產(chǎn)業(yè)上游:比重小 空間大
產(chǎn)業(yè)上游主要為激光材料及配套元器件。
主要包括:激光晶體、激光氣體、激光燈、激光電源、激光加工鍍膜、激光器元部件、激光配套軟件等。
代表公司有:福晶科技、光庫(kù)科技、高德紅外、華光光電、東駿激光、Oclaro等。
產(chǎn)品中游:攻關(guān)難 利潤(rùn)高
產(chǎn)業(yè)中游主要為各種激光器及其配套設(shè)備。
主要包括:固體激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器、氣體激光器、液體激光器、其他激光器、激光器二極管、數(shù)控設(shè)備、計(jì)算機(jī)、設(shè)備及包裝、機(jī)電產(chǎn)品、儀器儀表、激光模塊等。
代表公司有:IPG、Coherent、LUMENTUM、銳科激光、II-VI、n-Light、大恒科技等。
產(chǎn)業(yè)下游:技術(shù)應(yīng)用群雄并起 企業(yè)數(shù)量最多
產(chǎn)業(yè)下游距離生活最近,主要為激光應(yīng)用產(chǎn)品、消費(fèi)產(chǎn)品及儀器設(shè)備等。
主要包括:激光加工、光通信、光存儲(chǔ)、激光醫(yī)療、激光標(biāo)記、激光照排和印刷、激光測(cè)量、激光顯示、激光武器。位于產(chǎn)業(yè)下游的企業(yè)數(shù)量最多。
代表公司有:聯(lián)贏激光、ESIO、圣石激光、大族激光、光博士、華工科技、邦德激光、德中技術(shù)、天弘激光、Coherent、亞威股份、光韻達(dá)、正業(yè)科技、金運(yùn)激光等。
中國(guó)的激光產(chǎn)業(yè)在地域上呈現(xiàn)出很強(qiáng)的集聚性,目前已經(jīng)形成華中,珠三角,長(zhǎng)三角,環(huán)渤海四大激光產(chǎn)業(yè)帶。
武漢光谷是國(guó)內(nèi)一大極具規(guī)模的光電產(chǎn)業(yè)集群中心,集聚了國(guó)內(nèi)超過(guò)200家知名激光企業(yè),包括華工科技、銳科激光、金運(yùn)激光、高德紅外等激光領(lǐng)域知名企業(yè)。
武漢光谷是名副其實(shí)的中國(guó)激光谷,擁有完整激光產(chǎn)業(yè)鏈,集中了國(guó)內(nèi)激光領(lǐng)域眾多專家和技術(shù)人才,武漢光谷擁有專業(yè)化、規(guī)?;漠a(chǎn)學(xué)研國(guó)家級(jí)基地,在激光相關(guān)技術(shù)上占據(jù)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先地位。
珠三角地區(qū)是中國(guó)激光行業(yè)的另一大集聚中心,相關(guān)產(chǎn)業(yè)主要分布深圳、廣州、東莞、佛山這幾大城市,珠三角激光產(chǎn)業(yè)群的重心在深圳。深圳擁有大族激光、光韻達(dá)、聯(lián)贏激光、創(chuàng)鑫激光、杰普特光電等眾多業(yè)內(nèi)知名企業(yè),涉及的激光應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。
在市場(chǎng)化運(yùn)作方面,深圳有著華中區(qū)域難以匹敵的優(yōu)勢(shì),2014年深圳的激光產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值已經(jīng)超過(guò)武漢,成為了激光產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值第一城市,珠三角地區(qū)的激光產(chǎn)業(yè)出口額占到全國(guó)激光產(chǎn)品出口的三成以上。
長(zhǎng)三角區(qū)域是我國(guó)激光產(chǎn)業(yè)主要聚集帶之一,激光產(chǎn)業(yè)鏈已經(jīng)完善,長(zhǎng)三角激光產(chǎn)業(yè)主要分布在上海、南京、溫州、蘇州、寧波等地,擁有眾多激光元器件、激光器以及激光應(yīng)用設(shè)備制造廠家。
環(huán)渤海地區(qū)是繼華中、珠三角之后形成的又一激光產(chǎn)業(yè)重地。環(huán)渤海區(qū)域的激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)研發(fā)實(shí)力較強(qiáng),以北京為代表的市場(chǎng)聚集了大批IT、通信行業(yè)相關(guān)企業(yè),對(duì)激光產(chǎn)品的需求旺盛。蓬勃的市場(chǎng)需求,帶動(dòng)了這一區(qū)域激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展??傮w而言,環(huán)渤海區(qū)域的激光企業(yè)主要集中在北京,天津,沈陽(yáng),大連等城市。
一、激光原理
圖:受激輻射示意簡(jiǎn)圖
激光由激發(fā)輻射過(guò)程產(chǎn)生。LASER 是“Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation”的縮寫,受激發(fā)射(Stimulated emission)是由愛因斯坦1917 年提出,狄拉克1927 年首次實(shí)驗(yàn)證明受激發(fā)射存在。除受激輻射外另外一種光的發(fā)射過(guò)程是自發(fā)輻射。
受激輻射的原理核心是粒子數(shù)反轉(zhuǎn)和能級(jí)躍遷。受到激勵(lì)光子的輻射,處于低能級(jí)E1 上的粒子(工作粒子可以是分子、原子、電子、離子以及準(zhǔn)分子)躍遷至高能級(jí)E2 上,當(dāng)足夠多的粒子受到激發(fā),則會(huì)發(fā)生粒子數(shù)的反轉(zhuǎn)(處于高能級(jí)的粒子數(shù)量多于處于低能級(jí)的電子),此后躍遷至低能級(jí)E1 并輻射一個(gè)能量為E2-E1(=hv),并與激勵(lì)光子完全相同的光子。
受激輻射與自發(fā)輻射最重要的區(qū)別在于干涉性。自發(fā)發(fā)射是粒子在不受外界輻射場(chǎng)情況下的自發(fā)過(guò)程,自發(fā)輻射的光子傳播方向和偏振態(tài)是無(wú)規(guī)分布,而受激發(fā)射是在外界輻射場(chǎng)控制下的發(fā)光過(guò)程,受激產(chǎn)能的光子的頻率、相位、傳播方向和偏振態(tài)與外界輻射場(chǎng)完全相同。這也是激光具有方向一致、亮度極高、能量集中的本質(zhì)原因。
二、激光器的工作原理和結(jié)構(gòu)
圖:激光器光學(xué)原理示意簡(jiǎn)圖
激光器是激光的發(fā)生裝臵,有三大功能部件:泵浦源、增益介質(zhì)、諧振腔。泵浦源為激光器提供光源,增益介質(zhì)(也稱為工作物質(zhì))吸收泵浦源提供的能量后將光放大,諧振腔為泵浦光源與增益介質(zhì)之間的回路,振腔振蕩選模輸出激光。
? 泵浦源作為能量源,作用是產(chǎn)生光子對(duì)增益介質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)。泵浦源發(fā)出的光子將增益介質(zhì)中的粒子從基態(tài)泵浦(pump)到高能級(jí),以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。激勵(lì)機(jī)制包括光學(xué)激勵(lì)(光泵浦)、氣體放電激勵(lì)、化學(xué)激勵(lì)、核能激勵(lì);目前泵浦源一般采用高功率半導(dǎo)體激光器(LD),主要作用是完成電能到光能的轉(zhuǎn)化。
? 增益介質(zhì)用來(lái)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并放大光,同時(shí)決定輸出激光的波長(zhǎng)。增益介質(zhì)可以采用液體、氣體和固體。增益介質(zhì)的基本要求是在受激后產(chǎn)生光子而不是光熱轉(zhuǎn)化,以及增益介質(zhì)中的粒子需處于相對(duì)孤立的狀態(tài),才可能發(fā)生能級(jí)間的躍遷。
? 諧振腔主要起到“儲(chǔ)存”、“提純”激光的作用。諧振腔通常由兩塊反射鏡構(gòu)成,也可以用耦合器構(gòu)成各種環(huán)形諧振腔。光子在反射鏡之間來(lái)回反射,不斷在增益介質(zhì)中引起受激輻射,產(chǎn)生高強(qiáng)度的激光。同時(shí),諧振腔可使腔內(nèi)的光子有一致的頻率/波長(zhǎng)、相位和運(yùn)行方向,而使得激光具有良好的方向性和相干性。
三、激光器的分類
激光器分類
激光器較為常見的分類有四種,即按增益介質(zhì)、輸出功率、工作方式和脈沖寬度區(qū)分。
? 按照增益介質(zhì)(工作物質(zhì)):激光器的增益介質(zhì)包括氣體、液體和固定,特定增益介質(zhì)決定了激光波長(zhǎng)、輸出功率和應(yīng)用領(lǐng)域。氣體中具有代表性的是CO2 氣體激光器,固體中具有代表性的包括紅寶石激光器、半導(dǎo)體激光器和光纖激光器、YAG 激光器等。
? 按照輸出功率:可以分為小功率(0-100W)、中功率(100-1KW)、高功率(1KW 以上);但有時(shí)也將100-1.5KW 范圍內(nèi)定義為中功率。不同功率的激光器適應(yīng)的應(yīng)用場(chǎng)景不同。
? 按工作方式:可分為連續(xù)激光器和脈沖激光器。連續(xù)激光器可以在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)輸出,工作穩(wěn)定、熱效應(yīng)高。脈沖激光器以脈沖形式輸出,主要特點(diǎn)是峰值功率高、熱效應(yīng)?。桓鶕?jù)脈沖時(shí)間長(zhǎng)度,脈沖激光器可進(jìn)一步分為毫秒、微秒、納秒、皮秒和飛秒,一般而言,脈沖時(shí)間越短,單一脈沖能量越高、脈沖寬度越窄、加工精度越高。
? 按輸出波長(zhǎng):可分為紅外激光器、可見光激光器、紫外激光器等。不同結(jié)構(gòu)的物質(zhì)可吸收的光波長(zhǎng)范圍不同,例如金屬對(duì)近紅外光吸收率較高。
核心觀點(diǎn):
從增益介質(zhì)來(lái)看,光纖激光器是大勢(shì)所;
從輸出功率來(lái)看,大功率成為群雄角逐的焦點(diǎn);
從工作方式來(lái)看,連續(xù)和脈沖各顯神通;
從激光波長(zhǎng)來(lái)看,可調(diào)諧性決定適用廣度。
四、光纖激發(fā)器
圖:光纖激光器示意圖
光纖激光器是指利用摻稀土元素的玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器。光纖激光器一般用光纖光柵作為諧振腔,半導(dǎo)體激光器作為泵浦源,泵浦光從合束器耦合進(jìn)入增益光纖,在包層內(nèi)多次反射穿過(guò)摻雜纖芯,形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并輸出激光。光纖激光器可整體化設(shè)計(jì),可靠性高、穩(wěn)定性好、結(jié)構(gòu)緊湊、制造成本較低。
光纖激光器常被分為脈沖和連續(xù)光纖激光器。脈沖激光器整體增速低于中高功率連續(xù)激光器,且壁壘較低,國(guó)內(nèi)參與者較多,市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈。目前國(guó)內(nèi)廠商產(chǎn)品性能較進(jìn)口產(chǎn)品相差無(wú)幾,但價(jià)格約為進(jìn)口產(chǎn)品的一半。
光纖激光器也可分為單模和多模。單模光纖激光器采用單模光纖作為增益介質(zhì),只穩(wěn)定運(yùn)行基模激光,單激光能量集中、發(fā)散角小,在需要高能量密度的激光加工中很有優(yōu)勢(shì),但單模激光器功率一般在2KW以下。多模光纖激光器中同時(shí)存在基模和其他高階模式的激光,因此光束發(fā)散、光斑較大、功率更高,比較適合于需要較大加熱面積的加工。
五、激光產(chǎn)業(yè)國(guó)內(nèi)重點(diǎn)公司企業(yè)
上游公司企業(yè):
福晶科技以光學(xué)晶體、精密光學(xué)元件及激光器件的研發(fā)生產(chǎn)為主,廣泛應(yīng)用于行業(yè)中游的激光、光通訊等工業(yè)領(lǐng)域。
圖:福晶科技生產(chǎn)的三硼酸鋰晶體(LBO Crystal)
高德紅外主營(yíng)以紅外熱成像技術(shù)為核心的探測(cè)器及機(jī)芯模組,廣泛應(yīng)用于中下游的光電系統(tǒng)及武器系統(tǒng)。
光庫(kù)科技則主攻高性能光無(wú)源器件,在光纖激光、光纖通訊、航天航空、傳感探測(cè)等重要領(lǐng)域皆有應(yīng)用。
中游公司企業(yè):
銳科激光專門從事高功率光纖激光器及核心器件的研發(fā)和規(guī)?;a(chǎn),是國(guó)內(nèi)最大并具有全球影響力的光纖激光器研發(fā)和生產(chǎn)基地,率先研制出第一臺(tái)擁有自主產(chǎn)權(quán)的一萬(wàn)瓦光纖激光器,為下游激光設(shè)備的制造提供動(dòng)力。
圖:銳科激光生產(chǎn)的單模組連續(xù)光纖激光器
大恒科技主營(yíng)光機(jī)電一體化產(chǎn)品及信息技術(shù)及辦公自動(dòng)化產(chǎn)品,多款精密光機(jī)標(biāo)準(zhǔn)件產(chǎn)品、超快激光器及應(yīng)用系統(tǒng)產(chǎn)品,包括用于教學(xué)、科研的高精度產(chǎn)品、用于衛(wèi)星測(cè)距、工業(yè)精密加工、太赫茲光譜儀、光柵蝕刻的皮秒、飛秒激光器,還有用于醫(yī)療方面的光學(xué)元件及儀器等。
下游公司企業(yè):
大族激光體量最大,覆蓋面廣,形成了以激光技術(shù)為核心,輻射激光器、智能裝備、應(yīng)用電子、半導(dǎo)體與顯示面板、新能源鋰電、機(jī)器人、LED、家電五金、汽車等行業(yè),涵蓋了行業(yè)的中下游,具有國(guó)內(nèi)激光行業(yè)龍頭的地位。
正業(yè)科技主要將激光技術(shù)應(yīng)用在液晶模組、新能源、PCB、焊接等行業(yè),高端裝備及自動(dòng)化產(chǎn)線是業(yè)績(jī)?cè)鲩L(zhǎng)的主力軍。
亞威股份以金屬成形機(jī)床起家,憑借前瞻性布局激光及智能制造,為自己的發(fā)展建造了“三駕馬車”,其激光加工裝備在市場(chǎng)上獲得較高評(píng)價(jià)。
光韻達(dá)以精密激光應(yīng)用技術(shù)研究為基礎(chǔ),致力于利用“精密激光技術(shù)”+“智能技術(shù)”取代和突破傳統(tǒng)的生產(chǎn)方式,實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的高集成度、小型化、個(gè)性化。主營(yíng)增材制造(激光3D打印)、激光三維電路(3D-LDS)、柔性線路板激光成型、精密激光應(yīng)用等產(chǎn)品,推動(dòng)行業(yè)朝精細(xì)化、精密化方向發(fā)展,提高客戶產(chǎn)品附加值。
金運(yùn)激光在激光領(lǐng)域以激光智能化設(shè)備制造為基礎(chǔ),幫助傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)生產(chǎn)系統(tǒng)向數(shù)字化、柔性化升級(jí),同時(shí)還涵蓋3D打印、AR/VR、3D互動(dòng)顯示、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等數(shù)字領(lǐng)域。
總結(jié)
雖然,國(guó)內(nèi)激光產(chǎn)業(yè)已經(jīng)具備了一定規(guī)模,市場(chǎng)份額也在不斷增長(zhǎng)當(dāng)中。華中、華南、華東地區(qū)均已形成完整激光產(chǎn)業(yè)鏈,并達(dá)到一定規(guī)模。
不過(guò)也應(yīng)該清醒地認(rèn)識(shí)到,與國(guó)外激光龍頭企業(yè)們相比,國(guó)內(nèi)激光企業(yè)仍然存在一些差距,在激光技術(shù)與應(yīng)用方面,許多關(guān)鍵技術(shù)和核心元器件都對(duì)國(guó)外廠商存在依賴性,正是這方面的原因制約著國(guó)內(nèi)廠家的進(jìn)一步發(fā)展。
特別是在高功率激光器方面,仍然難以取得與國(guó)外企業(yè)平等較量的地位,在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力一些方面存在不足。不過(guò)由于國(guó)內(nèi)激光市場(chǎng)向好發(fā)展,加上廠家們研發(fā)實(shí)力的不斷提升,國(guó)產(chǎn)競(jìng)爭(zhēng)力正迎頭趕上。相信在不久的將來(lái),國(guó)內(nèi)激光行業(yè)一定會(huì)一路披荊斬棘,收獲更大市場(chǎng)份額。
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