機(jī)械設(shè)備行業(yè)：超快激光精密加工的利器

1、 第 頁(yè) 目錄 HYPERLINK l _bookmark0 一、超快激光的定義、特點(diǎn)、技術(shù)3 HYPERLINK l _bookmark1 1、超快激光的快是脈沖時(shí)間極短和高峰值功率3 HYPERLINK l _bookmark5 2、超快激光的核心技術(shù)5 HYPERLINK l _bookmark8 二、超快激光的應(yīng)用及市場(chǎng)空間7 HYPERLINK l _bookmark9 1、超快激光主要應(yīng)用于精密加工7 HYPERLINK l _bookmark13 2、行業(yè)增速快，下游需求旺盛8 HYPERLINK l _bookmark14 三、國(guó)外企業(yè)投入大公司懷抱、國(guó)內(nèi)小荷才冒尖9 HYPE

2、RLINK l _bookmark15 1、國(guó)外企業(yè)投入大公司懷抱9 HYPERLINK l _bookmark17 2、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)小荷才冒尖10 HYPERLINK l _bookmark19 四、投資建議12 HYPERLINK l _bookmark20 五、風(fēng)險(xiǎn)提示12圖表目錄 HYPERLINK l _bookmark2 圖 1 激光器分類3 HYPERLINK l _bookmark6 圖 2 超短脈沖激光分類6 HYPERLINK l _bookmark7 圖 3 飛秒激光的技術(shù)原理7 HYPERLINK l _bookmark10 圖 4 全面屏玻璃面板切割8 HYPERLINK

3、 l _bookmark11 圖 5 陶瓷指紋模組切割8 HYPERLINK l _bookmark12 圖 6 半導(dǎo)體晶圓切割8 HYPERLINK l _bookmark16 圖 7 部分國(guó)外超快激光企業(yè)10 HYPERLINK l _bookmark3 表 1 激光器分類及各種激光器特點(diǎn)4 HYPERLINK l _bookmark4 表 2 時(shí)間區(qū)分5 HYPERLINK l _bookmark18 表 3 國(guó)內(nèi)典型的超快激光企業(yè)112018 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，授予了用于生成高強(qiáng)度的超短脈沖激光的方法：啁啾脈沖放大技術(shù)（CPA）；2019 年光纖激光器明星企業(yè)公告擬收購(gòu)超快激光器企業(yè)國(guó)

4、神國(guó)電。這兩個(gè)事件讓超快激光引發(fā)格外關(guān)注，本文將對(duì)超快激光進(jìn)行分析。主要討論以下問(wèn)題：1) 超快激光有哪些特點(diǎn)？與一般的激光器的區(qū)別？超快激光器的市場(chǎng)空間如何？目前國(guó)內(nèi)、國(guó)外超快激光器的市場(chǎng)格局如何？一、超快激光的定義、特點(diǎn)、技術(shù)1、超快激光的快是脈沖時(shí)間極短和高峰值功率激光器的分類以及光纖激光器的結(jié)構(gòu)。激光器是激光的發(fā)生裝置， 主要由泵浦源、增益介質(zhì)、諧振腔等組成。泵浦源為激光器的光源， 諧振腔為泵浦光源與增益介質(zhì)之間的回路，增益介質(zhì)指可將光放大的 工作物質(zhì)。激光器可以從增益介質(zhì)、運(yùn)轉(zhuǎn)方式、輸出波長(zhǎng)等角度進(jìn)行分類。圖 1 激光器分類數(shù)據(jù)來(lái)源：創(chuàng)鑫激光招股說(shuō)明書(shū) 按增益介質(zhì)區(qū)分，激光器分為：氣

5、體激光器、液體激光器、 固體激光器、半導(dǎo)體激光器、光纖激光器。各種不同激光器的工作物 質(zhì)、特點(diǎn)和應(yīng)用，如下表。其中光纖激光器指利用摻稀土元素的玻璃 光纖作為增益介質(zhì)的激光器。光纖激光器一般用光纖光柵作為諧振腔， 泵浦源作為泵浦源，泵浦光從合束器耦合進(jìn)入增益光纖，在包層內(nèi)多 次反射穿過(guò)摻雜纖芯，選擇合適的光纖長(zhǎng)度和摻雜離子濃度可以實(shí)現(xiàn) 對(duì)泵浦光的充分吸收，形成粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并輸出激光。應(yīng)用特點(diǎn)能量轉(zhuǎn)換功率波長(zhǎng)激勵(lì)方輸出功工作物質(zhì)(m )式率名稱類型表 1 激光器分類及各種激光器特點(diǎn)原子氦-氖He-Ne0.6328氣體放電1W0.01激光美容、測(cè)量幾瓦之幾單色性好，能量轉(zhuǎn)換二氧化碳CO210.6氣體放

6、電30美容、工業(yè)和軍事分子萬(wàn)瓦率高氮分子N20.3371氣體放電氣體激光器氬Ar+0.488氣體放電30-50W1能量轉(zhuǎn)換率不高離子紅寶石Cr3+Al2O30.6943光泵浦釔鋁石榴石0.5輸出功率高，能量轉(zhuǎn)測(cè)距，材料加工， 固體激光器Nd3+YAG1.06光泵浦20kwYAG1換率低，單色性差。軍事等方面釹玻璃Nd3+1.06光泵浦He-CdHe-Cd0.4416氣體放電彩色電視、信息儲(chǔ)存液體激光器染料染料0.585激光泵浦5-20輸出波長(zhǎng)可調(diào)，易制備、便宜科學(xué)研究、醫(yī)學(xué)光纖激新型光器激光器自由電子激光器性差。發(fā)展方向40簡(jiǎn)單，壽命長(zhǎng)，單色理、軍事等.未來(lái)電流注入到 350kW1.3InP/

7、InGaAsPInP 磷化銦半導(dǎo)體激光器電流注入能量轉(zhuǎn)換功率高，體光纖通信，光信息維陣列可20積小，重量輕，結(jié)構(gòu)儲(chǔ)存，光信息處GaAs/ GaAlAsGaAs 砷化鎵0.85摻入某些激活離子的光纖為工作物質(zhì)，或者利用光纖自身的非線性光學(xué)效應(yīng)制成的激光器晶體激光器、稀土類摻雜光纖激光器、塑料光纖激光器和非線性光學(xué)效應(yīng)光纖激光器自由電子束1.46-1.65導(dǎo)體激光二極管上萬(wàn)瓦30小型化、集約化，高轉(zhuǎn)換效率，高能量輸出高光束質(zhì)量，無(wú)需光學(xué)準(zhǔn)直，維護(hù)少。機(jī)械技工、遠(yuǎn)距離光纖通信、軍事等。未來(lái)發(fā)展方向數(shù)據(jù)來(lái)源：百度文庫(kù) 按輸出波長(zhǎng)，可分為紅外激光器、可見(jiàn)光激光器、紫外激光器等。根據(jù)輸出方式的不同，可將激

8、光器分為連續(xù)激光器和脈沖激光器。連續(xù)激光器可以在較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)連續(xù)輸出激光，工作穩(wěn)定、熱效應(yīng)高，其輸出激光在穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)的任何時(shí)刻都保持連續(xù)不中斷。其一般用于金屬材料的連續(xù)高速切割、焊接，以及表面熱處理、激光熔敷等宏觀加工。脈沖激光器激光以脈沖形式，按照一定的頻率、幅度、波形被調(diào)制后呈現(xiàn)周期性輸出，每一個(gè)光脈沖周期內(nèi)的最高功率即為脈沖光纖激光器的峰值輸出功率。以脈沖形式輸出激光，主要特點(diǎn)是峰值功率高、熱效應(yīng)小。特別適合于高精度打標(biāo)、精密焊接、精密切割等微觀領(lǐng)域加工。超快激光的特點(diǎn)是脈沖時(shí)間極短和高峰值功率。超快激光屬于脈沖激光的一種。根據(jù)激光峰值功率的定義，其為脈沖的能量除以脈沖的持續(xù)時(shí)間（脈寬

9、）。單脈沖能量一般比較固定，為了獲得高的峰值功率，主要是通過(guò)降低脈寬，即脈沖持續(xù)時(shí)間。根據(jù)脈沖時(shí)間的差異，脈沖激光器分為納秒激光器、皮秒激光器和飛秒激光器?？梢钥吹狡っ氲臅r(shí)間為 10-12 秒，飛秒的時(shí)間為 10-15 秒，脈沖時(shí)間極短，所以稱為超快激光。超快激光的快在于脈沖時(shí)間極短，目前超快激光器在研究上已經(jīng)發(fā)展到阿秒級(jí)別。表 2 時(shí)間區(qū)分區(qū)分單位時(shí)間毫秒1ms1 毫秒=0.001 秒=10-3 秒微秒1s1 微秒=0.000001=10-6 秒納秒1ns1 納秒=0.0000000001 秒=10-9 秒皮秒1ps1 皮秒=0.0000000000001 秒=10-12 秒飛秒1fs1 飛

10、秒=0.000000000000001 秒=10-15 秒阿秒1as1 阿秒=10-18 秒數(shù)據(jù)來(lái)源： 超快激光的特點(diǎn)是脈沖時(shí)間極短和高峰值功率。隨著脈沖能量急劇上升，高功率密度足以剝離外層電子。由于激光與材料相互作用的時(shí)間很短，離子在將能量傳遞到周圍材料之前就已經(jīng)從材料表面被燒蝕掉了，不會(huì)給周圍的材料帶來(lái)熱影響，因此也被稱為“冷加工”。不會(huì)出現(xiàn)加工面的熔融、裂縫現(xiàn)象。高精度、高質(zhì)量、高分辨率，加工區(qū)域可小于焦斑尺寸，突破衍射極限。其主要優(yōu)點(diǎn)包括：脈沖寬度很短。可以用于處理持續(xù)時(shí)間非常的物理化學(xué)過(guò)程。例如：瞬態(tài)成像、超快光開(kāi)光、高速光通信。光譜含量非常豐富。可以用于激光光譜檢測(cè)。例如：脈沖整形

11、、通信中的光譜編碼。峰值功率非常高。用于激光加工、激光醫(yī)學(xué)手術(shù)、激光核聚變。2、超快激光的核心技術(shù)超快激光為了實(shí)現(xiàn)脈沖時(shí)間極短和高峰值功率，主要通過(guò)三大核心技術(shù)：調(diào) Q 技術(shù)、鎖模技術(shù)、CPA 技術(shù)。調(diào) Q 技術(shù)：調(diào) Q 技術(shù)主要是在諧振腔內(nèi)插入 Q 開(kāi)關(guān)器件，通過(guò)周期性改變腔損耗，實(shí)現(xiàn)調(diào) Q 脈沖激光輸出。在激光器內(nèi)加入一個(gè)損耗可調(diào)節(jié)器件，在大部分時(shí)間區(qū)域內(nèi)，激光器的損耗很大，幾乎無(wú)光輸出。在某一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)，減小器件的損耗，從而使激光器輸出一個(gè)強(qiáng)度極高的短脈沖。鎖模技術(shù)：激光器中滿足諧振腔共振條件的波長(zhǎng)叫做縱模。正常工作的激光器中，起振的各縱模的相位是雜亂無(wú)章的，因此在時(shí)域上表現(xiàn)出的是一

12、個(gè)連續(xù)光；若縱模的相位（差）保持恒定時(shí)，激光在時(shí)域上的表象就是一個(gè)脈沖，若保持恒定的縱模個(gè)數(shù)越多，產(chǎn)生的脈沖就越窄，這個(gè)過(guò)程我們稱之為鎖模。CPA 技術(shù)：啁啾脈沖放大技術(shù)光學(xué)系統(tǒng)的光學(xué)損傷閾值和非線性效應(yīng)如自聚焦往往限制了放大系統(tǒng)可達(dá)到的最大峰值功率，從而限制了單脈沖能量，此時(shí)如果用來(lái)放大的脈沖寬度越寬，在峰值功率一定的前提下能獲得的單脈沖能量就越大。先對(duì)超短脈沖在色散介質(zhì)引入線性啁啾，先在時(shí)域上展寬需要放大的脈沖，在單脈沖能量不變的情況下降低峰值功率。然后再對(duì)展寬后的脈沖進(jìn)行放大，這樣在放大到同樣峰值功率時(shí)，由于脈寬的展寬，能得到的單脈沖能量就更大，最后時(shí)域壓縮脈沖（一般通過(guò)相反色散量的延時(shí)

13、線），就可以獲得更高峰值功率的脈沖。調(diào) Q 技術(shù)產(chǎn)生的脈沖激光一般在納秒量級(jí)，而鎖模技術(shù)實(shí)現(xiàn)的激光是皮秒量級(jí)，更高量級(jí)的飛秒激光通過(guò) CPA(啁啾脈沖放大技術(shù)) 實(shí)現(xiàn)。圖 2 超短脈沖激光分類數(shù)據(jù)來(lái)源：搜狐 超快激光技術(shù)難點(diǎn)隨著脈沖時(shí)間縮短逐步上升。以飛秒激光為例， 根據(jù)傅里葉變化關(guān)系，要產(chǎn)生超短飛秒脈沖必須具有寬光譜的增益介 質(zhì)，譬如鈦寶石。增益介質(zhì)的帶寬決定了最終能實(shí)現(xiàn)的脈寬。所以用 作飛秒激光增益介質(zhì)的要求會(huì)高一些，現(xiàn)在主要是鈦寶石，部分 Yb3+ 摻雜晶體和玻璃光纖。飛秒激光用到鎖模和 CPA 技術(shù)，飛秒激光系統(tǒng)要用到加工精細(xì)的啁啾鏡等光學(xué)元器件以及高功率抽運(yùn)源，激光系統(tǒng)比較復(fù)雜。圖

14、3 飛秒激光的技術(shù)原理數(shù)據(jù)來(lái)源：貝林激光 二、超快激光的應(yīng)用及市場(chǎng)空間1、超快激光主要應(yīng)用于精密加工超快激光是冷加工，對(duì)材料能夠干凈地實(shí)現(xiàn)切割加工，并且不破壞周圍區(qū)域或形成粗糙的邊緣，主要用于精密加工。加工的材料包括玻璃、藍(lán)寶石、熱敏材料等。應(yīng)用的行業(yè)包括 OLED、半導(dǎo)體、醫(yī)學(xué)等精密行業(yè)。OLED 行業(yè)屏幕切割：用于將 AMOLED 柔性基板，切割成指定尺寸與數(shù)量的 Cell 并排出。用于全面屏手機(jī)面板玻璃，夠有效的減小崩邊，提高玻璃強(qiáng)度。模組切割：用在手機(jī)指紋模組切割，其切割線筆直，邊緣光滑， 無(wú)熱損傷，無(wú)碳化。用于攝像頭模組的屏下鉆孔。激光修復(fù)：用在 OLED 面板亮點(diǎn)等修復(fù)，設(shè)備通過(guò)

15、AOI 系統(tǒng)自動(dòng)尋找不良點(diǎn)并自動(dòng)使用激光修復(fù)不良點(diǎn)。圖 4 全面屏玻璃面板切割圖 5 陶瓷指紋模組切割數(shù)據(jù)來(lái)源：貝林激光 數(shù)據(jù)來(lái)源：貝林激光 半導(dǎo)體行業(yè)用在半導(dǎo)體晶圓劃片，激光在極短時(shí)間內(nèi)破壞材料分子，不產(chǎn)生任何熱影響，不會(huì)對(duì)晶圓表面帶來(lái)粉塵污染。圖 6 半導(dǎo)體晶圓切割數(shù)據(jù)來(lái)源：貝林激光 醫(yī)學(xué)行業(yè)目前應(yīng)用比較多的是視力矯正。利用飛秒激光作為超精密的外科手術(shù)刀，其最大的優(yōu)勢(shì)是精確度高、引起并發(fā)癥的概率小，其平均波動(dòng)在：1015um，是板層刀精確度的 3 倍，而實(shí)際發(fā)生角膜瓣并發(fā)癥的概率更是低數(shù)萬(wàn)倍。2、行業(yè)增速快，下游需求旺盛隨著 5G 通訊、OLED 顯示、醫(yī)療等行業(yè)的發(fā)展，對(duì)精密加工的需求越

16、來(lái)越旺盛，超快激光的市場(chǎng)潛力無(wú)窮。根據(jù)預(yù)估到 2020 年，超快脈沖激光器的市場(chǎng)規(guī)模有望超過(guò) 15 億美元，其增長(zhǎng)速度是整個(gè)激光市場(chǎng)增長(zhǎng)速度的兩倍，預(yù)計(jì)增速達(dá) 20%30%。而且隨著主要超快激光器的功率提升，將會(huì)使得市場(chǎng)應(yīng)用越來(lái)越廣泛。三、國(guó)外企業(yè)投入大公司懷抱、國(guó)內(nèi)小荷才冒尖1、國(guó)外企業(yè)投入大公司懷抱國(guó)外超快激光器公司發(fā)展呈現(xiàn)兩個(gè)格局：一是擁有自己的核心技術(shù)，后被激光行業(yè)的龍頭企業(yè)收購(gòu)，投入大企業(yè)的懷抱；二是自身獨(dú)立發(fā)展。目前被大企業(yè)收購(gòu)成為主流。主要在于超快激光企業(yè)一般屬于初創(chuàng)企業(yè)，規(guī)模都不大，而且超快激光成本較高，初期應(yīng)用有限。但激光行業(yè)龍頭企業(yè)關(guān)注到超快激光較快的增長(zhǎng)和市場(chǎng)潛力，紛紛通

17、過(guò)并購(gòu)進(jìn)入到超快激光行業(yè)。例如：2018 年德國(guó)通快收購(gòu)了超短脈沖激光器制造商德國(guó) AMPHOS 公司；相干公司 2015 年收購(gòu)超短脈沖激光器 Raydiance 公司。而其中獨(dú)立發(fā)展的典型公司是法國(guó)的 Amplitude Laser Group 公司。公司是是超快激光器在工業(yè)與科研領(lǐng)域的領(lǐng)跑者，成立于 2001 年，總部位于法國(guó)波爾多（Bordeaux），生產(chǎn)飛秒激光器和激光器系統(tǒng)，用于導(dǎo)體、平板顯示、消費(fèi)電子、醫(yī)療器械精密制造等工業(yè)領(lǐng)域。目前年銷售額超 8000 萬(wàn)歐元。圖 7 部分國(guó)外超快激光企業(yè)數(shù)據(jù)來(lái)源：搜狐 2、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)小荷才冒尖國(guó)內(nèi)的超快激光器目前處于發(fā)展初期，但是也誕生了出了華

18、日激 光、貝林激光、安揚(yáng)激光等優(yōu)秀企業(yè)。從產(chǎn)品的布局來(lái)看，目前大部 分企業(yè)都已經(jīng)具備皮秒激光的量產(chǎn)能力，逐漸提升皮秒激光器的功率， 目前最高功率達(dá)到 50W。飛秒激光器目前主要為國(guó)外廠家為主，特別 是紫外飛秒激光器為國(guó)外廠家控制和壟斷，國(guó)內(nèi)目前部分企業(yè)已經(jīng)突 破紫外飛秒激光器的研發(fā)生產(chǎn)制造。下面將對(duì)典型企業(yè)進(jìn)行說(shuō)明：華日激光產(chǎn)品：最新推出用于玻璃切割的 50W 的皮秒激光器、高能量的 35W飛秒激光器。2017 年超快激光銷售額 2000-3000 萬(wàn)元貝林激光產(chǎn)品：貝林激光從 2012 年就開(kāi)始批量制造皮秒激光器，累計(jì)銷售數(shù)量超 1000 臺(tái)（截至 2019 年 3 月）。目前貝林激光的激光器已大批量應(yīng)用于半導(dǎo)體、觸摸屏、特殊材料微細(xì)加工等領(lǐng)域，并根據(jù)市場(chǎng)變化不斷推陳出新。2018 年開(kāi)始量產(chǎn)皮秒紫外激光器，尤其是 30W 皮秒紫外激光器得到商用；另外，其飛秒激光器也在 2018 年開(kāi)始推向市場(chǎng)。技術(shù)：在技術(shù)研發(fā)方面，貝林激光自 2014 年開(kāi)始自