高功率激光器技術(shù)與產(chǎn)業(yè)發(fā)展概述

王玉

高功率激光器廣泛應(yīng)用于制造加工、醫(yī)療診治、軍事國防等領(lǐng)域，是當(dāng)今世界戰(zhàn)略高科技競(jìng)爭(zhēng)的重要方向之一。在面向2035年推進(jìn)制造業(yè)高質(zhì)量發(fā)展、建設(shè)制造強(qiáng)國的國家戰(zhàn)略背景下，高功率激光器將在引領(lǐng)先進(jìn)制造業(yè)發(fā)展、推動(dòng)工業(yè)智能化進(jìn)程、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)升級(jí)和我國建設(shè)創(chuàng)新型國家以及提升國際產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力中發(fā)揮重要作用。

1 高功率激光器的定義和分類

1.1 高功率激光器的定義

激光器是激光發(fā)生的裝置，高功率激光器利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性，廣泛用于工業(yè)、醫(yī)療和前沿科研領(lǐng)域（區(qū)別于通信領(lǐng)域和顯示領(lǐng)域）。高功率激光器主要由泵浦源、增益介質(zhì)、諧振腔等3部分組成。其中，泵浦源是激光器的能量供給源，增益介質(zhì)是吸收泵浦源提供的能量來實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光受激輻射放大作用的物質(zhì)體系，諧振腔是通過光束的來回反射以實(shí)現(xiàn)激光頻率及方向選擇，并多次經(jīng)過增益介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)功率的放大（如圖1所示）。

1.2 高功率激光器的分類

高功率激光器依照增益介質(zhì)的不同，可分為氣體激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器和固體激光器等。氣體激光器是最早實(shí)現(xiàn)應(yīng)用的激光器，但是由于體積較大、維護(hù)困難等缺點(diǎn)，雖然在光刻等領(lǐng)域仍具有不可取代的地位，但近年來我國氣體激光器的市場(chǎng)規(guī)模占比已經(jīng)低于5%，不再是主流激光器，因此本文重點(diǎn)對(duì)半導(dǎo)體激光器、光纖激光器和固體激光器進(jìn)行介紹。

1.2.1 半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體激光器也可以稱作“直接半導(dǎo)體激光器”，是用多個(gè)半導(dǎo)體激光芯片（激光二極管，LD），通過合束直接進(jìn)行功率放大從而實(shí)現(xiàn)工業(yè)應(yīng)用（見圖2）。半導(dǎo)體激光器以電作為泵浦源，以半導(dǎo)體材料作為增益介質(zhì)，通過電光轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)激光的激射，最后將多束激光耦合進(jìn)光纖以實(shí)現(xiàn)高功率激光的輸出。半導(dǎo)體材料通常采用摻雜III—V族化合物，如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）、氮化鎵（GaN）等。GaAs和InP材料可以實(shí)現(xiàn)紅光波段激光激射、GaN可以覆蓋比較寬的波長(zhǎng)范圍，實(shí)現(xiàn)紅光和藍(lán)綠紫波段的激光激射。半導(dǎo)體激光器與其他激光器相比，具有電光轉(zhuǎn)換效率高（超過50%）、工作壽命長(zhǎng)（超過10萬h）、能夠直接電調(diào)制、易于集成、體積小、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)。高功率（千瓦級(jí)）半導(dǎo)體激光器主要應(yīng)用于淬火、熔覆等加工場(chǎng)景。另外，百瓦級(jí)半導(dǎo)體激光器主要用作光纖激光器和固體激光器的泵浦源。

1.2.2 光纖激光器

光纖激光器主要由泵浦源、增益介質(zhì)、光纖光柵、合束器等光學(xué)器件共同組成，并在電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和控制下實(shí)現(xiàn)激光輸出（見圖3）。其中，泵浦源采用半導(dǎo)體激光器、增益介質(zhì)采用摻稀土元素的玻璃光纖。光纖激光器的輸出波長(zhǎng)主要由摻雜的稀土元素所決定，例如，摻鐿（Yb3+）玻璃光纖輸出1064nm波段的激光、摻鉺（Er3+）玻璃光纖輸出1 310nm或1 550nm波段的激光?？傮w上看，光纖激光器輸出的激光主要是在紅光波段。光纖激光器具有柔性傳輸、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、維護(hù)運(yùn)營成本低等特點(diǎn)，在工業(yè)界得到了非常廣泛的實(shí)際應(yīng)用。連續(xù)光纖激光器具有高平均功率的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于厚金屬材料的切割、焊接等宏觀加工領(lǐng)域；脈沖光纖激光器主要用于固體激光器的種子源。

1.2.3 固體激光器

固體激光器以摻入了具有能產(chǎn)生受激輻射作用的金屬離子的晶體基質(zhì)為增益介質(zhì)。晶體基質(zhì)主要包括人工晶體（如紅寶石、釔鋁石榴石等）、玻璃（主要是優(yōu)質(zhì)硅酸鹽光學(xué)玻璃）2大類。固體激光器的主要結(jié)構(gòu)包括泵浦源、種子源、放大模塊（含增益介質(zhì)）、頻率變換模塊（含非線性晶體）、調(diào)制模塊（以實(shí)現(xiàn)脈沖激光）等部分。固體激光器泵浦源有氙燈、碘鎢燈、半導(dǎo)體激光器等，目前常以半導(dǎo)體激光器（LD）為泵浦源（見圖4）。

相較脈沖型光纖激光器，固體激光器是實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)超快脈沖激光的主要激光器類型，可通過倍頻晶體將紅外光轉(zhuǎn)換為綠光、紫外光及深紫外光等短波長(zhǎng)激光并輸出，熱效應(yīng)較低，能量利用效率高。固體激光器總體具有短波長(zhǎng)（紫外、深紫外）、短脈寬（皮秒、納秒）、高峰值功率的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)“冷加工”，可以應(yīng)用于加工精度小于20μm的高精度微加工場(chǎng)景（加工精度可達(dá)納米級(jí)），如薄性、脆性等金屬和非金屬材料的打孔、切割等。目前，市場(chǎng)上主流的精密器件分板和流水線上切割使用的都是固體激光器。

1.3 高功率激光器的產(chǎn)業(yè)鏈條

高功率激光器的產(chǎn)業(yè)鏈上游主要包括光學(xué)材料及元器件，中游主要為各種激光器及其配套裝置與設(shè)備，下游則以激光應(yīng)用產(chǎn)品、激光制造裝備、消費(fèi)產(chǎn)品、儀器設(shè)備為主（見圖5）。

2 高功率激光器技術(shù)及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

2.1 半導(dǎo)體激光器

高端半導(dǎo)體激光芯片核心技術(shù)水平與國際仍有差距。目前我國紅光LD的輸出功率可達(dá)幾十瓦并實(shí)現(xiàn)規(guī)?；慨a(chǎn)，與國際水平相當(dāng)。但在藍(lán)光LD方面，我國距離國際最好水平尚有一定差距。德國歐司朗、日本日亞都可以實(shí)現(xiàn)最高5W的藍(lán)光LD量產(chǎn)；我國蘇州納米所可以實(shí)現(xiàn)2～3W的小批量生產(chǎn)，但是良率和壽命仍有較大差距。國際上藍(lán)光LD的最高輸出功率已突破10W，但是相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)和工藝仍然處于保密狀態(tài)；近一年來，國內(nèi)多家單位實(shí)現(xiàn)了突破，廈門大學(xué)與三安光電（廈門）聯(lián)合攻關(guān)取得了8.04W的輸出功率，蘇州納米所實(shí)現(xiàn)了7.5W的輸出功率，中科院半導(dǎo)體所實(shí)現(xiàn)了6W的輸出功率。由于半導(dǎo)體激光芯片在整個(gè)激光器領(lǐng)域中的核心地位（銷售額占激光器總收入的40%以上），目前國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)正在持續(xù)致力于高功率、高質(zhì)量半導(dǎo)體激光芯片的研發(fā)。

半導(dǎo)體激光器方面，國際上主要以德國Laserline、DILAS、美國N U B U R U等龍頭企業(yè)代表業(yè)內(nèi)的技術(shù)水平。德國Laserline輸出功率45 000W的紅光半導(dǎo)體激光器和2 000W的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器是目前國際最高水平。由于我國起步較晚，從事高功率半導(dǎo)體激光器研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)較少，代表企業(yè)有北京凱普林激光科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“凱普林”）、深圳聯(lián)贏激光股份有限公司等，凱普林可以實(shí)現(xiàn)國內(nèi)最好水平：20 000W的紅光半導(dǎo)體激光器和1 000W藍(lán)光半導(dǎo)體激光器。目前，半導(dǎo)體激光器在各領(lǐng)域的滲透率較低，國內(nèi)外積極提高半導(dǎo)體激光器的功率和光束質(zhì)量、拓寬半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)范圍，進(jìn)而拓展其在工業(yè)加工領(lǐng)域的應(yīng)用。半導(dǎo)體激光器在我國工業(yè)激光器中的占比已經(jīng)穩(wěn)步從2016年的11%，增長(zhǎng)至2020年的18%。

2.2 光纖激光器

光纖激光器是我國目前主流應(yīng)用的工業(yè)激光器，2020年光纖激光器在我國工業(yè)激光器占比已達(dá)到67%，市場(chǎng)銷售總額超過94.2億元。國內(nèi)激光器企業(yè)以光纖激光器廠商為主，主要集中在深圳、武漢等地區(qū)。近年來，光纖激光器的功率有了快速提升。功率指標(biāo)基本可以實(shí)現(xiàn)與國際并跑：2021年12月10日，由武漢銳科光纖激光技術(shù)股份有限公司（以下簡(jiǎn)稱“武漢銳科”）與南華大學(xué)聯(lián)合研制的國內(nèi)首臺(tái)100kW光纖激光器及其配套設(shè)備正式投入使用，該輸出功率直逼美國IPG公司120kW的輸出功率。

目前，我國已經(jīng)基本完成了中低功率激光器的國產(chǎn)化替代，但是高功率光纖激光器專用的特種光纖、光柵等核心材料和器件仍需外購，限制了我國高功率光纖激光器的發(fā)展。特種光纖方面，美國IPG公司、Nufern公司、英國SPI公司先后掌握了輸出功率達(dá)萬瓦級(jí)的摻Y(jié)b3+雙包層單纖光纖制備技術(shù)，我國目前僅能生產(chǎn)6kW以下的特種光纖，主要供應(yīng)商有長(zhǎng)飛光纖、武漢睿芯特種光纖有限責(zé)任公司等，研發(fā)機(jī)構(gòu)有北京大學(xué)、北京工業(yè)大學(xué)。光纖光柵方面，加拿大TeraXion公司的光纖光柵產(chǎn)品可承受功率超過3kW，中科院上海光機(jī)所研制的光纖光柵承受功率目前僅達(dá)到1kW，與國際水平還有巨大差距。國際上光纖激光器龍頭企業(yè)可以實(shí)現(xiàn)核心器件的全部自產(chǎn)，如美國IPG、德國通快；或是通過收購，保證上游核心器件的供應(yīng)，如美國相干公司、恩耐公司。國內(nèi)代表企業(yè)如武漢銳科、深圳創(chuàng)鑫激光股份有限公司等，但都尚未實(shí)現(xiàn)核心器件的自供。

2.3 固體激光器

固體激光器領(lǐng)域的主要廠商為德國通快、美國理波、美國相干、美國IPG、法國AMPLITUDE等，占據(jù)了較高的市場(chǎng)份額。國內(nèi)起步相對(duì)較晚，規(guī)模型企業(yè)相對(duì)較少，技術(shù)水平與國外差距明顯，目前尚沒有以固體激光器為主要業(yè)務(wù)的上市公司。整體來說，固體激光器功率不斷攀升，激光脈沖寬度不斷縮小，單脈沖能量不斷提高。隨著高端裝備、航天航空等戰(zhàn)略領(lǐng)域超精超微加工場(chǎng)景的不斷涌現(xiàn)，固體激光器的戰(zhàn)略地位日益凸顯。目前一些高端固體激光器被國外壟斷，對(duì)我國進(jìn)行技術(shù)封鎖，甚至其器件還處于禁售禁運(yùn)狀態(tài)，直接影響了我國高端制造業(yè)的發(fā)展。例如，單脈沖能量大于4J用于激光強(qiáng)化的大能量激光器被明確列入2021年美國商務(wù)部商業(yè)管制清單。因此，高端固體激光器的國產(chǎn)化成為我國當(dāng)前亟需解決的關(guān)鍵核心問題。

2.4 高功率激光器產(chǎn)業(yè)格局

2.4.1 高功率激光器產(chǎn)業(yè)鏈出現(xiàn)垂直整合跡象

激光加工設(shè)備企業(yè)通過收購激光器企業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)鏈垂直整合，向上游進(jìn)軍，降低生產(chǎn)成本。國際上，2019年1月，美國MKS收購美國激光微加工公司ESI，獲得ESI在激光材料微加工方面的系統(tǒng)專業(yè)知識(shí)和技術(shù)支持；2019年6月，美國相干收購德國增材制造系統(tǒng)制造商OR Laser，以拓展增材制造市場(chǎng)；2019年10月，美國Thorlabs收購了KMLabs的Y—Fi產(chǎn)品線，壯大了高平均功率、高重頻飛秒激光器等產(chǎn)品的技術(shù)力量；2019年11月，恩耐收購Nutronics公司，拓展高能激光系統(tǒng)業(yè)務(wù)。

國內(nèi)企業(yè)也積極進(jìn)行布局，2020年6月，凱普林在德國美因茨成立了歐洲研發(fā)中心“BWT Laser Europe”，旨在融合德國激光技術(shù)，提升研發(fā)能力。2020年，武漢銳科大幅提升上游關(guān)鍵材料與器件的國產(chǎn)化與自產(chǎn)化比例，并且收購國神光電科技（上海）有限公司增補(bǔ)超快激光器板塊，拓展下游應(yīng)用。

2.4.2 國際龍頭企業(yè)加速布局中國市場(chǎng)

隨著中國制造業(yè)的不斷進(jìn)步，新的激光應(yīng)用場(chǎng)景不斷涌現(xiàn)，國際巨頭紛紛加速布局中國市場(chǎng)，以期在未來占領(lǐng)一定的市場(chǎng)份額。2019年3月，美國Ⅱ—Ⅵ公司在蘇州成立了激光加工服務(wù)中心，旨在提供更好的中文技術(shù)支持加快備件周轉(zhuǎn)，以擴(kuò)大中國市場(chǎng)。2020年4月，通快集團(tuán)旗下2家全資子公司SPI和通快（中國）簽訂了《合并協(xié)議》，雙方整合優(yōu)勢(shì)資源，不斷推出更為完美的光纖激光器，為中國客戶提供更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的工業(yè)激光解決方案。2020年10月，瑞士百超公司全資收購深圳迪能激光設(shè)備有限公司，旨在更好補(bǔ)充百超公司的激光切割系統(tǒng)和解決方案。

2.4.3 國內(nèi)企業(yè)加速產(chǎn)能擴(kuò)充

大族激光華東區(qū)域總部基地選址于江蘇省張家港保稅區(qū)，項(xiàng)目產(chǎn)品以高功率激光裝備、激光及自動(dòng)化配套設(shè)備等高端智能制造裝備為主，預(yù)計(jì)項(xiàng)目建成后產(chǎn)能將達(dá)到大族激光總產(chǎn)能的60%～70%，有望成為世界一流的激光產(chǎn)業(yè)基地。凱普林光電投資近3億元在天津高新區(qū)搭建高功率光纖耦合半導(dǎo)體激光器自動(dòng)化生產(chǎn)基地，旨在加大高性能高功率激光器自主研發(fā)力度，實(shí)現(xiàn)核心技術(shù)的自主可控并持續(xù)提升國際競(jìng)爭(zhēng)力。

3 機(jī)遇與挑戰(zhàn)

3.1 高功率激光器市場(chǎng)發(fā)展前景良好

我國工業(yè)發(fā)展正處在轉(zhuǎn)型與升級(jí)的關(guān)鍵階段，大力發(fā)展以微納制造、超精密制造為代表的尖端制造技術(shù)是推進(jìn)制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要舉措，隨著應(yīng)用市場(chǎng)的快速擴(kuò)大，激光治療、激光診斷等新場(chǎng)景不斷涌現(xiàn)，精密加工場(chǎng)景持續(xù)拓展，市場(chǎng)潛力巨大。

3.2 國際產(chǎn)業(yè)形勢(shì)加速激光器國產(chǎn)化進(jìn)程

由于中美貿(mào)易摩擦，中美兩國之間的貿(mào)易額下降，并且通過產(chǎn)業(yè)鏈影響到日本、韓國、歐盟等多個(gè)國家和地區(qū)。目前激光設(shè)備上游核心材料與器件如長(zhǎng)壽命高質(zhì)量半導(dǎo)體激光器、特種光纖、光纖光柵、鈦寶石晶體等被國外壟斷，高端激光器和激光設(shè)備對(duì)國內(nèi)禁運(yùn)。國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)和企業(yè)正在通過自主研發(fā)，打破國際壟斷，加速實(shí)現(xiàn)激光核心材料與器件、高端激光器及設(shè)備的國產(chǎn)化替代，擁有完全自主的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

3.3 高功率激光器工程化技術(shù)水平仍有待提高

我國激光器工程化技術(shù)起步較晚，高功率激光器在系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光機(jī)電一體化、長(zhǎng)期工作穩(wěn)定性以及生產(chǎn)調(diào)試工藝等方面仍與國際領(lǐng)先水平存在一定差距。在激光器與設(shè)備的聯(lián)合使用或在現(xiàn)有儀器設(shè)備、產(chǎn)線上進(jìn)行高功率激光器的二次開發(fā)等方面經(jīng)驗(yàn)不足。此外，激光器使用過程中相關(guān)的數(shù)控、反饋等軟件系統(tǒng)仍需要提高與激光器協(xié)調(diào)運(yùn)行的適配度。進(jìn)一步提高我國高功率激光器工程化技術(shù)水平才能推動(dòng)我國高功率激光產(chǎn)業(yè)化的突破式發(fā)展，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

4 發(fā)展建議

4.1 重點(diǎn)攻關(guān)關(guān)鍵技術(shù)，保障關(guān)鍵材料與器件不受制于人

解決泵浦類半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)化關(guān)鍵技術(shù)和工藝問題，補(bǔ)齊高性能人工晶體、光纖、光柵、開關(guān)等的上游關(guān)鍵材料與器件技術(shù)短板，實(shí)現(xiàn)工程化和產(chǎn)業(yè)化，保證上游關(guān)鍵核心材料與器件的自主生產(chǎn)，擺脫進(jìn)口依賴。

4.2 加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研合作，加速高功率激光器國產(chǎn)化進(jìn)程

聚焦高功率激光器卡脖子問題，鼓勵(lì)優(yōu)勢(shì)研發(fā)單位積極進(jìn)行成果轉(zhuǎn)化，支持優(yōu)秀企業(yè)通過產(chǎn)學(xué)研合作實(shí)現(xiàn)技術(shù)攻關(guān)，打通從上游材料與元器件、中游關(guān)鍵器件及配套設(shè)備到下游應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的高功率激光器全產(chǎn)業(yè)鏈條，加速高功率激光器國產(chǎn)化進(jìn)程。

4.3 鼓勵(lì)國產(chǎn)激光設(shè)備上產(chǎn)線，提升國產(chǎn)高功率激光器滲透率

加速實(shí)現(xiàn)高性能高功率激光器及激光設(shè)備工程化，鼓勵(lì)國產(chǎn)激光設(shè)備上產(chǎn)線實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)替代。一方面，建議出臺(tái)相關(guān)政策牽引、鼓勵(lì)激光加工廠商允許國產(chǎn)激光器和設(shè)備上線驗(yàn)證，推動(dòng)激光設(shè)備國產(chǎn)化的進(jìn)程；另一方面，從研發(fā)環(huán)節(jié)組織上下游聯(lián)動(dòng)發(fā)力，以下游需求為牽引，以實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景為指導(dǎo)，提高激光器及設(shè)備與應(yīng)用場(chǎng)景的適配度，縮短驗(yàn)證時(shí)長(zhǎng)，加速激光器國產(chǎn)化進(jìn)程，大幅提升國產(chǎn)高功率激光器在各應(yīng)用領(lǐng)域的滲透率。

10.19599/j.issn.1008-892x.2022.02.010