前有美國商務(wù)部將44家中國企業(yè)和科研院所列入“未經(jīng)核實(shí)”名單，后有中美貿(mào)易戰(zhàn)持續(xù)升級(jí)，加稅名單出臺(tái)，對(duì)各行業(yè)領(lǐng)域帶來了影響。激光產(chǎn)業(yè)屬于高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，激光作為一種高效加工工具，對(duì)于推動(dòng)中國經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí)具有不可替代的作用，而缺少核心元器件和關(guān)鍵材料是我國當(dāng)前乃至未來高功率激光光源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸，高性能半導(dǎo)體激光器芯片大量進(jìn)口，單芯片功率≥12 W受到禁運(yùn)。迅速提升我國高功率光纖激光光源技術(shù)、關(guān)鍵器件、核心原材料的國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化水平，有助于扭轉(zhuǎn)我國激光市場整體格局。

01主要卡脖子技術(shù)

（1）窄線寬波長穩(wěn)定976nm/15 W半導(dǎo)體激光芯片及萬瓦半導(dǎo)體激光器技術(shù)

隨著技術(shù)發(fā)展，萬瓦級(jí)激光器對(duì)抽運(yùn)源芯片的出射功率、亮度及穩(wěn)定性要求越來越高。976nm波長窄線寬及波長穩(wěn)定技術(shù)可有效降低系統(tǒng)熱管理難度，提高系統(tǒng)耦合效率和光束質(zhì)量，成為實(shí)現(xiàn)萬瓦級(jí)激光器核心關(guān)鍵技術(shù)。

我們還需要在以下技術(shù)方向努力：

針對(duì)高亮度直接半導(dǎo)體激光器及工業(yè)萬瓦級(jí)激光器對(duì)前端抽運(yùn)源要求，解決新一代激光芯片整體設(shè)計(jì)及外延制備關(guān)鍵核心技術(shù)；

芯片級(jí)波長穩(wěn)定技術(shù)，通過光柵刻寫及二次外延完成內(nèi)置光柵制備，實(shí)現(xiàn)波長穩(wěn)定，滿足萬瓦級(jí)光纖激光器所需抽運(yùn)源及高亮度直接半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用需求；

開展腔面工程技術(shù)研究，提升腔面損傷閾值，實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量、高損傷閾值的芯片腔面；

突破芯片級(jí)別的高偏振特性技術(shù)。

（2）高功率增益光纖及其萬瓦激光器技術(shù)

目前國際商用有源光纖通過對(duì)光纖的波導(dǎo)、摻雜分布、摻雜工藝，實(shí)現(xiàn)了有源光纖在3kW及以上良好的光束質(zhì)量輸出性能，抑制高功率下模式不穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高功率下光纖模式的穩(wěn)定輸出與高穩(wěn)定輸出技術(shù)是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

在高功率下，光纖失效最大的原因之一是光纖的包層出現(xiàn)性能退化失效，光致暗化性能如何表征并進(jìn)行抑制是現(xiàn)有高功率用途有源光纖面臨的難點(diǎn)。在光纖芯徑逐漸增大、功率提高到3kW后，光纖的光致暗化性能測量以及通過材料手段進(jìn)行抑制是高功率有源光纖的一個(gè)核心關(guān)鍵技術(shù)。需要研制功率輸出大于十萬瓦級(jí)的全光纖工業(yè)級(jí)激光器產(chǎn)品（要求300μm芯徑輸出），溫升曲線低于萬分之五的高品質(zhì)合束器，高精度光纖拉錐-切割-熔接-涂覆一體化光纖工藝裝備。

（3）千瓦級(jí)超快（皮秒/飛秒）激光器關(guān)鍵技術(shù)

超快激光器通常采用主振蕩器/功率放大器結(jié)構(gòu)（MOPA），鎖模超快激光種子源輸出高重頻、低能量的皮秒/飛秒種子脈沖，經(jīng)過后續(xù)放大和一系列處理，得到高功率皮秒/飛秒激光器，攻克超快激光種子源技術(shù)、脈沖展寬壓縮及時(shí)序控制技術(shù)、固體多級(jí)多程放大技術(shù)、大口徑光纖啁啾脈沖放大技術(shù)、碟片高功率放大技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)。

（4）極端條件激光先進(jìn)制造關(guān)鍵技術(shù)

大厚板、高強(qiáng)鋼、有色金屬材料激光焊接技術(shù)，鈦合金、鋁合金，大厚構(gòu)件材料中壁板變厚度、大曲面，需要深入探討影響多模激光在大厚構(gòu)件上的焊接加工精度和效率的關(guān)鍵因素及物理機(jī)制：

研究超大型工件現(xiàn)場激光再制造修復(fù)技術(shù)，可在核電、燃?xì)廨啓C(jī)、水輪發(fā)電機(jī)、輪船和冶金、石化、鐵道運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到進(jìn)一步應(yīng)用；

超結(jié)構(gòu)、超材料、超器件激光微納制造技術(shù)，近年來超結(jié)構(gòu)在航空航天、納米機(jī)器人、功能性微納器件、可植入超精密醫(yī)療器械等領(lǐng)域中正發(fā)揮日益重大的作用，研究極微量物質(zhì)乃至分子原子的生長、排布、組裝、改性以及去除過程的精確控制規(guī)律，能推動(dòng)實(shí)現(xiàn)激光微納制造微器件高效率、高精度制造。

（5）激光增材制造新技術(shù)研究

增材制造技術(shù)主要利用高能束熱源將粉末或絲材分層沉積到基體上，最終實(shí)現(xiàn)原始尺寸恢復(fù)或沿成形基面快速成形制造。開發(fā)鈦鋁、耐高溫合金、光敏樹脂、細(xì)胞等新型3D打印材料，發(fā)展微納增材制造、多色材料增材制造、纖維復(fù)合材料增材制造等打印設(shè)備，突破掃描振鏡、3D打印激光器及控制系統(tǒng)、高速高精導(dǎo)軌、氧/塵/水傳感器等核心部件，拓展3D掃描、創(chuàng)意設(shè)計(jì)、3D打印制造服務(wù)等應(yīng)用及服務(wù)。

02激光器仍然是國內(nèi)激光發(fā)展的核心

（1）半導(dǎo)體激光器

作為一種新型光源，以其結(jié)構(gòu)緊湊、光束質(zhì)量好、壽命長及性能穩(wěn)定等優(yōu)勢，可用作光纖激光器、固體激光器抽運(yùn)源，目前占整個(gè)激光領(lǐng)域產(chǎn)品銷售總額的60%。到2023年，預(yù)計(jì)我國半導(dǎo)體激光產(chǎn)業(yè)市場規(guī)模將接近300億元。氮化鎵基藍(lán)綠光半導(dǎo)體激光器是第三代半導(dǎo)體材料的重要方向。美國TeraDiode公司已開發(fā)出一款超高亮度的千瓦量級(jí)直接半導(dǎo)體激光器，使輸出光束的光束參量積達(dá)到了3.75mm-mrad，在單一中心波長下該激光器的輸出功率達(dá)到了2030W。

（2）光纖激光器

光纖激光器占全球激光器份額超過50%。粗略統(tǒng)計(jì)我國去年光纖激光器的出貨量超過8萬臺(tái)。以公司來說，IPG光子仍然占據(jù)非常高的市場份額，國內(nèi)的銳科激光已有超過2萬瓦激光器，海富光子、中科光匯、創(chuàng)鑫激光等也都各有所長。

（3）超快激光器

以皮秒與飛秒激光器為代表的超快激光自2003年后開始發(fā)展，在過去的10多年中，商用超快激光器的平均功率增加了一百倍，發(fā)展重點(diǎn)為千瓦級(jí)超快激光器。德國耶拿大學(xué)、夫瑯禾費(fèi)應(yīng)用光學(xué)和精密工程研究所以及Active Fiber Systems等組織機(jī)構(gòu)的研究人員攜手歐盟ELI（Extreme Light Infrastructure）項(xiàng)目構(gòu)建了一個(gè)能提供高達(dá)6fs、200W的激光系統(tǒng)，刷新了世界紀(jì)錄。以相干、光譜物理、通快、NKT、EKSPLA、Light Conversion、Lumentum、EdgeWave、Amplitude等公司為代表，在超快激光器領(lǐng)域占有全球近90%的市場份額。

吉林大學(xué)、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、中科院物理所/光機(jī)所等都在大力推進(jìn)超快激光科研；華日激光、安揚(yáng)激光、武漢虹拓新技術(shù)、卓鐳激光等國內(nèi)企業(yè)也在大力推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。2018年全球超快激光器產(chǎn)值超過8億美元，未來三年還會(huì)出現(xiàn)加快增長，至2020年市場產(chǎn)值可達(dá)14億美元。在中國，由消費(fèi)電子產(chǎn)品加工帶來的超快激光微加工應(yīng)用需求量會(huì)大幅增加。

（4）紫外激光器

2018年國內(nèi)紫外激光器市場快速增長，總銷售數(shù)量超過6000臺(tái)，同比增長超過70%。除了光譜物理、相干、通快、英諾激光等外國公司占有高端市場，國內(nèi)品牌也得到長足發(fā)展，華日激光、英谷激光、瑞豐恒、道中道激光等企業(yè)都得到了良好的增長。紫外激光設(shè)備的發(fā)展主要表現(xiàn)在打標(biāo)與精密切割方面，在消費(fèi)電子器件、FPC板、玻璃、聚合物等應(yīng)用領(lǐng)域均有不錯(cuò)的加工效果。

以激光器應(yīng)用的熱門領(lǐng)域來看，激光雷達(dá)和激光照明兩個(gè)應(yīng)用市場增長不錯(cuò)。激光雷達(dá)市場增長的主要驅(qū)動(dòng)力來自于無人機(jī)、自動(dòng)駕駛的汽車、機(jī)器人、軍事及安全等領(lǐng)域。當(dāng)前，激光雷達(dá)主要有兩種類型：一種是多束激光并排繞軸旋轉(zhuǎn)360度，每束激光掃描一個(gè)平面，但分辨率的下降使車輛行駛中檢測障礙物時(shí)易產(chǎn)生盲點(diǎn)，從而帶來安全隱患。另一種是固態(tài)激光雷達(dá)。該技術(shù)以美國Quanergy Systems公司的固態(tài)激光雷達(dá)傳感器為首，采用相控陣掃描替代機(jī)械掃描方式，可以大幅降低生產(chǎn)成本。

激光照明的一部分市場是汽車激光照明，主要是汽車頭燈。寶馬、奧迪等知名汽車制造商都采用了激光照明系統(tǒng)。另一部分市場是安全激光照明，如為夜晚環(huán)境中騎行的人們提供警示性標(biāo)識(shí)。

03激光加工發(fā)展趨勢

隨著光纖激光器的技術(shù)不斷突破與價(jià)格下降，光纖激光切割機(jī)呈現(xiàn)良好的增長，尤其是中小功率切割機(jī)廣受歡迎，高功率激光切割需求也快速恢復(fù)。激光加工向智能化、微細(xì)、超大、極端制造方向發(fā)展。

（1）激光焊接、切割

激光焊接將首先在汽車制造、高速火車和飛機(jī)制造、農(nóng)業(yè)機(jī)械和造船等領(lǐng)域鋪開，這將是一個(gè)未來的增長點(diǎn)。

（2）激光清洗

利用高能激光束與工件表面要去除的物質(zhì)相互作用，發(fā)生瞬間蒸發(fā)或剝離，無需各種化學(xué)清洗劑，綠色無污染。可用于清除油漆、油污、氧化層、清洗螺桿、除銹、清洗焊縫等。激光清洗在微電子、建筑、核電站、汽車制造、醫(yī)療、文物保護(hù)、鋼鐵除銹和模具去污等領(lǐng)域擁有巨大市場空間。

（3）金屬3D打印

金屬3D打印即增材制造，SLM系統(tǒng)的年銷量超過1000臺(tái)，其中使用的激光源主要是光纖激光器、CO2激光器和超快光纖激光器，功率范圍30W到1kW以上。3D打印的精細(xì)度也越來越高，打印出的精細(xì)結(jié)構(gòu)的分辨率已經(jīng)達(dá)到微米量級(jí)。

（4）激光精密加工和微細(xì)加工

隨著中國集成電路的大力發(fā)展，用于印刷電路板和消費(fèi)電子產(chǎn)品微加工系統(tǒng)大幅增長。生物技術(shù)和醫(yī)療設(shè)備領(lǐng)域的應(yīng)用也給微細(xì)加工提供了廣闊的發(fā)展空間。中國手機(jī)市場的蓬勃發(fā)展給平板顯示制造商帶來了巨大的商機(jī)，用于制造OLED顯示器的準(zhǔn)分子激光器在亞洲市場勢頭強(qiáng)勁。

04總結(jié)

綜上所述，我國高亮度高功率激光器雖然經(jīng)過十多年的不斷攻關(guān)已取得了一定的成績，但是缺少核心元器件和關(guān)鍵材料，是我國當(dāng)前乃至未來激光光源產(chǎn)業(yè)發(fā)展的主要瓶頸。

（1）打破我國半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)“有器無芯”的局面，開發(fā)出窄線寬波長穩(wěn)定的976 nm/15 W應(yīng)用于高功率半導(dǎo)體抽運(yùn)源及直接半導(dǎo)體激光器應(yīng)用的激光芯片；

（2）迅速提升我國高功率光纖激光光源技術(shù)、關(guān)鍵器件、核心原材料的及國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化水平，扭轉(zhuǎn)我國激光市場整體格局的必由之路；

（3）大力攻克千瓦飛秒激光技術(shù)與關(guān)鍵核心器件，開發(fā)固體多級(jí)多層放大技術(shù)和碟片激光放大技術(shù)，實(shí)現(xiàn)核心關(guān)鍵器件的國產(chǎn)化，完善超快激光器全產(chǎn)業(yè)鏈；

（4）研究超快激光微孔加工、超快激光高效高質(zhì)量切割以及超快激光鍵合封裝技術(shù)，跟蹤顯示產(chǎn)業(yè)、微電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展，加強(qiáng)產(chǎn)業(yè)鏈配套能力建設(shè)。

武漢元祿光電www.jiuweihu.cc  來源：光電匯  作者：唐霞輝 教授 華中科技大學(xué)激光加工國家工程研究中心

推薦設(shè)備：紫外激光切割機(jī)