解析半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與技術(shù)流派前景

　　近年來(lái)，中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)獲得了飛速的發(fā)展。中國(guó)是活躍的制造業(yè)市場(chǎng)及工業(yè)激光設(shè)備的主要市場(chǎng)，受宏觀經(jīng)濟(jì)發(fā)展、制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級(jí)、國(guó)家政策支持等因素影響，中國(guó)工業(yè)激光產(chǎn)業(yè)成為受高度關(guān)注的產(chǎn)業(yè)之一，市場(chǎng)發(fā)展迅速。2015年，中國(guó)取代歐洲，首次成為激光器最大的消費(fèi)市場(chǎng)。

　　半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)規(guī)模

　　2013年以來(lái)，我國(guó)光纖激光器市場(chǎng)規(guī)模逐年增長(zhǎng)，CO2激光器市場(chǎng)被逐漸侵蝕，光纖激光器成為工業(yè)激光器最大產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，作為光纖激光器泵浦半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)規(guī)�？焖贁U(kuò)大，2015年、2016年、2017年是我國(guó)半導(dǎo)體激光飛速發(fā)展的3年，2017年以后，由于部分光纖激光器龍頭廠商開(kāi)始大批量單獨(dú)生產(chǎn)LD器件、LD芯片，減少了對(duì)半導(dǎo)體激光器泵浦采購(gòu)。加之國(guó)內(nèi)宏觀經(jīng)濟(jì)發(fā)展壓力加大，國(guó)際貿(mào)易摩擦不斷，半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)增速大幅放緩，到2019年，我國(guó)半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)規(guī)模為19.79億元，同比增長(zhǎng)10.6%，2013-2019年年復(fù)合增長(zhǎng)率達(dá)到18.17%。

　　數(shù)據(jù)來(lái)源：OFweek產(chǎn)業(yè)研究院

　　當(dāng)前國(guó)際上從事半導(dǎo)體激光器的企業(yè)有美國(guó)的Coherent、nLight、II-VI、Newport、德國(guó)TRUMPF、DILAS等。由于國(guó)外半導(dǎo)體激光器研發(fā)起步早，產(chǎn)業(yè)化早，技術(shù)積累更深厚，因此其產(chǎn)品占據(jù)較大市場(chǎng)份額。

　　國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)化相對(duì)較晚，但隨著應(yīng)用市場(chǎng)的快速擴(kuò)大，也孕育出一批極具競(jìng)爭(zhēng)力的企業(yè)，如山東華光光電(1999.11.成立)、西安華科光電(2002.9.成立)、北京凱普林光電(2003.3.成立)、西安炬光科技(2009.9.成立)、蘇州長(zhǎng)光華芯(2012.3.成立)等。據(jù)OFweek激光網(wǎng)了解，這幾家企業(yè)2019年銷售額均超過(guò)億元。其中，凱普林早期的半導(dǎo)體激光器主要面對(duì)海外醫(yī)療及激光制版印刷行業(yè)，從2011年開(kāi)始逐步成為工業(yè)半導(dǎo)體泵浦源及半導(dǎo)體激光直接加工領(lǐng)域國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)口品牌的主力軍，其強(qiáng)大的研發(fā)團(tuán)隊(duì)及高額的研發(fā)投入為其開(kāi)拓工業(yè)市場(chǎng)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。

　　半導(dǎo)體激光器應(yīng)用日趨廣泛

　　早在20世紀(jì)80年代的時(shí)候，半導(dǎo)體激光器還只是應(yīng)用在光存儲(chǔ)和一些小眾應(yīng)用。當(dāng)時(shí)，光存儲(chǔ)是半導(dǎo)體激光器行業(yè)的第一個(gè)大型應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體激光器技術(shù)不斷創(chuàng)新，推動(dòng)了注入數(shù)字多功能光盤(DVD)和藍(lán)光光盤(BD)等光存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。到20世紀(jì)80年代，光網(wǎng)絡(luò)成為了半導(dǎo)體激光器的主戰(zhàn)場(chǎng)。再后來(lái)，半導(dǎo)體激光器又成為通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵加工制造設(shè)備。

　　由于半導(dǎo)體激光器具有制造簡(jiǎn)單、易量產(chǎn)、成本低、波長(zhǎng)覆蓋范圍廣、體積小、壽命長(zhǎng)、能耗低、電光轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，在CD激光唱片機(jī)、光纖通信、光存儲(chǔ)器、激光打印機(jī)等獲得廣泛應(yīng)用，逐漸覆蓋了各個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域的實(shí)用市場(chǎng)。隨著半導(dǎo)體激光器輸出功率逐步提高及輸出特性不斷改善，其在工業(yè)加工領(lǐng)域也逐步開(kāi)始發(fā)揮作用。除了直接參與工業(yè)加工外，半導(dǎo)體激光器更多應(yīng)用于光纖激光器和固體激光器的泵浦源，與工業(yè)激光市場(chǎng)共同發(fā)展，并隨著光纖激光器的爆發(fā)而迎來(lái)新的增長(zhǎng)點(diǎn)。

　　受光束質(zhì)量的限制，傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器難以直接用于金屬切割。近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體耦合技術(shù)的提高，以及新型合束技術(shù)的逐漸成熟，部分千瓦級(jí)以上的光纖輸出的半導(dǎo)體激光器，也可以滿足切割對(duì)光束質(zhì)量的要求。另外，由于半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)的多樣性，短波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器十分接近鋁的波長(zhǎng)吸收最大值，因此，在汽車工業(yè)中大功率半導(dǎo)體激光非常適用于鋁材汽車車身的焊接。目前，激光輸出功率為2KW到6KW之間的半導(dǎo)體激光器，在汽車工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中已得到了廣泛應(yīng)用。此外，藍(lán)光半導(dǎo)體激光器以其在銅材料方面吸收效率的極大優(yōu)勢(shì)，在新能源電池電極焊接、PCB加工等領(lǐng)域受到越來(lái)越多的青睞。2020年美國(guó)西部光電展上，凱普林推出了445nm，200W的產(chǎn)品，成為國(guó)內(nèi)高功率藍(lán)光半導(dǎo)體激光器的代表，與laserline等公司同臺(tái)競(jìng)爭(zhēng)。

　　在材料直接加工領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量難以超越光纖激光器，但在薄板焊接、切割應(yīng)用方面，半導(dǎo)體激光器卻十分適用。高功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展使得許多重要的應(yīng)用成為可能，除用作工業(yè)激光器泵浦源和直接材料加工外，制版印刷，醫(yī)療美容，照明傳感等均成為半導(dǎo)體激光器的重要應(yīng)用市場(chǎng)。

　　兩種技術(shù)流派：?jiǎn)喂荞詈吓c巴條耦合

　　目前工業(yè)加工市場(chǎng)已成為半導(dǎo)體激光器的最大市場(chǎng)，而不論是直接加工還是作為泵浦源，半導(dǎo)體激光器的工業(yè)應(yīng)用都離不開(kāi)光纖耦合。半導(dǎo)體激光器的耦合主要有兩個(gè)技術(shù)流派，分別是單管耦合技術(shù)和巴條耦合技術(shù)，這二種技術(shù)本質(zhì)相同卻又各具特點(diǎn)。

　　所謂單管就是我們常說(shuō)的“激光芯片”。其制作過(guò)程與半導(dǎo)體芯片一樣，都要經(jīng)過(guò)硅晶圓制造、IC設(shè)計(jì)、IC制造、IC封測(cè)等一系列過(guò)程。最終制成的一小片芯片，即稱為單管半導(dǎo)體激光器。而激光巴條可以看做是多個(gè)半導(dǎo)體單管并排形成的激光器單條，稱之為一個(gè)bar，實(shí)質(zhì)上是在同一基底上構(gòu)建一系列半導(dǎo)體激光器單管而形成的，也可以叫線陣激光器。簡(jiǎn)單理解就是，多個(gè)單管排列成為一個(gè)巴條，而一個(gè)巴條又可拆分多個(gè)單管。

　　激光單管(左)與激光巴條(右)

　　圖片來(lái)源：凱普林

　　激光器單管僅有一個(gè)發(fā)光點(diǎn)，易于進(jìn)行光纖耦合，因此常用作光纖激光器的泵浦源(多為中低功率)，能夠有效減少熱效應(yīng)的相互影響，同時(shí)易于檢修、維護(hù)、更換，而且高電壓低電流的驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低;而激光巴條由于發(fā)光點(diǎn)多，具有更高的發(fā)光功率，因此常用作大功率光纖激光器、全固態(tài)激光器的泵浦源或直接發(fā)光，在醫(yī)美、軍工等領(lǐng)域也有較多應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)的激光器單管最高功率能做到20W，而激光巴條則能實(shí)現(xiàn)300W甚至更高功率的輸出。

　　由于光纖激光器的爆發(fā)式增長(zhǎng)及工業(yè)市場(chǎng)的巨量需求，單管耦合是目前半導(dǎo)體激光器中應(yīng)用更廣的技術(shù)方案。代表企業(yè)包括美國(guó)的Lumentum、nLight，國(guó)內(nèi)的凱普林、長(zhǎng)光華芯等。而巴條耦合則由于存在散熱、后期維護(hù)等問(wèn)題，為企業(yè)入局造成較高門檻，代表企業(yè)如德國(guó)Dilas、LIMO等。

　　未來(lái)走向：兩派技術(shù)各有所長(zhǎng)，市場(chǎng)發(fā)展兼容并包

　　隨著半導(dǎo)體激光器在材料加工、泵浦源、醫(yī)療美容、傳感照明等應(yīng)用的廣泛應(yīng)用，國(guó)內(nèi)外半導(dǎo)體激光器制造商之間競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。領(lǐng)先的公司在產(chǎn)品性能提升、應(yīng)用拓展、性價(jià)比提高等方面不斷發(fā)力。多單管耦合技術(shù)與巴條、疊陣直接輸出及巴條耦合技術(shù)，作為半導(dǎo)體激光器技術(shù)發(fā)展的兩條主要技術(shù)路線，一直以來(lái)以各自的優(yōu)點(diǎn)，分別在不同的細(xì)分應(yīng)用上獨(dú)立發(fā)展。

　　盡管眼下工業(yè)激光市場(chǎng)的泵浦源多采用單管耦合技術(shù)，但巴條、疊陣、巴條耦合在功率上有著先天優(yōu)勢(shì)，隨著光纖激光器功率不斷提高，巴條技術(shù)有望獲得更好的發(fā)展前景。此外，半導(dǎo)體激光器在醫(yī)美應(yīng)用、固體激光器泵浦源、高功率直接加工等市場(chǎng)也在飛速發(fā)展，也為巴條技術(shù)帶來(lái)更廣闊的發(fā)展空間。實(shí)際上這兩種技術(shù)流派各有特點(diǎn)，在應(yīng)用上能夠相互彌補(bǔ)，在增量巨大的市場(chǎng)完全能夠兼容，彼此促進(jìn)，實(shí)現(xiàn)共同發(fā)展。對(duì)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體激光器企業(yè)而言，擴(kuò)充技術(shù)儲(chǔ)備范圍，對(duì)長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展意義非凡。

　　這一判斷并非空穴來(lái)風(fēng)。OFweek激光網(wǎng)了解到，北京凱普林光電便已有所行動(dòng)。據(jù)悉，凱普林在成熟的單管耦合技術(shù)基礎(chǔ)上，邀請(qǐng)多名歐洲技術(shù)專家加入公司，補(bǔ)足巴條、疊陣、巴條耦合等半導(dǎo)體激光器相關(guān)技術(shù)，其目標(biāo)是在半導(dǎo)體激光器的兩類產(chǎn)品技術(shù)路線都建立優(yōu)勢(shì)。

　　凱普林官網(wǎng)顯示，公司致力于高功率激光器系統(tǒng)、器件的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，目前自有技術(shù)包括高效率光纖耦合技術(shù)、高精度半導(dǎo)體激光芯片封裝技術(shù)、微透鏡設(shè)計(jì)/光纖處理/光束整形及整套高可靠半導(dǎo)體激光器商業(yè)化生產(chǎn)工藝技術(shù)，還可為用戶定制特殊規(guī)格的激光器組件/系統(tǒng)或提供OEM服務(wù)。其大功率光纖耦合半導(dǎo)體激光器產(chǎn)銷量位列世界前列。

　　OFweek激光網(wǎng)認(rèn)為，凱普林補(bǔ)齊巴條半導(dǎo)體激光器技術(shù)，或?qū)��?duì)國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)格局產(chǎn)生較大影響。伴隨巨大市場(chǎng)增量的驅(qū)動(dòng)，凱普林的變革一方面能擴(kuò)大自身的市場(chǎng)布局、提高市場(chǎng)占有率;另一方面，新技術(shù)的引入也將給整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈帶來(lái)更多選擇，促進(jìn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的良性發(fā)展。中國(guó)半導(dǎo)體激光市場(chǎng)，未來(lái)值得期待!