第二章 激光晶體行業(yè)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

第一節(jié)行業(yè)發(fā)展歷程和發(fā)展特點

2.1.1 行業(yè)發(fā)展歷程

激光材料是激光技術(shù)發(fā)展的核心和基礎(chǔ)，意義重大。1960年美國海軍休斯試驗室的希爾多•梅曼（Theodore H. Maiman）研制成功了世界第一臺人造紅寶石（Cr3+：A1203）晶體激光器，標志著量子電子學進入了光頻階段；1964年誕生了摻釹的釔鋁石榴石晶體（Nd：YAG），激光晶體開始大力發(fā)展；80年代可調(diào)諧范圍為660 - 1100nm的摻鈦藍寶石晶體（Ti：A1203）問世，超短、超快和超強激光已成為可能，飛秒（fs）激光科學技術(shù)蓬勃發(fā)展、并滲透到各個基礎(chǔ)研究和應用學科領(lǐng)域；80年代后期隨著作為泵浦源的半導體激光二極管（LD）技術(shù)和產(chǎn)品的飛速發(fā)展，給激光晶體的研究帶來復蘇；90年代摻釹的釩酸釔晶體（Nd：YV04）研制成功，使激光晶體的發(fā)展進入一個新時期。

激光晶體行業(yè)經(jīng)過40多年的發(fā)展，已經(jīng)滲透到了各個學科與國民經(jīng)濟的各個部門。迄今為止，已研究過的#p#分頁標題#e#激光晶體在幾百種以上，其中包括氟化物、復合氟化物、氧化物、復合氧化物、無機鹽類、自激活、自倍頻、色心等系列激光晶體。

目前，世界上使用最多的激光晶體主要有如下幾種：

圖表 5：主要激光晶體及其基本性能列表

資料來源：********統(tǒng)計整理

2.1.2、行業(yè)發(fā)展特點

2.1.2.1 行業(yè)的發(fā)展空間

激光晶體的主要應用領(lǐng)域是固體激光器，作為產(chǎn)生受激輻射躍遷的工作物質(zhì)，激光晶體中的摻雜離子能級結(jié)構(gòu)決定了激光器的波長，基質(zhì)的晶格結(jié)構(gòu)及其宏觀物理、化學性能決定了激光器的輸出性能?？梢哉f，激光晶體在很大程度上左右著固體激光器的發(fā)展。因此，在分析激光晶體行業(yè)的發(fā)展趨勢前，有必要對各種類型激光器的特點和技術(shù)進展進行簡要分析梳理。

激光（Laser）的全名為受激輻射的光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），是人類二十世紀自然科學的重大發(fā)明之一，是自然界并不存在的一種新型光源。與其他光源相比，它具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性四大特點，這四個特點決定了激光技術(shù)在科技、工業(yè)、軍事、醫(yī)學和日常生活中的廣闊應用領(lǐng)域。比如，利用其高亮度和高方向性，人們將激光技術(shù)用于工業(yè)材料加工、醫(yī)療、測距、制導、定向能武器等，而激光的高單色性和高相干性，則使其在通訊、顯示、測量、全息等領(lǐng)域大顯身手。

按產(chǎn)生激光的工作物質(zhì)物態(tài)的不同，激光器基本可分為五類：固體激光（晶體/玻璃/光纖）、氣體激光（原子氣體、離子氣體、分子氣體、準分子氣體等）、液體激光（有機染料、無機化合物）、半導體激光、自由電子激光。其中，在實際應用中得到廣泛使用的分別是：半導體激光器、所有類型的固體激光器、氣體激光中的分子和準分子激光器。如果按激勵方式分類，則主要是光泵式、電激勵和化學激勵等三種，其中，幾乎所有的固體和液體激光器，以及少量的氣體和半導體激光器采用光泵方式激勵，而大部分氣體和半導體激光采用電激勵方式。

如果按照目前市場銷售規(guī)模分類，則半導體激光是目前全球使用量和市場規(guī)模最大的激光應用，主要用于通訊、存儲、顯示、醫(yī)療、固體激光器泵浦源等領(lǐng)域，而固體激光器和氣體激光器次之，其他類型的激光主要是作為科學研究，使用量極其有限。下面我們著重分析在工業(yè)加工、軍事科研等領(lǐng)域中大量應用的激光晶體固體激光器、光纖固體激光器和氣體激光中的CO2激光器。

激光晶體固體激光器，作為眾多激光技術(shù)研究和工程開發(fā)中的佼佼者，主要采用閃光燈泵浦和半導體激光泵浦兩種光泵方式，為以YAG系列基質(zhì)為主的稀土摻雜激光晶體提供能源，常用的輸出基波波長為1.06um，能夠?qū)崿F(xiàn)大能量、高功率和高重復頻率運轉(zhuǎn)，并可通過串聯(lián)、主振功率放大（#p#分頁標題#e#MOPA）、再生放大、啁啾放大等技術(shù)有效提高輸出能量水平。在采用調(diào)Q、腔倒空、鎖模等技術(shù)后，可極大的壓縮激光脈沖的寬度，實現(xiàn)納秒、皮秒甚至窄至飛秒級的脈寬，分別提供兆瓦、吉瓦和太瓦級的極高峰值功率。并通過倍頻、和頻、光參量振蕩、拉曼頻移等非線性光學技術(shù)，實現(xiàn)從200nm紫外到1.5um人眼安全等波長的變換。特別是隨著半導體激光器的產(chǎn)業(yè)化，采用半導體激光泵浦固體激光技術(shù)（DPSSL）的全固態(tài)激光器技術(shù)飛速發(fā)展并日益普及，有效地降低了激光晶體的熱效應和使用成本、提高了轉(zhuǎn)換效率，使用端泵、側(cè)泵以及盤片激光泵浦等多種方式，在高光束質(zhì)量、大能量、高功率方面取得平衡，國外已實現(xiàn)10KW級、國內(nèi)5KW級的1064nm紅外、200W 532nm綠光以及20W 355nm紫外激光的可靠運轉(zhuǎn)。這一系列的特點，決定了采用激光晶體的固體激光器在軍事、工業(yè)、顯示、科研等領(lǐng)域廣闊的應用范圍和巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/span>

光纖激光器是指采用摻稀土元素的玻璃光纖作為增益介質(zhì)的光波導固體激光器，在通訊用光纖放大器（EDFA）基礎(chǔ)上發(fā)展而來，均采用半導體激光泵浦技術(shù)、大功率雙包層光纖作為導光和增益介質(zhì)、波導結(jié)構(gòu)光纖作為腔鏡熔接形成諧振腔，具有泵浦波長匹配簡單、效率高、尺寸小、重量輕、成本低、可靠性高、永不失調(diào)等優(yōu)點，特別是由于光纖芯徑自身的限制，使光纖激光器比較容易控制光束質(zhì)量，因而光纖激光器大都具有同等輸出功率下較好的光束質(zhì)量，同時，激光功率的增加可以方便地采用增加光纖長度的辦法實現(xiàn)，目前光纖激光器的輸出功率已超過千瓦，并可通過光纖合束實現(xiàn)萬瓦級輸出。在工業(yè)加工領(lǐng)域，已開始在多個領(lǐng)域得到應用，如金屬打標、雕刻、切割、金屬/非金屬鉆孔、焊接等，同時在激光武器應用方面得到強烈關(guān)注。

CO2 激光器是目前應用最廣泛的氣體激光器，由于氣體的可流動性，不會過多受制于增益介質(zhì)的體積，因此具有平均輸出功率高、每瓦成本低、光束質(zhì)量較好等特點，同時由于激光波長為10.6um，在非金屬材料加工方面具有獨特的優(yōu)勢，目前CO2激光器絕大多數(shù)應用在工業(yè)領(lǐng)域，且主要集中于包裝、皮革等非金屬材料標刻、雕刻等行業(yè)的10-30W中小功率射頻激勵CO2管，和切割、焊接應用的快軸流、慢軸流、橫流放電的1KW - 6KW級高功率激光器。

由于波長、激光輸出特性的不同，導致上述三種激光器在技術(shù)成熟度、發(fā)展趨勢和市場應用領(lǐng)域各有所不同，簡要對比如下

1）技術(shù)與發(fā)展方面#p#分頁標題#e#

固體激光技術(shù)是激光發(fā)明以來，開發(fā)和研究最為全面廣泛和成果最為豐富的激光技術(shù)，并在理論研究、工程設計、制造工藝、配套元器件甚至專業(yè)設計軟件等方面形成了完整體系，并繼續(xù)深化和細化。僅在全固態(tài)激光器方面，以應用為牽引，就陸續(xù)研發(fā)出各種新型結(jié)構(gòu)的半導體激光泵浦技術(shù)，如工業(yè)、科研中兼具端泵和側(cè)泵優(yōu)勢的薄片激光技術(shù)，軍事科研領(lǐng)域的熱容激光、多程激光放大、板狀Nd：YAG角耦合技術(shù)，在微加工領(lǐng)域的全固態(tài)的深紫外激光倍頻技術(shù)、工業(yè)皮秒激光技術(shù)和工藝、飛秒激光技術(shù)，在激光顯示領(lǐng)域，高效微片三原色激光技術(shù)的開發(fā)，使顯示領(lǐng)域逐步進入一個全新的發(fā)展階段。目前多波長、高效率、高功率和大能量的固體激光器以及飛秒超快脈沖的光與物質(zhì)相互作用機理和加工工藝研究等均為整個激光界的研究前沿和開發(fā)熱點。

但隨著應用的深入，固體激光器的發(fā)展亦存在一些制約因素，如技術(shù)難度大、光學分立元件多、調(diào)試維護工作量大、熱管理困難等，因此，世界著名商用激光器公司：美國Coherent、Newport、JDSU等投入大量資源，研制采用Nd:YAG薄片激光器作種子源、光纖激光作為功率放大以及光子超快光纖做種子源、一到兩級Nd：YAG晶體作為能量放大的所謂“混合”泵浦技術(shù)，即利用了光纖激光光束質(zhì)量好的優(yōu)點，又發(fā)揮了激光晶體儲能高、能量大的特色。另外，按照工業(yè)標準化制造流程，開發(fā)各種免調(diào)試、集成制造等專利工藝技術(shù)，以增強固體激光器的可靠性和免維護性。

CO2激光器由于平均輸出功率高，原理技術(shù)成熟，研究開發(fā)的熱點主要集中在激光器制造工藝、可靠性工程設計、提高運行壽命、加工工藝研究以及降低成本等方面，近30年來，CO2激光器件的有關(guān)工藝技術(shù)在國外已達到相當高的水平，如德國的TRUMPH、ROFIN-SINAR等公司的工業(yè)級CO2激光器輸出功率可達到6KW，美國的Coherent、Synard公司的100W以下功率激光器一次充氣壽命可達到8000小時，但國內(nèi)在這些方面差距較大，目前國產(chǎn)高功率CO2激光器輸出功率為3KW，#p#分頁標題#e#100W以下的射頻激勵CO2激光器工藝技術(shù)尚未過關(guān)，無法提供商用。同時，CO2激光器的紅外波長使之無法有效采用光纖傳輸，這于目前強調(diào)柔性化、靈活制造的趨勢不符，是其與固體激光和光纖激光競爭時的一大主要劣勢。隨著全固態(tài)激光和光纖激光技術(shù)的崛起和發(fā)展，在部分領(lǐng)域已開始取代CO2激光器，如聚合物加工、塑料/金屬焊接、金屬切割、表面處理等應用中。

光纖激光器技術(shù)被譽為第三代的固體激光技術(shù)，在光束質(zhì)量、高效、穩(wěn)定性和小體積等方面有著極強的技術(shù)優(yōu)勢。光纖激光器本質(zhì)上有別于其它類型的激光器：在光纖激光器中，產(chǎn)生激光的激活介質(zhì)實際上散布在光纖自身內(nèi)部。這一特點將其與通過光纖傳導的固體激光器區(qū)別開來，后者只是簡單地將光束從激光諧振腔通過光纖傳輸?shù)綄Ч庠稀ｋS著高功率雙包層光纖技術(shù)的突破，使光纖激光器輸出功率達到單束KW級輸出。光子光纖的出現(xiàn)，又使光纖激光技術(shù)向超快和超連續(xù)譜輸出等前沿科學研究領(lǐng)域邁進。如世界最大的專業(yè)光纖激光器公司：美國IPG公司已可提供高達數(shù)千瓦級功率的激光器，并通過并聯(lián)將多模光纖激光器的輸出功率放大至50千瓦以上，同時通過借鑒固體激光中的MOPA技術(shù)，實現(xiàn)數(shù)十毫焦量級的納秒脈沖能量輸出。目前，光纖激光技術(shù)已得到飛速發(fā)展，并在激光加工(laser oem)、光通訊、生物技術(shù)、軍事等領(lǐng)域得到高度重視和發(fā)展，開始侵蝕或部分取代全固態(tài)激光器和CO2激光器傳統(tǒng)應用的市場份額。

但是，光纖激光技術(shù)自身也存在不少制約其發(fā)展的問題，其中最關(guān)鍵的是光纖激光無法提供較大脈沖能量和高峰值功率輸出，由于玻璃光纖的芯徑和物理性質(zhì)限制、熱負荷以及低增益特點，大能量激光將導致自身的損毀，同時隨著輸出功率的提升，光纖將產(chǎn)生光致吸收效應和受激拉曼散射（SRS）的影響，嚴重影響激光器的運轉(zhuǎn)性能。另外一個不容忽視的問題是，目前全球光纖激光技術(shù)和產(chǎn)品工藝技術(shù)主要掌握在美國IPG和英國SPI公司手中，由于專利的保護，使其處于事實上的技術(shù)和市場壟斷地位，這并不有利于光纖激光技術(shù)的進一步發(fā)展。

總之，三種類型的激光器不論在技術(shù)上，還是在應用上，即相互競爭，又互相借鑒融合，共同促進了激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

2）市場應用方面

自第一臺紅寶石激光器問世，固體激光器就一直占據(jù)了激光器發(fā)展的主導地位，特別是在20世紀80年代出現(xiàn)的半導體激光器以及在此基礎(chǔ)上出現(xiàn)的全固化固體激光器更因為體積小、重量輕、效率高、性能穩(wěn)定、可靠性好和壽命長等優(yōu)點，逐漸成為光電行業(yè)中最具發(fā)展前途的領(lǐng)域。目前世界范圍內(nèi)銷售的商品固體激光器已有#p#分頁標題#e#500余種，但從1998年開始，固體激光器中的Nd:YAG激光器的市場占有率和銷售額已升為第一位。近年來由于大功率激光二極管制造工藝的成熟和生產(chǎn)成本的降低，使二極管泵浦固體激光器的研究得到了飛快的發(fā)展，且已正式進入商品化。世界著名的激光公司Rofin-Sinar所銷售的激光工業(yè)加工設備中60％已是二極管泵浦的固體激光器。

根據(jù)《Laser Focus World》報道，2002年全球商用激光器產(chǎn)值為43億美元，其中，非二極管激光市場為44%，預計2003年全球商用激光產(chǎn)值48億美元，其中非二極管激光市場占領(lǐng)41%。表一、二和三分別給出了近幾年來全球商用激光市場的情況?？梢钥闯?，在全固化固體激光器中，二極管泵浦固體激光器仍然占主導地位。從2002年的銷售到2003年的銷售預測來看，全球非二極管激光產(chǎn)值平均增長為5.9%，燈泵浦固體激光器增長為5.83%，而二極管泵浦固體激光器增長卻高達12%，表明全固化固體激光器正快速增長，逐步在市場中成為主導產(chǎn)品。表四給出了1999-2001年國內(nèi)激光產(chǎn)品的銷售情況，可以看出，固體激光器銷售額遠大于氣體激光器的銷售額，但全固化固體激光器的銷售額未見報道，其研究和開發(fā)還遠落后于世界水平，其主要原因應歸咎于我國大功率半導體激光器水平的落后。

表一、 全球商用激光器市場（億美元）

表二、 全球二極管激光在全固化固體激光器中的應用（美元）

表三、全球非二極管激光器市場

表四、1999-2001年全國激光產(chǎn)品銷售額按主要激光器件分類統(tǒng)計（萬元人民幣）

以下兩圖是#p#分頁標題#e#2005年全球工業(yè)激光的銷售和應用分布

隨著上述三種激光器技術(shù)和工藝的成熟，激光在各領(lǐng)域的應用日益普及，特別是在激光加工(laser oem)、光通訊、激光武器等領(lǐng)域。由于具有能量集中、易于操作、柔性高、高效率、高質(zhì)量、節(jié)能環(huán)保等突出優(yōu)點，激光加工(laser oem)技術(shù)迅速在汽車、電子、航空航天、機械、冶金、鐵路、船舶等工業(yè)部門廣泛普及，幾乎涵蓋了國民經(jīng)濟的所有領(lǐng)域，被譽為“制造系統(tǒng)共同的加工手段”。

如今在市場銷售份額中，固體激光器的應用數(shù)量是最高的，其次是CO2和光纖激光器。在銷售金額中，則CO2激光器最高、固體激光和光纖次之。從增長速率看，光纖激光由于基數(shù)較低，近年來增長速度驚人，即使2009年全行業(yè)下滑時，它仍增長約70%，其次是全固態(tài)固體激光器，基本保持20%左右的增長率，而CO2激光器銷售增長則相對穩(wěn)定，約在5-10%之間。

作為激光技術(shù)的后起之秀，光纖激光器正全面進入激光應用最重要的激光加工(laser oem)領(lǐng)域，根據(jù)LFW和ILS的數(shù)據(jù)，光纖激光器、燈泵固體激光和全固態(tài)激光在加工領(lǐng)域的銷售數(shù)量上比率是4:3.1:2.9；但是工業(yè)大功率激光的中高端市場：激光鈑金切割/焊接應用領(lǐng)域：CO2激光、燈泵、光纖、全固態(tài)的平均銷售價格分別是15:6.5:2.9:2.2萬美元。在加工系統(tǒng)的客戶端，客戶更關(guān)注的是激光的加工效果、效率、價格和使用成本等因素，而對具體采用何種激光技術(shù)并不重視，這就需要加工系統(tǒng)供應商綜合平衡可行性、效率、利潤后再選擇使用何種激光器。因此，盡管光纖激光在這一應用中具有技術(shù)優(yōu)勢，但實際使用中仍然更多地采用CO2、全固態(tài)甚至燈泵激光。在激光焊接領(lǐng)域，由于過高的光束質(zhì)量導致激光焦點能量太過集中，容易使焊接過程變成穿孔，效果反而不如光束質(zhì)量較差的燈泵Nd：YAG固體激光器，這一現(xiàn)象在激光打標領(lǐng)域也有體現(xiàn)，如，光纖激光器光束質(zhì)量極好，非常有利于精細標刻，但卻因此帶來焦深的縮短，不利于非平面工件的高速打標或?qū)ぷ髌脚_提出過高要求，另外，由于光纖端面顯而易見的脆弱性，加工時的材料后向反射容易損傷光纖自身，導致光纖激光的免維護特性變成無法維護，這大大限制了光纖激光器在金屬打標市場的應用。

#p#分頁標題#e#另一個對光纖激光應用不利的因素則來自于公司戰(zhàn)略，由于目前商用光纖激光技術(shù)，特別是大功率雙包層光纖技術(shù)和工藝，把持在極少數(shù)的1-2家公司中，導致系統(tǒng)利潤更多地集中于激光器，而不是加工系統(tǒng)，使得眾多系統(tǒng)集成供應商采用光纖激光技術(shù)的意愿不強烈，尤其是類似德國TRUMPH、ROFINE-SINAR等工業(yè)加工巨頭，寧愿自己投資開發(fā)全固態(tài)的盤片激光技術(shù)和器件以及完善高功率CO2激光器，而不是采購IPG公司的高功率光纖激光器，從IPG公司和整個光纖激光器的銷售數(shù)據(jù)就見端倪，如2005年全球光纖激光器銷售額1.23億美元，IPG一家公司即占去0.94億美元，可見其市場壟斷地區(qū)?？梢灶A見，如果這一現(xiàn)象不能改觀，加上光纖激光固有的一些技術(shù)劣勢，將會大大阻礙光纖激光技術(shù)的推廣和普及。