激光器上中下游全产业链分析研究 产业上游:比重小 空间大 产业上游主要为激光材料及配套元器件。主要包括:激光晶体激光气体激光灯激光电源激光加工镀... 

主要包括:激光晶体、激光气体、激光灯、激光电源、激光加工镀膜、激光器元部件、激光配套软件等。

产业中游:攻关难利润高

产业中游主要为各种激光器及其配套设备。

产业下游:技术应用群雄并起企业数量最多

产业下游距离生活最近,主要为激光应用产品、消费产品及仪器设备等。

主要包括:激光加工、光通信、光存储、激光医疗、激光标记、激光照排和印刷、激光测量、激光显示、激光武器。位于产业下游的企业数量最多。

光纤激光上游核心零部件厂商

一、激光原理

激光由激发辐射过程产生。LASER是“LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation”的缩写,受激发射(Stimulatedemission)是由爱因斯坦1917年提出,狄拉克1927年首次实验证明受激发射存在。除受激辐射外另外一种光的发射过程是自发辐射。

受激辐射的原理核心是粒子数反转和能级跃迁。受到激励光子的辐射,处于低能级E1上的粒子(工作粒子可以是分子、原子、电子、离子以及准分子)跃迁至高能级E2上,当足够多的粒子受到激发,则会发生粒子数的反转(处于高能级的粒子数量多于处于低能级的电子),此后跃迁至低能级E1并辐射一个能量为E2-E1(=hv),并与激励光子完全相同的光子。

受激辐射与自发辐射最重要的区别在于干涉性。自发发射是粒子在不受外界辐射场情况下的自发过程,自发辐射的光子传播方向和偏振态是无规分布,而受激发射是在外界辐射场控制下的发光过程,受激产能的光子的频率、相位、传播方向和偏振态与外界辐射场完全相同。这也是激光具有方向一致、亮度极高、能量集中的本质原因。

二、激光器的工作原理和结构

激光器光学原理示意简图

激光器是激光的发生装臵,有三大功能部件:泵浦源、增益介质、谐振腔。泵浦源为激光器提供光源,增益介质(也称为工作物质)吸收泵浦源提供的能量后将光放大,谐振腔为泵浦光源与增益介质之间的回路,振腔振荡选模输出激光。

泵浦源作为能量源,作用是产生光子对增益介质进行激励。泵浦源发出的光子将增益介质中的粒子从基态泵浦(pump)到高能级,以实现粒子数反转。激励机制包括光学激励(光泵浦)、气体放电激励、化学激励、核能激励;目前泵浦源一般采用高功率半导体激光器(LD),主要作用是完成电能到光能的转化。

增益介质用来实现粒子数反转并放大光,同时决定输出激光的波长。增益介质可以采用液体、气体和固体。增益介质的基本要求是在受激后产生光子而不是光热转化,以及增益介质中的粒子需处于相对孤立的状态,才可能发生能级间的跃迁。

谐振腔主要起到“储存”、“提纯”激光的作用。谐振腔通常由两块反射镜构成,也可以用耦合器构成各种环形谐振腔。光子在反射镜之间来回反射,不断在增益介质中引起受激辐射,产生高强度的激光。同时,谐振腔可使腔内的光子有一致的频率/波长、相位和运行方向,而使得激光具有良好的方向性和相干性。

三、激光器的分类

激光器分类

激光器较为常见的分类有四种,即按增益介质、输出功率、工作方式和脉冲宽度区分。

按照增益介质(工作物质):激光器的增益介质包括气体、液体和固定,特定增益介质决定了激光波长、输出功率和应用领域。气体中具有代表性的是CO2气体激光器,固体中具有代表性的包括红宝石激光器、半导体激光器和光纤激光器、YAG激光器等。

按照输出功率:可以分为小功率(0-100W)、中功率(100-1KW)、高功率(1KW以上);但有时也将100-1.5KW范围内定义为中功率。不同功率的激光器适应的应用场景不同。

按输出波长:可分为红外激光器、可见光激光器、紫外激光器等。不同结构的物质可吸收的光波长范围不同,例如金属对近红外光吸收率较高。

核心观点:

从增益介质来看,光纤激光器是大势所;

从输出功率来看,大功率成为群雄角逐的焦点;

从工作方式来看,连续和脉冲各显神通;

从激光波长来看,可调谐性决定适用广度。

四、光纤激发器

光纤激光器示意图

光纤激光器是指利用掺稀土元素的玻璃光纤作为增益介质的激光器。光纤激光器一般用光纤光栅作为谐振腔,半导体激光器作为泵浦源,泵浦光从合束器耦合进入增益光纤,在包层内多次反射穿过掺杂纤芯,形成粒子数反转并输出激光。光纤激光器可整体化设计,可靠性高、稳定性好、结构紧凑、制造成本较低。

光纤激光器常被分为脉冲和连续光纤激光器。脉冲激光器整体增速低于中高功率连续激光器,且壁垒较低,国内参与者较多,市场竞争激烈。目前国内厂商产品性能较进口产品相差无几,但价格约为进口产品的一半。

光纤激光器也可分为单模和多模。单模光纤激光器采用单模光纤作为增益介质,只稳定运行基模激光,单激光能量集中、发散角小,在需要高能量密度的激光加工中很有优势,但单模激光器功率一般在2KW以下。多模光纤激光器中同时存在基模和其他高阶模式的激光,因此光束发散、光斑较大、功率更高,比较适合于需要较大加热面积的加工。

五、激光产业国内重点公司企业

上游公司企业:

中游公司企业:

下游公司企业:

六、总结

虽然,国内激光产业已经具备了一定规模,市场份额也在不断增长当中。华中、华南、华东地区均已形成完整激光产业链,并达到一定规模。不过也应该清醒地认识到,与国外激光龙头企业们相比,国内激光企业仍然存在一些差距,在激光技术与应用方面,许多关键技术和核心元器件都对国外厂商存在依赖性,正是这方面的原因制约着国内厂家的进一步发展。特别是在高功率激光器方面,仍然难以取得与国外企业平等较量的地位,在市场竞争力一些方面存在不足。不过由于国内激光市场向好发展,加上厂家们研发实力的不断提升,国产竞争力正迎头赶上。相信在不久的将来,国内激光行业一定会一路披荆斩棘,收获更大市场份额。

THE END
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