文 / 史偉，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師

激光技術(shù)是影響全球未來發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一，目前與激光相關(guān)的產(chǎn)品和服務(wù)已經(jīng)遍布全球，形成了豐富龐大的激光產(chǎn)業(yè)。產(chǎn)業(yè)鏈上游主要包括光學(xué)材料及元器件；中游則是各種激光器、激光裝備及其配套設(shè)備；下游主要包括激光應(yīng)用產(chǎn)品(各類型各功率激光器)、消費產(chǎn)品、儀器設(shè)備、加工服務(wù)等為主。

激光器作為激光產(chǎn)業(yè)鏈的核心，在高速發(fā)展的同時也將拉動產(chǎn)業(yè)鏈上下游相關(guān)板塊。那么，國產(chǎn)光纖激光器目前的產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀如何？未來又將出現(xiàn)哪些新的產(chǎn)業(yè)應(yīng)用？

No.1

光纖激光器的工業(yè)應(yīng)用

目前，光纖激光器已經(jīng)廣泛應(yīng)用到海洋裝備、汽車制造、航空航天、生物醫(yī)學(xué)、科學(xué)領(lǐng)域、半導(dǎo)體制造、新能源等領(lǐng)域，基本涵蓋了所有的制造領(lǐng)域。

在工業(yè)領(lǐng)域，按照輸出功率可將光纖激光器劃分為三類：低功率光纖激光器、中功率光纖激光器和高功率光纖激光器。

其中，高功率光纖激光器又分為：

• 連續(xù)的大功率光纖激光器，主要應(yīng)用于激光切割、激光焊接、激光熔覆、激光3D打印等領(lǐng)域。

• 納秒脈沖光纖激光器，主要應(yīng)用在雕刻和打標。隨著納秒光纖激光器脈沖和能量的提高，目前也已經(jīng)廣泛應(yīng)用在激光清洗領(lǐng)域。激光清洗是一種環(huán)保高效的材料表面處理技術(shù)，對本體材料的保護具有可控性。精細加工領(lǐng)域，超快光纖激光器應(yīng)用也較多，在市場方面和紫外激光器也在競爭。

• 高功率/高能量單頻窄線寬光纖激光器，主要應(yīng)用在相干探測市場，如雷達、傳感、陀螺、量子通信等領(lǐng)域。

No.2

國內(nèi)外光纖激光器的技術(shù)對比

1）關(guān)鍵參數(shù)指標

輸出功率和光束質(zhì)量是光纖激光器在工業(yè)應(yīng)用時的重要參考指標。而光纖激光器的關(guān)鍵參數(shù)指標，則以工業(yè)應(yīng)用效果為評價標準。

輸出功率：連續(xù)激光器核心指標，直接決定應(yīng)用效果；輸出功率越高，則對應(yīng)的加工能力越強；

脈沖能量：是脈沖激光器（打標、清洗等應(yīng)用）的核心指標，脈沖能量越高，則實用效果越佳；

BPP：該值越小，對應(yīng)的光束質(zhì)量越優(yōu)，亮度越高，加工能力越強；

脈沖寬度：脈寬越窄對應(yīng)的峰值功率越高，一定限度內(nèi)效果越好。

2）國內(nèi)外光纖激光器技術(shù)對比

以連續(xù)光纖激光器來看，國外單模光纖激光器工業(yè)級可達到20 kW量級；多模光纖激光器的工業(yè)產(chǎn)品基本可達到500 kW。

在中低功率光纖激光器方面，國內(nèi)外的技術(shù)水平基本沒有太大差距，國內(nèi)單模光纖激光器研究級可達到10 kW以上，工業(yè)級可達到4-5 kW；多模光纖激光器也達到了35 kW。但是高功率光纖激光器領(lǐng)域中，產(chǎn)品的技術(shù)水平和穩(wěn)定性與國外進口產(chǎn)品相比仍有一定距離，需要向國外學(xué)習。

而納秒脈沖光纖激光器，從國內(nèi)外幾家公司的發(fā)展情況來看，差別不是太明顯。美國IPG的脈沖光纖激光器可以達到5000 W以上，脈沖能量在100 mJ；而我國基本上在1000 W以上，脈沖能量在30-50 mJ，差距正在逐漸縮小。

No.3

國產(chǎn)光纖激光器的產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀

全球的激光市場和工業(yè)激光市場正在逐年擴大。而在全球激光市場中，中國激光器市場份額占比最大，占據(jù)全球的主導(dǎo)地位。

工業(yè)加工是激光器的重要應(yīng)用領(lǐng)域。工業(yè)加工及光刻在整個激光器應(yīng)用領(lǐng)域的占比大約是45%左右。而光纖激光器已成為工業(yè)市場的最佳選擇，在工業(yè)激光器市場的占比超過了50%。

近5年，光纖激光器市場增長迅速，雖然近兩年增速有所放緩，但其市場從2015年的29.55億元快速增長到2019年的82.6億元。

根據(jù)光電匯光子產(chǎn)業(yè)研究中心《2020中國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展報告》的數(shù)據(jù)顯示，IPG占中國光纖激光器市場銷售份額中首位，其次是國產(chǎn)激光器代表銳科激光、創(chuàng)鑫激光、杰普特等，國產(chǎn)激光器市場份額進一步擴大。同時我們也應(yīng)看到，以IPG、恩耐、相干等為代表的國外企業(yè)市場份額雖然有一定縮減，其總和仍占據(jù)了50%以上的市場份額。但總體來說，國內(nèi)企業(yè)發(fā)展速度還是相當?shù)目臁?/p>

從中國光纖激光器的出貨量來看，已從2013年的1.3萬臺增至2018年的12.6萬臺，但增速逐年遞減。其中，國產(chǎn)1.5 kW以上的光纖激光器由2013年的5臺增加至2018年的2000臺，國產(chǎn)化率由幾乎為0增加至34.5%。2019年國產(chǎn)高功率光纖激光器臺數(shù)進一步增加，國產(chǎn)化率已經(jīng)超過了50%。

中功率光纖激光器，從百瓦量級到1.5 kW這個范圍，國產(chǎn)中功率光纖激光器由2013年的200臺增加至2018年的1.25萬臺，國產(chǎn)化率超過了55%。100 W以下的激光器，多數(shù)為納秒脈沖的光纖激光器，這一類的國產(chǎn)激光器基本占統(tǒng)治地位，國產(chǎn)化率達到98%以上。

No.4

關(guān)鍵器件的國產(chǎn)化進程

國內(nèi)光纖激光器的發(fā)展和成本控制，主要取決于關(guān)鍵器件能否自主可控。實現(xiàn)對光纖激光器國產(chǎn)化，主要有三大要素：抽運源、腔鏡、增益介質(zhì)；另外還有一些器件，半導(dǎo)體激光器、合束器及光柵、有源光纖、光纖的隔離輸出頭和端帽等。

半導(dǎo)體激光器的發(fā)展非常快，比如北京凱普林是國內(nèi)較早批量提供光纖激光器抽運源的公司，現(xiàn)在已經(jīng)有山東華光、長光華芯、江蘇華興激光、深圳星漢、江蘇天元等多家可以提供優(yōu)質(zhì)抽運源的國產(chǎn)公司。封裝已完全國產(chǎn)化，芯片也已少量國產(chǎn)化，但還需繼續(xù)努力。

合束器及光柵的供應(yīng)商有國內(nèi)的朗光科技、萊特爾、光庫科技等，工業(yè)級器件已部分國產(chǎn)化。

稀土摻雜的高質(zhì)量光纖國內(nèi)供應(yīng)商則有武漢睿芯、烽火銳光、長飛公司、江蘇亨通等，工業(yè)級光纖已部分實現(xiàn)國產(chǎn)化。

光纖的隔離輸出頭和端帽供應(yīng)商，國內(nèi)有光庫科技、福晶科技、光越科技等企業(yè)，這部分器件已完全國產(chǎn)化。

No.5

國產(chǎn)光纖激光器的發(fā)展趨勢

分析那些國內(nèi)外發(fā)展比較好的光纖激光器企業(yè)，比如IPG，它的發(fā)展優(yōu)勢很明顯，有自己的創(chuàng)新技術(shù)，資源整合能力強，市場開發(fā)和制造能力強。而對于國內(nèi)光纖激光器企業(yè)來說，想要長足發(fā)展，以下幾點很重要：

首先是優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)的垂直整合。現(xiàn)在一提產(chǎn)業(yè)發(fā)展，就會提到產(chǎn)業(yè)鏈、生態(tài)鏈。有條件的公司將會做一些垂直產(chǎn)業(yè)鏈的整合，從器件到整機再到應(yīng)用，整合優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，完善產(chǎn)業(yè)鏈，降低成本，提高競爭力，但一定要整合有技術(shù)含量和門檻的鏈條。目前針對整個激光產(chǎn)業(yè)鏈，從芯片到后端應(yīng)用都需要大量的光電同仁去做相關(guān)的工作。

其次是拓展現(xiàn)有應(yīng)用領(lǐng)域。對傳統(tǒng)機型進行應(yīng)用拓展，開拓全新應(yīng)用領(lǐng)域，發(fā)現(xiàn)新的增長點。

第三是發(fā)展高端應(yīng)用。提高輸出指標，探索全新機型，并致力于其應(yīng)用領(lǐng)域的高端化，提升技術(shù)附加值。

我們可以看到，國家對激光制造投入了大量的人力財力以及政策支持，無論是智能制造還是十三五、十四五計劃，國家重點項目在激光產(chǎn)業(yè)都有布局。未來，光纖激光器的工業(yè)應(yīng)用前景將會更具潛力。

總的來說，隨著光纖激光器在工業(yè)加工領(lǐng)域的應(yīng)用范圍不斷擴展，從技術(shù)和產(chǎn)業(yè)方向，光纖激光器還將朝著以下方向發(fā)展：

• 光纖激光器將以高功率、窄線寬、高能量、短脈寬、高光束質(zhì)量、新波段為發(fā)展方向；

• 光纖激光器核心器件國產(chǎn)化是大勢所趨。無論是卡脖子技術(shù)，還是降低成本需要，國產(chǎn)化都是迫在眉睫；
• 智能激光制造、激光清洗等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒁I(lǐng)光纖激光器市場的新增長。

封面來源：Gizmag

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