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激光加工行业产业链上游 ——激光器行业概述及发展

发布时间:2018-03-02  来源:立鼎产业研究网  点击量: 1320 

激光器是产生、输出激光的器件,是激光及其技术应用的基础,属于激光产业的核心元器件。

(一)激光器的结构

激光器主要由泵浦源(激励源)、激光工作物质和光学谐振腔三部分组成。泵浦源主要有光能源、电能源等,如泵浦灯、激光二极管(LD)等;激光工作物质主要有激光晶体、半导体、二氧化碳、液体等;光学谐振腔由腔镜等激光光学镜片组成,能使受激辐射的光在光学谐振腔内多次往返、维持振荡,并最终实现激光输出。激光系统是由激光器、 电子控制系统及相关设备组成的能够发射激光的设备系统。

二)激光器的分类)激光器的分类

按照激光工作物质类别的不同,可将激光器分为气体激光器、液体激光器、固体激光器、半导体激光器等;按照波长的不同,一般可以将激光器分为红外激光器、可见光激光器和紫外光激光器等。对于激光产业,国际上通常将其分为通信用激光器件、数字化激光存储器件、激光加工装备、激光标记包装装备、激光照排和印刷、激光医疗设备、激光测距准直检测仪器仪表、文娱教育激光仪器设备、激光元器件和部件等 10 大类。

激光器的分类图示


资料来源:公开资料,立鼎产业研究中心

1)气体激光器

气体激光器是以二氧化碳、氦氖等气体作为激光工作物质的激光器。二氧化碳激光器因其效率高、光束质量好、功率范围大(几瓦至几万瓦)、能连续和脉冲输出、运行费用低等优点,成为气体激光器中最重要、应用最广泛的一种激光器。二氧化碳激光器输出的激光波长为 10.6 微米,波长较长,与非金属材料的耦合效率高,易于非金属表面吸收,广泛应用于服装家纺、广告工艺品、电子、印刷等非金属材料加工行业。此外,当气体激光器输出功率达到一定数值时,所产生的激光能量被金属材料吸收效果较好,因此大功率二氧化碳激光器设备也广泛应用于金属材料加工行业。

2)固体激光器

固体激光器是以激光晶体等固体材料作为激光工作物质的激光器。固体激光器主要由激光工作物质(主要是激光晶体)、泵浦源、光学谐振腔等部分组成。固体激光器分为半导体激光泵浦和灯泵浦两种方式, 半导体激光泵浦的全固态激光器是20 世纪 80年代末期出现的新型激光器,全固态激光器的总体效率至少要比灯泵浦高 10 ,由于单位输出的热负荷降低,可获取更高的功率,系统寿命和可靠性大约是闪光灯泵浦系统的100 ,半导体激光器泵浦技术使全固态激光器同时具有固体激光器和半导体激光器的双重特点, 传统灯泵浦固体激光器的赖以占据世界激光器市场主导地位的所有运转方式,均可以通过半导体激光器泵浦成功地加以实现。同时,它已渗透到各个学科领域,如:激光信息存储与处理、激光材料加工、激光医学及生物学、激光通讯 、激光印刷、激光光谱学、激光化学、激光分离同位素、激光核聚变、激光投影显示、激光检测与计量等。由于全固态激光器具有高光电转换效率、高功率、高稳定性、高可靠性、寿命长、体积小等优势,采用全固态激光器已成为激光加工设备的趋势和主流方向。

固体激光器应用广泛


资料来源:公开资料,立鼎产业研究中心

3)半导体激光器

半导体激光器又称激光二极管(LaserDiode,缩写“LD”),它是用半导体材料作为工作介质的激光器。现在产业化的半导体激光器常用工作介质有砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)、氮化镓(GaN)等,分别用于不同波长的半导体激光器制备。半导体激光二极管从电学结构上讲,属于二极管的一种,与其他电学用的二极管的不同在于输入的电能能够转化为激光输出, 根据电到光转换功能区结构不同,半导体激光器件又可分为同质结结构、单异质结结构、双异质结结构、量子阱结构等几种,其中量子阱结构具有最高的转换效率,因此目前高指标的半导体激光器都采用量子阱结构。半导体激光器与其他类型的激光器相比,具有成本低、体积小、寿命长、工作稳定、转换效率高、调制频率高、便于光纤耦合输出等优点,使其在材料加工(切割、焊接、熔覆、3D 打印等)、光通信(光纤通信、空间光通信等)、光存贮(DVDCD 等)、科研军事(制导、测距、夜视、高能武器、激光雷达等)、医疗美容(激光手术、激光理疗、激光美容等)、仪器传感(测量、标线仪、激光传感器等)、显示娱乐(舞台灯光、城市亮化、节日装扮等)、激光印刷等领域获得了广泛的应用。根据《Laser Focus World》的调查数据,2015 年半导体激光器在激光器所占的市场份额趋于稳定, 份额高达 43% 是整个市场的一个非常重要的组成部分。半导体激光器除了单独应用外,它还是固体激光器和光纤激光器的泵浦光源,也就是说,这前两类激光器本质上是半导体激光器的下游应用产品。

4)光纤激光器

光纤激光器诞生于 20 世纪 60 年代,但一直发展缓慢,直至低耗损光纤制造技术和半导体激光器的发展和应用,方为光纤激光器带来了新的前景。光纤激光器是近几年激光领域关注的热点之一,特别是应用到光纤通信窗口的 1.55μm 波长的光纤激光器以及应用和工业加工的高功率光纤激光器的发展更为迅猛, 常规激光器的调 Q、锁模等技术也都引入到了光纤激光器中,这不仅拓宽了光纤激光器的研究领域,而且也推动了激光技术的发展,在同样的输出功率下,光纤激光器的光束质量、光传递特性、可靠性和体积大小等都占有优势,此外由于光纤成本的降低和易于实现流水化及大批量生产等特点, 光纤激光器凭借着她的先天性优势不断地扩充自己的地盘,全面向光通讯、大功率激光加工、激光医学、生物技术扩张,特别是她在激光加工和光通讯方面的发展潜力,使这位市场的新宠具备了逐渐取代传统激光器的趋势。

中国制造业的快速发展,传统工业制造技术的更新升级,带动了激光切割成套设备的销售。光纤激光器应用于激光切割系统在近两年出现爆发式增长,尤其是在中功率切割系统里。对于焊接系统,60%的设备已开始使用光纤激光器,而其中 65%的设备应用到汽车制造。超过 3kW 的高功率系统数量正在稳步增长,激光切割、激光焊接等设备也在朝高功率方向发展。

2013-2016 年中国激光切割成套设备销售数量(台)


资料来源:公开资料,立鼎产业研究中心

5)中小功率二氧化碳激光器

中小功率二氧化碳激光器按照密封材料来划分,主要可分为玻璃管激光器与金属管激光器两种。玻璃管激光器的泵浦方式一般为直流激励方式,需较高的电源电压;金属管激光器的泵浦方式为射频激励方式,需较高的激励频率。玻璃管激光器的特点是价格低廉、更换方便,但使用寿命短、出光响应速度慢、工业化生产困难。金属管激光器是一种全金属化结构的激光器件,具有体积小、全封闭、稳定性强、寿命长、可靠性高、脉冲频率高、光束质量好,适合工业化生产等特点,是近年来工业激光市场上发展最为迅速的技术之一,其优越的技术性能增加了二氧化碳激光器作为生产工具的可能性,给激光加工带来了新的推动力。金属管激光器与玻璃管激光器相比,最突出优点在于:电控制特性优良、使用寿命长、功率输出高且控制精确、加工对象广泛,为激光加工获得良好的质量提供了保障。

6)紫外激光器

值得关注的还有紫外激光器的异军突起。2016 年该类产品在国内的销量同比翻番。随着中国大力推进集成电路产业发展,用于印刷电路板和消费电子产品的微加工系统销量大幅增长。此外,在生物技术、医疗设备等领域的应用也给紫外激光器带来更广阔的市场空间。

2014-2016 年中国紫外激光器销售数量(台)


资料来源:公开资料,立鼎产业研究中心

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