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    解析半导体激光器产业现状与技术流派前景

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    发表于 2020-5-27 11:36:49 | 显示全部楼层 |阅读模式 |          

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    近年来,中国激光产业获得了飞速的发展。中国是活跃的制造业市场及工业激光设备的主要市场,受宏观经济发展、制造业产业升级、国家政策支持等因素影响,中国工业激光产业成为受高度关注的产业之一,市场发展迅速。2015年,中国取代欧洲,首次成为激光器最大的消费市场。

    半导体激光器市场规模

    2013年以来,我国光纤激光器市场规模逐年增长,CO2激光器市场被逐渐侵蚀,光纤激光器成为工业激光器最大产品结构,作为光纤激光器泵浦半导体激光器市场规模快速扩大,2015年、2016年、2017年是我国半导体激光飞速发展的3年,2017年以后,由于部分光纤激光器龙头厂商开始大批量单独生产LD器件、LD芯片,减少了对半导体激光器泵浦采购。加之国内宏观经济发展压力加大,国际贸易摩擦不断,半导体激光器市场增速大幅放缓,到2019年,我国半导体激光器市场规模为19.79亿元,同比增长10.6%,2013-2019年年复合增长率达到18.17%。


                                   
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    数据来源:OFweek产业研究院

    当前国际上从事半导体激光器的企业有美国的Coherent、nLight、II-VI、Newport、德国TRUMPF、DILAS等。由于国外半导体激光器研发起步早,产业化早,技术积累更深厚,因此其产品占据较大市场份额。

    国内半导体激光器产业化相对较晚,但随着应用市场的快速扩大,也孕育出一批极具竞争力的企业,如山东华光光电(1999.11.成立)、西安华科光电(2002.9.成立)、北京凯普林光电(2003.3.成立)、西安炬光科技(2009.9.成立)、苏州长光华芯(2012.3.成立)等。据OFweek激光网了解,这几家企业2019年销售额均超过亿元。其中,凯普林早期的半导体激光器主要面对海外医疗及激光制版印刷行业,从2011年开始逐步成为工业半导体泵浦源及半导体激光直接加工领域国产替代进口品牌的主力军,其强大的研发团队及高额的研发投入为其开拓工业市场提供了坚实的技术保障。

    半导体激光器应用日趋广泛

    早在20世纪80年代的时候,半导体激光器还只是应用在光存储和一些小众应用。当时,光存储是半导体激光器行业的第一个大型应用。随着半导体激光器技术不断创新,推动了注入数字多功能光盘(DVD)和蓝光光盘(BD)等光存储技术的发展。到20世纪80年代,光网络成为了半导体激光器的主战场。再后来,半导体激光器又成为通信网络的关键加工制造设备。

    由于半导体激光器具有制造简单、易量产、成本低、波长覆盖范围广、体积小、寿命长、能耗低、电光转换效率高等优点,在CD激光唱片机、光纤通信、光存储器、激光打印机等获得广泛应用,逐渐覆盖了各个光电子学领域的实用市场。随着半导体激光器输出功率逐步提高及输出特性不断改善,其在工业加工领域也逐步开始发挥作用。除了直接参与工业加工外,半导体激光器更多应用于光纤激光器和固体激光器的泵浦源,与工业激光市场共同发展,并随着光纤激光器的爆发而迎来新的增长点。

    受光束质量的限制,传统半导体激光器难以直接用于金属切割。近年来,随着半导体耦合技术的提高,以及新型合束技术的逐渐成熟,部分千瓦级以上的光纤输出的半导体激光器,也可以满足切割对光束质量的要求。另外,由于半导体激光器波长的多样性,短波长的半导体激光器十分接近铝的波长吸收最大值,因此,在汽车工业中大功率半导体激光非常适用于铝材汽车车身的焊接。目前,激光输出功率为2KW到6KW之间的半导体激光器,在汽车工业生产过程中已得到了广泛应用。此外,蓝光半导体激光器以其在铜材料方面吸收效率的极大优势,在新能源电池电极焊接、PCB加工等领域受到越来越多的青睐。2020年美国西部光电展上,凯普林推出了445nm,200W的产品,成为国内高功率蓝光半导体激光器的代表,与laserline等公司同台竞争。

    在材料直接加工领域,半导体激光器光束质量难以超越光纤激光器,但在薄板焊接、切割应用方面,半导体激光器却十分适用。高功率半导体激光器的发展使得许多重要的应用成为可能,除用作工业激光器泵浦源和直接材料加工外,制版印刷,医疗美容,照明传感等均成为半导体激光器的重要应用市场。

    两种技术流派:单管耦合与巴条耦合

    目前工业加工市场已成为半导体激光器的最大市场,而不论是直接加工还是作为泵浦源,半导体激光器的工业应用都离不开光纤耦合。半导体激光器的耦合主要有两个技术流派,分别是单管耦合技术和巴条耦合技术,这二种技术本质相同却又各具特点。

    所谓单管就是我们常说的“激光芯片”。其制作过程与半导体芯片一样,都要经过硅晶圆制造、IC设计、IC制造、IC封测等一系列过程。最终制成的一小片芯片,即称为单管半导体激光器。而激光巴条可以看做是多个半导体单管并排形成的激光器单条,称之为一个bar,实质上是在同一基底上构建一系列半导体激光器单管而形成的,也可以叫线阵激光器。简单理解就是,多个单管排列成为一个巴条,而一个巴条又可拆分多个单管。


                                   
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    激光单管(左)与激光巴条(右)
    图片来源:凯普林

    激光器单管仅有一个发光点,易于进行光纤耦合,因此常用作光纤激光器的泵浦源(多为中低功率),能够有效减少热效应的相互影响,同时易于检修、维护、更换,而且高电压低电流的驱动电源结构简单,成本低;而激光巴条由于发光点多,具有更高的发光功率,因此常用作大功率光纤激光器、全固态激光器的泵浦源或直接发光,在医美、军工等领域也有较多应用。目前国内的激光器单管最高功率能做到20W,而激光巴条则能实现300W甚至更高功率的输出。

    由于光纤激光器的爆发式增长及工业市场的巨量需求,单管耦合是目前半导体激光器中应用更广的技术方案。代表企业包括美国的Lumentum、nLight,国内的凯普林、长光华芯等。而巴条耦合则由于存在散热、后期维护等问题,为企业入局造成较高门槛,代表企业如德国Dilas、LIMO等。

    未来走向:两派技术各有所长,市场发展兼容并包

    随着半导体激光器在材料加工、泵浦源、医疗美容、传感照明等应用的广泛应用,国内外半导体激光器制造商之间竞争日趋激烈。领先的公司在产品性能提升、应用拓展、性价比提高等方面不断发力。多单管耦合技术与巴条、叠阵直接输出及巴条耦合技术,作为半导体激光器技术发展的两条主要技术路线,一直以来以各自的优点,分别在不同的细分应用上独立发展。

    尽管眼下工业激光市场的泵浦源多采用单管耦合技术,但巴条、叠阵、巴条耦合在功率上有着先天优势,随着光纤激光器功率不断提高,巴条技术有望获得更好的发展前景。此外,半导体激光器在医美应用、固体激光器泵浦源、高功率直接加工等市场也在飞速发展,也为巴条技术带来更广阔的发展空间。实际上这两种技术流派各有特点,在应用上能够相互弥补,在增量巨大的市场完全能够兼容,彼此促进,实现共同发展。对国内半导体激光器企业而言,扩充技术储备范围,对长远发展意义非凡。

    这一判断并非空穴来风。OFweek激光网了解到,北京凯普林光电便已有所行动。据悉,凯普林在成熟的单管耦合技术基础上,邀请多名欧洲技术专家加入公司,补足巴条、叠阵、巴条耦合等半导体激光器相关技术,其目标是在半导体激光器的两类产品技术路线都建立优势。

    凯普林官网显示,公司致力于高功率激光器系统、器件的研发及产业化,目前自有技术包括高效率光纤耦合技术、高精度半导体激光芯片封装技术、微透镜设计/光纤处理/光束整形及整套高可靠半导体激光器商业化生产工艺技术,还可为用户定制特殊规格的激光器组件/系统或提供OEM服务。其大功率光纤耦合半导体激光器产销量位列世界前列。

    OFweek激光网认为,凯普林补齐巴条半导体激光器技术,或将对国内半导体激光器市场格局产生较大影响。伴随巨大市场增量的驱动,凯普林的变革一方面能扩大自身的市场布局、提高市场占有率;另一方面,新技术的引入也将给整个产业链带来更多选择,促进整个产业链的良性发展。中国半导体激光市场,未来值得期待!







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