第二章 激光晶體行業現狀及發展趨勢

第一節行業發展曆程和發展特點

2.1.1 行業發展曆程

激光材料是激光技術發展的核心和基礎，意義(yi) 重大。1960年美國海軍(jun) 休斯試驗室的希爾多•梅曼（Theodore H. Maiman）研製成功了世界第一台人造紅寶石（Cr3+：A1203）晶體(ti) 激光器，標誌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(ti) （Nd：YAG），激光晶體(ti) 開始大力發展；80年代可調諧範圍為(wei) 660 - 1100nm的摻鈦藍寶石晶體(ti) （Ti：A1203）問世，超短、超快和超強激光已成為(wei) 可能，飛秒（fs）激光科學技術蓬勃發展、並滲透到各個(ge) 基礎研究和應用學科領域；80年代後期隨著作為(wei) 泵浦源的半導體(ti) 激光二極管（LD）技術和產(chan) 品的飛速發展，給激光晶體(ti) 的研究帶來複蘇；90年代摻釹的釩酸釔晶體(ti) （Nd：YV04）研製成功，使激光晶體(ti) 的發展進入一個(ge) 新時期。

激光晶體(ti) 行業(ye) 經過40多年的發展，已經滲透到了各個(ge) 學科與(yu) 國民經濟的各個(ge) 部門。迄今為(wei) 止，已研究過的#p#分頁標題#e#激光晶體(ti) 在幾百種以上，其中包括氟化物、複合氟化物、氧化物、複合氧化物、無機鹽類、自激活、自倍頻、色心等係列激光晶體(ti) 。

目前，世界上使用最多的激光晶體(ti) 主要有如下幾種：

圖表 5：主要激光晶體(ti) 及其基本性能列表

晶體(ti)	振蕩波長（mm）	工作溫度（K）	閥值能量（mw）	泵浦波長（mm）
Al2O3：Cr3+	0.6929	300	100	0.35-0.69#p#分頁標題#e#
YAlO3：Nd3+	1.34	300	38	0.5-0.9
Y3Al5O3：Nd3+	0.946	300	38	0.4-0.9
	1.0642	300#p#分頁標題#e#		0.5-0.9
LiF4：Nd3+	1.0471	300		0.1-0.9
YVO4：Nd3+	1.0664	300	60	0.5-0.9#p#分頁標題#e#

資料來源：********統計整理

2.1.2、行業發展特點

2.1.2.1 行業(ye) 的發展空間

激光晶體(ti) 的主要應用領域是固體(ti) 激光器，作為(wei) 產(chan) 生受激輻射躍遷的工作物質，激光晶體(ti) 中的摻雜離子能級結構決(jue) 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(jue) 定了激光器的輸出性能。可以說，激光晶體(ti) 在很大程度上左右著固體(ti) 激光器的發展。因此，在分析激光晶體(ti) 行業(ye) 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(wei) 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，是自然界並不存在的一種新型光源。與(yu) 其他光源相比，它具有高亮度、高方向性、高單色性和高相幹性四大特點，這四個(ge) 特點決(jue) 定了激光技術在科技、工業(ye) 、軍(jun) 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(men) 將激光技術用於(yu) 工業(ye) 材料加工、醫療、測距、製導、定向能武器等，而激光的高單色性和高相幹性，則使其在通訊、顯示、測量、全息等領域大顯身手。

按產(chan) 生激光的工作物質物態的不同，激光器基本可分為(wei) 五類：固體(ti) 激光（晶體(ti) /玻璃/光纖）、氣體(ti) 激光（原子氣體(ti) 、離子氣體(ti) 、分子氣體(ti) 、準分子氣體(ti) 等）、液體(ti) 激光（有機染料、無機化合物）、半導體(ti) 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(ti) 激光器、所有類型的固體(ti) 激光器、氣體(ti) 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(ti) 和液體(ti) 激光器，以及少量的氣體(ti) 和半導體(ti) 激光器采用光泵方式激勵，而大部分氣體(ti) 和半導體(ti) 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(ti) 激光是目前全球使用量和市場規模最大的激光應用，主要用於(yu) 通訊、存儲(chu) 、顯示、醫療、固體(ti) 激光器泵浦源等領域，而固體(ti) 激光器和氣體(ti) 激光器次之，其他類型的激光主要是作為(wei) 科學研究，使用量極其有限。下麵我們(men) 著重分析在工業(ye) 加工、軍(jun) 事科研等領域中大量應用的激光晶體(ti) 固體(ti) 激光器、光纖固體(ti) 激光器和氣體(ti) 激光中的CO2激光器。

激光晶體(ti) 固體(ti) 激光器，作為(wei) 眾(zhong) 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(ti) 激光泵浦兩(liang) 種光泵方式，為(wei) 以YAG係列基質為(wei) 主的稀土摻雜激光晶體(ti) 提供能源，常用的輸出基波波長為(wei) 1.06um，能夠實現大能量、高功率和高重複頻率運轉，並可通過串聯、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、鎖模等技術後，可極大的壓縮激光脈衝(chong) 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。並通過倍頻、和頻、光參量振蕩、拉曼頻移等非線性光學技術，實現從(cong) 200nm紫外到1.5um人眼安全等波長的變換。特別是隨著半導體(ti) 激光器的產(chan) 業(ye) 化，采用半導體(ti) 激光泵浦固體(ti) 激光技術（DPSSL）的全固態激光器技術飛速發展並日益普及，有效地降低了激光晶體(ti) 的熱效應和使用成本、提高了轉換效率，使用端泵、側(ce) 泵以及盤片激光泵浦等多種方式，在高光束質量、大能量、高功率方麵取得平衡，國外已實現10KW級、國內(nei) 5KW級的1064nm紅外、200W 532nm綠光以及20W 355nm紫外激光的可靠運轉。這一係列的特點，決(jue) 定了采用激光晶體(ti) 的固體(ti) 激光器在軍(jun) 事、工業(ye) 、顯示、科研等領域廣闊的應用範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(wei) 增益介質的光波導固體(ti) 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(ti) 激光泵浦技術、大功率雙包層光纖作為(wei) 導光和增益介質、波導結構光纖作為(wei) 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(you) 點，特別是由於(yu) 光纖芯徑自身的限製，使光纖激光器比較容易控製光束質量，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，並可通過光纖合束實現萬(wan) 瓦級輸出。在工業(ye) 加工領域，已開始在多個(ge) 領域得到應用，如金屬打標、雕刻、切割、金屬/非金屬鑽孔、焊接等，同時在激光武器應用方麵得到強烈關(guan) 注。

CO2 激光器是目前應用最廣泛的氣體(ti) 激光器，由於(yu) 氣體(ti) 的可流動性，不會(hui) 過多受製於(yu) 增益介質的體(ti) 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，同時由於(yu) 激光波長為(wei) 10.6um，在非金屬材料加工方麵具有獨特的優(you) 勢，目前CO2激光器絕大多數應用在工業(ye) 領域，且主要集中於(yu) 包裝、皮革等非金屬材料標刻、雕刻等行業(ye) 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。

由於(yu) 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(yu) 發展方麵#p#分頁標題#e#

固體(ti) 激光技術是激光發明以來，開發和研究最為(wei) 全麵廣泛和成果最為(wei) 豐(feng) 富的激光技術，並在理論研究、工程設計、製造工藝、配套元器件甚至專(zhuan) 業(ye) 設計軟件等方麵形成了完整體(ti) 係，並繼續深化和細化。僅(jin) 在全固態激光器方麵，以應用為(wei) 牽引，就陸續研發出各種新型結構的半導體(ti) 激光泵浦技術，如工業(ye) 、科研中兼具端泵和側(ce) 泵優(you) 勢的薄片激光技術，軍(jun) 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(ye) 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(ge) 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(ti) 激光器以及飛秒超快脈衝(chong) 的光與(yu) 物質相互作用機理和加工工藝研究等均為(wei) 整個(ge) 激光界的研究前沿和開發熱點。

但隨著應用的深入，固體(ti) 激光器的發展亦存在一些製約因素，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，研製采用Nd:YAG薄片激光器作種子源、光纖激光作為(wei) 功率放大以及光子超快光纖做種子源、一到兩(liang) 級Nd：YAG晶體(ti) 作為(wei) 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(you) 點，又發揮了激光晶體(ti) 儲(chu) 能高、能量大的特色。另外，按照工業(ye) 標準化製造流程，開發各種免調試、集成製造等專(zhuan) 利工藝技術，以增強固體(ti) 激光器的可靠性和免維護性。

CO2激光器由於(yu) 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製造工藝、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麵，近30年來，CO2激光器件的有關(guan) 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(ye) 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(nei) 在這些方麵差距較大，目前國產(chan) 高功率CO2激光器輸出功率為(wei) 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(guan) ，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(chuan) 輸，這於(yu) 目前強調柔性化、靈活製造的趨勢不符，是其與(yu) 固體(ti) 激光和光纖激光競爭(zheng) 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、表麵處理等應用中。

光纖激光器技術被譽為(wei) 第三代的固體(ti) 激光技術，在光束質量、高效、穩定性和小體(ti) 積等方麵有著極強的技術優(you) 勢。光纖激光器本質上有別於(yu) 其它類型的激光器：在光纖激光器中，產(chan) 生激光的激活介質實際上散布在光纖自身內(nei) 部。這一特點將其與(yu) 通過光纖傳(chuan) 導的固體(ti) 激光器區別開來，後者隻是簡單地將光束從(cong) 激光諧振腔通過光纖傳(chuan) 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(zhuan) 業(ye) 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，並通過並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(ti) 激光中的MOPA技術，實現數十毫焦量級的納秒脈衝(chong) 能量輸出。目前，光纖激光技術已得到飛速發展，並在激光加工(laser oem)、光通訊、生物技術、軍(jun) 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(chuan) 統應用的市場份額。

但是，光纖激光技術自身也存在不少製約其發展的問題，其中最關(guan) 鍵的是光纖激光無法提供較大脈衝(chong) 能量和高峰值功率輸出，由於(yu) 玻璃光纖的芯徑和物理性質限製、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(chan) 生光致吸收效應和受激拉曼散射（SRS）的影響，嚴(yan) 重影響激光器的運轉性能。另外一個(ge) 不容忽視的問題是，目前全球光纖激光技術和產(chan) 品工藝技術主要掌握在美國IPG和英國SPI公司手中，由於(yu) 專(zhuan) 利的保護，使其處於(yu) 事實上的技術和市場壟斷地位，這並不有利於(yu) 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(zheng) ，又互相借鑒融合，共同促進了激光產(chan) 業(ye) 的發展。

2）市場應用方麵

自第一台紅寶石激光器問世，固體(ti) 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(ti) 激光器以及在此基礎上出現的全固化固體(ti) 激光器更因為(wei) 體(ti) 積小、重量輕、效率高、性能穩定、可靠性好和壽命長等優(you) 點，逐漸成為(wei) 光電行業(ye) 中最具發展前途的領域。目前世界範圍內(nei) 銷售的商品固體(ti) 激光器已有#p#分頁標題#e#500餘(yu) 種，但從(cong) 1998年開始，固體(ti) 激光器中的Nd:YAG激光器的市場占有率和銷售額已升為(wei) 第一位。近年來由於(yu) 大功率激光二極管製造工藝的成熟和生產(chan) 成本的降低，使二極管泵浦固體(ti) 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(ye) 加工設備中60％已是二極管泵浦的固體(ti) 激光器。

根據《Laser Focus World》報道，2002年全球商用激光器產(chan) 值為(wei) 43億(yi) 美元，其中，非二極管激光市場為(wei) 44%，預計2003年全球商用激光產(chan) 值48億(yi) 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(ti) 激光器中，二極管泵浦固體(ti) 激光器仍然占主導地位。從(cong) 2002年的銷售到2003年的銷售預測來看，全球非二極管激光產(chan) 值平均增長為(wei) 5.9%，燈泵浦固體(ti) 激光器增長為(wei) 5.83%，而二極管泵浦固體(ti) 激光器增長卻高達12%，表明全固化固體(ti) 激光器正快速增長，逐步在市場中成為(wei) 主導產(chan) 品。表四給出了1999-2001年國內(nei) 激光產(chan) 品的銷售情況，可以看出，固體(ti) 激光器銷售額遠大於(yu) 氣體(ti) 激光器的銷售額，但全固化固體(ti) 激光器的銷售額未見報道，其研究和開發還遠落後於(yu) 世界水平，其主要原因應歸咎於(yu) 我國大功率半導體(ti) 激光器水平的落後。

表一、 全球商用激光器市場（億(yi) 美元）

1999年	2000年#p#分頁標題#e#	2001年	2002年	2003年
49	88	56	43	48

表二、 全球二極管激光在全固化固體(ti) 激光器中的應用（美元）

	1999年#p#分頁標題#e#	2000年	2001年	2002年	2003年
千台	51.8	71.4	88.8	122.8	144.1
百萬(wan) 美元#p#分頁標題#e#	53.6	85.0	100.0	118.6	135.1

表三、全球非二極管激光器市場

	燈泵浦	流動CO2	準分子	二極管激光	封離式CO2#p#分頁標題#e#	合計
2002年（億(yi) 美元）	6.18	4.35	3.75	1.92	1.12	18.8
2003年（億(yi) 美元）	6.54	4.57	4.01	2.15#p#分頁標題#e#	1.12	19.9
2002年（台）	13281	2960	1405	9278	12355	113021
2003年（台）	13880	3110	1630#p#分頁標題#e#	10430	12565	112506

表四、1999-2001年全國激光產(chan) 品銷售額按主要激光器件分類統計（萬(wan) 元人民幣）

類別	1999年		2000年		2001年
	銷售額	增長率#p#分頁標題#e#	銷售額	增長率	銷售額	增長率
氦氖激光器及應用	1926.3	-32.7%	2179.6	13.2%	2634.45	20.9%#p#分頁標題#e#
CO2激光器及應用	12018.9	38.7%	15201.8	26.5%	31942.5	110.1%
YAG激光器及應用	25635.1	-4%	49639#p#分頁標題#e#	93.6%	66288.6	33.5%
半導體(ti) 激光器及應用	39249.4	164.6%	67612.6	72.3%	156974.8	132.2%

以下兩(liang) 圖是#p#分頁標題#e#2005年全球工業(ye) 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。由於(yu) 具有能量集中、易於(yu) 操作、柔性高、高效率、高質量、節能環保等突出優(you) 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(ye) 部門廣泛普及，幾乎涵蓋了國民經濟的所有領域，被譽為(wei) “製造係統共同的加工手段”。

如今在市場銷售份額中，固體(ti) 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(ti) 激光和光纖次之。從(cong) 增長速率看，光纖激光由於(yu) 基數較低，近年來增長速度驚人，即使2009年全行業(ye) 下滑時，它仍增長約70%，其次是全固態固體(ti) 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(wei) 激光技術的後起之秀，光纖激光器正全麵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(ti) 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(ye) 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(jia) 格分別是15:6.5:2.9:2.2萬(wan) 美元。在加工係統的客戶端，客戶更關(guan) 注的是激光的加工效果、效率、價(jia) 格和使用成本等因素，而對具體(ti) 采用何種激光技術並不重視，這就需要加工係統供應商綜合平衡可行性、效率、利潤後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(you) 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，由於(yu) 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(ti) 激光器，這一現象在激光打標領域也有體(ti) 現，如，光纖激光器光束質量極好，非常有利於(yu) 精細標刻，但卻因此帶來焦深的縮短，不利於(yu) 非平麵工件的高速打標或對工作平台提出過高要求，另外，由於(yu) 光纖端麵顯而易見的脆弱性，加工時的材料後向反射容易損傷(shang) 光纖自身，導致光纖激光的免維護特性變成無法維護，這大大限製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(ge) 對光纖激光應用不利的因素則來自於(yu) 公司戰略，由於(yu) 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，導致係統利潤更多地集中於(yu) 激光器，而不是加工係統，使得眾(zhong) 多係統集成供應商采用光纖激光技術的意願不強烈，尤其是類似德國TRUMPH、ROFINE-SINAR等工業(ye) 加工巨頭，寧願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(cong) IPG公司和整個(ge) 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(yi) 美元，IPG一家公司即占去0.94億(yi) 美元，可見其市場壟斷地區。可以預見，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(hui) 大大阻礙光纖激光技術的推廣和普及。