激光產(chan) 業(ye) 鏈從(cong) 上遊-中遊-下遊-終端，可分為(wei) 四大環節：上遊：核心器件，包括激光芯片、泵浦源、特種光纖、晶體(ti) 材料、光學元器件；中遊：激光器，包括半導體(ti) 激光、光纖激光、超快激光等；下遊：激光切割、激光焊接、激光打標、激光清洗、激光熔覆、激光3D打印、激光顯示、激光測量、激光武器等；終端客戶包括汽車製造業(ye) 、3C電子、專(zhuan) 業(ye) 鈑金加工、航空航天、新能源/光伏、軌道交通、船舶重工、工程機械、生物醫療、軍(jun) 工集團等。

圖1. 激光加工在航空航天、新能源/光伏、軌道交通、船舶重工、工程機械等行業(ye) 的應用場景持續拓寬

激光製造已然成為(wei) 發達國家積極搶占的戰略製高點。例如在中國，隨著以“十四五”規劃和2035年遠景目標為(wei) 指引的發展戰略的不斷落實，激光製造正加快推動中國製造業(ye) 實現轉型升級。

作為(wei) 國內(nei) 最大的光電器件基地、光通信技術研發基地和最大的激光產(chan) 業(ye) 基地之一，武漢·中國光穀目前的光電子信息產(chan) 業(ye) 規模超5500億(yi) 元。同時，光穀也是我國激光技術研究、激光產(chan) 業(ye) 和激光專(zhuan) 業(ye) 人才培養(yang) 重要基地之一，這裏聚集了逾300家激光企業(ye) 。近日，湖北省人民政府印發《加快“世界光穀”建設行動計劃》，提出到2025年，“世界光穀”地區生產(chan) 總值達到5000億(yi) 元，光電子信息產(chan) 業(ye) 規模達到7000億(yi) 元，帶動武鄂黃黃（武漢、鄂州、黃岡(gang) 、黃石）光電子信息產(chan) 業(ye) 規模突破1萬(wan) 億(yi) 元，攜手打造世界級高新技術產(chan) 業(ye) 集群。到2025年，光穀激光企業(ye) 產(chan) 值達到1000億(yi) 元；到2035年，激光企業(ye) 產(chan) 值達到3000億(yi) 元。當前，武漢正在打造的“965”產(chan) 業(ye) 集群（9大支柱產(chan) 業(ye) 、6大戰略新興(xing) 產(chan) 業(ye) 、5大未來產(chan) 業(ye) ），激光產(chan) 業(ye) 作為(wei) 新型戰略型產(chan) 業(ye) 被涵蓋在內(nei) 。

當前，低速光學芯片和電動芯片一般都是中國製造，但高速光學芯片仍依賴進口。國外最先進芯片的生產(chan) 精度是10nm，而我國隻有28nm，落後兩(liang) 代。據報道，在計算機係統、通用電子係統、通信設備、存儲(chu) 設備、顯示和視頻係統等多個(ge) 領域，中國製造的芯片占比為(wei) 0。

2017年，ASML推出全球第一台量產(chan) 的極紫外光刻機，在芯片製造領域發揮著至關(guan) 重要的作用。2021年該公司推出新一代光刻機，造價(jia) 1.5億(yi) 美元，且對我國限製出口，是典型“卡脖子”領域。

高功率高重頻脈衝(chong) CO₂激光器作為(wei) 極紫外驅動光源具有更高的轉化效率(3%-6%)和產(chan) 生更少的碎片，是目前極紫外光刻機量產(chan) 設備的唯一方案。

在該領域，需要突破的關(guan) 鍵單元技術包括：高損傷(shang) 閾值聲光開關(guan) 器件、電光器件技術、高損傷(shang) 閾值精準相位控製鏡片鍍膜技術、自適應鏡片光學保偏鍍膜與(yu) 性能測試、基於(yu) 相位控製的防反射器件設計等。

華中科技大學針對高功率脈衝(chong) CO₂激光器開展了多項攻關(guan) 工作，其中包括脈衝(chong) CO₂種子源、基於(yu) 射頻板條的CO₂激光預放大、基於(yu) 射頻激勵軸快流的CO₂激光主放大等技術和工藝的研發。同時，針對高功率脈衝(chong) CO₂激光器在極紫外光源、光電對抗、電路板鑽孔等應用領域開展了相關(guan) 研究。

晶圓激光退火是芯片製造的關(guan) 鍵技術之一，其主要使用的是高精度、高穩定性的大功率射頻板條CO₂激光器。毫秒退火是近年來的最新技術，這種方法將晶圓加熱到僅(jin) 低於(yu) 矽的熔點，約為(wei) 1100-1350℃，而加熱時間僅(jin) 為(wei) 幾百微秒到幾毫秒之間。該方法主要包括閃光燈退火以及激光尖峰退火。閃光燈退火主要采用一排閃光燈在一瞬間對晶圓進行照射；激光尖峰退火的原理是：長波長的CO₂激光器產(chan) 生激光束，並通過一定的整形形成線光束，以掠射角照射到晶圓表麵。對於(yu) 28nm以下節點的集成電路退火，主要采用射頻板條CO₂激光器進行激光退火。

圖2. 激光尖峰退火示意圖

華中科技大學是目前國內(nei) 唯一具有研發和製造能力3.5kW射頻板條CO₂激光器的科研單位，針對高精度射頻板條電極設計與(yu) 加工、大功率射頻電源設計與(yu) 開發、非穩波導混合諧振腔、匹配網絡與(yu) 並聯諧振技術、光束整形設計和射頻氣體(ti) 放電理論與(yu) 參數測試開展了大量科研工作。

高功率、高光束質量是實現半導體(ti) 激光器加工直接應用的重要技術指標。為(wei) 了提高半導體(ti) 激光器輸出光功率，需要采用最適宜的合束技術來提高半導體(ti) 激光源的亮度及光束質量。

針對高功率紅外半導體(ti) 激光器，當采用常規合束方法時，其外部光學集成，易實現上萬(wan) 瓦高功率，但光束質量較差，目前亮度達76MW/cm²/sr (3000W/20mm*mrad)；如采用光譜合束，外腔反饋光譜窄化及調節，光束質量有較大提升，目前亮度達3.9GW/cm2/sr (4700W/3.5mm*mrad)；采用高光束質量單元與(yu) 光譜合束結合方法時，光束質量近衍射極限，功率待進一步提升，目前亮度達10GW/cm²/sr (360W/0.6mm*mrad)，是獲得萬(wan) 瓦級、高光束質量輸出的有效途徑；當采用高光束質量單元與(yu) 光譜合束單片集成方法時，芯片內(nei) 部光譜窄化及調節，結構更加穩定簡化，強化了半導體(ti) 激光器的環境適應性。

波長400nm~500nm範圍的藍光半導體(ti) 激光器，具有穩定性高、電光效率高等優(you) 點，廣泛應用於(yu) 激光加工（如銅、金）、醫療、水下探測、照明、激光泵浦等領域。高功率藍光半導體(ti) 激光旨在解決(jue) 以純銅、純金、高強鋁為(wei) 代表的高反射高導熱材料激光先進製造問題。藍光吸收率是常規紅外激光器的5-10倍，激光焊接時可達到無飛濺、無氣孔、焊縫一致性成形好等優(you) 點，它也適用於(yu) 電力輸送、動力電池和航空航天燃燒室等Cu焊接或3D打印等應用中。

藍光合束方法主要包括空間合束、偏振合束、波長合束、光譜合束、光纖合束。其中，空間合束、偏振合束和光纖合束是在工業(ye) 領域應用較多的手段。通過空間合束和偏振合束可以實現500W，1000W的藍光激光器。就高亮度藍光光纖耦合模塊而言，500W模塊的光纖≦400μm/0.22NA；1000W、1500W模塊的光纖≦800μm/0.22NA；功率穩定≦±2%；1500W模塊，光纖≦800μm/0.22NA；功率穩定≦±2%；。

圖 3. 從(cong) a 到 e 依次為(wei) ：空間合束、偏振合束、波長合束、光譜合束、光纖合束的示意圖

藍光複合技術主要包括藍光+光纖複合、激光焊接機器人、焊接過程視覺檢測、焊接位置跟蹤等工藝的結合。通常情況下，高功率藍光激光加工頭，其功率承受能力≥1500W，焦點光斑直徑≤1mm；複合應用激光加工頭總承受功率≥6000W。高功率藍光半導體(ti) 激光焊接應用上，結合藍光激光的高吸收率和光纖激光器的高功率，能夠獲得理想的焊接效果。此外，藍光/紅外耦合的雙激光選區熔化增材製造也引發不少關(guan) 注。

可見光激光在生物醫學、精細加工、水下通信、光學存儲(chu) 、光譜學等領域有非常廣泛的應用。

LD 作泵浦源能使固體(ti) 激光器具有體(ti) 積小、重量輕、壽命長、效率高、光束質量好、易通過陣列化、模塊化來實現高功率激光輸出等優(you) 點。

以摻鐠激光器為(wei) 代表的藍光泵浦的可見光激光器可以高效的產(chan) 生藍光、綠光、橙光、紅光和深紅光激光，避免了倍頻晶體(ti) 的使用，穩定性好，腔體(ti) 結構緊湊。

在眾(zhong) 多光源產(chan) 品中，光纖激光器以其優(you) 異的電光轉換效率、卓越的性能、最小的維護需求、節能環保、持續拓展的應用場景、優(you) 異的光束質量以及更高的穩定性等諸多優(you) 勢頗受青睞。高功率光纖激光器主要指單脈衝(chong) 功率在1.5kW以上的光纖激光器，特殊的高功率光纖激光器單脈衝(chong) 功率甚至可以達到10kW以上。

2022年，中國光纖激光器市場總營收為(wei) 120多億(yi) 元，同比增長3.7%-11.7%。2019年以來，高功率光纖激光器頻出，尤其是萬(wan) 瓦級激光器。12kW、15 kW、20KW、100KW……為(wei) 板材加工市場帶來一次又一次衝(chong) 擊。

光纖激光器的核心光學器件如泵浦源、有源光纖、合束器、光柵均在中國已陸續實現了批量化生產(chan) 製造。今後，工業(ye) 應用對於(yu) 高效率、加工能力、加工精度的持續追求，將推動光纖激光器邁向更高亮度、更高功率、更短脈衝(chong) 的發展征程。

表1. 976nm更高泵浦效率及更短光纖

相較而言，976nm比915nm泵浦的光電轉化效率提高25%以上；12kW的976nm比915nm產(chan) 品成本低10%左右。

Coherent/Nufern推出MM-YTF-34/460/530多模三包層摻鐿光纖。傳(chuan) 統的大模場（LMA）光纖輸，受限於(yu) 光纖光柵腔鏡，無法使用30um以上的低數值孔徑（NA）光纖製作高功率光纖激光器諧振腔。主震蕩功率放大（MOPA）技術是提升單根光纖輸出功率水平的一條可行技術路線。同時提供匹配使用的無源三包層光纖MM-GTF-34/460/530，方便用於(yu) 光纖合束器的製作和高功率匹配光纖輸出。MM-YTF-34/460/530適合於(yu) MOPA結構的高功率多模光纖激光器，能夠實現高達5kW甚至更高輸出。

圖4. MOPA結構高功率多模光纖激光器原理圖

未來，國內(nei) 的光纖激光器廠商亟需在大功率激光芯片、半導體(ti) 激光泵浦源（如976nm泵浦技術的工業(ye) 化應用）、特種光源/光纖設計；光學器件製造和工藝等領域不斷攻關(guan) 。此外，要持續提升激光器的光電轉換效率、光束質量等關(guan) 鍵指標和產(chan) 品性能，還需要快速應對終端多場景技術變革，例如當前如火如荼的新能源、電子、汽車等自動化產(chan) 線多種應用的需求。

近幾年，超快激光技術經曆了重大革新和迭代，超快激光器在微電子、3C /5G、穿戴式電子設備、醫療裝備、航空航天、新能源汽車、光伏、OLED 等現代顯示行業(ye) 、增材製造、生命科學、科研領域擁有更多元化和創新型的應用潛力。超快激光提供了前所未有的極端製造與(yu) 精密製造潛力，在攻克常規工藝難以實現的高、精、尖、硬、難等加工瓶頸方麵獨樹一幟。

圖5.超快激光提供了前所未有的極端製造與(yu) 精密製造潛力

2022年國內(nei) 工業(ye) 超快1000餘(yu) 台，其中國內(nei) 激光器占比50%以上。今後，超快激光領域的研發重點包括提升光源的輸出功率和能量，不斷改善光束工藝和質量，飛秒和皮秒激光光束的光纖傳(chuan) 輸，紫外和深紫外的頻率轉換；進一步開發高功率和高能量的組件，過程監控和控製，以及進一步攻克光纖種子源、光子晶體(ti) 光纖、泵浦源、激光二極管、壓縮光柵、保偏光纖、脈衝(chong) 調製器件、放大技術等領域的技術瓶頸。

當前，激光切割已占據大約70%的激光加工市場，20%為(wei) 激光焊接，約10%為(wei) 其他工藝。2021年激光切割仍是最大應用市場，並且向萬(wan) 瓦級高功率持續邁進，超600家從(cong) 事激光切割裝備製造的企業(ye) 紛紛加入光纖切割陣營。

對於(yu) 厚板而言，其切割、穿孔能力均突破80 mm，切割效率和斷麵質量也全麵提升中，高功率激光器切割中，氧氣作為(wei) 輔助氣體(ti) ，通過使用不同功率配合不同厚度板材切割，以獲取光滑平整的切割斷麵。

圖6. 從(cong) 切割效果來看，15kW光纖激光器進行切割工作，可有效改善工件錐度。

切割厚度從(cong) 以往的25mm瓶頸，逐漸突破了40mm、60 mm、80mm，甚至更厚。然而目前，在切割大於(yu) 60mm厚度的材料上，穿孔、穩定切割和錐度大小的控製，是亟需進一步攻克的問題。

在使用較低激光功率進行氧氣碳鋼切割時，通常建議用戶不要切割小於(yu) 板材厚度的圓孔，一般情況下等於(yu) 板材厚度甚至是板材厚度的1.5倍，隨著切割、穿孔效率的提升，輔以合適的噴嘴，可以進行厚板小孔的加工。 

圖7. 15kW 碳鋼小孔切割，可以看出氧氣碳鋼高功率小噴嘴高速亮麵切割，板材上層條紋及下層拖曳線均過於(yu) 粗糙

總之，需要對切割速度、激光功率、輔助氣體(ti) 、焦點位置、噴嘴特性及材料材質性能等工藝參量進行合理有機的控製，倘若參量把握不準，其切割精度和切割質量都會(hui) 受到很大的影響。

激光拚焊技術、熱壓成型技術等先進的加工製造工藝直接決(jue) 定汽車輕量化應用。通常情況下，前縱梁采用激光拚焊技術，車身零件數量可減少約25%，質量減輕20%，抗扭剛度提高65%，振動特性改善35%，並且大幅增強了彎曲剛度。同時，要進一步攻克鋁質材料與(yu) 鋼鐵材料的激光拚焊形式，以保證對重要位置的強化等。

圖8. 如今，汽車板拚焊的應用場景越來越多，需求量亦越來越大，包括汽車門內(nei) 板、底板、立柱等不等厚鋼板的拚焊中

預計到2025年，全球新能源汽車銷量將超1500萬(wan) 輛；到2030年全球新能源汽車銷量將達3000萬(wan) 輛左右。全球新能源動力電池裝機量需求到2025年預計達到1000GWh，到2030年預計達到2400GWh。另據相關(guan) 數據統計，激光技術在動力電池製程中發揮核心作用，如果以激光設備占整線價(jia) 值量投資比例為(wei) 30%計算，2025 年激光鋰電設備的需求規模約為(wei) 430億(yi) 元，市場空間巨大。

汽車動力電池主要包括方形電池、圓柱電池以及軟包電池這三種形式。可焊接部位包括蓋板防爆閥焊接、極耳與(yu) 極柱焊接、殼體(ti) 焊接、注液孔焊接，模組連續片焊接等。

圖9. 藍光激光在各電池部件上的焊接應用

當涉及汽車鍍鋅鋼板焊接時，鋅蒸氣和鋅等離子體(ti) 是激光深熔焊接鍍鋅板過程中存在的兩(liang) 種主要焊接特征，其對焊接過程產(chan) 生重要影響。鍍鋅板搭接焊時搭接板間隙中的鋅蒸氣將流向熔池部位，幹擾熔池液相流動，從(cong) 而造成孔洞、氣孔與(yu) 飛濺，甚至出現嚴(yan) 重的咬邊等現象。車廂激光填絲(si) 釺焊，疊焊時預留板間間隙便於(yu) 鋅蒸氣的逸出，間隙在0.1-0.2mm之間。目前，通快的Bright Line焊接技術，相幹的ARM（可調節環形光斑模式）技術，IPG 和Laserline的多光點模塊激光釺焊技術等得到了廣泛應用。

從(cong) 激光拚焊的典型應用來看，主要包括門內(nei) 板，立柱，前縱梁等。例如以門內(nei) 板為(wei) 例，需要在其前部安裝車門鉸鏈的地方，需另外設計一塊加強板。而新設計的激光拚焊門內(nei) 板，則將板厚或強度不同的鋼板直接焊接在一起。這彰顯出不少優(you) 勢，一個(ge) 是廢料減少，另外是重量減輕。在激光拚焊技術領域，德國蒂森克虜伯（ThyssenKrupp）可謂是佼佼者，該公司在產(chan) 品質量、穩定性、可靠性、批量生產(chan) 等方麵都是市場引領者。

圖10. 德國蒂森克虜伯公司在激光拚焊技術上處於(yu) 全球領先地位

針對航空、汽車、鋼鐵、石油化工、能源、發電等不同工業(ye) 領域失效零件，亟需開發相應的增材修複與(yu) 再製造的控形控性工藝與(yu) 裝備；研製固定式和移動式激光修複集成裝備及其在海陸空的綜合應用；研究高功率半導體(ti) 激光光束傳(chuan) 輸聚焦熱源特性，以及探討在局部約束條件下激光能量吸收機製和關(guan) 鍵部件修複再製造工藝難題。

例如，由於(yu) 工業(ye) 電鍍存在汙染環境、危害人體(ti) 的缺點，因此采用激光熔覆技術作為(wei) 工業(ye) 鍍硬鉻技術的有效替代方案。然而，由於(yu) 常規激光熔覆技術的表麵速率低，熔覆層不夠光滑等缺點，亟需探索一種可以彌補常規激光熔覆技術缺陷的高速激光熔覆技術。高速激光熔覆技術主要包括激光技術、送粉技術、監控技術和材料工藝技術。

圖11. EHLA完成的熔覆塗層冶金質量高、稀釋率低、變形小、表麵光潔度高，被視為(wei) 先進環保的再製造加工技術。（Credit：Fraunhofer ILT）

由德國Fraunhofer ILT開發的超高速激光熔覆技術（EHLA）具有替代當前腐蝕和磨損保護方法如硬鍍鉻和熱噴塗的潛力。EHLA的原理是通過激光融化金屬粉末，從(cong) 而在金屬件表麵形成塗層。這種塗層能有效保護金屬件免遭腐蝕和磨損，延長其壽命。普通的激光熔覆技術速率是0.5-2m/min，而超高速激光熔覆技術可達到50-200m/min，鍍層速度至少提高了100倍。EHLA其他優(you) 勢還包括可以在零件表麵製備大規模的同成分塗層，從(cong) 而有可能生產(chan) 出在生命周期內(nei) 不會(hui) 磨損的創新零件。據悉目前，Fraunhofer ILT的研究人員已經將二維超高速激光材料沉積 EHLA 技術轉移到改進的五軸 CNC 係統，用於(yu) 複雜零部件的增材製造。通過將 EHLA 工藝擴展到三維，可以快且精確地3D打印工具鋼、鈦、鋁和鎳基合金等難焊材料。