第二章 激光晶體行業現狀及發展趨勢

第一節行業發展歷程和發展特點

2.1.1 行業發展歷程

激光材料是激光技術發展的核心和基礎，意義重大。1960年美國海軍休斯試驗室的希爾多•梅曼（Theodore H. Maiman）研制成功了世界第一臺人造紅寶石（Cr3+：A1203）晶體激光器，標志著量子電子學進入了光頻階段；1964年誕生了摻釹的釔鋁石榴石晶體（Nd：YAG），激光晶體開始大力發展；80年代可調諧范圍為660 - 1100nm的摻鈦藍寶石晶體（Ti：A1203）問世，超短、超快和超強激光已成為可能，飛秒（fs）激光科學技術蓬勃發展、并滲透到各個基礎研究和應用學科領域；80年代后期隨著作為泵浦源的半導體激光二極管（LD）技術和產品的飛速發展，給激光晶體的研究帶來復蘇；90年代摻釹的釩酸釔晶體（Nd：YV04）研制成功，使激光晶體的發展進入一個新時期。

激光晶體行業經過40多年的發展，已經滲透到了各個學科與國民經濟的各個部門。迄今為止，已研究過的#p#分頁標題#e#激光晶體在幾百種以上，其中包括氟化物、復合氟化物、氧化物、復合氧化物、無機鹽類、自激活、自倍頻、色心等系列激光晶體。

目前，世界上使用最多的激光晶體主要有如下幾種：

圖表 5：主要激光晶體及其基本性能列表

資料來源：********統計整理

2.1.2、行業發展特點

2.1.2.1 行業的發展空間

激光晶體的主要應用領域是固體激光器，作為產生受激輻射躍遷的工作物質，激光晶體中的摻雜離子能級結構決定了激光器的波長，基質的晶格結構及其宏觀物理、化學性能決定了激光器的輸出性能。可以說，激光晶體在很大程度上左右著固體激光器的發展。因此，在分析激光晶體行業的發展趨勢前，有必要對各種類型激光器的特點和技術進展進行簡要分析梳理。

激光（Laser）的全名為受激輻射的光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），是人類二十世紀自然科學的重大發明之一，是自然界并不存在的一種新型光源。與其他光源相比，它具有高亮度、高方向性、高單色性和高相干性四大特點，這四個特點決定了激光技術在科技、工業、軍事、醫學和日常生活中的廣闊應用領域。比如，利用其高亮度和高方向性，人們將激光技術用于工業材料加工、醫療、測距、制導、定向能武器等，而激光的高單色性和高相干性，則使其在通訊、顯示、測量、全息等領域大顯身手。

按產生激光的工作物質物態的不同，激光器基本可分為五類：固體激光（晶體/玻璃/光纖）、氣體激光（原子氣體、離子氣體、分子氣體、準分子氣體等）、液體激光（有機染料、無機化合物）、半導體激光、自由電子激光。其中，在實際應用中得到廣泛使用的分別是：半導體激光器、所有類型的固體激光器、氣體激光中的分子和準分子激光器。如果按激勵方式分類，則主要是光泵式、電激勵和化學激勵等三種，其中，幾乎所有的固體和液體激光器，以及少量的氣體和半導體激光器采用光泵方式激勵，而大部分氣體和半導體激光采用電激勵方式。

如果按照目前市場銷售規模分類，則半導體激光是目前全球使用量和市場規模最大的激光應用，主要用于通訊、存儲、顯示、醫療、固體激光器泵浦源等領域，而固體激光器和氣體激光器次之，其他類型的激光主要是作為科學研究，使用量極其有限。下面我們著重分析在工業加工、軍事科研等領域中大量應用的激光晶體固體激光器、光纖固體激光器和氣體激光中的CO2激光器。

激光晶體固體激光器，作為眾多激光技術研究和工程開發中的佼佼者，主要采用閃光燈泵浦和半導體激光泵浦兩種光泵方式，為以YAG系列基質為主的稀土摻雜激光晶體提供能源，常用的輸出基波波長為1.06um，能夠實現大能量、高功率和高重復頻率運轉，并可通過串聯、主振功率放大（#p#分頁標題#e#MOPA）、再生放大、啁啾放大等技術有效提高輸出能量水平。在采用調Q、腔倒空、鎖模等技術后，可極大的壓縮激光脈沖的寬度，實現納秒、皮秒甚至窄至飛秒級的脈寬，分別提供兆瓦、吉瓦和太瓦級的極高峰值功率。并通過倍頻、和頻、光參量振蕩、拉曼頻移等非線性光學技術，實現從200nm紫外到1.5um人眼安全等波長的變換。特別是隨著半導體激光器的產業化，采用半導體激光泵浦固體激光技術（DPSSL）的全固態激光器技術飛速發展并日益普及，有效地降低了激光晶體的熱效應和使用成本、提高了轉換效率，使用端泵、側泵以及盤片激光泵浦等多種方式，在高光束質量、大能量、高功率方面取得平衡，國外已實現10KW級、國內5KW級的1064nm紅外、200W 532nm綠光以及20W 355nm紫外激光的可靠運轉。這一系列的特點，決定了采用激光晶體的固體激光器在軍事、工業、顯示、科研等領域廣闊的應用范圍和巨大的發展潛力。

光纖激光器是指采用摻稀土元素的玻璃光纖作為增益介質的光波導固體激光器，在通訊用光纖放大器（EDFA）基礎上發展而來，均采用半導體激光泵浦技術、大功率雙包層光纖作為導光和增益介質、波導結構光纖作為腔鏡熔接形成諧振腔，具有泵浦波長匹配簡單、效率高、尺寸小、重量輕、成本低、可靠性高、永不失調等優點，特別是由于光纖芯徑自身的限制，使光纖激光器比較容易控制光束質量，因而光纖激光器大都具有同等輸出功率下較好的光束質量，同時，激光功率的增加可以方便地采用增加光纖長度的辦法實現，目前光纖激光器的輸出功率已超過千瓦，并可通過光纖合束實現萬瓦級輸出。在工業加工領域，已開始在多個領域得到應用，如金屬打標、雕刻、切割、金屬/非金屬鉆孔、焊接等，同時在激光武器應用方面得到強烈關注。

CO2 激光器是目前應用最廣泛的氣體激光器，由于氣體的可流動性，不會過多受制于增益介質的體積，因此具有平均輸出功率高、每瓦成本低、光束質量較好等特點，同時由于激光波長為10.6um，在非金屬材料加工方面具有獨特的優勢，目前CO2激光器絕大多數應用在工業領域，且主要集中于包裝、皮革等非金屬材料標刻、雕刻等行業的10-30W中小功率射頻激勵CO2管，和切割、焊接應用的快軸流、慢軸流、橫流放電的1KW - 6KW級高功率激光器。

由于波長、激光輸出特性的不同，導致上述三種激光器在技術成熟度、發展趨勢和市場應用領域各有所不同，簡要對比如下

1）技術與發展方面#p#分頁標題#e#

固體激光技術是激光發明以來，開發和研究最為全面廣泛和成果最為豐富的激光技術，并在理論研究、工程設計、制造工藝、配套元器件甚至專業設計軟件等方面形成了完整體系，并繼續深化和細化。僅在全固態激光器方面，以應用為牽引，就陸續研發出各種新型結構的半導體激光泵浦技術，如工業、科研中兼具端泵和側泵優勢的薄片激光技術，軍事科研領域的熱容激光、多程激光放大、板狀Nd：YAG角耦合技術，在微加工領域的全固態的深紫外激光倍頻技術、工業皮秒激光技術和工藝、飛秒激光技術，在激光顯示領域，高效微片三原色激光技術的開發，使顯示領域逐步進入一個全新的發展階段。目前多波長、高效率、高功率和大能量的固體激光器以及飛秒超快脈沖的光與物質相互作用機理和加工工藝研究等均為整個激光界的研究前沿和開發熱點。

但隨著應用的深入，固體激光器的發展亦存在一些制約因素，如技術難度大、光學分立元件多、調試維護工作量大、熱管理困難等，因此，世界著名商用激光器公司：美國Coherent、Newport、JDSU等投入大量資源，研制采用Nd:YAG薄片激光器作種子源、光纖激光作為功率放大以及光子超快光纖做種子源、一到兩級Nd：YAG晶體作為能量放大的所謂“混合”泵浦技術，即利用了光纖激光光束質量好的優點，又發揮了激光晶體儲能高、能量大的特色。另外，按照工業標準化制造流程，開發各種免調試、集成制造等專利工藝技術，以增強固體激光器的可靠性和免維護性。

CO2激光器由于平均輸出功率高，原理技術成熟，研究開發的熱點主要集中在激光器制造工藝、可靠性工程設計、提高運行壽命、加工工藝研究以及降低成本等方面，近30年來，CO2激光器件的有關工藝技術在國外已達到相當高的水平，如德國的TRUMPH、ROFIN-SINAR等公司的工業級CO2激光器輸出功率可達到6KW，美國的Coherent、Synard公司的100W以下功率激光器一次充氣壽命可達到8000小時，但國內在這些方面差距較大，目前國產高功率CO2激光器輸出功率為3KW，#p#分頁標題#e#100W以下的射頻激勵CO2激光器工藝技術尚未過關，無法提供商用。同時，CO2激光器的紅外波長使之無法有效采用光纖傳輸，這于目前強調柔性化、靈活制造的趨勢不符，是其與固體激光和光纖激光競爭時的一大主要劣勢。隨著全固態激光和光纖激光技術的崛起和發展，在部分領域已開始取代CO2激光器，如聚合物加工、塑料/金屬焊接、金屬切割、表面處理等應用中。

光纖激光器技術被譽為第三代的固體激光技術，在光束質量、高效、穩定性和小體積等方面有著極強的技術優勢。光纖激光器本質上有別于其它類型的激光器：在光纖激光器中，產生激光的激活介質實際上散布在光纖自身內部。這一特點將其與通過光纖傳導的固體激光器區別開來，后者只是簡單地將光束從激光諧振腔通過光纖傳輸到導光元件上。隨著高功率雙包層光纖技術的突破，使光纖激光器輸出功率達到單束KW級輸出。光子光纖的出現，又使光纖激光技術向超快和超連續譜輸出等前沿科學研究領域邁進。如世界最大的專業光纖激光器公司：美國IPG公司已可提供高達數千瓦級功率的激光器，并通過并聯將多模光纖激光器的輸出功率放大至50千瓦以上，同時通過借鑒固體激光中的MOPA技術，實現數十毫焦量級的納秒脈沖能量輸出。目前，光纖激光技術已得到飛速發展，并在激光加工(laser oem)、光通訊、生物技術、軍事等領域得到高度重視和發展，開始侵蝕或部分取代全固態激光器和CO2激光器傳統應用的市場份額。

但是，光纖激光技術自身也存在不少制約其發展的問題，其中最關鍵的是光纖激光無法提供較大脈沖能量和高峰值功率輸出，由于玻璃光纖的芯徑和物理性質限制、熱負荷以及低增益特點，大能量激光將導致自身的損毀，同時隨著輸出功率的提升，光纖將產生光致吸收效應和受激拉曼散射（SRS）的影響，嚴重影響激光器的運轉性能。另外一個不容忽視的問題是，目前全球光纖激光技術和產品工藝技術主要掌握在美國IPG和英國SPI公司手中，由于專利的保護，使其處于事實上的技術和市場壟斷地位，這并不有利于光纖激光技術的進一步發展。

總之，三種類型的激光器不論在技術上，還是在應用上，即相互競爭，又互相借鑒融合，共同促進了激光產業的發展。

2）市場應用方面

自第一臺紅寶石激光器問世，固體激光器就一直占據了激光器發展的主導地位，特別是在20世紀80年代出現的半導體激光器以及在此基礎上出現的全固化固體激光器更因為體積小、重量輕、效率高、性能穩定、可靠性好和壽命長等優點，逐漸成為光電行業中最具發展前途的領域。目前世界范圍內銷售的商品固體激光器已有#p#分頁標題#e#500余種，但從1998年開始，固體激光器中的Nd:YAG激光器的市場占有率和銷售額已升為第一位。近年來由于大功率激光二極管制造工藝的成熟和生產成本的降低，使二極管泵浦固體激光器的研究得到了飛快的發展，且已正式進入商品化。世界著名的激光公司Rofin-Sinar所銷售的激光工業加工設備中60％已是二極管泵浦的固體激光器。

根據《Laser Focus World》報道，2002年全球商用激光器產值為43億美元，其中，非二極管激光市場為44%，預計2003年全球商用激光產值48億美元，其中非二極管激光市場占領41%。表一、二和三分別給出了近幾年來全球商用激光市場的情況。可以看出，在全固化固體激光器中，二極管泵浦固體激光器仍然占主導地位。從2002年的銷售到2003年的銷售預測來看，全球非二極管激光產值平均增長為5.9%，燈泵浦固體激光器增長為5.83%，而二極管泵浦固體激光器增長卻高達12%，表明全固化固體激光器正快速增長，逐步在市場中成為主導產品。表四給出了1999-2001年國內激光產品的銷售情況，可以看出，固體激光器銷售額遠大于氣體激光器的銷售額，但全固化固體激光器的銷售額未見報道，其研究和開發還遠落后于世界水平，其主要原因應歸咎于我國大功率半導體激光器水平的落后。

表一、 全球商用激光器市場（億美元）

表二、 全球二極管激光在全固化固體激光器中的應用（美元）

表三、全球非二極管激光器市場

表四、1999-2001年全國激光產品銷售額按主要激光器件分類統計（萬元人民幣）

以下兩圖是#p#分頁標題#e#2005年全球工業激光的銷售和應用分布

隨著上述三種激光器技術和工藝的成熟，激光在各領域的應用日益普及，特別是在激光加工(laser oem)、光通訊、激光武器等領域。由于具有能量集中、易于操作、柔性高、高效率、高質量、節能環保等突出優點，激光加工(laser oem)技術迅速在汽車、電子、航空航天、機械、冶金、鐵路、船舶等工業部門廣泛普及，幾乎涵蓋了國民經濟的所有領域，被譽為“制造系統共同的加工手段”。

如今在市場銷售份額中，固體激光器的應用數量是最高的，其次是CO2和光纖激光器。在銷售金額中，則CO2激光器最高、固體激光和光纖次之。從增長速率看，光纖激光由于基數較低，近年來增長速度驚人，即使2009年全行業下滑時，它仍增長約70%，其次是全固態固體激光器，基本保持20%左右的增長率，而CO2激光器銷售增長則相對穩定，約在5-10%之間。

作為激光技術的后起之秀，光纖激光器正全面進入激光應用最重要的激光加工(laser oem)領域，根據LFW和ILS的數據，光纖激光器、燈泵固體激光和全固態激光在加工領域的銷售數量上比率是4:3.1:2.9；但是工業大功率激光的中高端市場：激光鈑金切割/焊接應用領域：CO2激光、燈泵、光纖、全固態的平均銷售價格分別是15:6.5:2.9:2.2萬美元。在加工系統的客戶端，客戶更關注的是激光的加工效果、效率、價格和使用成本等因素，而對具體采用何種激光技術并不重視，這就需要加工系統供應商綜合平衡可行性、效率、利潤后再選擇使用何種激光器。因此，盡管光纖激光在這一應用中具有技術優勢，但實際使用中仍然更多地采用CO2、全固態甚至燈泵激光。在激光焊接領域，由于過高的光束質量導致激光焦點能量太過集中，容易使焊接過程變成穿孔，效果反而不如光束質量較差的燈泵Nd：YAG固體激光器，這一現象在激光打標領域也有體現，如，光纖激光器光束質量極好，非常有利于精細標刻，但卻因此帶來焦深的縮短，不利于非平面工件的高速打標或對工作平臺提出過高要求，另外，由于光纖端面顯而易見的脆弱性，加工時的材料后向反射容易損傷光纖自身，導致光纖激光的免維護特性變成無法維護，這大大限制了光纖激光器在金屬打標市場的應用。

#p#分頁標題#e#另一個對光纖激光應用不利的因素則來自于公司戰略，由于目前商用光纖激光技術，特別是大功率雙包層光纖技術和工藝，把持在極少數的1-2家公司中，導致系統利潤更多地集中于激光器，而不是加工系統，使得眾多系統集成供應商采用光纖激光技術的意愿不強烈，尤其是類似德國TRUMPH、ROFINE-SINAR等工業加工巨頭，寧愿自己投資開發全固態的盤片激光技術和器件以及完善高功率CO2激光器，而不是采購IPG公司的高功率光纖激光器，從IPG公司和整個光纖激光器的銷售數據就見端倪，如2005年全球光纖激光器銷售額1.23億美元，IPG一家公司即占去0.94億美元，可見其市場壟斷地區?？梢灶A見，如果這一現象不能改觀，加上光纖激光固有的一些技術劣勢，將會大大阻礙光纖激光技術的推廣和普及。