激光的应用领域和用途(激光行业发展概况及未来发展趋势)

Posted 2023-06-01

篇首语：如果不能改变结果，那就完善过程。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了激光的应用领域和用途(激光行业发展概况及未来发展趋势)相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

激光的应用领域和用途(激光行业发展概况及未来发展趋势)

1、激光行业概览

（1）激光简介

激光（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation，缩写 LASER）是指窄幅频率的光辐射线通过受激反馈共振与辐射放大，产生的准直、单色、相干的定向光束。

激光技术起源于 20 世纪 60 年代初期，由于激光具有完全不同于普通光的性质，很快被广泛应用于各个领域，并深刻地影响了科学、技术、经济和社会的发展及变革，是 20 世纪与原子能、半导体、计算机齐名的四项重大发明之一。

激光的诞生极大地改变了古老光学的面貌，使经典光学物理拓展为包含经典光学和现代光子学的全新高科技学科领域，为人类经济和社会的发展做出了不可替代的贡献。激光物理研究推动了现代光子物理学科的两大分支：能量光子学和信息光子学的蓬勃发展。它涵盖了非线性光学、量子光学、量子计算、激光传感和通讯、激光等离子体物理、激光化学、激光生物学、激光医学、超精密激光光谱学和计量学，包括激光冷却和玻色·爱因斯坦凝聚态研究的激光原子物理，激光功能材料，激光制造，激光微光电子芯片制造，激光 3D 打印等 20 多个国际前沿学科和技术应用分支领域。

在激光制造业方面，当前世界已经进入了“光制造”的时代，据国际激光业界统计，美国年 GDP 总产值的 50%1与高水平激光应用的迅速市场化拓展相关。以美、德、日为代表的几个发达国家，在汽车、航空等主要的大型制造产业中已经基本完成了用激光加工工艺对传统工艺的更新换代。激光在工业制造中所显示出的低成本、高质量、高效率以及常规制造所不能实现的特殊制造应用的巨大潜力，已经成为世界上主要工业国家间互相竞争的动力和创新的重要驱动器。各国纷纷把激光技术作为本国最重要的尖端技术之一给予全方位的积极支持，并制定了国家级激光产业发展计划。

（2）激光器原理

激光器是利用受激辐射方法产生可见光或不可见光的一种器件，构造复杂，技术壁垒较高，是大量光学材料和元器件组成的综合系统，居于整个激光产业链的核心中枢位置，主要由光学系统、电源系统、控制系统和机械机构四个部分组成，其中光学系统主要由泵浦源（激励源）、增益介质（工作物质）和谐振腔等光学器件材料组成。增益介质是光子产生的源泉，通过吸收泵浦源产生的能量，使得增益介质从基态跃迁到激发态。由于激发态为不稳定状态，此时，增益介质将释放能量回归到基态的稳态。在这个释能的过程中，增益介质产生出光子，且这些光子在能量、波长、方向上具有高度一致性，它们在光学谐振腔内不断反射，往复运动，从而不断放大，最终通过反射镜射出激光，形成激光束。作为终端设备的核心光学系统，激光器的性能往往直接决定激光设备输出光束的质量和功率，是下游激光设备最核心的部件。

泵浦源（激励源）为增益介质提供能量激励。增益介质受激后产生光子从而生成并放大激光。谐振腔是光子特性（频率、相位和运行方向）的调节场所，通过控制腔内光子振荡来获得高质量的输出光源。

国内厂商已掌握大部分器件制造技术，有些核心器件如高功率半导体激光芯片等仍依赖进口，而国外激光器龙头企业依靠全产业链整合实现产品低成本、高性能及高稳定性。核心元器件若进一步实现国产化，可进一步提升国内激光器厂商在国际上的竞争能力。

（3）激光器分类

激光器可以按照增益介质、输出波长、运转方式、泵浦方式进行分类，具体情况如下：

①按增益介质分类

根据增益介质的不同，激光器可以分为固态（含固体、半导体、光纤、混合）、液体激光器、气体激光器等。

由于稳定性好、功率较高、维护成本低，固态激光器的应用占绝对优势。

固态激光器中，半导体激光器具有效率高、体积小、寿命长、低能耗等优点，一方面可以直接应用于激光加工、医疗、通讯、传感、显示、监控及国防应用的核心光源和支撑，已经成为现代激光技术发展的重要基础，具有战略性的发展意义。

另一方面，半导体激光器还可以作为固体激光器和光纤激光器等其他激光器的核心泵浦光源，极大地推动整个激光领域的技术进步。世界各主要发达国家均将其列入国家级发展计划，给予大力支持，并得到快速发展。

②按泵浦方式划分

激光器按泵浦方式可分为电泵浦、光泵浦、化学泵浦激光器等。

电泵浦激光器指以电流方式激励的激光器，气体激光器多以气体放电方式进行激励，而半导体激光器多采用电流注入方式进行激励。

光泵浦激光器指以光泵方式激励的激光器，几乎所有固体激光器、液体激光器均属于光泵浦激光器，而半导体激光器被作为光泵浦激光器的核心泵浦光源。

化学泵浦激光器指利用化学反应释放的能量对工作物质进行激励的激光器。

③按运转方式分类

激光器按运转方式主要可以分为连续激光器和脉冲激光器。

连续激光器中各能级的粒子数及腔内辐射场均具有稳定分布，其工作特点是工作物质的激励和相应的激光输出可以在一段较长的时间范围内以连续方式持续进行。连续激光器可以在较长一段时间内连续输出激光，但热效应较明显。

脉冲激光器指激光功率维持在一定值时所持续的时间，以不连续方式输出激光，主要特点是热效应小，可控性好。

④按输出波长分类

激光器按照波长可分为红外光激光器、可见光激光器、紫外激光器、深紫外激光器等。不同结构的物质可吸收的光波长范围不同，因此需要各种不同波长的激光器用于不同材料的精细加工或者不同应用场景。红外激光器与紫外激光器是运用最广泛的两种激光器，红外激光器主要应用于“热加工”，将材料表面的物质加热并使其汽化（蒸发），以除去材料；在薄膜非金属材料加工，半导体晶圆切割，有机玻璃切割、钻孔、打标等领域，高能量的紫外光子直接破坏非金属材料表面的分子键，使分子脱离物体，这种方式不会产生高热量反应，因此通常被称为“冷加工”，紫外激光器在微加工领域具有不可替代的优势。

由于紫外光子能量大，难以通过外激励源激励产生一定高功率的连续紫外激光，故紫外激光一般是应用晶体材料非线性效应变频方法产生，因此目前广泛应用工业领域的紫外激光器主要是固体紫外激光器。

（4）产业链情况

产业链上游是利用半导体原材料、高端装备以及相关的生产辅料制造激光芯片、光电器件等，是激光产业的基石，准入门槛较高。产业链中游是利用上游激光芯片及光电器件、模组、光学元件等作为泵浦源进行各类激光器的制造与销售，包括直接半导体激光器、二氧化碳激光器、固体激光器、光纤激光器等；下游行业主要指各类激光器的应用领域，包括工业加工装备、激光雷达、光通信、医疗美容等应用行业。

①上游供应商

半导体激光芯片、器件及模块等上游产品的原材料主要为各类芯片原材料、光纤材料及机加工件等，包括衬底、热沉、化学品、壳体组等。芯片加工对上游原材料的质量及性能要求较高，主要以国外供应商为主，但国产化程度逐步提高，逐步实现自主可控。上游主要原材料的性能对半导体激光芯片的质量有着直接影响，随着各类芯片材料性能的持续改进，对提高本行业产品性能起着积极的推动作用。

②产业链中游

半导体激光芯片是产业链中游各类激光器的核心泵浦光源，对中游激光器的发展起着积极的推动作用。在中游激光器领域，美国、德国等海外企业占据优势，但经过近年来国内激光行业的快速发展，产业链中游市场实现了快速的国产替代。

③产业链下游

下游行业对本行业的发展有较大的推动作用，因此下游行业的发展状况将直接影响到本行业的市场空间。我国经济的持续增长以及经济转型战略机会的出现为本行业的发展创造了较好的发展条件。中国正在从世界制造业大国向制造业强国迈进，下游激光器及激光设备为进行制造业升级的关键之一，为本行业的长期向好提供了良好的需求环境。下游行业对半导体激光芯片及其器件的性能指标要求不断提高，国内企业也正从中低功率激光器市场逐步进入高功率激光器市场，本行业必须不断加大在技术研发领域和自主创新领域的投入。

2、半导体激光行业发展现状

半导体激光器在各类激光器中拥有最佳的能量转化效率，一方面可以作为光纤激光器、固体激光器等多种光泵浦激光器的核心泵浦源使用，另一方面，随着半导体激光技术在功率、效率、亮度、寿命、多波长、调制速率等方面的不断突破，半导体激光器被广泛直接应用于材料加工、医疗、光通信、传感、国防等领域。根据 Laser Focus World 预计，2021 年全球二极管激光器即半导体激光器与非二极管激光器的收入总额为 184.80 亿美元，其中半导体激光器占总收入的43%。

根据 Laser Focus World 预计，2020 年全球半导体激光器市场规模为 67.24亿美元，较上年增长 14.20%。随着全球智能化发展，智能设备、消费电子、新能源等领域对激光器的需求不断增长以及医疗、美容仪器设备等新兴应用领域的持续拓展，半导体激光器可作为光泵浦激光器的泵浦源，其市场规模将继续保持稳定增长。2021 年全球半导体激光器的市场规模预测为 79.46 亿美金，市场增长率为 18.18%。

经过技术专家和企业及广大从业人员的共同努力，中国半导体激光产业已取得了超乎寻常的发展，使我国半导体激光产业经历从无到有的过程，并且初现中国半导体激光产业的雏形。近年来，国内更是加大了激光产业发展，各个地区在政府的领导和激光企业配合下潜心科研、提升技术、开拓市场，并建设激光产业园。

3、我国激光行业的未来发展趋势

与欧美发达国家相比，我国激光技术起步并不晚，但是在激光技术应用及高端核心技术方面却仍存在着不小的差距，尤其上游半导体激光芯片等核心元器件仍依赖进口。

以美国、德国、日本等为代表的发达国家在部分大型工业领域已经基本完成了对传统制造技术的替换，步入“光制造”时代；我国激光应用虽发展迅速，但应用渗透率仍相对较低。作为产业升级的核心技术，激光行业将继续作为国家重点支持领域，并不断扩大应用范围，最终推动我国制造业向“光制造”时代迈进。从目前发展情况来看，我国激光行业发展呈现以下几个发展趋势：

（1）半导体激光芯片等核心部件逐步实现国产化

以光纤激光器为例，高功率光纤激光器泵浦源是半导体激光器的主要应用领域，高功率半导体激光芯片与模块是光纤激光器的重要元器件。近年来，我国光纤激光器行业处于快速成长阶段，国产化程度逐年上升。

从市场渗透率来看，低功率光纤激光器市场中，2019 年国产激光器市场份额高达 99.01%；中功率光纤激光器市场中，国产激光器渗透率近年来维持在 50%以上的水平；高功率光纤激光器的国产化进程也在逐步推进，从 2013 年到 2019 年间实现“从无到有”，并达到了 55.56%的渗透率，预计 2020 年高功率光纤激光器的国产渗透率为57.58%。

但高功率半导体激光芯片等核心元器件仍依赖进口，以半导体激光芯片为核心的激光器上游元器件正在逐步实现国产化，一方面提升国产激光器上游元器件的市场规模，另一方面，随着上游核心元器件的国产化，可提高国内激光器厂商参与国际竞争的能力。

（2）激光应用领域渗透速度加快、范围变广

随着上游核心光电子元器件逐步实现国产化，激光器应用成本逐步下降，激光器将更深地渗透到众多行业。

一方面，对中国而言，激光加工也契合中国制造业重点升级的十大应用领域，预计未来激光加工的应用领域将进一步拓展，市场规模进一步扩大。另一方面，随着无人驾驶、高级辅助驾驶系统、服务型机器人、3D 传感等技术的不断普及发展，将更多的应用于汽车、人工智能、消费电子、人脸识别、光通信及国防科研等众多领域。而半导体激光器作为上述激光应用的核心器件或部件，也将获得快速发展空间。

（3）更高功率、更好光束质量、更短波长及更快频率方向发展

在工业激光器领域，光纤激光器在输出功率、光束质量和亮度等方面自问世以来取得了巨大进步。但更高的功率可提高加工速度，优化加工质量，拓展加工领域至重工业制造，在汽车制造、航空航天制造、能源、机械制造、冶金、轨道交通建设、科研等领域应用于切割、焊接、表面处理等，光纤激光器对功率的指标要求不断提高。相应器件厂商需要不断地提高核心器件性能（如大功率的半导体激光芯片和增益光纤），光纤激光器功率的提高还需要先进的合束和功率合成等激光调制技术，这都将给大功率半导体激光芯片厂商带来新的要求和挑战。另外，更短波长、更多波长、更快（超快）激光器的发展也是一个重要方向，主要应用于集成电路芯片、显示、消费电子、航空航天等精密微加工，以及生命科学、医疗、传感等领域，对半导体激光芯片也提出了新的要求。

（4）用于高功率激光器的光电子元器件需求进一步增长

高功率光纤激光器的研发和产业化是产业链协同进步的结果，需要泵浦源、隔离器、合束器等核心光电子元器件的支撑，用于高功率光纤激光器的光电子元器件作为其研发和生产的基础和关键部件，高功率光纤激光器市场不断扩大也带动了上游高功率半导体激光芯片等核心元器件的市场需求。同时，随着国产光纤激光器技术水平的不断提升，实现进口替代已成为必然趋势，在全球的激光器市场份额也将不断提高，这也为本土实力突出的光电子元器件厂商带来巨大的机遇。