激光产业链从上游-中游-下游-终端，可分为四大环节：上游：核心器件，包括激光芯片、泵浦源、特种光纤、晶体材料、光学元器件；中游：激光器，包括半导体激光、光纤激光、超快激光等；下游：激光切割、激光焊接、激光打标、激光清洗、激光熔覆、激光3D打印、激光显示、激光测量、激光武器等；终端客户包括汽车制造业、3C电子、专业钣金加工、航空航天、新能源/光伏、轨道交通、船舶重工、工程机械、生物医疗、军工集团等。

图1. 激光加工在航空航天、新能源/光伏、轨道交通、船舶重工、工程机械等行业的应用场景持续拓宽

激光制造已然成为发达国家积极抢占的战略制高点。例如在中国，随着以“十四五”规划和2035年远景目标为指引的发展战略的不断落实，激光制造正加快推动中国制造业实现转型升级。

作为国内最大的光电器件基地、光通信技术研发基地和最大的激光产业基地之一，武汉·中国光谷目前的光电子信息产业规模超5500亿元。同时，光谷也是我国激光技术研究、激光产业和激光专业人才培养重要基地之一，这里聚集了逾300家激光企业。近日，湖北省人民政府印发《加快“世界光谷”建设行动计划》，提出到2025年，“世界光谷”地区生产总值达到5000亿元，光电子信息产业规模达到7000亿元，带动武鄂黄黄（武汉、鄂州、黄冈、黄石）光电子信息产业规模突破1万亿元，携手打造世界级高新技术产业集群。到2025年，光谷激光企业产值达到1000亿元；到2035年，激光企业产值达到3000亿元。当前，武汉正在打造的“965”产业集群（9大支柱产业、6大战略新兴产业、5大未来产业），激光产业作为新型战略型产业被涵盖在内。

当前，低速光学芯片和电动芯片一般都是中国制造，但高速光学芯片仍依赖进口。国外最先进芯片的生产精度是10nm，而我国只有28nm，落后两代。据报道，在计算机系统、通用电子系统、通信设备、存储设备、显示和视频系统等多个领域，中国制造的芯片占比为0。

2017年，ASML推出全球第一台量产的极紫外光刻机，在芯片制造领域发挥着至关重要的作用。2021年该公司推出新一代光刻机，造价1.5亿美元，且对我国限制出口，是典型“卡脖子”领域。

高功率高重频脉冲CO₂激光器作为极紫外驱动光源具有更高的转化效率(3%-6%)和产生更少的碎片，是目前极紫外光刻机量产设备的唯一方案。

在该领域，需要突破的关键单元技术包括：高损伤阈值声光开关器件、电光器件技术、高损伤阈值精准相位控制镜片镀膜技术、自适应镜片光学保偏镀膜与性能测试、基于相位控制的防反射器件设计等。

华中科技大学针对高功率脉冲CO₂激光器开展了多项攻关工作，其中包括脉冲CO₂种子源、基于射频板条的CO₂激光预放大、基于射频激励轴快流的CO₂激光主放大等技术和工艺的研发。同时，针对高功率脉冲CO₂激光器在极紫外光源、光电对抗、电路板钻孔等应用领域开展了相关研究。

晶圆激光退火是芯片制造的关键技术之一，其主要使用的是高精度、高稳定性的大功率射频板条CO₂激光器。毫秒退火是近年来的最新技术，这种方法将晶圆加热到仅低于硅的熔点，约为1100-1350℃，而加热时间仅为几百微秒到几毫秒之间。该方法主要包括闪光灯退火以及激光尖峰退火。闪光灯退火主要采用一排闪光灯在一瞬间对晶圆进行照射；激光尖峰退火的原理是：长波长的CO₂激光器产生激光束，并通过一定的整形形成线光束，以掠射角照射到晶圆表面。对于28nm以下节点的集成电路退火，主要采用射频板条CO₂激光器进行激光退火。

图2. 激光尖峰退火示意图

华中科技大学是目前国内唯一具有研发和制造能力3.5kW射频板条CO₂激光器的科研单位，针对高精度射频板条电极设计与加工、大功率射频电源设计与开发、非稳波导混合谐振腔、匹配网络与并联谐振技术、光束整形设计和射频气体放电理论与参数测试开展了大量科研工作。

高功率、高光束质量是实现半导体激光器加工直接应用的重要技术指标。为了提高半导体激光器输出光功率，需要采用最适宜的合束技术来提高半导体激光源的亮度及光束质量。

针对高功率红外半导体激光器，当采用常规合束方法时，其外部光学集成，易实现上万瓦高功率，但光束质量较差，目前亮度达76MW/cm²/sr (3000W/20mm*mrad)；如采用光谱合束，外腔反馈光谱窄化及调节，光束质量有较大提升，目前亮度达3.9GW/cm2/sr (4700W/3.5mm*mrad)；采用高光束质量单元与光谱合束结合方法时，光束质量近衍射极限，功率待进一步提升，目前亮度达10GW/cm²/sr (360W/0.6mm*mrad)，是获得万瓦级、高光束质量输出的有效途径；当采用高光束质量单元与光谱合束单片集成方法时，芯片内部光谱窄化及调节，结构更加稳定简化，强化了半导体激光器的环境适应性。

波长400nm~500nm范围的蓝光半导体激光器，具有稳定性高、电光效率高等优点，广泛应用于激光加工（如铜、金）、医疗、水下探测、照明、激光泵浦等领域。高功率蓝光半导体激光旨在解决以纯铜、纯金、高强铝为代表的高反射高导热材料激光先进制造问题。蓝光吸收率是常规红外激光器的5-10倍，激光焊接时可达到无飞溅、无气孔、焊缝一致性成形好等优点，它也适用于电力输送、动力电池和航空航天燃烧室等Cu焊接或3D打印等应用中。

蓝光合束方法主要包括空间合束、偏振合束、波长合束、光谱合束、光纤合束。其中，空间合束、偏振合束和光纤合束是在工业领域应用较多的手段。通过空间合束和偏振合束可以实现500W，1000W的蓝光激光器。就高亮度蓝光光纤耦合模块而言，500W模块的光纤≦400μm/0.22NA；1000W、1500W模块的光纤≦800μm/0.22NA；功率稳定≦±2%；1500W模块，光纤≦800μm/0.22NA；功率稳定≦±2%；。

图 3. 从 a 到 e 依次为：空间合束、偏振合束、波长合束、光谱合束、光纤合束的示意图

蓝光复合技术主要包括蓝光+光纤复合、激光焊接机器人、焊接过程视觉检测、焊接位置跟踪等工艺的结合。通常情况下，高功率蓝光激光加工头，其功率承受能力≥1500W，焦点光斑直径≤1mm；复合应用激光加工头总承受功率≥6000W。高功率蓝光半导体激光焊接应用上，结合蓝光激光的高吸收率和光纤激光器的高功率，能够获得理想的焊接效果。此外，蓝光/红外耦合的双激光选区熔化增材制造也引发不少关注。

可见光激光在生物医学、精细加工、水下通信、光学存储、光谱学等领域有非常广泛的应用。

LD 作泵浦源能使固体激光器具有体积小、重量轻、寿命长、效率高、光束质量好、易通过阵列化、模块化来实现高功率激光输出等优点。

以掺镨激光器为代表的蓝光泵浦的可见光激光器可以高效的产生蓝光、绿光、橙光、红光和深红光激光，避免了倍频晶体的使用，稳定性好，腔体结构紧凑。

在众多光源产品中，光纤激光器以其优异的电光转换效率、卓越的性能、最小的维护需求、节能环保、持续拓展的应用场景、优异的光束质量以及更高的稳定性等诸多优势颇受青睐。高功率光纤激光器主要指单脉冲功率在1.5kW以上的光纤激光器，特殊的高功率光纤激光器单脉冲功率甚至可以达到10kW以上。

2022年，中国光纤激光器市场总营收为120多亿元，同比增长3.7%-11.7%。2019年以来，高功率光纤激光器频出，尤其是万瓦级激光器。12kW、15 kW、20KW、100KW……为板材加工市场带来一次又一次冲击。

光纤激光器的核心光学器件如泵浦源、有源光纤、合束器、光栅均在中国已陆续实现了批量化生产制造。今后，工业应用对于高效率、加工能力、加工精度的持续追求，将推动光纤激光器迈向更高亮度、更高功率、更短脉冲的发展征程。

表1. 976nm更高泵浦效率及更短光纤

相较而言，976nm比915nm泵浦的光电转化效率提高25%以上；12kW的976nm比915nm产品成本低10%左右。

Coherent/Nufern推出MM-YTF-34/460/530多模三包层掺镱光纤。传统的大模场（LMA）光纤输，受限于光纤光栅腔镜，无法使用30um以上的低数值孔径（NA）光纤制作高功率光纤激光器谐振腔。主震荡功率放大（MOPA）技术是提升单根光纤输出功率水平的一条可行技术路线。同时提供匹配使用的无源三包层光纤MM-GTF-34/460/530，方便用于光纤合束器的制作和高功率匹配光纤输出。MM-YTF-34/460/530适合于MOPA结构的高功率多模光纤激光器，能够实现高达5kW甚至更高输出。

图4. MOPA结构高功率多模光纤激光器原理图

未来，国内的光纤激光器厂商亟需在大功率激光芯片、半导体激光泵浦源（如976nm泵浦技术的工业化应用）、特种光源/光纤设计；光学器件制造和工艺等领域不断攻关。此外，要持续提升激光器的光电转换效率、光束质量等关键指标和产品性能，还需要快速应对终端多场景技术变革，例如当前如火如荼的新能源、电子、汽车等自动化产线多种应用的需求。

近几年，超快激光技术经历了重大革新和迭代，超快激光器在微电子、3C /5G、穿戴式电子设备、医疗装备、航空航天、新能源汽车、光伏、OLED 等现代显示行业、增材制造、生命科学、科研领域拥有更多元化和创新型的应用潜力。超快激光提供了前所未有的极端制造与精密制造潜力，在攻克常规工艺难以实现的高、精、尖、硬、难等加工瓶颈方面独树一帜。

图5.超快激光提供了前所未有的极端制造与精密制造潜力

2022年国内工业超快1000余台，其中国内激光器占比50%以上。今后，超快激光领域的研发重点包括提升光源的输出功率和能量，不断改善光束工艺和质量，飞秒和皮秒激光光束的光纤传输，紫外和深紫外的频率转换；进一步开发高功率和高能量的组件，过程监控和控制，以及进一步攻克光纤种子源、光子晶体光纤、泵浦源、激光二极管、压缩光栅、保偏光纤、脉冲调制器件、放大技术等领域的技术瓶颈。

当前，激光切割已占据大约70%的激光加工市场，20%为激光焊接，约10%为其他工艺。2021年激光切割仍是最大应用市场，并且向万瓦级高功率持续迈进，超600家从事激光切割装备制造的企业纷纷加入光纤切割阵营。

对于厚板而言，其切割、穿孔能力均突破80 mm，切割效率和断面质量也全面提升中，高功率激光器切割中，氧气作为辅助气体，通过使用不同功率配合不同厚度板材切割，以获取光滑平整的切割断面。

图6. 从切割效果来看，15kW光纤激光器进行切割工作，可有效改善工件锥度。

切割厚度从以往的25mm瓶颈，逐渐突破了40mm、60 mm、80mm，甚至更厚。然而目前，在切割大于60mm厚度的材料上，穿孔、稳定切割和锥度大小的控制，是亟需进一步攻克的问题。

在使用较低激光功率进行氧气碳钢切割时，通常建议用户不要切割小于板材厚度的圆孔，一般情况下等于板材厚度甚至是板材厚度的1.5倍，随着切割、穿孔效率的提升，辅以合适的喷嘴，可以进行厚板小孔的加工。 

图7. 15kW 碳钢小孔切割，可以看出氧气碳钢高功率小喷嘴高速亮面切割，板材上层条纹及下层拖曳线均过于粗糙

总之，需要对切割速度、激光功率、辅助气体、焦点位置、喷嘴特性及材料材质性能等工艺参量进行合理有机的控制，倘若参量把握不准，其切割精度和切割质量都会受到很大的影响。

激光拼焊技术、热压成型技术等先进的加工制造工艺直接决定汽车轻量化应用。通常情况下，前纵梁采用激光拼焊技术，车身零件数量可减少约25%，质量减轻20%，抗扭刚度提高65%，振动特性改善35%，并且大幅增强了弯曲刚度。同时，要进一步攻克铝质材料与钢铁材料的激光拼焊形式，以保证对重要位置的强化等。

图8. 如今，汽车板拼焊的应用场景越来越多，需求量亦越来越大，包括汽车门内板、底板、立柱等不等厚钢板的拼焊中

预计到2025年，全球新能源汽车销量将超1500万辆；到2030年全球新能源汽车销量将达3000万辆左右。全球新能源动力电池装机量需求到2025年预计达到1000GWh，到2030年预计达到2400GWh。另据相关数据统计，激光技术在动力电池制程中发挥核心作用，如果以激光设备占整线价值量投资比例为30%计算，2025 年激光锂电设备的需求规模约为430亿元，市场空间巨大。

汽车动力电池主要包括方形电池、圆柱电池以及软包电池这三种形式。可焊接部位包括盖板防爆阀焊接、极耳与极柱焊接、壳体焊接、注液孔焊接，模组连续片焊接等。

图9. 蓝光激光在各电池部件上的焊接应用

当涉及汽车镀锌钢板焊接时，锌蒸气和锌等离子体是激光深熔焊接镀锌板过程中存在的两种主要焊接特征，其对焊接过程产生重要影响。镀锌板搭接焊时搭接板间隙中的锌蒸气将流向熔池部位，干扰熔池液相流动，从而造成孔洞、气孔与飞溅，甚至出现严重的咬边等现象。车厢激光填丝钎焊，叠焊时预留板间间隙便于锌蒸气的逸出，间隙在0.1-0.2mm之间。目前，通快的Bright Line焊接技术，相干的ARM（可调节环形光斑模式）技术，IPG 和Laserline的多光点模块激光钎焊技术等得到了广泛应用。

从激光拼焊的典型应用来看，主要包括门内板，立柱，前纵梁等。例如以门内板为例，需要在其前部安装车门铰链的地方，需另外设计一块加强板。而新设计的激光拼焊门内板，则将板厚或强度不同的钢板直接焊接在一起。这彰显出不少优势，一个是废料减少，另外是重量减轻。在激光拼焊技术领域，德国蒂森克虏伯（ThyssenKrupp）可谓是佼佼者，该公司在产品质量、稳定性、可靠性、批量生产等方面都是市场引领者。

图10. 德国蒂森克虏伯公司在激光拼焊技术上处于全球领先地位

针对航空、汽车、钢铁、石油化工、能源、发电等不同工业领域失效零件，亟需开发相应的增材修复与再制造的控形控性工艺与装备；研制固定式和移动式激光修复集成装备及其在海陆空的综合应用；研究高功率半导体激光光束传输聚焦热源特性，以及探讨在局部约束条件下激光能量吸收机制和关键部件修复再制造工艺难题。

例如，由于工业电镀存在污染环境、危害人体的缺点，因此采用激光熔覆技术作为工业镀硬铬技术的有效替代方案。然而，由于常规激光熔覆技术的表面速率低，熔覆层不够光滑等缺点，亟需探索一种可以弥补常规激光熔覆技术缺陷的高速激光熔覆技术。高速激光熔覆技术主要包括激光技术、送粉技术、监控技术和材料工艺技术。

图11. EHLA完成的熔覆涂层冶金质量高、稀释率低、变形小、表面光洁度高，被视为先进环保的再制造加工技术。（Credit：Fraunhofer ILT）

由德国Fraunhofer ILT开发的超高速激光熔覆技术（EHLA）具有替代当前腐蚀和磨损保护方法如硬镀铬和热喷涂的潜力。EHLA的原理是通过激光融化金属粉末，从而在金属件表面形成涂层。这种涂层能有效保护金属件免遭腐蚀和磨损，延长其寿命。普通的激光熔覆技术速率是0.5-2m/min，而超高速激光熔覆技术可达到50-200m/min，镀层速度至少提高了100倍。EHLA其他优势还包括可以在零件表面制备大规模的同成分涂层，从而有可能生产出在生命周期内不会磨损的创新零件。据悉目前，Fraunhofer ILT的研究人员已经将二维超高速激光材料沉积 EHLA 技术转移到改进的五轴 CNC 系统，用于复杂零部件的增材制造。通过将 EHLA 工艺扩展到三维，可以快且精确地3D打印工具钢、钛、铝和镍基合金等难焊材料。