數(shù)據(jù)來源:OFweek產(chǎn)業(yè)研究院
解析半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與技術(shù)流派前景
發(fā)布時(shí)間:2020-05-27 責(zé)任編輯:lina
【導(dǎo)讀】近年來,中國激光產(chǎn)業(yè)獲得了飛速的發(fā)展。中國是活躍的制造業(yè)市場及工業(yè)激光設(shè)備的主要市場,受宏觀經(jīng)濟(jì)發(fā)展、制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級、國家政策支持等因素影響,中國工業(yè)激光產(chǎn)業(yè)成為受高度關(guān)注的產(chǎn)業(yè)之一,市場發(fā)展迅速。2015年,中國取代歐洲,首次成為激光器最大的消費(fèi)市場。
近年來,中國激光產(chǎn)業(yè)獲得了飛速的發(fā)展。中國是活躍的制造業(yè)市場及工業(yè)激光設(shè)備的主要市場,受宏觀經(jīng)濟(jì)發(fā)展、制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級、國家政策支持等因素影響,中國工業(yè)激光產(chǎn)業(yè)成為受高度關(guān)注的產(chǎn)業(yè)之一,市場發(fā)展迅速。2015年,中國取代歐洲,首次成為激光器最大的消費(fèi)市場。
半導(dǎo)體激光器市場規(guī)模
2013年以來,我國光纖激光器市場規(guī)模逐年增長,CO2激光器市場被逐漸侵蝕,光纖激光器成為工業(yè)激光器最大產(chǎn)品結(jié)構(gòu),作為光纖激光器泵浦半導(dǎo)體激光器市場規(guī)??焖贁U(kuò)大,2015年、2016年、2017年是我國半導(dǎo)體激光飛速發(fā)展的3年,2017年以后,由于部分光纖激光器龍頭廠商開始大批量單獨(dú)生產(chǎn)LD器件、LD芯片,減少了對半導(dǎo)體激光器泵浦采購。加之國內(nèi)宏觀經(jīng)濟(jì)發(fā)展壓力加大,國際貿(mào)易摩擦不斷,半導(dǎo)體激光器市場增速大幅放緩,到2019年,我國半導(dǎo)體激光器市場規(guī)模為19.79億元,同比增長10.6%,2013-2019年年復(fù)合增長率達(dá)到18.17%。
數(shù)據(jù)來源:OFweek產(chǎn)業(yè)研究院
當(dāng)前國際上從事半導(dǎo)體激光器的企業(yè)有美國的Coherent、nLight、II-VI、Newport、德國TRUMPF、DILAS等。由于國外半導(dǎo)體激光器研發(fā)起步早,產(chǎn)業(yè)化早,技術(shù)積累更深厚,因此其產(chǎn)品占據(jù)較大市場份額。
國內(nèi)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)化相對較晚,但隨著應(yīng)用市場的快速擴(kuò)大,也孕育出一批極具競爭力的企業(yè),如山東華光光電(1999.11.成立)、西安華科光電(2002.9.成立)、北京凱普林光電(2003.3.成立)、西安炬光科技(2009.9.成立)、蘇州長光華芯(2012.3.成立)等。據(jù)OFweek激光網(wǎng)了解,這幾家企業(yè)2019年銷售額均超過億元。其中,凱普林早期的半導(dǎo)體激光器主要面對海外醫(yī)療及激光制版印刷行業(yè),從2011年開始逐步成為工業(yè)半導(dǎo)體泵浦源及半導(dǎo)體激光直接加工領(lǐng)域國產(chǎn)替代進(jìn)口品牌的主力軍,其強(qiáng)大的研發(fā)團(tuán)隊(duì)及高額的研發(fā)投入為其開拓工業(yè)市場提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。
半導(dǎo)體激光器應(yīng)用日趨廣泛
早在20世紀(jì)80年代的時(shí)候,半導(dǎo)體激光器還只是應(yīng)用在光存儲(chǔ)和一些小眾應(yīng)用。當(dāng)時(shí),光存儲(chǔ)是半導(dǎo)體激光器行業(yè)的第一個(gè)大型應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體激光器技術(shù)不斷創(chuàng)新,推動(dòng)了注入數(shù)字多功能光盤(DVD)和藍(lán)光光盤(BD)等光存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展。到20世紀(jì)80年代,光網(wǎng)絡(luò)成為了半導(dǎo)體激光器的主戰(zhàn)場。再后來,半導(dǎo)體激光器又成為通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵加工制造設(shè)備。
由于半導(dǎo)體激光器具有制造簡單、易量產(chǎn)、成本低、波長覆蓋范圍廣、體積小、壽命長、能耗低、電光轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn),在CD激光唱片機(jī)、光纖通信、光存儲(chǔ)器、激光打印機(jī)等獲得廣泛應(yīng)用,逐漸覆蓋了各個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域的實(shí)用市場。隨著半導(dǎo)體激光器輸出功率逐步提高及輸出特性不斷改善,其在工業(yè)加工領(lǐng)域也逐步開始發(fā)揮作用。除了直接參與工業(yè)加工外,半導(dǎo)體激光器更多應(yīng)用于光纖激光器和固體激光器的泵浦源,與工業(yè)激光市場共同發(fā)展,并隨著光纖激光器的爆發(fā)而迎來新的增長點(diǎn)。
受光束質(zhì)量的限制,傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器難以直接用于金屬切割。近年來,隨著半導(dǎo)體耦合技術(shù)的提高,以及新型合束技術(shù)的逐漸成熟,部分千瓦級以上的光纖輸出的半導(dǎo)體激光器,也可以滿足切割對光束質(zhì)量的要求。另外,由于半導(dǎo)體激光器波長的多樣性,短波長的半導(dǎo)體激光器十分接近鋁的波長吸收最大值,因此,在汽車工業(yè)中大功率半導(dǎo)體激光非常適用于鋁材汽車車身的焊接。目前,激光輸出功率為2KW到6KW之間的半導(dǎo)體激光器,在汽車工業(yè)生產(chǎn)過程中已得到了廣泛應(yīng)用。此外,藍(lán)光半導(dǎo)體激光器以其在銅材料方面吸收效率的極大優(yōu)勢,在新能源電池電極焊接、PCB加工等領(lǐng)域受到越來越多的青睞。2020年美國西部光電展上,凱普林推出了445nm,200W的產(chǎn)品,成為國內(nèi)高功率藍(lán)光半導(dǎo)體激光器的代表,與laserline等公司同臺(tái)競爭。
在材料直接加工領(lǐng)域,半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量難以超越光纖激光器,但在薄板焊接、切割應(yīng)用方面,半導(dǎo)體激光器卻十分適用。高功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展使得許多重要的應(yīng)用成為可能,除用作工業(yè)激光器泵浦源和直接材料加工外,制版印刷,醫(yī)療美容,照明傳感等均成為半導(dǎo)體激光器的重要應(yīng)用市場。
兩種技術(shù)流派:單管耦合與巴條耦合
目前工業(yè)加工市場已成為半導(dǎo)體激光器的最大市場,而不論是直接加工還是作為泵浦源,半導(dǎo)體激光器的工業(yè)應(yīng)用都離不開光纖耦合。半導(dǎo)體激光器的耦合主要有兩個(gè)技術(shù)流派,分別是單管耦合技術(shù)和巴條耦合技術(shù),這二種技術(shù)本質(zhì)相同卻又各具特點(diǎn)。
所謂單管就是我們常說的“激光芯片”。其制作過程與半導(dǎo)體芯片一樣,都要經(jīng)過硅晶圓制造、IC設(shè)計(jì)、IC制造、IC封測等一系列過程。最終制成的一小片芯片,即稱為單管半導(dǎo)體激光器。而激光巴條可以看做是多個(gè)半導(dǎo)體單管并排形成的激光器單條,稱之為一個(gè)bar,實(shí)質(zhì)上是在同一基底上構(gòu)建一系列半導(dǎo)體激光器單管而形成的,也可以叫線陣激光器。簡單理解就是,多個(gè)單管排列成為一個(gè)巴條,而一個(gè)巴條又可拆分多個(gè)單管。
激光單管(左)與激光巴條(右)
圖片來源:凱普林
激光器單管僅有一個(gè)發(fā)光點(diǎn),易于進(jìn)行光纖耦合,因此常用作光纖激光器的泵浦源(多為中低功率),能夠有效減少熱效應(yīng)的相互影響,同時(shí)易于檢修、維護(hù)、更換,而且高電壓低電流的驅(qū)動(dòng)電源結(jié)構(gòu)簡單,成本低;而激光巴條由于發(fā)光點(diǎn)多,具有更高的發(fā)光功率,因此常用作大功率光纖激光器、全固態(tài)激光器的泵浦源或直接發(fā)光,在醫(yī)美、軍工等領(lǐng)域也有較多應(yīng)用。目前國內(nèi)的激光器單管最高功率能做到20W,而激光巴條則能實(shí)現(xiàn)300W甚至更高功率的輸出。
由于光纖激光器的爆發(fā)式增長及工業(yè)市場的巨量需求,單管耦合是目前半導(dǎo)體激光器中應(yīng)用更廣的技術(shù)方案。代表企業(yè)包括美國的Lumentum、nLight,國內(nèi)的凱普林、長光華芯等。而巴條耦合則由于存在散熱、后期維護(hù)等問題,為企業(yè)入局造成較高門檻,代表企業(yè)如德國Dilas、LIMO等。
未來走向:兩派技術(shù)各有所長,市場發(fā)展兼容并包
隨著半導(dǎo)體激光器在材料加工、泵浦源、醫(yī)療美容、傳感照明等應(yīng)用的廣泛應(yīng)用,國內(nèi)外半導(dǎo)體激光器制造商之間競爭日趨激烈。領(lǐng)先的公司在產(chǎn)品性能提升、應(yīng)用拓展、性價(jià)比提高等方面不斷發(fā)力。多單管耦合技術(shù)與巴條、疊陣直接輸出及巴條耦合技術(shù),作為半導(dǎo)體激光器技術(shù)發(fā)展的兩條主要技術(shù)路線,一直以來以各自的優(yōu)點(diǎn),分別在不同的細(xì)分應(yīng)用上獨(dú)立發(fā)展。
盡管眼下工業(yè)激光市場的泵浦源多采用單管耦合技術(shù),但巴條、疊陣、巴條耦合在功率上有著先天優(yōu)勢,隨著光纖激光器功率不斷提高,巴條技術(shù)有望獲得更好的發(fā)展前景。此外,半導(dǎo)體激光器在醫(yī)美應(yīng)用、固體激光器泵浦源、高功率直接加工等市場也在飛速發(fā)展,也為巴條技術(shù)帶來更廣闊的發(fā)展空間。實(shí)際上這兩種技術(shù)流派各有特點(diǎn),在應(yīng)用上能夠相互彌補(bǔ),在增量巨大的市場完全能夠兼容,彼此促進(jìn),實(shí)現(xiàn)共同發(fā)展。對國內(nèi)半導(dǎo)體激光器企業(yè)而言,擴(kuò)充技術(shù)儲(chǔ)備范圍,對長遠(yuǎn)發(fā)展意義非凡。
這一判斷并非空穴來風(fēng)。OFweek激光網(wǎng)了解到,北京凱普林光電便已有所行動(dòng)。據(jù)悉,凱普林在成熟的單管耦合技術(shù)基礎(chǔ)上,邀請多名歐洲技術(shù)專家加入公司,補(bǔ)足巴條、疊陣、巴條耦合等半導(dǎo)體激光器相關(guān)技術(shù),其目標(biāo)是在半導(dǎo)體激光器的兩類產(chǎn)品技術(shù)路線都建立優(yōu)勢。
凱普林官網(wǎng)顯示,公司致力于高功率激光器系統(tǒng)、器件的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化,目前自有技術(shù)包括高效率光纖耦合技術(shù)、高精度半導(dǎo)體激光芯片封裝技術(shù)、微透鏡設(shè)計(jì)/光纖處理/光束整形及整套高可靠半導(dǎo)體激光器商業(yè)化生產(chǎn)工藝技術(shù),還可為用戶定制特殊規(guī)格的激光器組件/系統(tǒng)或提供OEM服務(wù)。其大功率光纖耦合半導(dǎo)體激光器產(chǎn)銷量位列世界前列。
OFweek激光網(wǎng)認(rèn)為,凱普林補(bǔ)齊巴條半導(dǎo)體激光器技術(shù),或?qū)鴥?nèi)半導(dǎo)體激光器市場格局產(chǎn)生較大影響。伴隨巨大市場增量的驅(qū)動(dòng),凱普林的變革一方面能擴(kuò)大自身的市場布局、提高市場占有率;另一方面,新技術(shù)的引入也將給整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈帶來更多選擇,促進(jìn)整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈的良性發(fā)展。中國半導(dǎo)體激光市場,未來值得期待!
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