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超快紫外激光器渗透率加速上行,非线性晶体市场迎拐点

发布时间:2020-09-15  来源:立鼎产业研究网  点击量: 111 

全固态激光器是产生紫外激光的重要方式。按照激光器内工作物质分类,激光器可以分为固体激光器(包括全固态激光器、光纤激光器、半导体激光器等)、气体激光器(包括准分子激光器等)、液体激光器等。目前紫外激光器的产生主要包括全固态激光器、准分子激光器、半导体激光器等方式,其中全固态激光器具有峰值功率高、稳定性好、光束质量高、体积小等优点,具有更广的应用前景。

LBO BBO等非线性光学晶体是全固态紫外激光器中的核心元件。由于紫外激光单光子能量较高,20 世纪 80 年代,物构所成功研制出 LBOBBO 等关键非线性光学晶体,同年浙江大学成功利用 BBO 晶体通过倍频方式产生 216nm 紫外激光,此后这种利用非线性光学晶体(主要为 LBOBBO)将红外波段激光进行一次或多次频率转换至紫外波段成为全固态紫外激光的主流技术路径。具体技术原理为 1)泵浦光照射激光晶体(NdYAGNdYVO 4 等)实现粒子数反转,经谐振腔放大产生出1064nm 近红外光束作为基波;2)基波一次或多次经过 LBO/BBO 等非线性光学晶体,经过 3 倍频或 4 倍频,或 2 倍频+和频的方式产生紫外波段激光。

常规全固态紫外激光器内使用到 2 LBO+1BBO晶体。以2019年文献《LD端面泵浦 Nd:YVO 4 高重频紫外激光器》为例对全固态紫外激光器结构进行拆解。如光路图所示,首先通过 LD(波长为 808nm)对 NdYVO 4 激光晶体进行泵浦,谐振输出 1064nm激光作为基波;基波通过两块LBO 晶体产生 355nm 的紫外激光。其中,第一块 LBO 作用为对1064nm激光进行倍频,得到532nm激光;第二块LBO作用为将1064nm激光与532nm激光进行和频,得到最终的 355nm 紫外激光。此外由于该激光器为脉冲激光器,所以腔内加入一块 Q 开关进行调 Q(实际使用中,通常用 BBO 晶体作为 Q 开关)。

超快紫外激光器内部光路结构略有不同,主要差异为不再使用开关。由于超快激光器输出脉冲宽度达到皮秒量级以内,而调 Q 方式中受可饱和吸收体透过率恢复时间限制通常只可将脉宽压缩在纳秒量级,故超快激光器需要采用新的方式实现,即锁模技术。技术方式的改变使激光器内部光路有所变化。根据文献《LD 泵浦全固态 355nm 紫外皮秒脉冲激光器》,文献首先采取锁模方式输出皮秒级 1064nm 基波,再通过两块 LBO 晶体实现 355nm 超快紫外激光输出,光路中没有用到Q 开关(即 BBO 晶体)。

对全球全固态紫外激光器中非线性晶体市场空间进行定量测算。首先对2019 年情况进行假设,而后以 2019 年为基数对 2020-2025 年增速进行推演。根据《2020中国激光产业报告》数据,2019 年我国国产紫外激光器出货量达 19000 台,其中 80%为纳秒激光器。假设:

1)我国国产紫外激光器出货量占全球比重为 20%,则 2019 年全球紫外激光器出货量达 95000 台;

2)其中全固态紫外激光器占所有紫外激光器的 60%,其他的 40%包括准分子激光器、半导体激光器等;

3)全球生产全固态紫外激光器中,80%为纳秒激光器(及纳秒脉宽以上),20%为超快激光器。

根据以上假设,估算 2019 年全球纳秒全固态紫外激光器出货量 45600 台,超快全固态紫外激光器出货量 11400 台。

全球全固态紫外激光器出货量及结构测算


来源:《2020中国激光产业发展报告》

接下来我们对全球非线性光学晶体市场空间进行测算。假设:

1)纳秒紫外激光器中,需要配套2LBO晶体以及1BBO晶体。根据上文,一台纳秒紫外激光器中,需要 2 LBO 晶体,其中 1 块用于 1064nm 基波的倍频,1块用于和频;需要 1 BBO 晶体,用于调 Q。值得注意的是,并非所有紫外纳秒激光器采用此种形式的光路,实际中可以使用到更多的或更少的非线性晶体,例如有时 LBO 晶体需要使用到三块,第一块用于倍频,第二、三块均用于和频以提升转化效率;有时只使用一块,直接发生三倍频过程输出紫外激光。此处将2LBO+1 BBO视作平均情况。

2)超快紫外激光器中,需要配套2LBO晶体,且由于激光峰值功率的提升使晶体元件损伤阈值要求提高,晶体单位价值量更高,故超快级晶体单位价值量大于纳秒级晶体。

3)晶体价格方面,假设纳秒激光器中,2LBO+1BBO价格约5000元,其中单块 LBO 晶体与 BBO 晶体价值量相近;

4)超快激光器中,假设超快级 LBO 较纳秒级溢价 20%,则1块超快级LBO价格约2000 ,1套(2块)LBO价格约 4000元。

根据以上假设,测算 2019年全球用于全固态紫外激光器中的非线性光学晶体(仅LBOBBO)市场空间约2.7亿元。

全球全固态紫外激光器用非线性晶体市场测算


来源:公开资料

接下来对 2020-2025 年全球全固态紫外激光器用非线性光学晶体市场空间进行测算。假设:

1)随着5G技术持续落地,手机等电子产品中元件预计向小型化、密集化进一步发展,带动精密加工需求的加速释放,超快激光器渗透率进一步上行。假设未来 5 年内超快紫外激光器增速将大幅超过纳米紫外激光器,于 渗透率有望于 2025  年增长至50%

2)非线性晶体价格较为稳定,我们假设平均年降 3%,纳秒级与超快级价差维持20%不变;

3 2020年受疫情影响,晶体下游厂商部分订单延后,2021-2022年有望迎来集中释放。

根据以上假设,估算 2025年全球非线性晶体市场规模有望突破 5亿元,2020-2025CAGR12%

2020-2025年全球全固态紫外激光器用非线性晶体市场预测


来源:公开资料

 


标签:紫外激光器

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