激光起源于 20 世紀(jì) 60 年代初期,是20 世紀(jì)與原子能、半導(dǎo)體、計(jì)算機(jī)齊名的四大發(fā)明之一。由于激光具有完全不同于普通光的性質(zhì),很快被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,并深刻地影響了科學(xué)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的發(fā)展及變革。激光具有四大優(yōu)異的特性:單色性好、相干性好、方向性好、亮度高。激光在技術(shù)上具有無可比擬的先進(jìn)性,其突出優(yōu)點(diǎn)是加工精度高,不影響材料的物理特性,有助于提高加工質(zhì)量;加工速度快,勞動(dòng)生產(chǎn)率高;無污染、原材料消耗低。
從各項(xiàng)具體的性能指標(biāo)看,光纖激光器和半導(dǎo)體激光器具有各方面的優(yōu)勢比較多,也將是行業(yè)發(fā)展的趨勢方向,但是像二氧化碳激光器和固體激光器由于自身的特點(diǎn),具有其他激光器不可替代的性能,有特定的不可替代的應(yīng)用領(lǐng)域。
與其他激光器對比,光纖激光器下游應(yīng)用趨勢更好
種類
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優(yōu)勢
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應(yīng)用和趨勢
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固體激光器
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固體激光器可作大能量和高功率相干光源。紅寶石脈沖激 光器的輸出能量可達(dá)千焦耳級。經(jīng)調(diào) Q 和多級放大的釹玻 璃激光系統(tǒng)的最高脈沖功率達(dá) 10 瓦。釔鋁石榴石連續(xù)激 光器的輸出功率達(dá)百瓦級,多級串接可達(dá)千瓦。
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固體激光器的發(fā)展趨勢是材料和器件的多樣化,包括尋求新 波長和工作波長可調(diào)諧的新工作物質(zhì),提高激光器的轉(zhuǎn)換效 率,增大輸出功率,改善光束質(zhì)量,壓縮脈沖寬度,提高可 靠性和延長工作壽命等。
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半導(dǎo)體激光 器
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能量效率高、體積小、重量輕且價(jià)格低。尤其是多重量子 井型的效率有 20%-40%,P-N 型也達(dá)到數(shù) 20%-25%。另外, 它的連續(xù)輸出波長涵蓋了紅外線到可見光范圍,而光脈沖 輸出達(dá) 50W(帶寬 100ns)等級的產(chǎn)品也已實(shí)現(xiàn)商業(yè)化
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半導(dǎo)體激光器的最大應(yīng)用是作為光纖激光器和固體激光器的 泵浦源,此外在金屬切割和焊接、塑料焊接、激光熔覆、激 光錫焊等方面都有應(yīng)用。
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二氧化碳激 光器
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功率范圍較大。涵蓋小于 10 瓦到大于 20,000 瓦,而且可 以在連續(xù)波模式或脈沖條件下運(yùn)轉(zhuǎn)。在具有足夠的諧振腔 長度下,合適的激光設(shè)計(jì)能夠獲得極佳的光束質(zhì)量。
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二氧化碳激光器能夠勝任材料加工領(lǐng)域的新應(yīng)用、激光測距 和雷達(dá)、熱像視覺輔助及靶向醫(yī)療等應(yīng)用。
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準(zhǔn)分子激光 器(氣體)
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準(zhǔn)分子激光與生物組織作用發(fā)生光化反應(yīng)。即組織受到遠(yuǎn) 紫外光激光作用時(shí),會(huì)斷裂分子之間的結(jié)合鍵,將組織直 接分離成揮發(fā)性的碎片而消散無蹤。其精確度達(dá)細(xì)胞水 平,能不損傷周圍組織而達(dá)到對角膜的重塑目的。
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目前,準(zhǔn)分子激光已廣泛應(yīng)用在臨床醫(yī)學(xué)以及科學(xué)研究與工 業(yè)應(yīng)用方面,如:鉆孔、標(biāo)記表面處理、激光化學(xué)氣相沉積, 物理氣相沉積,磁頭與光學(xué)鏡片和硅晶圓的清潔等方面,微機(jī) 電系統(tǒng)相關(guān)的微制造技術(shù)。
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光纖激光器
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具有優(yōu)良的光束質(zhì)量,可靠性,最長的免維護(hù)時(shí)間,最高 的整體電光轉(zhuǎn)換效率,脈沖重復(fù)頻率,最小的體積,無須 水冷的最簡單、最靈活的使用方式,最低的運(yùn)行費(fèi)用。
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脈沖光纖激光器以其優(yōu)越性能成為高速、高精度激光標(biāo)刻方 面的唯一選擇。其輸出波長可滿足各方面的應(yīng)用需求,在工 商業(yè)、通信、軍事、醫(yī)學(xué)等方面都有很好的應(yīng)用前景。
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資料來源:智研咨詢整理
光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器,屬于固體激光器的一種,但因增益介質(zhì)形狀特殊且具有典型的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)優(yōu)勢,行業(yè)中一般將其與其他固體激光器分開進(jìn)行研究。
典型的光纖激光器主要由光學(xué)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和機(jī)械結(jié)構(gòu)四個(gè)部分組成,其中,光學(xué)系統(tǒng)由泵浦源、增益光纖、光纖光柵、信號/泵浦合束器及激光傳輸光纜等光學(xué)器件材料通過熔接形成全光纖激光器,并在電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和監(jiān)控下實(shí)現(xiàn)激光輸出。同時(shí),光纖激光器根據(jù)功率大小的不同采用不同的冷卻方式,通常情況下,功率低于 200W 時(shí)采用風(fēng)冷結(jié)構(gòu),功率大于 200W 時(shí)采用循環(huán)水制冷,以保證激光器在工業(yè)環(huán)境條件下可靠穩(wěn)定運(yùn)行。
典型的光學(xué)激光器光學(xué)系統(tǒng)
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綜合來看,光纖激光器與傳統(tǒng)的固體及氣體激光器相比,光纖激光器具有激光光束質(zhì)量好、能量密度高、電光轉(zhuǎn)換效率高、散熱性能好、結(jié)構(gòu)緊湊、免維護(hù)、柔性傳輸、可加工材料范圍廣等優(yōu)良特點(diǎn),被譽(yù)為“第三代激光器”。光纖激光器電光轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 30%-35%,是傳統(tǒng)固體、氣體激光器效率的幾倍,非常節(jié)能環(huán)保。光纖激光器擁有的上述無可比擬的技術(shù)優(yōu)勢,使其廣泛應(yīng)用于雕刻、打標(biāo)、切割、熔覆、焊接、表面處理等材料加工領(lǐng)域,正在逐漸取代各種物理加工、化學(xué)加工、印刷加工等傳統(tǒng)加工方式。目前,光纖激光器已成為激光技術(shù)發(fā)展主流方向和激光產(chǎn)業(yè)應(yīng)用主力軍。
智研咨詢發(fā)布的《2019-2025年中國光纖激光器市場運(yùn)行態(tài)勢及戰(zhàn)略咨詢研究報(bào)告》顯示:2012-2017年,全球激光器行業(yè)收入規(guī)模從87億美元增加至2017年的111億美元,年復(fù)合增長率為4.86%。事實(shí)上,至2015 年,中國已經(jīng)取代歐洲,首次成為激光器最大的消費(fèi)市場,約占全球市場規(guī)模的 29%。由于中國的企業(yè)數(shù)量多,人口基數(shù)大,只要激光技術(shù)能應(yīng)用到某幾個(gè)行業(yè),就能帶來B端企業(yè)的大量應(yīng)用,從而實(shí)現(xiàn)市場規(guī)模的快速增長。
2011-2017年全球激光器市場規(guī)模走勢圖(單位:億美元)
資料來源:智研咨詢整理
激光加工技術(shù)的核心是激光器。激光器按照激光介質(zhì)分,一般可以分為 CO2 激光器、固體激光器和光纖激光器等。激光器是激光加工設(shè)備的核心零部件,激光器的種類和好壞直接決定了激光加工設(shè)備的加工工藝,產(chǎn)品質(zhì)量和使用成本。
激光加工一般需要考慮激光功率、作用時(shí)間以及材料對能量的吸收效率等,不同的激光器適用于不同的加工工藝。一般來說 CO2 激光加工設(shè)備適用于金屬材料的加工,如激光打孔、切割或者焊接,而小功率的激光加工工藝,如激光打標(biāo)、非金屬材料的切割等,一般采用固體激光器或者光纖激光器等。此外,光纖激光器功率范圍較廣,且具有免維護(hù)等特點(diǎn),開始逐漸替代其他種類的激光加工設(shè)備。
全球激光器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)
資料來源:智研咨詢整理
全球光纖激光器收入從 2013 年的18.14億美元,增加至 2017 年的 43.65億美元, 近 4 年年均增長率為 24.55%,保持快速增長態(tài)勢。
2013-2017年全球光纖激光器市場規(guī)模走勢圖
資料來源:智研咨詢整理
2017年我國光纖激光器行業(yè)市場規(guī)模79.6億元,同比2016年的49.48億元增長了60.87%。近幾年我國光纖激光器行業(yè)市場規(guī)模及增速情況如下圖所示:
2013-2017年中國光纖激光器行業(yè)市場規(guī)模及增速
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2007 年之前,國內(nèi)光纖激光器的產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域仍然空白,國內(nèi)企業(yè)產(chǎn)能不足、品質(zhì)較差,因此在工業(yè)升級過程中從歐美進(jìn)口的激光器數(shù)量不斷增加。銳科激光是中國最早具有光纖激光器生產(chǎn)、研發(fā)能力的企業(yè)。目前,國內(nèi)已出現(xiàn)超過 20 家光纖激光器品牌,光纖激光器主要供應(yīng)商包括銳科激光、創(chuàng)鑫激光等。2017年我國光纖激光器行業(yè)產(chǎn)量約9.35萬臺,同比2016年的6.98萬臺增長了33.93%,如下圖所示:
2014-2017年光纖激光器行業(yè)生產(chǎn)總量及增速
資料來源:智研咨詢整理
目前,國內(nèi)光纖激光器生產(chǎn)企業(yè)主要集中在武漢、上海、北京、深圳等地區(qū)。2017年國內(nèi)80%以上光纖激光器產(chǎn)能集中在武漢、上海、北京、深圳。
2013-2017年光纖激光器行業(yè)供需平衡現(xiàn)狀
年份
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光纖激光器產(chǎn)量:臺
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光纖激光器需求量:臺
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光纖激光器進(jìn)口量:臺
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2013年
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13205
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19825
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6620
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2014年
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19815
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34200
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14385
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2015年
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28860
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45800
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16940
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2016年
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69810
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86200
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16390
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2017年
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93500
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108700
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15200
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資料來源:智研咨詢整理
光纖激光器技術(shù)優(yōu)勢突出,應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展,市場前景廣闊。光纖激光器具有光電轉(zhuǎn)換 效率高、光束質(zhì)量好、投資維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn),為材料加工的理想激光器。隨著光纖激光 技術(shù)的發(fā)展和下游行業(yè)需求的增加,光纖激光器市場規(guī)模保持快速增長。傳統(tǒng)制造、汽車生產(chǎn)、重工制造等行業(yè)正越來越多的使用光纖激光器;同時(shí),醫(yī)療美容、通信和航空航天領(lǐng)域也開始使用光纖激光器。
中國成為全球激光器最大的消費(fèi)市場,光纖激光器將有很大市場空間。中國激光產(chǎn)業(yè)市場 起步較晚,但隨著中國裝備制造業(yè)的迅猛發(fā)展,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。
光纖激光器行業(yè)供需平衡趨勢預(yù)測
年份
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光纖激光器產(chǎn)量:萬臺
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光纖激光器需求量:萬臺
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凈進(jìn)口量:萬臺
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2018年
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11.18
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12.55
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1.37
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2019年
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14.25
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15.02
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0.77
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2020年
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16.98
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18.12
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1.14
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2021年
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20.75
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21.95
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1.2
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2022年
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25.17
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26.75
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1.58
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2023年
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29.68
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31.24
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1.56
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2024年
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35.42
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36.47
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1.05
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資料來源:智研咨詢整理