一、超快激光器概述
超快激光是精密加工領(lǐng)域新一代主流技術(shù):超快激光器是輸出激光的脈沖寬度在皮秒(10-12秒)級別、或小于皮秒級別的脈沖激光器,根據(jù)輸出激光的脈寬不同,超快激光器又可分為皮秒激光器、飛秒激光器、阿秒激光器等。超快激光是能量激光領(lǐng)域最重要的技術(shù)方向之一,作為一種新興的材料加工技術(shù)手段,在加工精度方面有著顯著優(yōu)勢。
隨著技術(shù)的逐漸成熟和成本不斷下降,超快激光市場有望在未來幾年迎來爆發(fā)。應(yīng)用場景不斷落地,市場快速增長:超快激光是激光行業(yè)增長最快的細(xì)分領(lǐng)域之一,未來有望廣泛的應(yīng)用于醫(yī)療生物、航空航天、消費(fèi)電子、照明顯示、能源環(huán)境、精密機(jī)械等行業(yè)。
由于特性的不同,高功率連續(xù)激光器、非超快的脈沖激光器和超快激光器在下游應(yīng)用領(lǐng)域上有較大差別。
高功率連續(xù)激光器(以及準(zhǔn)連續(xù)激光器):主要應(yīng)用于金屬材料的切割、燒結(jié)、焊接、表面熔敷、打孔、金屬 3D 打印等。
非超快脈沖激光器:非金屬材料的打標(biāo)、硅材料的加工、金屬的表面雕刻、金屬表面清洗、金屬的精密焊接、金屬的微加工等。
超快激光器:玻璃、PET 及藍(lán)寶石等透明材料和硬脆材料的切割和焊接、精密打標(biāo)、眼科手術(shù)、材料的微觀鈍化及刻蝕等。
從用途來看,高功率連續(xù)激光器和超快激光器幾乎不存在相互替代的關(guān)系,然而非超快脈沖激光器的下游應(yīng)用與連續(xù)激光器和超快激光器都分別有一些重合,這意味著超快激光器擁有一條不同的跑道。
二、競爭格局初步明朗,客觀環(huán)境給力國產(chǎn)研發(fā)
從國內(nèi)用戶的視角來看,超快激光器的供應(yīng)商可分為兩類:一類是以通快、相干、NKT、光譜物理等為代表的海外激光器廠商,另一類是近幾年快速追趕的國內(nèi)廠商,如華日、英諾、安陽、貝林等。目前基本的競爭態(tài)勢是,國外激光器廠商在市場和技術(shù)上占有先發(fā)優(yōu)勢,占據(jù)了國內(nèi)80%以上的市場份額,但國內(nèi)供應(yīng)商進(jìn)步迅速,進(jìn)口替代初露苗頭,這與高功率光纖激光器的國產(chǎn)替代前期特征十分相似。
尤其在中美貿(mào)易開戰(zhàn)之后,人民日報(bào)發(fā)表評論稱:“美國嚴(yán)格限制向我國出口技術(shù),雖然會給我們帶來困難,但我國已具備進(jìn)一步提升創(chuàng)新能力的基礎(chǔ)和條件,可以發(fā)揮制度優(yōu)勢和市場優(yōu)勢,在關(guān)鍵核心技術(shù)創(chuàng)新上取得突破。”
結(jié)合客觀背景,由已知的條件中,我們可以得出,相比海外的超快激光器制造商,國內(nèi)廠商至少有以下4方面優(yōu)勢:
(1)中國全球最大的3C產(chǎn)品的生產(chǎn)基地,超快激光高精度的特點(diǎn),尤其適用于3C產(chǎn)品的制造,不消多時,中國將是超快激光器最大的應(yīng)用市場;
(2)中國擁有全球最完整的工業(yè)體系:經(jīng)過幾十年的發(fā)展,我國形成了從上游材料到下游應(yīng)用的完整工業(yè)體系,為超快激光器的產(chǎn)業(yè)化提供了良好的土壤;
(3)高端人才的回流:在激光行業(yè),高端人才的回流在加速,這為超快激光的技術(shù)突破打下了人才基礎(chǔ)。
(4)政策支持,激光技術(shù)一直位列國家號召扶持的高新技術(shù)名單之中。
超快激光器的國產(chǎn)化過程與高功率激光器有著很大的相似性,隨著超快激光應(yīng)用場景不斷成熟落地,有望復(fù)制高功率光纖激光器進(jìn)口替代的道路。
三、消費(fèi)需求多樣化,市場前景可期
超快激光精密加工有兩大特點(diǎn)。一是“冷加工”。傳統(tǒng)的激光加工術(shù)(包括納米激光)往往會使金屬、玻璃等加工原材料受熱熔化。皮秒(一皮秒等于1000飛秒)和飛秒激光產(chǎn)生的局部高溫可達(dá)6000攝氏度,比太陽表面溫度還高,受作用材料表面來不及產(chǎn)生熱擴(kuò)散就被直接汽化。二是“超精細(xì)”。超快激光能夠聚焦到超細(xì)微空間區(qū)域,同時具有極高峰值功率和極短的激光脈沖,加工時切面整齊、無微裂紋、無材料損傷、無熔融區(qū)域。
超快激光器,憑借自身特殊的優(yōu)勢,越來越多地應(yīng)用于以下行業(yè)之中:
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醫(yī)療美容:超快激光一般用于眼科醫(yī)療手術(shù)設(shè)備和美容儀器。飛秒激光被用于近視手術(shù),近視患者的眼軸大于正常眼軸,使得在眼球調(diào)節(jié)松弛狀態(tài)下,光線進(jìn)入眼球后屈光系統(tǒng)折射的焦點(diǎn)落在視網(wǎng)膜之前。飛秒激光手術(shù)除去眼軸維度上多余的肌肉,使光線落點(diǎn)的距離恢復(fù)正常。飛秒激光手術(shù)準(zhǔn)確、安全、穩(wěn)定、手術(shù)時間短、舒適性高等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為當(dāng)前最主流的近視手術(shù)治療手段之一。在美容方面,超快激光可用于去除色素和原生痣、去除紋身等,也可以用來改善肌膚的衰老情況,其應(yīng)用“光子嫩膚”在市場上極受女性青睞。
- 消費(fèi)電子: 超快激光適用于消費(fèi)電子制造過程中的硬脆透明材料加工、薄膜加工、精密打標(biāo)等。納秒紫外激光和超快激光是目前切割藍(lán)寶石的主要技術(shù)手段,超快激光的加工效果比紫外納秒激光更好。藍(lán)寶石的硬度高,脆性大,使用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方式效率和良品率很低,藍(lán)寶石現(xiàn)在已經(jīng)廣泛的應(yīng)用于智能手表、手機(jī)攝像頭蓋板、指紋模組蓋板等,帶給超快激光極大的市場機(jī)遇。此外,攝像頭模組、指紋模組使用的加工方式,也以納秒和皮秒激光為主。未來柔性手機(jī)屏(可折疊屏)的切割、及對應(yīng)的3D玻璃鉆孔,超快激光也極大可能地會成為主流解決方案。
- 顯示照明:超快激光在顯示照明領(lǐng)域的應(yīng)用主要是指LED晶片的劃線和切割,這也是超快激光適合硬脆材料加工的又一例證,超快激光加工的截面平整度高,崩邊顯著減少,效率和精度都大大提升。
- 航空航天:為提高渦輪葉片的性能和使用壽命,進(jìn)而提高發(fā)動機(jī)的性能,需要采用氣膜冷卻技術(shù),這對氣膜孔加工技術(shù)提出了極高的要求,2018 年西安光機(jī)所開發(fā)出國內(nèi)最高單脈沖能量的26瓦工業(yè)級飛秒光纖激光器,并研制出系列化超快激光極端制造裝備,實(shí)現(xiàn)了航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片氣膜孔的“冷加工” 突破,填補(bǔ)了國內(nèi)空白,這種加工方法較電火花加工等方法精度更高,成品率大大提升。
四、國產(chǎn)超快激光不完全盤點(diǎn)
華日激光
華日激光是一家國內(nèi)領(lǐng)先的激光器專業(yè)制造商,作為一個厚積薄發(fā)的品牌,在成立之初,華日激光一直專注于納秒級紫外與綠光固體激光器的研發(fā)與生產(chǎn),對高端品質(zhì)的堅(jiān)持與匠心為品牌發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。2015年,華日激光實(shí)現(xiàn)擴(kuò)產(chǎn),并成功收購了加拿大Attodyne公司,將目光瞄準(zhǔn)了未來的皮秒與飛秒級超快激光領(lǐng)域。目前華日激光已擁有三大研發(fā)中心——北美(多倫多)超快激光器研發(fā)中心、武漢紫外與深紫外激光器研發(fā)中心、武漢飛秒激光器研發(fā)中心。由三位國家千人計(jì)劃專家領(lǐng)銜產(chǎn)品研發(fā)工作,研發(fā)出納秒級-皮秒級-飛秒級等多種脈寬,紅外-綠光-紫外等多波段的激光器產(chǎn)品。
在納秒級紫外激光器方面,華日激光早已經(jīng)實(shí)現(xiàn)成熟地批量制造,產(chǎn)能已位居全球前列,并保持銷量持續(xù)領(lǐng)先。在皮秒激光器產(chǎn)品線方面,目前市場訂單不斷,華日也正在積極地推進(jìn)量產(chǎn),整個過程目前進(jìn)展順利。而對于最受矚目的飛秒激光,華日還處于緊張的研發(fā)與測試階段,預(yù)計(jì)今年年內(nèi)將實(shí)現(xiàn)飛秒激光器量產(chǎn),種子源等核心部件實(shí)現(xiàn)自主研發(fā)制造。
2018年5月華日激光在國內(nèi)率先實(shí)現(xiàn)皮秒紫外激光器量產(chǎn),預(yù)計(jì)年內(nèi)將實(shí)現(xiàn)飛秒激光器量產(chǎn),打破飛秒激光器市場被國外壟斷的局面。皮秒、飛秒超快激光器國產(chǎn)化將推動國內(nèi)應(yīng)用商的使用成本降低至少30%-40%,未來市場可期。
廣東華快光子科技有限公司
“我們最近在火炬區(qū)租了一萬平方米的廠房,新廠房年底投入使用后一年可量產(chǎn)3000至5000臺超短脈沖光纖(皮秒、飛秒)激光器,成為國內(nèi)領(lǐng)先的激光器生產(chǎn)線之一。”華快董事長梁崇智說,這也意味著在華快在幾年的孵化后正式出孵了。
這家位于中山工業(yè)技術(shù)研究院的公司前身是廣東漢唐量子光電科技有限公司,是國內(nèi)少數(shù)掌握皮秒、飛秒激光光源技術(shù)的企業(yè)之一,主要業(yè)務(wù)為超快激光器、激光加工設(shè)備、3D打印裝備、3D打印粉末材料的研發(fā)與生產(chǎn),在激光器量產(chǎn)后公司有望實(shí)現(xiàn)爆發(fā)式增長。
“目前國內(nèi)皮秒、飛秒的激光技術(shù)光源設(shè)備約90%都依賴進(jìn)口,進(jìn)口產(chǎn)品價(jià)格昂貴。我們要打破國外的壟斷,做國產(chǎn)的超快光纖激光器。經(jīng)過5年研發(fā)投入近億元,現(xiàn)在已掌握了核心技術(shù),到了量產(chǎn)階段?!绷撼缰钦f,這個技術(shù)華快從零開始研發(fā),具有完全的知識產(chǎn)權(quán)。
2013年,梁崇智決定轉(zhuǎn)行做激光器后,便四處尋找國內(nèi)相關(guān)人才,并最終引入了研究該領(lǐng)域20多年的北京大學(xué)信息學(xué)院教授、“長江學(xué)者”張志剛及其團(tuán)隊(duì)。
安揚(yáng)激光
2010年,28歲的陳抗抗從英國知名學(xué)府南安普頓大學(xué)回到了他的家鄉(xiāng)武漢,和幾個朋友一起創(chuàng)立了武漢安揚(yáng)激光技術(shù)有限責(zé)任公司,從事皮秒光纖激光超快光源產(chǎn)品研發(fā)與生產(chǎn)。我們的劣勢,就在于市場,當(dāng)然這需要一個過程?!惫Ψ虿回?fù)有心人,經(jīng)過幾年的努力,安揚(yáng)激光已經(jīng)做到這一領(lǐng)域世界第二。
安揚(yáng)激光已推出成熟可用的皮秒、飛秒脈沖光纖激光器和超連續(xù)譜激光器等系列工業(yè)超快激光器產(chǎn)品。安揚(yáng)激光掌握了超快光纖激光器的核心技術(shù),自行研發(fā)了90% 以上的核心器件或者模塊,擁有核心的專利,核心器件和技術(shù)不依賴于進(jìn)口。安揚(yáng)激光有特種光纖設(shè)計(jì)生產(chǎn)團(tuán)隊(duì),具備自行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)特種光纖的能力。同時,安揚(yáng)激光有自建光纖拉絲塔,目前設(shè)計(jì)生產(chǎn)了40余種各種用途的特殊光纖,控制了光纖激光器產(chǎn)業(yè)鏈的上游,徹底擺脫西方公司對光纖激光器產(chǎn)業(yè)鏈的控制,保證了供應(yīng)鏈的自主與安全。目前公司已擁有皮秒激光器20W、50W、70W等產(chǎn)品,飛秒激光器25W、50W和100W等產(chǎn)品,位居國際領(lǐng)先水平。
目前安揚(yáng)公司超快激光設(shè)備已成熟應(yīng)用于手機(jī)全面屏切割、玻璃切割、OLED PET膜切割、金剛石切割、玻璃焊接、玻璃振鏡消融、FPC PI覆蓋膜、PERC太陽能電池、不銹鋼打孔、線路板打盲孔等領(lǐng)域。
貝林激光
貝林激光是國內(nèi)最早從事激光器研發(fā)的公司之一,通過多年研究于2012年成功研制第一臺皮秒激光器,后續(xù)推出多款皮秒激光器、紫外固體激光器、納秒綠光激光器。皮秒激光器產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于LED晶圓切割、玻璃切割、指紋膜組切割等精細(xì)加工領(lǐng)域。超快激光產(chǎn)品定位于精細(xì)加工領(lǐng)域:納秒激光器較多用于精細(xì)打標(biāo),主要是在3C產(chǎn)品的外殼和內(nèi)部元器件上;皮秒激光器較多是應(yīng)用于一些高精度要求的特殊材料精細(xì)加工,像LED晶圓、玻璃、陶瓷等材料的精細(xì)加工。到2016年底,貝林激光累計(jì)出貨皮秒激光器600臺。
在技術(shù)方面,貝林激光已經(jīng)取得一系列獨(dú)特的自有技術(shù)及專利技術(shù):納秒激光器方面,有先進(jìn)的諧振腔設(shè)計(jì)和激光控制技術(shù),確保激光器能在高功率運(yùn)轉(zhuǎn)下獲得優(yōu)秀的光束質(zhì)量和較窄的激光脈寬,特殊的腔內(nèi)熱補(bǔ)償技術(shù)及諧波轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定的倍頻轉(zhuǎn)換。皮秒激光器方面,有自主開發(fā)的光纖種子源技術(shù)和獨(dú)特的放大器技術(shù)。
2017年德龍激光將激光器業(yè)務(wù)并入全資子公司蘇州貝林激光有限公司。德龍激光是一個激光設(shè)備集成商,和激光器市場有很大的區(qū)別,將激光器業(yè)務(wù)并入貝林激光,實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)整合重組,達(dá)到資源的優(yōu)化配置。這一舉措將豐富貝林激光產(chǎn)品線,延伸產(chǎn)業(yè)鏈,獲得更強(qiáng)的競爭優(yōu)勢,加速推動貝林激光企業(yè)發(fā)展。
天津凱普林激光
天津凱普林激光科技有限公司自主研發(fā)工業(yè)級超快激光器。目前產(chǎn)品主要是飛秒,但是今后可能也會研發(fā)生產(chǎn)皮秒激光器。我們的超快激光器覆蓋近紅外到紫外共4個波段: 1.5微米、1微米、綠光、及紫外,以滿足不同客戶的需求。一方面充分利用凱普林的平臺和渠道,另一方面以一個全新的團(tuán)隊(duì)來開拓這塊業(yè)務(wù)。公司的目標(biāo)是成為國內(nèi)最好的超快激光器供應(yīng)商,為我們的客戶提供性價(jià)比最高、客戶服務(wù)最好的產(chǎn)品。
朗研光電
上海朗研光電創(chuàng)立于2009年,作為一家創(chuàng)新型高新科技公司,朗研光電一直致力于超快光纖激光器、量子保密通信系統(tǒng)、單光子探測器和泵浦激光器等相關(guān)產(chǎn)品的自主研發(fā)和生產(chǎn)。目前該公司在超快激光器方面擁有從532-1064納米多個波段的皮秒激光器,以及飛秒激光器,用于科研、光學(xué)計(jì)量、雙光子成像、生物醫(yī)學(xué)、精密加工、材料切割等。
虹拓新科技
武漢虹拓新技術(shù)在超快光纖激光器領(lǐng)域擁有不俗地位,提供環(huán)境可靠性極高的工業(yè)級高功率飛秒激光器。虹拓的產(chǎn)品有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域,包括:精密微加工、再制造、醫(yī)療、科研、電子制造等。
虹拓的摻鉺系列光纖飛秒激光器是在公司特有的超高精度色散補(bǔ)償技術(shù)基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的,結(jié)合超低損耗光纖熔接技術(shù),實(shí)現(xiàn)了高功率超短脈沖輸出。該飛秒光纖激光器采用一種全新的鎖模技術(shù),擺脫了常規(guī)鎖模所用的可飽和吸收材料,實(shí)現(xiàn)了鎖模的全自動化,并且保證光源穩(wěn)定、性能最佳,系統(tǒng)簡單實(shí)用。虹拓?fù)姐s系列飛秒光纖激光器是一款可靠的商業(yè)飛秒激光光源,可廣泛應(yīng)用于通信、醫(yī)療、科研等領(lǐng)域。
國神光電
2011年初,創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)帶領(lǐng)一群海外歸國人才和國內(nèi)技術(shù)精英在上海創(chuàng)立國神光電。公司擁有多項(xiàng)國際領(lǐng)先的專利技術(shù),以及一個優(yōu)秀的團(tuán)隊(duì)。公司在高功率超短脈沖光纖激光器,光纖聲光調(diào)制器,高功率無源和有源光器件等方面具有不可替代的優(yōu)勢,可廣泛應(yīng)用于工業(yè)超精密加工,光譜分析,國防工業(yè)和精密醫(yī)學(xué)儀器等方面。目前國神光電掌握了皮秒、飛秒種子源、光纖泵浦模塊、準(zhǔn)直輸出隔離器等核心技術(shù),擁有紅外、綠光皮秒激光器和飛秒激光器多款產(chǎn)品。
卓鐳激光
2015年,卓鐳激光和中科院建立戰(zhàn)略合作關(guān)系,中科院將為卓鐳激光提供持續(xù)的技術(shù)支持與發(fā)展動力。公司成功研發(fā)高功率、低功率的皮秒激光器后,于2017年還開發(fā)出了GRAVER系列的30瓦的綠光納秒激光器,這款全新激光器最主要的特點(diǎn)是脈寬比較窄,同時功率比較高。用于精密微加工的工業(yè)級高功率皮秒激光器和用于材料改性的大能量納秒脈沖激光器均達(dá)到國內(nèi)頂尖水準(zhǔn)。醫(yī)療領(lǐng)域開發(fā)了醫(yī)療美容專用的皮秒激光器。并已廣泛用于玻璃切割、金屬微加工、激光沖擊強(qiáng)化等領(lǐng)域。
英諾激光
英諾激光是一家集高端激光器生產(chǎn)、加工、銷售、激光設(shè)備貿(mào)易代理以及激光技術(shù)高端應(yīng)用為一體的高端激光微加工系統(tǒng)解決方案的中、美合資企業(yè)。在深圳設(shè)有激光應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室、精益激光研究院,在蘇州、常州設(shè)有激光工藝實(shí)驗(yàn)室。
英諾激光的超快激光器的優(yōu)勢在于可實(shí)現(xiàn)冷加工,其熱效應(yīng)僅相當(dāng)于普通納秒激光器十分之一左右,因而能帶來優(yōu)異的加工品質(zhì)。他認(rèn)為英諾激光產(chǎn)品獲得客戶廣泛認(rèn)可的原因在于出色的長期產(chǎn)品穩(wěn)定性、對行業(yè)的深刻理解?!皬奈覀兊恼蛊房梢泽w現(xiàn)出我們對包裝、透明材料、消費(fèi)電子、線路板、芯片、晶圓等應(yīng)用的深刻認(rèn)知和經(jīng)驗(yàn),我們具備滿足客戶各種需求的實(shí)力。
南京諾派激光
諾派激光根據(jù)自身的技術(shù)優(yōu)勢,針對我國激光精密加工產(chǎn)業(yè)升級中進(jìn)口替代的市場機(jī)會,以及近年來消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)鏈中材料精密加工應(yīng)用需求的快速增長,積極布局研發(fā)工業(yè)級超短脈沖激光器,并已經(jīng)在某些關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)研中取得了令人興奮的進(jìn)展。目前該公司擁有2微米、1.5微米以及1微米波長的超快光纖激光器,以小功率為主。。脈沖寬度具有“長皮秒”和“短皮秒”兩種系列供客戶選擇,可以滿足各類微細(xì)加工的需要。
寫在最后
截至目前,超快激光器市場仍以依賴國外進(jìn)口為主,NKT、MKS、通快、相干等技術(shù)優(yōu)勢明顯,但價(jià)格較貴。NKT是全球光纖超快激光器的領(lǐng)導(dǎo)者,歷史悠久;MKS收購Femtolaser和HighQ后,超快激光器實(shí)力大增;通快則是通過收購大通激光、Amphos等超快激光器公司,成為全品類激光器齊全的供應(yīng)商;相干則通過收購Lumera、Raydiance、Filaser成為全球超快激光器領(lǐng)導(dǎo)者。
6月5日晚,銳科激光官方微信發(fā)文稱,完成對國神光電51%的股權(quán)收購,成為國神光電的控股股東,這意味著國產(chǎn)激光器龍頭企業(yè)銳科激光正式涉足超快激光領(lǐng)域。
而早在三月光博會期間,銳科激光曾發(fā)布公告稱,擬與國神光電科技(上海)有限公司就技術(shù)、產(chǎn)品等開展合作,雙方正在對銳科激光擬通過自有或自籌資金收購周士安、胡雪原等9位股東部分股權(quán)事項(xiàng)進(jìn)行洽談。同期,銳科激光與國神光電聯(lián)合設(shè)計(jì)推出的,主要應(yīng)用于3C行業(yè)、5G、OLED及醫(yī)療、精密材料微加工領(lǐng)域的三款超快激光器:100 W紅外皮秒激光器、20 W紫外皮秒激光器和20 W紅外飛秒激光器,也是奪得了眾多參展人員的眼球。隨著銳科激光的加入布局,更是意味著超快激光的發(fā)展前景愈發(fā)明朗。
超快激光器的國產(chǎn)化過程與高功率激光器一定程度上具有極大的相似性,隨著超快激光應(yīng)用場景不斷成熟落地,有望復(fù)制高功率光纖激光器進(jìn)口替代的道路。憑借市場空間大、技術(shù)壁壘高的特質(zhì),超快激光器很有可能越來越成為工業(yè)的焦點(diǎn)。
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