定激光設備輸出光束的質量和功率，是下游激光設備最核心的部件。
激光器分類
激光器可以按照增益介質、輸出波長、運轉方式、泵浦方式進行分類，具體情況如下圖所示。
01
按增益介質分類
根據(jù)增益介質的不同，激光器可以分為固態(tài)(含固體、半導體、光纖、混合)、液體激光器、氣體激光器等。
由于穩(wěn)定性好、功率較高、維護成本低，固態(tài)激光器的應用占絕對優(yōu)勢。固態(tài)激光器中，半導體激光器具有效率高、體積小、壽命長、低能耗等優(yōu)點，一方面可以直接應用于激光加工、醫(yī)療、通訊、傳感、顯示、監(jiān)控及國防應用的核心光源和支撐，已經(jīng)成為現(xiàn)代激光技術發(fā)展的重要基礎，具有戰(zhàn)略性的發(fā)展意義。另一方面，半導體激光器還可以作為固體激光器和光纖激光器等其他激光器的核心泵浦光源，極大地推動了整個激光領域的技術進步。世界各主要發(fā)達國家均將其列入國家級發(fā)展計劃，給予大力支持，并得到快速發(fā)展。
02
按泵浦方式分類
激光器按泵浦方式可分為電泵浦、光泵浦、化學泵浦激光器等。電泵浦激光器指以電流方式激勵的激光器，氣體激光器多以氣體放電方式進行激勵，而半導體激光器多采用電流注入方式進行激勵。
光泵浦激光器指以光泵方式激勵的激光器，幾乎所有固體激光器、液體激光器均屬于光泵浦激光器，而半導體激光器被作為光泵浦激光器的核心泵浦光源。
化學泵浦激光器指利用化學反應釋放的能量對工作物質進行激勵的激光器。
03
按運轉方式分類
激光器按運轉方式主要可以分為連續(xù)激光器和脈沖激光器。連續(xù)激光器中各能級的粒子數(shù)及腔內(nèi)輻射場均具有穩(wěn)定分布，其工作特點是工作物質的激勵和相應的激光輸出可以在一段較長的時間范圍內(nèi)以連續(xù)方式持續(xù)進行。
連續(xù)激光器可以在較長一段時間內(nèi)連續(xù)輸出激光，但熱效應較明顯。脈沖激光器指激光功率維持在一定值時所持續(xù)的時間，以不連續(xù)方式輸出激光，主要特點是熱效應小，可控性好。
04
按輸出波長分類
激光器按照波長可分為紅外光激光器、可見光激光器、紫外激光器、深紫外激光器等。不同結構的物質可吸收的光波長范圍不同，因此需要各種不同波長的激光器用于不同材料的精細加工或者不同應用場景。紅外激光器與紫外激光器是運用最廣泛的兩種激光器，紅外激光器主要應用于“熱加工”，將材料表面的物質加熱并使其汽化(蒸發(fā))，以除去材料;在薄膜非金屬材料加工，半導體晶圓切割，有機玻璃切割、鉆孔、打標等領域，高能量的紫外光子直接破壞非金屬材料表面的分子鍵，使分子脫離物體，這種方式不會產(chǎn)生高熱量反應，因此通常被稱為“冷加工”，紫外激光器在微加工領域具有不可替代的優(yōu)勢。
由于紫外光子能量大，難以通過外激勵源激勵產(chǎn)生一定高功率的連續(xù)紫外激光，故紫外激光一般是應用晶體材料非線性效應變頻方法產(chǎn)生，因此目前廣泛應用工業(yè)領域的紫外激光器主要是固體紫外激光器。
我國激光器發(fā)展現(xiàn)狀
當前，激光工業(yè)在全球發(fā)展迅猛，現(xiàn)在已廣泛應用于激光智能制造裝備、生物醫(yī)學美容、激光顯示、激光雷達、高速光通信、人工智能、機器視覺與傳感、3D識別、激光印刷、科研等領域。
根據(jù)最新數(shù)據(jù)，2019年，全球激光器銷售收入達147.3億美元，較上年增長7.05%。預計2020年，該市場規(guī)模將達到162億美元，增速接近10%。隨著全球智能化發(fā)展，智能設備、消費電子、新能源等領域對激光器的需求不斷增長，以及醫(yī)療、美容儀器設備等新興應用領域的持續(xù)拓展，全球激光器的市場規(guī)模將繼續(xù)保持穩(wěn)定增長。如表1所示。
隨著激光技術的逐步成熟和產(chǎn)業(yè)化，一方面，國產(chǎn)激光設備的質量、技術與服務在競爭中慢慢提高，國產(chǎn)激光產(chǎn)品的崛起正在逐步取代進口的激光產(chǎn)品;另一方面，激光技術的應用比許多傳統(tǒng)制造技術更具成本效益，使激光應用得以迅速普及。
從激光器產(chǎn)品來看，低功率激光器幾乎完全實現(xiàn)國產(chǎn)替代，中功率激光器國產(chǎn)化率提高迅速，高功率尤其萬瓦級激光器國產(chǎn)化率較低，核心元器件進口替代正當時。
激光加工設備發(fā)展情況
隨著中國經(jīng)濟的發(fā)展與國家戰(zhàn)略的深入實施，制造業(yè)對自動化、智能化生產(chǎn)模式的需求日益增長，中國激光產(chǎn)業(yè)也逐漸進入高速發(fā)展期。受益于各類金屬及非金屬部件加工的旺盛需求，激光加工設備市場迎來持續(xù)穩(wěn)定的增長。
2020年工業(yè)、信息、商業(yè)、醫(yī)學和科研領域的激光設備(含進口)市場銷售總收入為692億元，較2019年同比增長了5.2個百分點。雖然新冠疫情以及世界經(jīng)濟的復蘇還存在很大的不確定性影響，但是中國經(jīng)濟持續(xù)向好的大趨勢不會改變。預計2021年中國激光設備市場整體銷售收入為770億元，將會持續(xù)穩(wěn)定增長。
隨著“中國制造2025”的提出，我國將加速先進制造技術及自動化技術的應用，實現(xiàn)國家產(chǎn)業(yè)技術的又一次升級換代，激光技術也將進一步實現(xiàn)對傳統(tǒng)制造技術的替代。未來，傳統(tǒng)加工技術替代市場將為激光加工產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供較大的市場空間，中國已成長為激光加工設備的全球最大單體市場。
我國激光行業(yè)的未來發(fā)展趨勢
與歐美發(fā)達國家相比，我國激光技術起步并不晚，但是在激光技術應用及高端核心技術方面卻仍存在著不小的差距，尤其上游半導體激光芯片等核心元器件仍依賴進口。以美國、德國、日本等為代表的發(fā)達國家在部分大型工業(yè)領域已經(jīng)基本完成了對傳統(tǒng)制造技術的替換，步入“光制造”時代;我國激光應用雖發(fā)展迅速，但應用滲透率仍相對較低。作為產(chǎn)業(yè)升級的核心技術，激光行業(yè)將繼續(xù)作為國家重點支持領域，并不斷擴大應用范圍，最終推動我國制造業(yè)向“光制造”時代邁進。
半導體激光芯片等核心部件逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化
近年來，我國光纖激光器行業(yè)處于快速成長階段，國產(chǎn)化程度逐年上升。從市場滲透率來看，低功率光纖激光器市場中，2019年國產(chǎn)激光器市場份額高達99.01%;中功率光纖激光器市場中，國產(chǎn)激光器滲透率近年來維持在50%以上的水平;高功率光纖激光器的國產(chǎn)化進程也在逐步推進，從2013年到2019年間實現(xiàn)“從無到有”，并達到了55.56%的滲透率，預計2020年高功率光纖激光器的國產(chǎn)滲透率為57.58%。
但高功率半導體激光芯片等核心元器件仍依賴進口，以半導體激光芯片為核心的激光器上游元器件正在逐步實現(xiàn)國產(chǎn)替代，一方面提升國產(chǎn)激光器上游元器件的市場規(guī)模，另一方面，隨著上游核心元器件的國產(chǎn)化，可提高國內(nèi)激光器廠商參與國際競爭的能力。
激光應用領域滲透速度加快、范圍變廣
隨著上游核心光電子元器件逐步實現(xiàn)國產(chǎn)化，激光器應用成本逐步下降，激光器將更深地滲透到眾多行業(yè)。一方面，對中國而言，激光加工也契合中國制造業(yè)重點升級的十大應用領域，預計未來激光加工的應用領域將進一步拓展，市場規(guī)模進一步擴大。另一方面，隨著無人駕駛、高級輔助駕駛系統(tǒng)、服務型機器人、3D傳感等技術的不斷普及發(fā)展，將更多的應用于汽車、人工智能、消費電子、人臉識別、光通信及國防科研等眾多領域。而半導體激光器作為上述激光應用的核心器件或部件，也將獲得快速發(fā)展空間。
更高功率、更好光束質量、更短波長及更快頻率方向發(fā)展
在工業(yè)激光器領域，光纖激光器在輸出功率、光束質量和亮度等方面自問世以來取得了巨大進步。但更高的功率可提高加工速度，優(yōu)化加工質量，拓展加工領域至重工業(yè)制造，在汽車制造、航空航天制造、能源、機械制造、冶金、軌道交通建設、科研等領域應用于切割、焊接、表面處理等，光纖激光器對功率的指標要求不斷提高。相應器件廠商需要不斷地提高核心器件性能(如大功率的半導體激光芯片和增益光纖)，光纖激光器功率的提高還需要先進的合束和功率合成等激光調制技術，這都將給大功率半導體激光芯片廠商帶來新的要求和挑戰(zhàn)。
另外，更短波長、更多波長、更快(超快)激光器的發(fā)展也是一個重要方向，主要應用于集成電路芯片、顯示、消費電子、航空航天等精密微加工，以及生命科學、醫(yī)療、傳感等領域，對半導體激光芯片也提出了新的要求。
用于高功率激光器的光電子元器件需求進一步增長
高功率光纖激光器的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化是產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同進步的結果，需要泵浦源、隔離器、合束器等核心光電子元器件的支撐，用于高功率光纖激光器的光電子元器件作為其研發(fā)和生產(chǎn)的基礎和關鍵部件，高功率光纖激光器市場不斷擴大也帶動了上游高功率半導體激光芯片等核心元器件的市場需求。
同時，隨著國產(chǎn)光纖激光器技術水平的不斷提升，實現(xiàn)進口替代已成為必然趨勢，在全球的激光器市場份額也將不斷提高，這也為本土實力突出的光電子元器件廠商帶來巨大的機遇
