激光器可以根據(jù)工作物質(zhì)、輸出波長(zhǎng)、功率大小和輸出波形進(jìn)行劃分。根據(jù)輸出波形，可將激光器分為連續(xù)激光器、準(zhǔn)連續(xù)激光器以及脈沖激光器。
連續(xù)激光器：以多模連續(xù)光纖激光器為代表，占據(jù)了當(dāng)前工業(yè)市場(chǎng)的大部分份額，其特點(diǎn)是連續(xù)輸出穩(wěn)定波形，常應(yīng)用于激 光切割、激光焊接以及激光熔覆；
準(zhǔn)連續(xù)激光器：又稱長(zhǎng)脈沖，其特點(diǎn)是介于連續(xù)激光器和脈沖激光器之間，具有比連續(xù)光高十倍以上的峰值功率，可在一定周期內(nèi)重復(fù)輸出比較高能量的激光，常應(yīng)用于激光鉆孔及熱處理；
脈沖激光器：以脈沖形式輸出能量，根據(jù)脈沖寬度，脈沖激光器可進(jìn)一步分為毫秒激光器、微秒激光器、納秒激光器、皮秒 激光器及飛秒激光器等，其特點(diǎn)是加工精度高，且脈寬越窄，加工精度越高，常應(yīng)用于激光標(biāo)刻、非金屬材料加工、醫(yī)療及 航空航天等。
超快激光器是指輸出激光的脈沖寬度在皮秒（10^-12）級(jí)別、或小于皮秒級(jí)別的脈沖激光器。
超快激光器復(fù)合增速遠(yuǎn)高于激光器整體增速
2019年全球激光器產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模：2019年全球激光器銷售額為147.3億美元，相比2018年的137.6億 美元銷售額同比增長(zhǎng)9.9個(gè)百分點(diǎn)。中美貿(mào)易戰(zhàn)得到一定程度緩和，激光產(chǎn)品進(jìn)出口表現(xiàn)出復(fù)出跡象。2019年激光器在科研和軍事市場(chǎng)持續(xù)擴(kuò)張，增長(zhǎng)率達(dá)到21%以上。
中國(guó)激光產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模：2019年中國(guó)激光器市場(chǎng)雖然有所增長(zhǎng)但與前兩年相比增速開(kāi)始放緩。工業(yè)、信息、商業(yè)、醫(yī)學(xué)和科研領(lǐng)域的激光設(shè)備市場(chǎng)銷售總收入為658億元，較2018年同比增長(zhǎng)了8.8個(gè)百分點(diǎn)。
超快激光器成為近年來(lái)激光市場(chǎng)上最突出的增長(zhǎng)點(diǎn)，2015-2019年復(fù)合增速為70.5%，而全球激光器市場(chǎng)2015-2019年復(fù)合增速僅為11%。2019年國(guó)內(nèi)從事超快激光器研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)超過(guò)25家，2019年市 場(chǎng)空間達(dá)到24.5億元，已成長(zhǎng)為相當(dāng)于國(guó)內(nèi)光纖激光器收入體量30%的市場(chǎng)。
超快激光器核心優(yōu)勢(shì)：真正意義上的冷加工，加工精度卓越
傳統(tǒng)激光加工處理：起源于入射光子-受激電子-聲子轉(zhuǎn)化而成的熱能，材料通過(guò)固態(tài)-液態(tài)-氣態(tài)的三相熱熔過(guò)程得到逐步去除，并且其中的熱擴(kuò)散過(guò)程會(huì)影響加工處理的質(zhì)量。
熱擴(kuò)散對(duì)激光加工的影響：
從作用區(qū)域內(nèi)不斷地抽取其中的能量，降低了激光加工效率；
降低了激光聚焦點(diǎn)的溫度，使得該點(diǎn)溫度無(wú)法遠(yuǎn)大于材料的熔點(diǎn)溫度，而僅處于熔融狀態(tài)；
降低了激光微加工的精確度；
影響到環(huán)繞工作點(diǎn)附近的一大片區(qū)域，造成機(jī)械應(yīng)力；
有時(shí)會(huì)造成表面沖擊波的形成，損壞周圍的材料結(jié)構(gòu)。
超快激光加工處理：激光與物質(zhì)的作用實(shí)際上被“凍結(jié)”在電子受激吸收和儲(chǔ)存能量的過(guò)程，在根本上避免了能量的轉(zhuǎn)移、轉(zhuǎn)化以及熱能的存在和熱擴(kuò)散造成的影響。
超快激光作用時(shí)間有效縮短, 也使因熱傳導(dǎo)作用而影響的熱效應(yīng)體積減小了很多。這不僅極大地提高了加工的精度, 同時(shí)也 實(shí)現(xiàn)了真正意義上的“冷”加工。
超快激光器：CPA技術(shù)——超快激光發(fā)展里程碑
1960年，第一臺(tái)激光器--紅寶石激光器問(wèn)世為超快過(guò)程的研究打開(kāi)了門戶，隨后調(diào)Q技術(shù)、鎖模技術(shù)以及啁啾CPA壓縮技 術(shù)的出現(xiàn)，使得超快過(guò)程經(jīng)歷并實(shí)現(xiàn)了納秒(1ns=10-9s)、皮秒(1ps=10-12s)、飛秒(1fs=10-15s)和阿秒(1as=10-18s)的發(fā)展過(guò)程。
調(diào)Q技術(shù)：是指調(diào)節(jié)激光器的Q值的技術(shù)。在激光器泵浦的初期，把諧振腔的Q值調(diào)得很低，使激光器暫時(shí)不滿足振蕩條件，在泵浦脈沖的激勵(lì)下獲得很高的粒子數(shù)密度時(shí)，再迅速調(diào)大諧振腔的Q值，此時(shí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度遠(yuǎn)大于閾值反轉(zhuǎn)粒子數(shù)密度，激光振蕩迅速建立并達(dá)到很高的峰值功率，同時(shí)反轉(zhuǎn)粒子數(shù)迅速被耗盡，脈沖很快結(jié)束，這樣就獲得了具有窄脈沖寬度和大峰值功率的激光脈沖。利用調(diào)Q技術(shù)能夠建立納秒脈沖的輸出。
鎖模技術(shù)：是激光器產(chǎn)生超短脈沖的重要技術(shù)。激光器光腔內(nèi)存在多種模式的激光脈沖，當(dāng)這些模式相互間的相位實(shí)現(xiàn)相長(zhǎng)干涉時(shí)才產(chǎn)生激光超短脈沖或稱鎖模脈沖輸出。鎖模一般分為兩類：一類是主動(dòng)鎖模，另一類是被動(dòng)鎖模。前者是從外部向激光器輸入信號(hào)周期性地調(diào)制激光器的增益或損耗，達(dá)到鎖模；后者則采用飽和吸收器(例如一片薄的半導(dǎo)體膜)，利用其非線性吸收達(dá)到鎖定相對(duì)相位，產(chǎn)生超短脈沖輸出。
通過(guò)調(diào)Q和鎖模等超快激光技術(shù)已經(jīng)可以將激光脈沖從毫秒量級(jí)提高到納秒、皮秒量級(jí)。但是，直接放大激光脈沖的能量，進(jìn)一步提高峰值功率遇到了難以逾越的瓶頸：（1）直接放大過(guò)程中，激光脈沖的超高峰值功率密度極易損壞放大器中增益介質(zhì)和其他透射式光學(xué)元器件；（2）直接放大的激光脈沖時(shí)間尺度太短，不利于高效吸收放大增益介質(zhì)中的全部能量。
啁啾脈沖放大技術(shù)誕生后，有效地解決了技術(shù)瓶頸，對(duì)激光科學(xué)產(chǎn)生了極具革命性的影響。
這一技術(shù)的原理大體上可以表述為：將一段短脈沖在時(shí)域上展寬，然后放大，再進(jìn)行壓縮。當(dāng)脈沖展寬時(shí)，功率的極值會(huì)變得非常低，因此，即便放大到很高的倍數(shù)，也不會(huì)燒毀放大器；然后，再在時(shí)域上對(duì)脈沖進(jìn)行壓縮，可以極大增強(qiáng)脈沖的強(qiáng)度。使用這項(xiàng)技術(shù)后，脈沖可以 短到飛秒（10^-15秒）量級(jí)，功率可以達(dá)到太瓦（10^12瓦特）量級(jí)。通過(guò)這一技術(shù)，激光脈沖變得更短，強(qiáng)度變得更高。
正是這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)明，使得超快、超強(qiáng)激光得到了快速發(fā)展。
超快激光器應(yīng)用領(lǐng)域1——脆性材料微加工
超快激光器的應(yīng)用范圍需要厘清，總結(jié)而言，其尤其適合脆性非金屬材料加工（由波長(zhǎng)決定，超快一般為紫外等）以及金屬薄片加工（超快也會(huì)有紅外，目前成本較高）。
激光焊接：超快激光器使普通激光難以焊接的特殊材料，如玻璃、陶瓷等實(shí)現(xiàn)焊接技術(shù)革新和突破。
舉例：飛秒激光玻璃焊接：電子元器件之間的微連接為大難題，傳統(tǒng)的膠水粘合雖然可以實(shí)現(xiàn)多種材料之間的連接，但其易老化、熱解、易受熱膨脹等缺點(diǎn)使得產(chǎn)品的可靠性難以保證；普通長(zhǎng)脈沖激光的能量不易被玻璃吸收而且熱膨脹易使玻璃碎 裂，并不適合微焊接玻璃等透明材料。超短脈沖激光與透明材料相互作用具有熱效應(yīng)小及非線性吸收的特點(diǎn)，非常適合透明材料的微焊接，其原理是將高強(qiáng)度的飛秒激光聚焦在兩塊透明玻璃材料的分界面處，界面處的玻璃經(jīng)歷熔化以及再凝結(jié)等過(guò) 程，最終使得兩塊玻璃牢固的結(jié)合在一起。
激光切割：激光切割：超快激光器不斷挑戰(zhàn)業(yè)界最高水準(zhǔn)的切割效率，切割質(zhì)量?jī)?yōu)于其他激光，滿足更多潛在行業(yè)的應(yīng)用需求。
舉例：全面屏切割：傳統(tǒng)切割方法的機(jī)械刀輪在異形切割時(shí)開(kāi)始暴露出切割速度慢、精度低、存在較大毛邊損傷等問(wèn)題，激光切割在上述方面優(yōu)勢(shì)明顯，但仍然存在一定熱影響，超快激光器的激光脈寬進(jìn)一步縮短，可以使用更小的能量將玻璃切開(kāi)，從而對(duì)玻璃損傷更小。其他切割：面板制造中OLED偏光片的切割、LED晶片切割等。
其他激光微加工：藍(lán)寶石和陶瓷是普遍應(yīng)用于微加工技術(shù)和精細(xì)加工的材料，然后由于其質(zhì)地堅(jiān)硬，對(duì)熱敏感，傳統(tǒng)制造工藝很難完成，需要通過(guò)超快激光器進(jìn)行微加工處理。
藍(lán)寶石凹槽銑削：藍(lán)寶石是地球上僅此于鉆石第二堅(jiān)硬的材料，很難用機(jī)械的方法來(lái)加工，需要用激光 器來(lái)切割藍(lán)寶石。
陶瓷加工：陶瓷材料塑性變小、材料脆性大、易產(chǎn)生裂紋，擴(kuò)展至脆性斷裂，所以在切削加工過(guò)程中會(huì) 造成崩豁現(xiàn)象，甚至于整個(gè)工件報(bào)廢。通過(guò)超快激光器可以完成陶瓷加工精細(xì)化處理，減少裂紋產(chǎn)生。
光伏電池圖案蝕刻：超快激光在光伏電池的制造中應(yīng)用空間廣闊。例如在CIGS薄膜電池的制造中，超快激光可替代原有的機(jī)械劃線工藝，顯著改善劃線質(zhì)量，尤其是對(duì)于P2、P3劃線環(huán)節(jié)，可以做到幾乎沒(méi)有崩邊現(xiàn)象，也沒(méi)有裂紋和殘余應(yīng)力。
飛秒激光金屬箔切割：飛秒激光切割機(jī)是指采用脈沖激光時(shí)間為飛秒段的超快激光，其加工特性在于對(duì)材料的熱影響小，與材料作用時(shí)間超短，在某些材料上低于材料分子間的布朗運(yùn)動(dòng)時(shí)間，因此熱影響超小，也就不會(huì)造成超薄金屬材料變形、產(chǎn)生毛刺、顆粒粉塵等。
激光金屬蝕刻，打標(biāo)：相比普通激光器，超快激光器可以進(jìn)行更精準(zhǔn)的蝕刻及標(biāo)記，更耐腐蝕。
激光表面處理：激光表面處理是一種燒蝕過(guò)程，在該過(guò)程中，材料表面吸收聚焦的激光能量來(lái)實(shí)現(xiàn)良好的修復(fù)、修飾效果。主要應(yīng)用包括去除金屬、玻璃和復(fù)合板上的油漆、粘合劑、氧化物、油污 和脫模等。
航空領(lǐng)域：
為提高渦輪葉片的性能和使用壽命，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能，需要采用氣膜冷卻技術(shù)，這對(duì)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(kāi)發(fā)出國(guó)內(nèi)最高單 脈沖能量的26瓦工業(yè)級(jí)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(dòng)機(jī)渦輪葉片 氣膜孔的“冷加工”突破，填補(bǔ)了國(guó)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。
超快激光還可應(yīng)用于纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的精密加工，加工精度的提升，有助于碳纖維等復(fù)合材料在航空航天等 高端領(lǐng)域的應(yīng)用拓展。
醫(yī)療領(lǐng)域：
飛秒激光視力矯正：在眾多的近視矯正術(shù)中，全飛秒激光手術(shù)已經(jīng)成為主流治療近視眼的方法，與傳統(tǒng)的準(zhǔn)分子激光手術(shù)相比，全飛秒激光手術(shù)具有手術(shù)準(zhǔn)確度高、無(wú)明顯疼痛感、術(shù)后視覺(jué)效果好等優(yōu)勢(shì)。
心臟支架切割：由于心臟支架壁管極薄，通常采用激光加工代替常規(guī)的機(jī)械加工。但是，使用普通激光通過(guò)燒蝕融化來(lái)加工，這樣加工的心臟支架存在毛刺多、切槽寬度不統(tǒng)一、表面燒蝕嚴(yán)重、筋寬不均勻等一系列問(wèn)題。近年來(lái)，國(guó)外企業(yè)已經(jīng)開(kāi)始采用飛秒激光進(jìn) 行支架切割。
在醫(yī)療美容方面，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(lái)改善肌膚的衰老情況。
競(jìng)爭(zhēng)格局：超快激光器國(guó)產(chǎn)化空間廣闊
超快激光器市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)格局：中國(guó)的超快激光器產(chǎn)業(yè)化起步較晚，目前市場(chǎng)多以外國(guó)激光器為主，國(guó)內(nèi)仍以納米紫外（不是真正意義上的超快）為主，但隨著超快激光市場(chǎng)需求的擴(kuò)大，國(guó)內(nèi)激光技術(shù)的不斷突破與成熟，截止2019年底我國(guó)共有規(guī)模以 上超快激光器研發(fā)、生產(chǎn)企業(yè)25家。
國(guó)外超快激光器龍頭企業(yè)
IPG光電：公司是最大的超快激光器系統(tǒng)生產(chǎn)商，經(jīng)過(guò)二十多年的發(fā)展逐步形成了光纖激光器上游產(chǎn)業(yè)鏈的垂直整合，如：增益光纖、半導(dǎo)體泵浦源、光纖元器件等，公司主營(yíng)產(chǎn)品包括高、中、低功率連續(xù)激光器、脈沖激光器等。
Coherent（相干）：全世界最大、最全面的超快激光器系統(tǒng)生產(chǎn)商，于1970年在美國(guó)納斯達(dá)克市場(chǎng)上市，公司作為全球最大的激光儀器生產(chǎn)商，產(chǎn)品覆蓋科研、醫(yī)療、工業(yè)加工等多 個(gè)行業(yè)。
光譜物理：于1961年成立，是全球頂尖的激光器供應(yīng)商，具有50年制造經(jīng)驗(yàn)，提供高質(zhì)量的超快激光器、大能量脈沖激光器、連續(xù)可調(diào)諧、超窄線寬激光器以及工業(yè)激光器。
德國(guó)通快：創(chuàng)立于1923年，工業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域機(jī)床與激光器的市 場(chǎng)及技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)者，全球領(lǐng)先的機(jī)床制造廠商之一，在機(jī)床、激光技術(shù)以及電子領(lǐng)域提供生產(chǎn)解決方案。
NKT光子：領(lǐng)先的高性能光纖激光器、光纖傳感系統(tǒng)和光子晶體光纖的供應(yīng)商，主要市場(chǎng)在成像、傳感和材料加工領(lǐng)域，主要產(chǎn)品包括超快激光器、超連續(xù)光譜白光激光器等。
國(guó)內(nèi)超快激光器主要企業(yè)
大族激光：亞洲第一、世界領(lǐng)先的工業(yè)激光加工設(shè)備生產(chǎn)廠商。一直致力于推進(jìn)皮秒和飛秒激光器的國(guó)產(chǎn)化，截止2019年底已實(shí)現(xiàn)100余萬(wàn)臺(tái)超快激光器銷售。
銳科激光：公司是全球第三家研發(fā)光纖激光器并規(guī)模生產(chǎn)批量銷售的公司，公司已掌握光纖激光器及其核心器件和材料的關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了光纖激光器上游產(chǎn)業(yè)鏈的垂直整合，公司主營(yíng)產(chǎn)品包括連續(xù)光纖激光器、脈沖光纖激光器等。
杰普特：成立于2006年，于2019年科創(chuàng)板上市，跨界MOPA激光器、固體激光器、超快激光器、光學(xué)檢測(cè)設(shè)備、激光加工設(shè)備的研發(fā)和生產(chǎn)。
華日激光：成立于2003年，是華工科技旗下的先進(jìn)固體激光器專業(yè)制造商，在2014年收購(gòu)了加拿Attodyne公司，開(kāi)始涉足超快激光領(lǐng)域。目前華日激光已擁有三大研發(fā)中心，研發(fā)出納秒級(jí)－皮秒級(jí)－飛秒級(jí)等多種脈寬的超快激光器產(chǎn)品。
安揚(yáng)激光：成立于2010年，主要從事高功率皮秒，飛秒光纖激光器和超連續(xù)譜光源的研發(fā)、生產(chǎn)和應(yīng)用，已成功推出皮秒，飛秒脈沖光纖激光器和超連續(xù)譜激光器等系列產(chǎn)品。
卓鐳激光：成立于2014年是一家從事超快、超強(qiáng)激光器設(shè)計(jì)研發(fā)及生產(chǎn)制造的硬科技企業(yè)，自主研發(fā)的BLAZER系列工業(yè)級(jí)超快激光器實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代，在國(guó)內(nèi)LCD全面屏切割領(lǐng)域市場(chǎng)占有率在行業(yè)前列。
貝林激光：成立于2007年，是國(guó)內(nèi)最早從事激光器研發(fā)的公司之一，致力于生產(chǎn)、研發(fā)、銷售各類工業(yè)級(jí)超快激光器。
以上內(nèi)容來(lái)自天風(fēng)證券，分析師：鄒潤(rùn)芳，崔宇。不代表本公眾號(hào)觀點(diǎn)及立場(chǎng)，僅供交流學(xué)習(xí)之用！
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