激光產(chǎn)業(yè)鏈從上游-中游-下游-終端，可分為四大環(huán)節(jié)：上游：核心器件，包括激光芯片、泵浦源、特種光纖、晶體材料、光學(xué)元器件；中游：激光器，包括半導(dǎo)體激光、光纖激光、超快激光等；下游：激光切割、激光焊接、激光打標(biāo)、激光清洗、激光熔覆、激光3D打印、激光顯示、激光測量、激光武器等；終端客戶包括汽車制造業(yè)、3C電子、專業(yè)鈑金加工、航空航天、新能源/光伏、軌道交通、船舶重工、工程機(jī)械、生物醫(yī)療、軍工集團(tuán)等。

圖1. 激光加工在航空航天、新能源/光伏、軌道交通、船舶重工、工程機(jī)械等行業(yè)的應(yīng)用場景持續(xù)拓寬

激光制造已然成為發(fā)達(dá)國家積極搶占的戰(zhàn)略制高點(diǎn)。例如在中國，隨著以“十四五”規(guī)劃和2035年遠(yuǎn)景目標(biāo)為指引的發(fā)展戰(zhàn)略的不斷落實(shí)，激光制造正加快推動(dòng)中國制造業(yè)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)型升級(jí)。

作為國內(nèi)最大的光電器件基地、光通信技術(shù)研發(fā)基地和最大的激光產(chǎn)業(yè)基地之一，武漢·中國光谷目前的光電子信息產(chǎn)業(yè)規(guī)模超5500億元。同時(shí)，光谷也是我國激光技術(shù)研究、激光產(chǎn)業(yè)和激光專業(yè)人才培養(yǎng)重要基地之一，這里聚集了逾300家激光企業(yè)。近日，湖北省人民政府印發(fā)《加快“世界光谷”建設(shè)行動(dòng)計(jì)劃》，提出到2025年，“世界光谷”地區(qū)生產(chǎn)總值達(dá)到5000億元，光電子信息產(chǎn)業(yè)規(guī)模達(dá)到7000億元，帶動(dòng)武鄂黃黃（武漢、鄂州、黃岡、黃石）光電子信息產(chǎn)業(yè)規(guī)模突破1萬億元，攜手打造世界級(jí)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)集群。到2025年，光谷激光企業(yè)產(chǎn)值達(dá)到1000億元；到2035年，激光企業(yè)產(chǎn)值達(dá)到3000億元。當(dāng)前，武漢正在打造的“965”產(chǎn)業(yè)集群（9大支柱產(chǎn)業(yè)、6大戰(zhàn)略新興產(chǎn)業(yè)、5大未來產(chǎn)業(yè)），激光產(chǎn)業(yè)作為新型戰(zhàn)略型產(chǎn)業(yè)被涵蓋在內(nèi)。

當(dāng)前，低速光學(xué)芯片和電動(dòng)芯片一般都是中國制造，但高速光學(xué)芯片仍依賴進(jìn)口。國外最先進(jìn)芯片的生產(chǎn)精度是10nm，而我國只有28nm，落后兩代。據(jù)報(bào)道，在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、通用電子系統(tǒng)、通信設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、顯示和視頻系統(tǒng)等多個(gè)領(lǐng)域，中國制造的芯片占比為0。

2017年，ASML推出全球第一臺(tái)量產(chǎn)的極紫外光刻機(jī)，在芯片制造領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。2021年該公司推出新一代光刻機(jī)，造價(jià)1.5億美元，且對(duì)我國限制出口，是典型“卡脖子”領(lǐng)域。

高功率高重頻脈沖CO₂激光器作為極紫外驅(qū)動(dòng)光源具有更高的轉(zhuǎn)化效率(3%-6%)和產(chǎn)生更少的碎片，是目前極紫外光刻機(jī)量產(chǎn)設(shè)備的唯一方案。

在該領(lǐng)域，需要突破的關(guān)鍵單元技術(shù)包括：高損傷閾值聲光開關(guān)器件、電光器件技術(shù)、高損傷閾值精準(zhǔn)相位控制鏡片鍍膜技術(shù)、自適應(yīng)鏡片光學(xué)保偏鍍膜與性能測試、基于相位控制的防反射器件設(shè)計(jì)等。

華中科技大學(xué)針對(duì)高功率脈沖CO₂激光器開展了多項(xiàng)攻關(guān)工作，其中包括脈沖CO₂種子源、基于射頻板條的CO₂激光預(yù)放大、基于射頻激勵(lì)軸快流的CO₂激光主放大等技術(shù)和工藝的研發(fā)。同時(shí)，針對(duì)高功率脈沖CO₂激光器在極紫外光源、光電對(duì)抗、電路板鉆孔等應(yīng)用領(lǐng)域開展了相關(guān)研究。

晶圓激光退火是芯片制造的關(guān)鍵技術(shù)之一，其主要使用的是高精度、高穩(wěn)定性的大功率射頻板條CO₂激光器。毫秒退火是近年來的最新技術(shù)，這種方法將晶圓加熱到僅低于硅的熔點(diǎn)，約為1100-1350℃，而加熱時(shí)間僅為幾百微秒到幾毫秒之間。該方法主要包括閃光燈退火以及激光尖峰退火。閃光燈退火主要采用一排閃光燈在一瞬間對(duì)晶圓進(jìn)行照射；激光尖峰退火的原理是：長波長的CO₂激光器產(chǎn)生激光束，并通過一定的整形形成線光束，以掠射角照射到晶圓表面。對(duì)于28nm以下節(jié)點(diǎn)的集成電路退火，主要采用射頻板條CO₂激光器進(jìn)行激光退火。

圖2. 激光尖峰退火示意圖

華中科技大學(xué)是目前國內(nèi)唯一具有研發(fā)和制造能力3.5kW射頻板條CO₂激光器的科研單位，針對(duì)高精度射頻板條電極設(shè)計(jì)與加工、大功率射頻電源設(shè)計(jì)與開發(fā)、非穩(wěn)波導(dǎo)混合諧振腔、匹配網(wǎng)絡(luò)與并聯(lián)諧振技術(shù)、光束整形設(shè)計(jì)和射頻氣體放電理論與參數(shù)測試開展了大量科研工作。

高功率、高光束質(zhì)量是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器加工直接應(yīng)用的重要技術(shù)指標(biāo)。為了提高半導(dǎo)體激光器輸出光功率，需要采用最適宜的合束技術(shù)來提高半導(dǎo)體激光源的亮度及光束質(zhì)量。

針對(duì)高功率紅外半導(dǎo)體激光器，當(dāng)采用常規(guī)合束方法時(shí)，其外部光學(xué)集成，易實(shí)現(xiàn)上萬瓦高功率，但光束質(zhì)量較差，目前亮度達(dá)76MW/cm²/sr (3000W/20mm*mrad)；如采用光譜合束，外腔反饋光譜窄化及調(diào)節(jié)，光束質(zhì)量有較大提升，目前亮度達(dá)3.9GW/cm2/sr (4700W/3.5mm*mrad)；采用高光束質(zhì)量單元與光譜合束結(jié)合方法時(shí)，光束質(zhì)量近衍射極限，功率待進(jìn)一步提升，目前亮度達(dá)10GW/cm²/sr (360W/0.6mm*mrad)，是獲得萬瓦級(jí)、高光束質(zhì)量輸出的有效途徑；當(dāng)采用高光束質(zhì)量單元與光譜合束單片集成方法時(shí)，芯片內(nèi)部光譜窄化及調(diào)節(jié)，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定簡化，強(qiáng)化了半導(dǎo)體激光器的環(huán)境適應(yīng)性。

波長400nm~500nm范圍的藍(lán)光半導(dǎo)體激光器，具有穩(wěn)定性高、電光效率高等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于激光加工（如銅、金）、醫(yī)療、水下探測、照明、激光泵浦等領(lǐng)域。高功率藍(lán)光半導(dǎo)體激光旨在解決以純銅、純金、高強(qiáng)鋁為代表的高反射高導(dǎo)熱材料激光先進(jìn)制造問題。藍(lán)光吸收率是常規(guī)紅外激光器的5-10倍，激光焊接時(shí)可達(dá)到無飛濺、無氣孔、焊縫一致性成形好等優(yōu)點(diǎn)，它也適用于電力輸送、動(dòng)力電池和航空航天燃燒室等Cu焊接或3D打印等應(yīng)用中。

藍(lán)光合束方法主要包括空間合束、偏振合束、波長合束、光譜合束、光纖合束。其中，空間合束、偏振合束和光纖合束是在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用較多的手段。通過空間合束和偏振合束可以實(shí)現(xiàn)500W，1000W的藍(lán)光激光器。就高亮度藍(lán)光光纖耦合模塊而言，500W模塊的光纖≦400μm/0.22NA；1000W、1500W模塊的光纖≦800μm/0.22NA；功率穩(wěn)定≦±2%；1500W模塊，光纖≦800μm/0.22NA；功率穩(wěn)定≦±2%；。

圖 3. 從 a 到 e 依次為：空間合束、偏振合束、波長合束、光譜合束、光纖合束的示意圖

藍(lán)光復(fù)合技術(shù)主要包括藍(lán)光+光纖復(fù)合、激光焊接機(jī)器人、焊接過程視覺檢測、焊接位置跟蹤等工藝的結(jié)合。通常情況下，高功率藍(lán)光激光加工頭，其功率承受能力≥1500W，焦點(diǎn)光斑直徑≤1mm；復(fù)合應(yīng)用激光加工頭總承受功率≥6000W。高功率藍(lán)光半導(dǎo)體激光焊接應(yīng)用上，結(jié)合藍(lán)光激光的高吸收率和光纖激光器的高功率，能夠獲得理想的焊接效果。此外，藍(lán)光/紅外耦合的雙激光選區(qū)熔化增材制造也引發(fā)不少關(guān)注。

可見光激光在生物醫(yī)學(xué)、精細(xì)加工、水下通信、光學(xué)存儲(chǔ)、光譜學(xué)等領(lǐng)域有非常廣泛的應(yīng)用。

LD 作泵浦源能使固體激光器具有體積小、重量輕、壽命長、效率高、光束質(zhì)量好、易通過陣列化、模塊化來實(shí)現(xiàn)高功率激光輸出等優(yōu)點(diǎn)。

以摻鐠激光器為代表的藍(lán)光泵浦的可見光激光器可以高效的產(chǎn)生藍(lán)光、綠光、橙光、紅光和深紅光激光，避免了倍頻晶體的使用，穩(wěn)定性好，腔體結(jié)構(gòu)緊湊。

在眾多光源產(chǎn)品中，光纖激光器以其優(yōu)異的電光轉(zhuǎn)換效率、卓越的性能、最小的維護(hù)需求、節(jié)能環(huán)保、持續(xù)拓展的應(yīng)用場景、優(yōu)異的光束質(zhì)量以及更高的穩(wěn)定性等諸多優(yōu)勢頗受青睞。高功率光纖激光器主要指單脈沖功率在1.5kW以上的光纖激光器，特殊的高功率光纖激光器單脈沖功率甚至可以達(dá)到10kW以上。

2022年，中國光纖激光器市場總營收為120多億元，同比增長3.7%-11.7%。2019年以來，高功率光纖激光器頻出，尤其是萬瓦級(jí)激光器。12kW、15 kW、20KW、100KW……為板材加工市場帶來一次又一次沖擊。

光纖激光器的核心光學(xué)器件如泵浦源、有源光纖、合束器、光柵均在中國已陸續(xù)實(shí)現(xiàn)了批量化生產(chǎn)制造。今后，工業(yè)應(yīng)用對(duì)于高效率、加工能力、加工精度的持續(xù)追求，將推動(dòng)光纖激光器邁向更高亮度、更高功率、更短脈沖的發(fā)展征程。

表1. 976nm更高泵浦效率及更短光纖

相較而言，976nm比915nm泵浦的光電轉(zhuǎn)化效率提高25%以上；12kW的976nm比915nm產(chǎn)品成本低10%左右。

Coherent/Nufern推出MM-YTF-34/460/530多模三包層摻鐿光纖。傳統(tǒng)的大模場（LMA）光纖輸，受限于光纖光柵腔鏡，無法使用30um以上的低數(shù)值孔徑（NA）光纖制作高功率光纖激光器諧振腔。主震蕩功率放大（MOPA）技術(shù)是提升單根光纖輸出功率水平的一條可行技術(shù)路線。同時(shí)提供匹配使用的無源三包層光纖MM-GTF-34/460/530，方便用于光纖合束器的制作和高功率匹配光纖輸出。MM-YTF-34/460/530適合于MOPA結(jié)構(gòu)的高功率多模光纖激光器，能夠?qū)崿F(xiàn)高達(dá)5kW甚至更高輸出。

圖4. MOPA結(jié)構(gòu)高功率多模光纖激光器原理圖

未來，國內(nèi)的光纖激光器廠商亟需在大功率激光芯片、半導(dǎo)體激光泵浦源（如976nm泵浦技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用）、特種光源/光纖設(shè)計(jì)；光學(xué)器件制造和工藝等領(lǐng)域不斷攻關(guān)。此外，要持續(xù)提升激光器的光電轉(zhuǎn)換效率、光束質(zhì)量等關(guān)鍵指標(biāo)和產(chǎn)品性能，還需要快速應(yīng)對(duì)終端多場景技術(shù)變革，例如當(dāng)前如火如荼的新能源、電子、汽車等自動(dòng)化產(chǎn)線多種應(yīng)用的需求。

近幾年，超快激光技術(shù)經(jīng)歷了重大革新和迭代，超快激光器在微電子、3C /5G、穿戴式電子設(shè)備、醫(yī)療裝備、航空航天、新能源汽車、光伏、OLED 等現(xiàn)代顯示行業(yè)、增材制造、生命科學(xué)、科研領(lǐng)域擁有更多元化和創(chuàng)新型的應(yīng)用潛力。超快激光提供了前所未有的極端制造與精密制造潛力，在攻克常規(guī)工藝難以實(shí)現(xiàn)的高、精、尖、硬、難等加工瓶頸方面獨(dú)樹一幟。

圖5.超快激光提供了前所未有的極端制造與精密制造潛力

2022年國內(nèi)工業(yè)超快1000余臺(tái)，其中國內(nèi)激光器占比50%以上。今后，超快激光領(lǐng)域的研發(fā)重點(diǎn)包括提升光源的輸出功率和能量，不斷改善光束工藝和質(zhì)量，飛秒和皮秒激光光束的光纖傳輸，紫外和深紫外的頻率轉(zhuǎn)換；進(jìn)一步開發(fā)高功率和高能量的組件，過程監(jiān)控和控制，以及進(jìn)一步攻克光纖種子源、光子晶體光纖、泵浦源、激光二極管、壓縮光柵、保偏光纖、脈沖調(diào)制器件、放大技術(shù)等領(lǐng)域的技術(shù)瓶頸。

當(dāng)前，激光切割已占據(jù)大約70%的激光加工市場，20%為激光焊接，約10%為其他工藝。2021年激光切割仍是最大應(yīng)用市場，并且向萬瓦級(jí)高功率持續(xù)邁進(jìn)，超600家從事激光切割裝備制造的企業(yè)紛紛加入光纖切割陣營。

對(duì)于厚板而言，其切割、穿孔能力均突破80 mm，切割效率和斷面質(zhì)量也全面提升中，高功率激光器切割中，氧氣作為輔助氣體，通過使用不同功率配合不同厚度板材切割，以獲取光滑平整的切割斷面。

圖6. 從切割效果來看，15kW光纖激光器進(jìn)行切割工作，可有效改善工件錐度。

切割厚度從以往的25mm瓶頸，逐漸突破了40mm、60 mm、80mm，甚至更厚。然而目前，在切割大于60mm厚度的材料上，穿孔、穩(wěn)定切割和錐度大小的控制，是亟需進(jìn)一步攻克的問題。

在使用較低激光功率進(jìn)行氧氣碳鋼切割時(shí)，通常建議用戶不要切割小于板材厚度的圓孔，一般情況下等于板材厚度甚至是板材厚度的1.5倍，隨著切割、穿孔效率的提升，輔以合適的噴嘴，可以進(jìn)行厚板小孔的加工。 

圖7. 15kW 碳鋼小孔切割，可以看出氧氣碳鋼高功率小噴嘴高速亮面切割，板材上層條紋及下層拖曳線均過于粗糙

總之，需要對(duì)切割速度、激光功率、輔助氣體、焦點(diǎn)位置、噴嘴特性及材料材質(zhì)性能等工藝參量進(jìn)行合理有機(jī)的控制，倘若參量把握不準(zhǔn)，其切割精度和切割質(zhì)量都會(huì)受到很大的影響。

激光拼焊技術(shù)、熱壓成型技術(shù)等先進(jìn)的加工制造工藝直接決定汽車輕量化應(yīng)用。通常情況下，前縱梁采用激光拼焊技術(shù)，車身零件數(shù)量可減少約25%，質(zhì)量減輕20%，抗扭剛度提高65%，振動(dòng)特性改善35%，并且大幅增強(qiáng)了彎曲剛度。同時(shí)，要進(jìn)一步攻克鋁質(zhì)材料與鋼鐵材料的激光拼焊形式，以保證對(duì)重要位置的強(qiáng)化等。

圖8. 如今，汽車板拼焊的應(yīng)用場景越來越多，需求量亦越來越大，包括汽車門內(nèi)板、底板、立柱等不等厚鋼板的拼焊中

預(yù)計(jì)到2025年，全球新能源汽車銷量將超1500萬輛；到2030年全球新能源汽車銷量將達(dá)3000萬輛左右。全球新能源動(dòng)力電池裝機(jī)量需求到2025年預(yù)計(jì)達(dá)到1000GWh，到2030年預(yù)計(jì)達(dá)到2400GWh。另據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，激光技術(shù)在動(dòng)力電池制程中發(fā)揮核心作用，如果以激光設(shè)備占整線價(jià)值量投資比例為30%計(jì)算，2025 年激光鋰電設(shè)備的需求規(guī)模約為430億元，市場空間巨大。

汽車動(dòng)力電池主要包括方形電池、圓柱電池以及軟包電池這三種形式?？珊附硬课话ㄉw板防爆閥焊接、極耳與極柱焊接、殼體焊接、注液孔焊接，模組連續(xù)片焊接等。

圖9. 藍(lán)光激光在各電池部件上的焊接應(yīng)用

當(dāng)涉及汽車鍍鋅鋼板焊接時(shí)，鋅蒸氣和鋅等離子體是激光深熔焊接鍍鋅板過程中存在的兩種主要焊接特征，其對(duì)焊接過程產(chǎn)生重要影響。鍍鋅板搭接焊時(shí)搭接板間隙中的鋅蒸氣將流向熔池部位，干擾熔池液相流動(dòng)，從而造成孔洞、氣孔與飛濺，甚至出現(xiàn)嚴(yán)重的咬邊等現(xiàn)象。車廂激光填絲釬焊，疊焊時(shí)預(yù)留板間間隙便于鋅蒸氣的逸出，間隙在0.1-0.2mm之間。目前，通快的Bright Line焊接技術(shù)，相干的ARM（可調(diào)節(jié)環(huán)形光斑模式）技術(shù)，IPG 和Laserline的多光點(diǎn)模塊激光釬焊技術(shù)等得到了廣泛應(yīng)用。

從激光拼焊的典型應(yīng)用來看，主要包括門內(nèi)板，立柱，前縱梁等。例如以門內(nèi)板為例，需要在其前部安裝車門鉸鏈的地方，需另外設(shè)計(jì)一塊加強(qiáng)板。而新設(shè)計(jì)的激光拼焊門內(nèi)板，則將板厚或強(qiáng)度不同的鋼板直接焊接在一起。這彰顯出不少優(yōu)勢，一個(gè)是廢料減少，另外是重量減輕。在激光拼焊技術(shù)領(lǐng)域，德國蒂森克虜伯（ThyssenKrupp）可謂是佼佼者，該公司在產(chǎn)品質(zhì)量、穩(wěn)定性、可靠性、批量生產(chǎn)等方面都是市場引領(lǐng)者。

圖10. 德國蒂森克虜伯公司在激光拼焊技術(shù)上處于全球領(lǐng)先地位

針對(duì)航空、汽車、鋼鐵、石油化工、能源、發(fā)電等不同工業(yè)領(lǐng)域失效零件，亟需開發(fā)相應(yīng)的增材修復(fù)與再制造的控形控性工藝與裝備；研制固定式和移動(dòng)式激光修復(fù)集成裝備及其在海陸空的綜合應(yīng)用；研究高功率半導(dǎo)體激光光束傳輸聚焦熱源特性，以及探討在局部約束條件下激光能量吸收機(jī)制和關(guān)鍵部件修復(fù)再制造工藝難題。

例如，由于工業(yè)電鍍存在污染環(huán)境、危害人體的缺點(diǎn)，因此采用激光熔覆技術(shù)作為工業(yè)鍍硬鉻技術(shù)的有效替代方案。然而，由于常規(guī)激光熔覆技術(shù)的表面速率低，熔覆層不夠光滑等缺點(diǎn)，亟需探索一種可以彌補(bǔ)常規(guī)激光熔覆技術(shù)缺陷的高速激光熔覆技術(shù)。高速激光熔覆技術(shù)主要包括激光技術(shù)、送粉技術(shù)、監(jiān)控技術(shù)和材料工藝技術(shù)。

圖11. EHLA完成的熔覆涂層冶金質(zhì)量高、稀釋率低、變形小、表面光潔度高，被視為先進(jìn)環(huán)保的再制造加工技術(shù)。（Credit：Fraunhofer ILT）

由德國Fraunhofer ILT開發(fā)的超高速激光熔覆技術(shù)（EHLA）具有替代當(dāng)前腐蝕和磨損保護(hù)方法如硬鍍鉻和熱噴涂的潛力。EHLA的原理是通過激光融化金屬粉末，從而在金屬件表面形成涂層。這種涂層能有效保護(hù)金屬件免遭腐蝕和磨損，延長其壽命。普通的激光熔覆技術(shù)速率是0.5-2m/min，而超高速激光熔覆技術(shù)可達(dá)到50-200m/min，鍍層速度至少提高了100倍。EHLA其他優(yōu)勢還包括可以在零件表面制備大規(guī)模的同成分涂層，從而有可能生產(chǎn)出在生命周期內(nèi)不會(huì)磨損的創(chuàng)新零件。據(jù)悉目前，F(xiàn)raunhofer ILT的研究人員已經(jīng)將二維超高速激光材料沉積 EHLA 技術(shù)轉(zhuǎn)移到改進(jìn)的五軸 CNC 系統(tǒng)，用于復(fù)雜零部件的增材制造。通過將 EHLA 工藝擴(kuò)展到三維，可以快且精確地3D打印工具鋼、鈦、鋁和鎳基合金等難焊材料。