（一）激光器原理

1、什么是激光

• 激光（laser）是“透过受激辐射产生的光放大”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的缩写，指透过刺激原子导致电子跃迁释放辐射能量而产生的增强光子束。
• 激光的优点：
• 发散度小：激光光子是集中在同一方向的光，因此即使距离光源很远，光也几乎不会扩散，仍然会保持一个方向、保持强光直线向前发射。

• 干涉性好：激光光子的波长恒定，而该波长的光是相位相同的“相干光”，所以多束光重叠时，会互相放大。

• 单色性好：激光光子的波长相同，因此，可以有效产生特定波长的光，从而实现明亮且色彩复现性高的光。

• 能量强度高：因为激光的发散角度小，光子能量比较聚焦，激光光子波长和相位相同，所以多束光子叠加可实现能量线性增加。

2、什么是激光器

• 激光器的全称叫受激辐射的光放大器。激光是靠介质内的受激辐射向外发出大量的光子而形成的，受激辐射产生的光子与外来光子性质完全相同，使入射光得到放大。用这种原理制成的光源就叫激光器。主要组成部分包括增益介质、泵浦源、光学谐振腔。
• 增益介质：一般情况下，介质处于热平衡状态，大多数粒子都处于能量较低的能级上。欲使介质中的受激辐射过程大于吸收过程，必须采取某种措施，把处于低能级上的粒子大量地抽运到高能级上去，造成粒子数密度反转状态，处于这种状态的介质叫做增益介质。
• 泵浦源：激光器的能量供给来源；增益介质会吸收泵浦源提供的能量并将激光放大，泵浦源可以是光学或电学的，如激光二极管、光纤耦合的二极管、弧光灯等。
• 光学谐振腔：要形成激光，必须使受激辐射成为增益介质中的主要发光过程，这就需要一个光学谐振腔。谐振腔是两面互相平行的镜子，其中一块的反射率约为1，称为全反射镜。光射到它上面时，它将把光全部反射回介质中继续放大。另一块反射镜的反射率<1，称为部分反射镜。光射到部分反射镜上时，一部分反射回介质继续放大，另一部分透射出去作为输出激光。

3、激光器的工作原理

• 光与物质的相互作用有3种不同的过程：自发辐射、受激辐射和受激吸收。普通光源中自发辐射起主要作用，激光器工作过程中受激辐射起主要作用。
• 受激吸收‌：物质吸收光子的能量，从低能级跃迁到高能级。
• ‌自发辐射‌：物质中的原子或分子在没有外界激发的情况下，从高能级跃迁到低能级，发出光子。
• ‌受激辐射‌：物质在受到外界激发时，从高能级跃迁到低能级，发出与入射光子相同频率的光子。

• 受激辐射理论：这一理论指出，处于高能态的物质粒子在受到能量等于两个能级之间能量差的光子作用时，会转变到低能态，并同时发射出第二个光子，这种辐射输出的光获得了放大，而且是相干光，即多个光子的发射方向、频率、位相、偏振完全相同。
• 粒子数反转：处于激发态的粒子数多于基态的粒子数为粒子数反转。一般情况下，粒子处于基态（最低能级）。通过泵浦，将一部分粒子激发到较高的能级，达到一定的激发态粒子数，只有在激发态的粒子数多于基态的粒子数时，才能产生受激辐射现象，进而实现激光的发射。

• 激光器的工作原理：激光器内部含有激发介质，可以是气体、液体或固体，当施加外部能量时，这些介质中的原子或分子会被激发到更高的能量状态。当出现大量粒子处于激发态时，部分粒子会自发辐射，释放出光子；这些光子在谐振的过程中会去碰撞激发的粒子从而产生连续受激辐射，当光子经过谐振腔反复增益后，会有部分光透过部分反射镜，发出具有良好谱线的相干光——激光。

  
  

  

4、激光器的关键参数指标

• 指激光器在单位时间内输出的能量，通常以平均功率（W）或峰值功率（W/脉冲）来表示。输出功率是评估激光器整体输出能量和工作效率的重要参数之一。

• 波长是指激光的中心波长，是光谱中具有最高强度的波长，通常以纳米（nm）为单位表示。激光的波长决定了其光子的能量，不同的应用领域需要不同波长的激光。

• 激光器的脉冲宽度是指激光脉冲的时间长度，是描述脉冲激光器性能的重要参数之一。不同的激光器可以产生不同时间尺度的脉冲，通常用纳秒、皮秒、飞秒和阿秒等单位来描述。

• 激光器的重复频率是指单位时间内激光器发射脉冲的次数或个数，通常以赫兹（Hz）为单位。重复频率是衡量激光器工作速率和性能的重要参数之一，对于许多应用而言至关重要。
• 低重复频率激光器：重复频率较低，通常在几赫兹到几千赫兹之间。
• 中等重复频率激光器：重复频率适中，通常在几千赫兹到几十千赫兹之间。
• 高重复频率激光器：重复频率较高，通常在几十千赫兹到几百千赫兹甚至更高。

• 激光器的单脉冲能量是指每个脉冲所携带的能量，通常以焦耳（J）为单位。单脉冲能量是评估激光器输出功率和材料加工效率的重要参数之一。根据单脉冲能量可以分为：低单脉冲能量激光器（几毫焦），中等单脉冲能量激光器（几十毫焦），高单脉冲能量激光器（几百毫焦）。

• 通常用M2因子来衡量，M2的计算通过测量激光束在不同位置处的光斑直径，然后利用相关的算法来确定。一般来说，激光器的M2值越接近1，表示其光学质量越高，激光束的发散性越小，聚焦性越好。一种简单的计算方式：M2=激光束的实际发散角度与理想光束的发散角度之比的平方根。

• 激光的偏振比是一个描述激光束偏振状态的重要参数，它指的是激光光束中某一特定偏振方向上的电场强度与垂直于该方向上的电场强度的比值。在实际应用中，激光的高偏振比通常是需要的，因为它有助于提高激光系统的性能和精确性。举例来说，如果一个激光束在水平方向上偏振，那么激光的偏振比就表示水平方向上电场强度与垂直于水平方向的电场强度之比。

• 如果偏振比为1，表示电场在水平和垂直方向上的强度相等，即非偏振状态；
• 如果偏振比大于1，表示电场在水平方向上的强度大于垂直方向上的强度，即偏振状态。理想情况下，完全偏振的光束会有一个非常高的偏振比，接近无限大
• 激光偏振比的重要性：在激光加工中，如切割、打孔或焊接，特定偏振状态的激光可以提高处理效率和质量。例如，线性偏振激光可以在与偏振方向相互作用的金属表面上产生更干净、更精确的切割效果。

• 光斑直径通常指的是激光束在某个特定距离上的横截面直径，也可以理解为激光束在目标表面上形成的圆形或椭圆形斑点的直径。光斑直径的大小取决于多种因素，包括激光束的发散角度、聚焦系统的焦距和质量、以及目标表面与激光束的距离等。
• 在激光应用中，光斑直径的大小对于加工精度和效率至关重要。通常情况下，较小的光斑直径意味着更高的空间分辨率和加工精度，但可能需要更复杂的光学系统来实现。相反，较大的光斑直径可能会降低空间分辨率，但在某些情况下可能更适合于快速加工。

• 光斑发散角是指激光束从光源或光学系统输出后，在传播过程中光斑直径逐渐增大的角度。这一参数是用来描述激光束的发散性质的，常用单位是mrad（毫弧度）或度。一弧度是一个圆心角的单位，等于半径长的弧长所对应的角度，而毫弧度则是一弧度的千分之一。在激光技术中，mrad常用来描述激光束的发散角或聚焦角，即激光束从发射源或光学系统中传播时的扩散或聚焦程度。通常情况下，较小的mrad值表示激光束更为集中或聚焦，而较大的 mrad 值则表示激光束更为扩散。
• 发散角的大小影响着激光束的聚焦能力和在特定距离上的光斑大小，对于许多应用来说是一个关键的性能指标。发射角越大，相同的距离，光斑的大小越大。发散角的影响：
• 射程和聚焦：发散角越小，激光束的射程越远，聚焦效果越好。小发散角意味着激光束可以在较远的距离上保持较小的光斑，这对于精确打标、切割等应用非常重要。
• 能量密度：发散角较小的激光束，在较远的距离上仍能维持较高的能量密度，这对于一些需要高能量密度的应用（如激光武器、远距离传输等）至关重要。

（二）激光器的分类

• 激光器可以按照泵浦方式、增益介质、工作方式、输出功率、和输出波长等不同维度进行分类，具体分类方式如下：

• 1）按泵浦方式的不同,激光器主要可以分为光泵浦激光器、电泵浦激光器、化学泵浦激光器、热泵浦激光器和核泵浦激光器。一般而言，不同类型的泵浦源是与激光晶体不同的吸收波长相适应的。

• 电泵浦激光器指以电流方式激励的激光器，气体激光器多以气体放电方式进行激励，而半导体激光器多采用电流注入方式进行激励。
• 光泵浦激光器指以光泵方式激励的激光器，几乎所有固体激光器、液体激光器均属于光泵浦激光器，而半导体激光器被作为光泵浦激光器的核心泵浦光源。
• 化学泵浦激光器指利用化学反应释放的能量对工作物质进行激励的激光器。 

• 2）按照增益介质的不同，可以分为液体激光器、气体激光器和固体激光器（光纤、半导体、全固态、混合）。其中光纤激光器由于增益介质较为特殊且占有较高的市场份额，学术及生产实践中一般会将其与其他固体激光器单独区分开。目前发现可做增益介质的物质有近千种，常见的有掺稀土元素光纤、染料、惰性气体、二氧化碳、掺钕钇铝石榴石（YAG）和钛蓝宝石等。

  

• 3）按工作方式的不同，激光器可分为连续激光器和脉冲激光器。连续激光器可以在较长一段时间内连续输出，热效应高。脉冲激光器以脉冲形式输出，主要特点是峰值功率高，热效应小；根据脉冲时间长短，脉冲激光器可进一步分为长脉冲（毫秒、微秒）、短脉冲（纳秒）、超短脉冲（皮秒、飞秒）激光器，一般而言，脉冲宽度越窄、波长越短，可实现的加工精度越高。

• 4）按照输出功率的不同，可以将光纤激光器分为小功率（0-1kW）、中功率（1kW-3kW）、高功率（3kW-6kW 以上）。而对于主要应用在精细微加工领域的固体激光器，实践中一般将10W以下的归类为低功率，10W以上为中高功率。不同功率的激光器适应的应用场景各不同。

• 5）按输出波长的不同，激光器可分为红外激光器、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，因此需要各个波长的激光器应用于不同材料的精细加工。

1、气体激光器

（1）CO2激光器

• CO2激光器，全称为二氧化碳激光器，是一种以二氧化碳（CO2）气体作为工作介质的气体激光器。工作原理基于受激辐射，它以气体混合物作为增益介质，其中含有二氧化碳 （CO2）、氦气（He）、氮气（N2），部分还含有一些氢气（H2）、氧气（O2）、水蒸气或氙（Xe）。当向CO2气体施加高电压时，气体分子被激发到高能级状态。随后这些激发态分子通过辐射跃迁回到低能级状态，同时释放出光子，形成激光。

• CO2激光器通常发射波长为10.6um的激光，但在9-11um范围内（特别是9.6um）还有数十种其它谱线，针对特定的材料，可以优化不同的波长。CO2激光器通常有三种波长：9.3um，10.2um，和10.6um。10.6um波长可以适用大多数非金属材料的打标，切割，钻孔等应用，10.2um波长主要适用于PP聚丙烯材质材料的加工，9.3um则广泛的应用于膜类材料的加工，如PET膜，PI膜等。

（2）准分子激光器

• 准分子：是由两种物质形成的短寿命二聚体或异二聚体分子，其中至少一种物质的最外层被电子完全填充（例如，惰性气体）。在这种情况下，只有当这种原子处于电子激发态时，才有可能形成分子。这两个原子一个是惰性气体原子，另外一个是卤素原子，在几十纳秒的高电压放电下产生激发态的稀有气体-卤族元素分子，如 ArF*，KrF*，XeF*，XeCl*等。

• 准分子激光：准分子激光的跃迁发生在束缚的激发态到排斥的基态，属于束缚–自由跃迁。其特点基态不稳定，一般在振动弛豫时间内便分解为自粒子，而其激发态以结合的形式出现并相对稳定，以辐射的形式衰减，因而准分子激光具有高增益的特点。简单来看就是，惰性气体原子被放电激发为离子状态时，变成准分子，而准分子只在激发状态下与卤素原子结合。这种准分子寿命短，会发出紫外光并且返回到基本形态，成为原来的惰性气体和卤素原子。

• 准分子激光器是紫外波段大能量激光光源，是一种辐射脉宽为几十纳秒的紫外气体激光器。由于具有光子能量高、波长短、空间相干性低（不易产生干涉条纹）等一系列优势，准分子激光是目前最有效、适合大规模工业生产的深紫外光源。准分子激光光源发展需求主要分为两类：针对光刻需求——高重频，同时要求极窄的光谱及极高的稳定性；针对工业加工需求——大单脉冲能量，高平均功率。
• 高压气体放电激励技术几乎是目前实用化准分子激光系统中唯一使用的技术。放电电极在高压快脉冲源的作用下放电，激励放电区的气体介质出光，产生的深紫外光在谐振腔内振荡放大，形成激光脉冲输出。这种快脉冲放电泵浦的方法可以实现准分子激光系统的kHz高重复频率运行，或者几焦耳的大脉冲能量输出。其中的最基本的几个关键技术就是快脉冲激励源、气体放电腔和光学谐振腔。

• 准分子激光器被广泛应用于工业、医疗和科研等领域。在工业领域，准分子激光器可用于集成电路光刻、OLED显示、微电子封装、光纤光栅制备、微切割、微钻孔等诸多方面；在医疗领域，准分子激光器主要用于眼科激光手术，也可用于治疗白癜风等皮肤病、心血管治疗和神经外科手术等；在科研领域，准分子激光器在激光诱导荧光、激光脉冲沉积、激光化学气相沉积和激光诱导刻蚀等科研，等离子体物理研究、高温超导、光激发质谱研究、同位素分离、抽运染料激光实现超短脉冲研究、惯性约束核聚变光源和非线性光学特性的研究方面都有着重要的应用。

• 针对光刻应用需求，国际上主要有荷兰ASML公司（Cymer）和日本Gigaphoton公司提供相应的准分子激光产品，相应功率从10~100W、光谱线宽从0.5~0.1pm、重复频率从2~6kHz。高重复频率可以提高加工产率，窄线宽可以保证芯片图案的精细度，减小系统中色差影响。

• 针对工业生产及科研应用需求，主要有美国的Coherent公司提供相应的准分子激光光源。主要应用领域包括：激光退火等表面处理、近视矫正等医疗应用。工业及科研用准分子激光器一般要求具有较高的稳定性和光斑均匀性，其使用的准分子激光能量稳定性一般要求小于2%。

2、液体激光器

• 液体激光器也称为染料激光器。这是一种使用液体作为活性介质的激光器。液态激光中使用的活性物质称为染料，常用的染料有fluorescein, rhodamine B and rhodamine 6G。
• 液态激光器的工作原理：激光器的活性介质是有机染料，用于溶解染料的溶剂是水、酒精或乙二醇。染料从储罐泵入毛细管。这种染料在闪光灯离开管子。然后，输出光束通过布鲁斯特窗口到达输出耦合器，该耦合器是一个50%反射镜。输出波长可以变化到很宽的范围。液体激光器由于价格高昂，但效率高，波长范围广，常用于医疗目的，作为研究工具。

（一）固体激光器

• 固体激光器激光介质为固体材料，通常是掺杂了特定稀土元素或过渡金属的晶体或玻璃。其物理和光谱特性影响固体激光器工作特性，这里主要指吸收带、荧光谱线、热导率等。由于固体激光器的工作物质是绝缘晶体，所以泵浦系统一般都采用光泵浦激励。

• 固体激光器的特点：输出能量大，峰值功率高、结构紧凑牢固耐用。

• 固体激光器的缺点：

• 转换效率低：一般情况下，红宝石的效率在0.5%-1%；YAG的效率在1%-2%，好的情况下，可接近3%。

• 热效应高：由于固体激光器输出能量大，峰值功率高，导致热效应非常明显，为了解决这个问题，德国通快设计出了碟片激光器，碟片激光器结构非常复杂且成本较高。

• 固体激光器的分类：目前使用最广泛的是红宝石、主要有掺钕钇铝石榴石、掺钕钒酸钇和钛宝石（Ti∶Al2O3）四大基础激光晶体。

1、碟片激光器

• 碟片激光器充分利用增益材料的几何形状高效散热。碟片厚度一般在0.1毫米左右，横向约几个厘米。因为激光和泵浦光斑直径都远大于碟片厚度，热量很快就能流向背面的散热片。尽量减薄碟片能够有效减少激光工作时累积的热量。由于光学、热学和机械性质俱佳，Yb:YAG是目前碟片激光器的标准增益材料。

• 碟片前表面镀增透膜，后表面镀高反膜，整体是一种有源反射镜结构，能够高效吸收泵浦光，提高光学效率。但是，由于碟片太薄，一次反射无法产生足够的吸收，因此可以靠近碟片安装一个抛物面反射镜，通过泵浦光的多次反射增加吸收。碟片单次反射产生的激光增益只有10%左右。碟片激光器单位长度的增益要远高于光纤激光器，在光学共振腔中放入碟片就足以输出高平均功率。

• 碟片放大激光器的主要优势是能够在极高脉冲能量时提供衍射极限性能。比如，近年来超快碟片激光系统已达到千瓦平均功率和200mJ脉冲能量。碟片激光器是实现100瓦以上超快激光系统的主要商用技术之一，广泛用于材料加工，比如制备微米级精度的特征结构。

• 超快碟片激光器近年来有三大技术挑战：

• 1）如何管理腔内强光学非线性效应？

• 空气的光学非线性是锁模碟片激光器面临的老难题。强脉冲改变空气折射率，足以影响超短脉冲的稳定形成。所以目前最高功率都是在近真空环境中取得的，这让实验装置更为复杂。

• 这个问题的解决方法之一是在激光共振腔中加入特殊设计的负非线性晶体，以此抵消腔内气体的正非线性效应，从而使激光器能在环境气压下工作。

• 2）如何用有限的高功率增益材料获得更短的脉冲？

• 为了比SESAM锁模Yb:YAG碟片激光器产生更短的脉冲，另一个研究方向是寻找新的增益材料。Yb:Lu2O3或Yb:CaGdAlO4等材料有望达到YAG的平均功率性能，而且由于发射截面更宽，因此支持更短的脉冲。但是，这些材料在高功率和短脉冲增益之间需有所折中。

• 3）如何放大平均功率？

• 放大功率也意味着腔镜需要承受千瓦级平均功率。这对SESAM和色散补偿元件是一个问题，因为它们的薄膜结构比标准高反镜更为复杂，所以热效应更强、激光诱导损伤阈值更低。因此，对于给定的输出功率，锁模激光器所需的腔内功率和群延迟色散越小越好，当然也要考虑脉冲形成的稳定性。

• 设计激光腔时需要考虑如何让激光在碟片上多次反射，以此提高增益和输出耦合率。减小所需的色散有两种方法：一是上面提到的自相位调制（SPM）抵消，一是在低压环境中工作。第二种方法的热透镜影响更小。因为以高功率工作时，碟片被泵浦区温度最高能达到100度左右。这会加热碟片周围的空气，反过来产生气体透镜效应。正常气压下的气体透镜对碟片整体的热透镜影响很大，但是在真空能被消除。

2、倍频激光器

• 激光倍频也称二次谐波（SHG），是利用非线性晶体在强激光作用下的二次非线性效应，使频率为ω的激光通过晶体后变为频率为2ω的倍频光。非线性光学晶体的工作原理主要基于光学非线性效应，即当光通过某种材料时，其传播特性会随着入射光强度的变化而变化。目前常见的532nm绿光激光器则是通过1064nm激光一次倍频得到，而更难的266nm深紫外激光器则是二次倍频得到的。

• 倍频激光器要想实现较高稳定性，较大功率的运行还存在较多的技术难点：

• 倍频晶体的选择和寿命：选择合适的倍频晶体是关键技术之一。常用的倍频晶体包括LBO等，但其成本和寿命是需要考虑的因素。

• 光传输和倍频效率：倍频晶体嵌入激光腔或放置在激光器光路外，对光的传播和倍频效率有显著影响。需要优化光路设计，以提高倍频效率。

• 非线性效应和热效应：激光在腔内会产生非线性效应，如空间烧孔和高阶谐振模式，影响倍频效率和稳定性。同时，激光晶体的热效应也不容忽视，需要有效控制。

• 相位匹配问题：在倍频过程中，需要实现相位匹配，以获得最高效率。非线性晶体的相位匹配带宽有限，可能导致低转换效率。

• 单频或准单频激光器的设计：对于单频或准单频激光器，需要采用合适的设计方案，如单通倍频或外腔谐振倍频，以实现高功率输出。这些方案通常较为复杂，需要精细的控制和优化。

• 系统稳定性和可靠性：高功率激光系统需要高度稳定和可靠，以减少光束质量下降和功率波动等问题。

• 倍频激光器存在一些明显的缺点，主要包括以下几点：

• 温度敏感性：倍频激光器的晶体随温度变化会导致倍频光束能量不稳定。尤其在大功率激光能量输出过程中，这种变化尤为明显。因此，倍频晶体需要恒温且温度波动范围小的环境，这增加了系统的复杂性和成本。

• 高功率输出的挑战：在泵浦光较弱时，倍频效率较低，且随泵浦强度的增加而线性增加。但当泵浦光损耗变得显著时，倍频光的进一步上升将变慢。这限制了高功率输出的能力。

• 相位匹配要求：倍频过程是相位敏感的，需要满足相位匹配条件以实现高转换效率。如果相位匹配条件不满足，转换效率会非常低。

• 结构复杂性：内腔倍频相比外腔倍频结构更复杂，制造难度高。内腔倍频还需要解决光干扰和晶体损伤等问题。

（二）光纤激光器

• 光纤激光器通常是指采用光纤作为增益介质的激光器；通过将光纤激活，以产生和放大激光。同样也属于固体激光器的一种。当然有些激光器中采用半导体增益介质（半导体光放大器）和光纤谐振腔也可以称为光纤激光器（或者半导体光学激光器）。另外，一些其它种类的激光器（例如，光纤耦合半导体二极管）和光纤放大器也称为光纤激光器（或光纤激光器系统）。（这里主要提的是有源光纤）

• 工作原理：以纵向泵浦的光纤激光器为例来介绍，一段掺杂稀土金属离子的光纤被放置在两个反射率经过选择的腔镜之间，泵浦光从左面腔镜耦合进入光纤，左面腔镜对于泵浦光全部透射并对于激光全反射，以有效地利用泵浦光，并防止泵浦光产生谐振而造成输出光不稳定。右面腔镜对于激光部分透过，以便形成激光束的反馈和获得激光输出。泵浦波长上的光子被介质吸收，形成离子数反转，最后在掺杂光纤介质中产生受激发射而输出激光。

简单光纤激光器的示意图。（泵浦光从左边通过二色性反射镜后进入掺杂光纤的纤芯。产生的激光在右侧提取出来。）

• 在光纤的纤芯中掺入能产生光子的稀土元素，通过稀土元素的作用，将激光二极管LD泵浦发出的光能量转化到信号光上。常用于光纤激光器稀土离子有铒离子（Er3+）、镱离子（Yb3+）、钕离子（Nd3+）、镨离子（Pr3+）、铥离子（Tm3+）、镝离子（Dy3+）等，光纤激光器根据工作介质中所掺杂的稀土离子的能级结构特点，输出相对应的激光波长。

• 光纤激光器的优点：1）光束质量高，2）效率高，3）散热性能好，4）紧凑和坚固，5）免维护，6）可调谐性。

• 光纤激光器的缺点：1）易受非线性效应的制约，2）光子暗化效应。

1、光纤介绍

• 光纤是一种高度透明的玻璃纤维，由石英材料拉制而成。光纤主要由纤芯和包层组成。纤芯，也称为芯层，是传输光信号的核心部分，其作用是将光信号从一端传输到另一端。包层则对光信号进行反射和保护，确保光信号在传输过程中不会泄露或受到干扰。光纤的主要特性包括其光学特性（如衰减系数、带宽、模场直径）和机械特性（如抗拉强度、弯曲性能）。
  
  
  

• 为了实现光信号的有效传输，光纤中的纤芯和包层具有不同的折射率。一般来说，纤芯的折射率高于包层的折射率，这使得光信号能够在纤芯中实现全反射传输，从而有效地避免了光信号在传输过程中的损失。

• 折射由斯涅尔定律描述：

• 其中nI和nR是光束折射通过的材料的折射率，I和R是光束的入射角和折射角。

• 光纤的重要参数：

• 数值孔径（NA）：表征光纤端面接收光的能力。数值孔径越大，接收光的能力越强，但模式色散也越大。根据CCIT建议，多模光纤的数值孔径范围为0.18～0.24，单模光纤的数值孔径通常较小。

• 按照ITU-T国际标准规定分类：G.651、G.652、G.653、G.654、G.655、G.656、G.657共7个大类。其中，G.651为多模光纤，而从G.652至G.657则都为单模光纤，常用通信光纤为G.652、G.657。

• 按光纤剖面折射率分布分：

• 阶跃（SI）型光纤：在纤芯与包层区域内，折射率的分布分别是均匀的，分别为n1和n2，在纤芯与包层的边界处，其折射率的变化是阶跃的（n2<n1）。带宽较窄，适用于小容量短距离通信。

• 渐变（GI）型光纤：光纤轴心处的折射率最大（n1），但随横截面径向的增加而逐渐减小，到纤芯与包层的边界处，正好降到与包层区域的折射率n2。带宽较宽，适中距离通信使用。

• 按传输的模式分：

• 多模光纤（MMF,multimode fiber）：可传多种模式的光。但其模间色散较大，这就限制了传输数字信号的频率，而且随距离的增加会更加严重，所以在短距离通信领域中更受重视。纤芯直径为50μm和62.5μm。

• 单模光纤（SMF,single-mode fiber）：只能传一种模式的光，因此其模间色散很小，目前在有线电视和光通信中应用最为广泛。纤芯直径很小，只有8-10μm。

（1）光纤特性

• 衰减：光纤衰减是指光纤每单位长度上的衰减，单位为dB/km。光纤衰减的高低直接影响传输距离或中继站间隔距离的远近，主要包括以下几种：

• 色散：信号在光纤中是由不同频率成分和不同模式成分携带的，因而速度不同，经过光纤传输一段距离后，不同成分之间出现时延差，引起传输信号波形失真，脉冲展宽，从而产生码间干扰。

• 模式色散：在多模光纤中，各个模式走不同的路径，高阶模走的路程长，低阶模走的路程短，因此到达光纤终端的时间先后不同，造成脉冲展宽。限于多模光纤（由于信号不是单一模式）。

• 材料色散：（多模和单模光纤均有）因同一模式内不同波长的光波的传播速度不同，从而产生脉冲展宽，引起材料色散。

• 波导色散：一般限于单模光纤，由于不同频率下的速度不同而引起的色散。

• 偏振膜色散：由于光纤本身的非圆对称性进而导致两个正交偏振态沿光纤传输而发生偏离导致

• 非线性效应：光纤介质的非线性效应来自光纤的非线性极化效应，当入纤光功率超过一定数值后，由于光纤有效截面积很小，使得光纤芯径中的光功率密度过高，从而诱导了光纤材料的非线性极化。光纤的非线性效应与信号的光功率密度成正比，并显著地影响了信号光的相位，脉冲形状和功率。非线性效应可以分为弹性效应和非弹性两类。

• 受激拉曼散射（SRS）：光与硅原子振动模式相互作用，导致光信号功率衰减或增强，尤其在长距离传输和多信道系统中影响显著。受激拉曼散射在单通道系统中不是问题，但在波分系统（多波）中可能是一个重大问题。当存在多个通道时，功率会从较短的波长传输到较长的波长。这也可以作为一个有用的效果，比如用来构建基于SRS的拉曼光放大器。

  
  

  

• 受激布里渊散射（SBS）：光纤中的光波通过介质时与分子振动相互作用，产生增益，导致信号光功率转化为后向传输，影响系统性能。一般来说，当信号线宽小于约100MHz（约0.1nm）才能使SBS成为问题。

  
  

  

• 自相位调制（SPM）：当信号光强的瞬时变化会引起其自身的相位调制，使信号频谱逐渐展宽。
  
  
  

• 交叉相位调制（XPM）：光纤中传播不同频率的波长时，介质的折射率与所有波长的光场都有关系，因此某一特定频率的相位不但与自身的光场有关，还与其它频率的光场有关。如果没有SPM，就没有XPM，XPM导致的非线性更严重。

• 四波混频（FWM）：不同波长的光波相互作用导致新波长的产生，尤其在DWDM系统中是主要的非线性串扰因素。比如说频率为ω1的信号与频率为ω2的信号混合以产生两个新信号，一个频率为2ω1 - ω2，另一个为2ω2 - ω1。

  
  

  

（2）光纤结构

• 单包层光纤：是一种具有单层包覆结构的光纤，结构相对简单，适合一般的光信号传输。单包层光纤通常用于较低功率的激光传输系统，因为它只能通过纤芯传输光信号，泵浦光的耦合效率相对较低。

• 双包层光纤：双包层光纤是一种具有特殊结构的光纤，比常规光纤增加了一个内包层，由涂覆层、内包层、外包层、掺杂纤芯所构成。包层泵浦技术以双包层光纤为基础，其核心在于让多模泵浦光在内包层中传输，激光在纤芯中传输，使得泵浦转换效率和光纤激光的输出功率都能得到较大的提高。

• 双包层光纤对泵浦光的耦合面积由内包层尺寸决定，而不像传统单模光纤仅由纤芯决定。这样双包层光纤构成了一种双层的波导结构，一方面提高了人纤激光的功率耦合效率，使泵浦光在内包层内传导时，多次穿越纤芯激发掺杂离子发射激光；另一方面输出光束质量由纤芯性质决定，内包层的引入没有破坏光纤激光器输出的光束质量。

• 光子晶体光纤：

• 光子晶体概念：不同介电常数的介质材料在一维、二维或三维空间内组成具有光波长量级的周期性结构，在此晶体中产生允许光传播的光子导带和禁止光传播的光子带隙（PBG）。通过改变不同介质的排列方式及分布周期，可以引起光子晶体性质上的许多变化，从而实现特定的功能。

• 光子晶体光纤（PCF）是二维的光子晶体，又被称为微结构光纤或者多孔光纤。在外观上，PCF与传统的单模光纤非常相似，但在微观上却表现出复杂的孔阵结构。使得PCF具有无截止单模传输、大模场面积、色散可调和低限制损耗等性能。

• 单模传输特性：对于普通光纤，当传输光的波长大于截止波长，就可能实现单模传输，但是对于光子晶体光纤，对光纤结构经过合理设计，就能实现在所有波长无截止单模传输。

• 非线性特性：光子晶体光纤是理想的非线性光学介质，因为与传统光纤相比，光子晶体光纤的纤芯更小，从而更容易产生非线性效应，当改变包层空气孔直径和空气孔间距时，有效模场的能量密度也会发生强弱变化，从而使光纤的非线性性能发生相应变化，易于实现非线性效应。

• 有效模场面积特性：有效模场面积是描述光纤中光模式分布范围的参数，PCF通常具有较大的有效模场面积。大模场面积意味着光信号的能量分布更广，使得PCF能够容纳更多的光信号，并提供更高的功率承载能力。

• 色散特性：由于光子晶体光纤的包层结构独特，其光纤纤芯和包层的折射率差可以很大，从而增大了波导色散对光纤总色散的影响。通过改变光子晶体光纤的结构参数，如空气孔的排布方式、空气孔形状、空气孔半径和空气孔间距等，可以实现所需的色散特性，以满足不同应用场景中的光信号传输、调制和处理要求。

• 多芯传输：光子晶体光纤的优势在于可对不同纤芯中的光信号进行独立的处理和调制，这为光信号的多功能处理和光子器件的集成提供了便利。光子晶体光纤的结构（a）全固态光子晶体光纤（b）空芯光子晶体光纤
  
  
  
  

• 空心光纤：

• 空心光纤是纤芯中空、无实体介质的光纤，其中微结构空芯光纤因其灵活多变的结构特点和随之而来的优异性能成为目前国际发展的主流。此类空芯光纤通常会在中空纤芯周围设置精细的微结构玻璃包层，其在横截面上通常呈现出周期性或角向均匀排列的结构设计，如蜂窝状结构、单层毛细管结构等。这些独特构造在微观尺度上为光开辟出一条类似自由空间的柔性传输管道，使得承载信息的光脉冲几乎不受阻碍地以近乎真空光速行进，极大提升了数据传输效率。

• 优势

• 低时延：光主要分布于中空芯区中传输，折射率比实芯玻璃低，传输速度更快30%以上。

• 低损耗：空芯导光使得光纤能够打破玻璃材料的瑞利散射极限，例如在通信窗口实现0.1dB/km以下的超低损耗。

• 低色散：空芯光纤中绝大部分光场能量被限制在空芯中，大幅降低了材料色散对光纤色散的贡献，极低的色散使光脉冲在其中可无畸变传输。

• 低非线性：与低色散类似，因空气的非线性折射率相比石英等玻璃材料要低3-4数量级。

• 高激光损伤阈值：空芯光纤中光场与包层玻璃材料的重叠极小，在相同传输功率下有更低的材料吸收，拥有更高的激光损伤阈值。

• 结构分类：根据微结构的不同，空芯光纤主要分为光子带隙光纤和反谐振光纤。空芯光纤的发展也主要经历了从光子带隙光纤到反谐振光纤的演进过程。

• 光子带隙光纤是通过光子带隙效应将光限制在空芯中传输。光子带隙效应是指在特定波长范围内，光子在周期性排列的介质中不能传播（不能沿光纤截面的径向传播），形成一个“禁带”。

  

• 反谐振空芯光纤是一类利用反谐振效应实现光在空芯中传输的微结构光纤，是实现长距离大功率和超快激光脉冲传输的理想光纤。与光子带隙光纤相比，空芯反谐振光纤的制造难度较低、衰减系数低，从2015年以后，空芯光纤的研究重点迅速转向了空芯反谐振光纤。

• 反谐振光纤的导光原理：空芯反谐振光纤的导光原理与薄膜干涉相似，毛细管壁可视作一个法布里-珀罗(F-P)谐振腔，满足谐振条件的光在毛细管壁内发生谐振（F-P腔可视作透明状态）透射出去，不满足谐振条件的光被管壁反射回空气纤芯中稳定传输，实现反谐振反射导光。谐振条件通常由波长、毛细管材料的折射率、毛细管的壁厚决定。满足谐振条件时的波长也称为谐振波长，取决于毛细管的结构和谐振阶次。
  
  
  
  
  

2、光纤激光器分类

• 光纤激光器按照工作方式可以分为连续光纤激光器、准连续光纤激光器、脉冲光纤激光器（锁模光纤激光器、调Q光纤激光器）。

（1）连续光纤激光器

• 连续光纤激光器（CW）输出的激光是连续不断的，功率维持在一个固定的水平，这个功率即为激光器的额定功率。激光泵浦源持续提供能量，长时间地产生激光输出，从而得到连续激光。连续激光器中各能级的粒子数及腔内辐射场均具有稳定分布。其工作特点是工作物质的激励和相应的激光输出，可以在一段较长的时间范围内以连续方式持续进行，以连续光源激励的光纤激光器即为连续光纤激光器。

（2）准连续光纤激光器

• 准连续光纤激光器可双模式运转，可以同时在连续和高峰值功率脉冲模式下工作。相比连续（CW）激光的峰值和平均功率在CW和CW/调制模式中总是相同的，而准连续激光器在脉冲模式下的峰值功率要比平均功率高出10倍。因此，这样能够在从几十赫兹到几千赫兹的重复频率下产生具有高能量的微秒和毫秒脉冲，并且可实现数千瓦的平均功率和峰值功率。准连续光纤激光器将提供更高的电光转换效率，并显著提高加工速度及生产效率。

（3）脉冲光纤激光器

• 脉冲激光的激光是“时断时续”的，这个断续的时间往往很短，通常以纳秒、皮秒为单位。

• 通过脉冲调制，脉冲激光可以快速释放，在波峰位置达到极大的功率，但由于存在波谷，所以平均功率相对较低。如果平均功率一样，那么脉冲激光的功率峰值可以远远大于连续激光，实现比连续激光器更大的能量密度，体现到金属加工上就是有更大的熔深穿透能力，同时，也适合于不能承受持续性高热量的热敏材料，以及一些高反射率材料。脉冲光纤激光器可以在小的脉冲能量下获得较高的平均功率，即具有更高的靶面密度和光束质量，使加工速率提高100多倍。

• 脉冲光纤激光器又分为调Q光纤激光器和锁模光纤激光器。

• 调Q的原理是在激光器内加入一个损耗可调节器件，在大部分时间区域内，激光器的损耗很大，几乎无光输出，在某一个较短的时间内，减小器件的损耗，从而使激光器输出一个强度较高的短脉冲。

• Q开关是调Q技术的核心器件，可以通过主动或者被动方式实现调Q光纤激光器。

• 主动调Q需要在腔内使用电光开关或声光开关来控制腔内Q值。可分为电光调Q技术（反射损耗）；声光调Q技术（衍射损耗）。

• 电光调Q技术：利用晶体的电光效应实现激光器谐振腔内损耗的突变，从而控制腔内激光工作物质能量的存储和快速释放。调制晶体上施加λ/4电压，利用纵向电光效应，通过偏振片的y方向的线偏振光，经过晶体后变为圆偏振光，反射，再经过晶体，会变为x方向偏振光，这使得Q值很低，损耗很大，使得可以积累较大的粒子数。撤去电压时，Q值增大，巨大脉冲输出。

电光调Q圆棒放大9J激光系统

• 声光调Q技术：声光调Q是通过电声转换形成超声波使调制介质折射率发生周期性变化，对入射光起衍射光栅作用，使之产生衍射损耗，最终实现对激光器输出激光的脉冲调制。当高频振荡信号加在声光调Q器件的换能器上时，在声光介质中形成等效的“相位光栅”；当光束通过声光介质时，便产生布拉格衍射，使光波偏离出腔外，使谐振腔处于高损耗低Q值状态，不能产生振荡，或者说Q开关将激光“关断”；当高频信号的作用突然停止，则声光介质中的超声场消失，于是谐振腔又突变为高Q值状态，相当于Q开关“打开”。Q值交替变化一次，就使激光器输出一个调Q脉冲。

  

• 锁模脉冲光纤激光器即通过主动锁模或者被动锁模方法来产生超短脉冲。受限于调制器的响应时间，主动锁模产生的脉宽较宽一般为皮秒量级；被动锁模利用的是被动锁模器件，响应时间很短，可以产生飞秒量级的脉冲。

• 锁模的简要原理是采取合适的措施，使谐振腔中相互独立的纵模在相位上存在一定的关系，即使得相邻纵模的位相差为一常数，则激光器将会输出脉宽极窄、高峰值功率的脉冲。

• 最常用的的锁模方式为半导体可饱和吸收镜（Semiconductor Saturable Absorption Mirror，SESAM）锁模和克尔透镜锁模（Kerr Lens Mode，KLM）。

• SESAM 锁模不需要对腔进行精密调节，易于启动，但弛豫时间较长，输出脉宽较宽，抗损伤阈值低。SESAM支持功率倍增，而且通过激光共振腔的优化设计，能将热透镜效应对碟片的影响降至最小，从而以高平均功率稳定工作。

• KLM锁模方式输出激光脉宽短且损伤阈值高，但需要对谐振腔进行精密调节才能实现锁模且难以实现自启动。

• 对于大功率光纤激光技术主要分为两个方向：基于单路光纤结构下的放大技术研究和基于时空相干合成技术。而单路光纤结构下的飞秒放大技术可以分为啁啾脉冲放大技术和非线性啁啾脉冲放大技术两类。
  
  
  

• 啁啾脉冲放大（Chirped-pulse Amplification，CPA）技术。CPA技术先将低能量短脉冲拉长，然后进行放大，最后再通过压缩恢复到原来的脉冲宽度，同时脉冲能量实现大幅放大，从而解决了增益介质和其他光学元件不能承受过高的功率密度的问题。

• 将种子源发出的待放大的低能量光脉冲（皮焦量级）通过展宽器（如透射光栅等）在时域进行脉冲宽度展宽，通常展宽到数百皮秒乃至纳秒量级（步骤2）；

• 展宽后的脉冲在进入放大器吸取增益介质中储存的能量，由于这个阶段的光脉冲被展宽了，所以此时的脉冲峰值功率是低于增益介质的破坏阈值的（步骤3）；

• 最后，再利用负色散元件（如光栅对）对能量增加的长脉冲实行压缩（步骤4），最终获得高脉冲能量的飞秒激光脉冲。

• 非线性啁啾脉冲放大（nonlinear chirped pulse amplification, NCPA）技术：啁啾脉冲放大技术降低了非线性效应带来的影响，但是即便展宽系数非常大，放大过程引入的非线性相移仍旧无法忽略，因此最终获得的脉冲宽度很难达到100fs以下。而非线性啁啾脉冲放大技术则是在一定程度上利用非线性效应，实现更高质量的输出，应用于GHz重复频率脉冲的常见非线性啁啾脉冲放大技术有自相似放大技术、增益管理放大技术、孤子压缩技术等。

（三）半导体激光器

• 激光二极管（Laser Diode）也被称为“半导体激光器”。是一种能发射特定波长激光的半导体器件。其基本结构由量子阱发光层、上下波导层、上下光场限制层、P型和N型的载流子注入层组成。

• 半导体激光器的特点：超小型，重量轻，成本低，可批量生产，能量转换效率高（>30%）， 波长范围广（0.5 ~30μm），寿命长（>百万小时），功率小（一般在1~100mw），发散角大，单色性差，易于调制，改变驱动电流，可将输出光调制到GHz。

1、基本概念介绍

• 载流子：本征半导体材料，如单晶硅，在热力学温度为0K的情况下，能带由一个充满电子的价带和一个完全没有电子的导带组成，二者之间是禁带。随着温度的升高，部分电子由于热运动激发到导带中，成为自由电子。同时价带中少了一个电子，产生一个空穴，相当于一个与电子电量相同的正电荷。在外电场的作用下，导带中的电子和价带中的空穴都可以运动而导电，二者都称为载流子。

• PN结：PN结就是把P型半导体和N型半导体制作在一起，也就是在P型和N型连接处形成一个PN结。在P型半导体和N型半导体结合后，在它们的交界处就出现了电子和空穴的浓度差而发生扩散，使P区失去空穴，留下了带负电的离子，N区失去电子，留下了带正电的离子。这些离子在P和N区交界面附近，形成了一个空间电荷区。由于空间电荷区正负电荷之间的相互作用形成了内电场，其方向是从带正电的N区指向带负电的P区。这个电场将使N区的空穴向P区漂移，P区的电子向N区漂移，漂移运动的方向正好与扩散运动的方向相反，最后多子的扩散和少子的漂移达到动态平衡。

• N型半导体：通过掺杂实现多电子的半导体材料。

• P型半导体：通过掺杂实现多空穴的半导体材料。

• 电流密度阈值：激光器产生激光的条件除了粒子数反转外，还需要满足阈值条件，即谐振腔的双程光放大倍数大于1。由于半导体激光器作用区的粒子数反转不好确定，所以一般用电流密度来表示激光器的阈值。阈值电流密度越低越好。

2、半导体激光基本原理

• 半导体激光器发光原理：当外部电流通过P-N结时，电子从N型区注入到P型区，形成电子与空穴（P型材料中的正电载流子）的结合。当电流流动时电子和空穴复合，此时辐射出的光子在谐振腔内来回反射，发生连续受激辐射放大，形成激光。

（1）不同波长

• 每种半导体材料都存在带隙能量，即导带和价带的能量差值。带隙能量（Eg）和波长（λ）之间的关系可以用下列公式来表示：Eg=hν=hc/λ（h：普朗克常数，ν：光子的振动频率，c：光速），故带隙能量越高，辐射光的波长就越短，颜色就越紫。

• 激光二极管（半导体激光器）的主要材料如下：

• 磷化铟（InP）：被用于高速通信应用和近红外激光二极管。

• 砷化镓（GaAs）：最常见的激光二极管材料，能够支持很宽的波长范围。半导体制造技术非常发达，可实现高性能。

• 氮化镓（GaN）：以开发出高效率的蓝光LD和高输出UV LD而闻名。

（2）受激放大

• 第一步受激辐射：当相当于导带和价带之间的带隙能量Eg的光λ1通过时，导带中的电子因与光的相互作用被激发，并跃迁到价带的基态。此时，会发射出能量（波长）相同、相位相同的光（光子）。最初只有一个光子，现在变成两个，这两个光子进一步激发导带的电子，变为四个光子……就这样，通过受激辐射不断增加，形成波长和相位相同的强光。

• 第二步光学谐振：受激光子在谐振腔内往复，当光被充分放大并达到一定强度时，就会穿透反射率较低的反射面。故而需要一个一面具有高反射率一面具有低反射率的谐振腔。

• 光限制和载流子控制：为了能使光子在有源层内激发并放大，还需要对光限制，以及载流子限制。

• 光限制：通过使用折射率高的层作为有源层，使用折射率低的层作为包层，可以像光纤一样将光限制在中央的有源层区域。

• 载流子限制：上下波导层以及光场限制层还可以将载流子（电子和空穴）限制在有源层内。

3、半导体激光器材料

（1）磷化铟

• 磷化铟化学式为 InP，是磷和铟的化合物，是一种沥青光泽的深灰色晶体，是一种重要的化合物半导体材料，其结构为闪锌矿型晶体，它的抗辐射能力高、导热性好、光电转换效率高，禁带宽度为1.34eV。磷化铟具有电子迁移率高、耐辐射性能好、禁带宽度大等优点。

• 与砷化镓相比，磷化铟材料由于工作范围波长更高，广泛应用于中长距离通信。1）GaAs为首个应用于半导体激光器的III-V材料，其工作窗口范围为800-1100nm，适合于近距离通信，如GaAs VCSELs是短距离（<几百米）通信的主要光源。2）InP及其四元化合物InGaAsP和InGaAlAs（可以生长在InP衬底上），其工作范围为1200-1700nm，涵盖长距离高速通信的最重要波长（O波段、C波段和L波段），故为长、中高速通信的首选材料。

• 磷化铟的单晶生长方法分为两大类：垂直生长和水平生长，目前主要的生长方法包括液封直拉法（LEC）、改进LEC法、水平布里奇曼法（HB）和水平梯度凝固法（HGF）、垂直梯度凝固法（VGF）和垂直奇曼法（VB）。磷化铟单晶的生长过程实际上是一种相变的过程，先升温加热，将多晶变成熔体，由固相转变为液相，然后降温，将熔体结晶为固体晶体，由液相转变为固相。当多晶原料熔化后，偏离化学配比较多时容易在晶体内部形成夹杂物、沉淀、孪晶和位错等缺陷，这些缺陷可能严重损害晶体质量和晶体的物理特性。因此，控制化合物半导体多晶料或者熔体的配比度是制备晶体材料的首要任务，也是制备高离解压化合物半导体的难点。

• 可用于磷化铟外延生长的外延技术主要包括分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积（MOCVD）、氢化物气相外延（HVPE）和液相外延（LPE）等。相比之下，MOCVD技术生长速率更快，更适合产业化大规模生产；而MBE技术的优点是材料质量非常好，但是生长速度较慢，更适用于高电子迁移率晶体管（PHEMT）结构、Sb锑化合物半导体等生产；HVPE技术在氮化镓和氮化铝材料外延上应用较多，目前大部分HVPE设备是自行搭建的，很少有商业化的设备，优点是生长速率比较快；LPE技术是比较早期的外延方法，主要用于硅晶圆，目前已基本被气相沉积技术所取代。

（2）砷化镓

• 砷化镓化学式为GaAs，是砷和镓的化合物，拥有1.4eV的禁带宽度，击穿电压可以承受20V，并且电子迁移率是Si的6倍多，可以用在高于250GHz的场合。

• 砷化镓晶体生长和衬底生产加工环节。生产砷化镓衬底的原材料包括金属镓、砷等，先通过人工合成砷化镓多晶，再利用生长技术制备砷化镓单晶，最终经过切割、磨边、研磨、抛光、清洗等工艺得到砷化镓衬底，整个过程生产设备主要涉及晶体生长炉、研磨机、抛光机、切割机、检测与测试设备等。

• 氮化镓衬底单晶生长：从20世纪50年代开始，就已经开发出多种砷化镓单晶生长方法，目前主流的工业化生长工艺包括：液封直拉法（LEC）、水平布里奇曼法（HB）、垂直布里奇曼法（VB）以及垂直梯度凝固法（VGF）等。

• GaAs外延IDM厂商多采用MOCVD工艺，广泛应用于数通、功率和LED等领域。而MOCVD和MBE外延法各具优势。

• MOCVD成长薄膜时，主要将载流气体通过有机金属反应源的容器时，将反应源的饱和蒸气带至反应腔中与其它反应气体混合，然后在被加热的衬底上面发生化学反应促成薄膜的成长；

• MBE成长条件则透过元素加热方式，借由超高真空环境的腔体，将所需外延元素加热升华形成分子束，当分子束接触衬底后，就可形成所需外延结构。

（3）氮化镓

• 氮化镓化学式为GaN，是氮和镓的化合物，属于第三代半导体材料。第三代半导体是指化合物半导体，包括SiC(碳化硅)、GaN（氮化镓）、ZnO（氧化锌）、GaO（氧化镓）、AlN（氮化铝），以及金刚石等宽禁带半导体材料（导带与禁带间能隙差Eg>2.3eV）。

• 氮化镓器件制作流程包装衬底、外延及器件设计和制造。由于 GaN 单晶衬底生长尺寸受限，目前 GaN 器件主要采用蓝宝石、SiC、Si 等衬底，但外延层 GaN 和异质衬底之间存在晶格失配和热失配问题，效率降低，研究者们正着力突破GaN单晶衬底的制备技术。

• 非GaN衬底异质外延生长成本较低，但品质较差，严重影响器件性能。由于同质外延生长GaN的成本很高，为降低器件的制备成本，采用了在Si、SiC和蓝宝石上异质外延生长的方法, 以上这些衬底相比单晶氮化镓衬底具有更低的成本，因此在市场上应用广泛。但是异质外延生长的GaN内部存在着较大的晶格失配及热失配等问题，这些失配将会导致外延层产生晶格扭曲，从而形成较高的位错密度，甚至破裂等问题。会严重影响GaN基器件的性能和使用寿命，这是目前GaN基器件的性能远低于其材料理论极限的重要原因之一。

• GaN单晶衬底是外延 GaN最理想的衬底，缺陷密度低，外延材料质量好。获得高质量GaN外延层的最佳方案就是同质外延，即在块状GaN衬底上外延生长GaN层。因为GaN熔点高，需要高压环境，很难采用熔融的结晶技术制作GaN衬底，目前主要在蓝宝石衬底上生长 GaN厚膜制作GaN基板，然后通过剥离技术实现衬底和GaN厚膜的分离，分离后的GaN厚膜可作为外延用的衬底。但该方法控制工艺复杂，良率较低，且相关技术发展较慢，GaN 衬底片成本较高，应用受到限制。主流GaN衬底产品以2英寸为主，4英寸也已经实现商用。

• 目前商业化生产的GaN衬底位错密度高，容易翘曲，对外延生长挑战较大。GaN体单晶衬底的主要方法有氢化物气相外延法（HVPE）、氨热法，以及助熔剂法：

• HVPE方法生长速率快、易得到大尺寸晶体，是目前商业上提供氮化镓单晶衬底的主要方法；其缺点是成本高、晶体位错密度高、曲率半径小以及会造成环境污染。

• 氨热法生长技术结晶质量高，可以在多个籽晶上生长，易规模化生产，可以显著降低成本；缺点是生长压力较高，生长速率低。

• 助熔剂法生长条件相对温和，对生长装备要求低，可以生长出大尺寸的氮化镓单晶；其缺点是易于自发成核形成多晶，难以生长出较厚的氮化镓晶体。

• 由于 GaN 的熔点很高，且饱和蒸汽压较高，在自然界中无法以单晶形式存在，必须采用外延法进行制备。MOCVD（金属有机物气相沉积法），MBE（分子束外延法），HVPE （氢化物气相外延法）等是比较传统的 GaN 薄膜制备方法。

• MOCVD 工艺以三甲基镓作为镓源，氨气作为氮源，目前常以蓝宝石（Al2O3）作为衬底，并用氢气和氮气的混合气体作为载气，将反应物载入反应腔内，加热到一定温度下使其发生反应，在衬底表面上吸附、成核、生长，最终形成一层 GaN 单晶薄膜。采用 MOCVD 法制备的产量大，生长周期短，适合用于大批量生产。

• MBE 法制备 GaN 与 MOCVD 法类似，主要区别在于镓源的不同。MBE 法的镓源通常采用 Ga 的分子束，NH3 作为氮源。用该方法可以在较低的温度下实现 GaN 的生长，一般为 700 ℃左右。但外延层较厚的膜反应时间较长，在生产中发挥的效率欠佳，因此该方法尚不能用于大规模生产。

• HVPE 法与上述两种方法的区别也在于镓源，通常以镓的氯化物 GaCl3 为镓源，NH3 为氮源，在衬底上以 1000 ℃左右的温度生长出 GaN 晶体。此方法生成的 GaN 晶体质量较好，高温下生长速度快，但高温反应对设备、成本与技术要求都比较高。

4、半导体激光器结构

• 按照出光方向的差别，可以将半导体激光器分为两类：垂直腔面发射半导体激光器（VCSEL）和边缘发射半导体激光器（EEL）。

（1）边缘发射半导体激光器（EEL）

• 边缘发射半导体激光器的谐振腔由半导体晶体天然的解离面构成，其输出光束是从激光器的前端面发射的。EEL的光学腔是以两个端面作为反射镜，光学腔平行于半导体芯片表面，在半导体芯片的边缘发射激光，可以实现高功率、高速率和低噪声的激光输出。

• 优势：EEL通常能提供较高的输出功率，适合高功率应用；同时其电光转换效率较高，能够有效地将电能转化为光能，从而节省能耗。

• 劣势：EEL输出的激光光束一般有着不对称的光束横截面和较大的角发散，与光纤或其他光学元件的耦合效率低，需要搭配光束整形系统修饰光束形貌。

（2）垂直腔面发射激光器（VCSEL）

• 垂直外腔面发射激光器（VCSEL），也被称为半导体碟片激光器（SDL），是一种相对较新的激光器。垂直腔面发射半导体激光器的谐振腔垂直于有源区所在平面，其输出光与有源区平面垂直。激光谐振腔由增益芯片底层DBR结构和外部输出耦合镜构成。这种独特的外部谐振腔结构可以在腔内插入光学元件实现倍频、差频、锁模等操作，使VCSEL在光通信、激光显示、光存储、消费电子等领域得到了广泛应用。
  

• VCSEL的激光谐振腔由有源区上下两侧的半导体材料多层外延结构组成的分布式布拉格反射镜（distributed Bragg reflector, DBR）构成，与EEL采用解理面构成的激光谐振腔有很大区别。VCSEL光学谐振腔方向垂直于芯片表面，激光输出也垂直于芯片表面，两侧DBR 的反射率也都比EEL解理面要高很多。

• 功率：VCSEL的激光谐振腔的长度一般为几微米，远小于EEL的mm量级的谐振腔，腔内光场振荡获得的单程增益较低，虽然可以实现基横模输出，但是输出功率只能达到数毫瓦。

• 光斑：VCSEL输出激光光束的截面轮廓为圆形，而且发散角比边发射型激光器光束发散角小很多。

• 优势：VCSEL具有独特的优势，例如体积小、频率高、光束质量较好、腔面损伤阈值大、生产工艺相对简单等。其在激光显示、光通信和光时钟等方面的应用中，展示出十分优异的性能。

• 劣势：但是VCSEL无法获得瓦级以上的大功率激光，因此不能应用于对功率有较高要求的领域中。VCSEL实现高功率输出需要增大发光区域提供更多的增益，而发光区域增大会导致输出激光变成多模输出，同时较大的发光区域内很难实现均匀的电流注入，电流注入不均匀会加剧废热积累。

• VCSEL由于芯片结构与外延生长工艺不同于EEL，故存在更多的技术难点。VCSEL中的光子在上下 DBR 之间反复振荡形成谐振，由于光在谐振腔内传播的单程增益很小，为确保达到激射条件（即增益大于损耗），谐振腔两端的DBR需要具有 99%以上的高反射率减少镜面损耗，故而DBR在芯片外延结构设计及生长过程中中至关重要，一般会考虑采用与衬底晶格一致的半导体材料组成。VCSEL激光器工作时，需要横向的电流限制以保证发光区具有高的载流子密度水平，因此，需要在发光区附近做电流的横向注入限制。目前商业化的VCSEL 激光器一般采用侧氧化工艺制备氧化电流注入孔，也有采用用质子注入或隧穿结结构实现电流的横向限制。同时VCSEL的功率转换效率受到氧化孔径大小和斜率效率的影响。较大的氧化孔径会导致光束发散角增大，光谱宽度变宽，中心强度变弱，横模间隔变小，纵模特性变差。因此，需要在输出功率和光束质量之间进行权衡。

5、量子级联激光器（QCL）

• 量子级联激光器的工作原理与普通的半导体激光器电子空穴复合发光的工作原理不相同，QCL 的受激辐射过程只有电子参与，并且通过调节量子阱/垒层厚度进行调节子带间距从而调节波长。当电子在半导体材料导带的子带间跃迁和声子共振辅助隧穿从而产生光放大，故其出射波长由导带的子带间的能量差所决定，和半导体材料的禁带宽度无关，因此可以通过设计量子阱层的厚度来实现波长的控制。由于其可通过多级能级结构实现连续的电子能级跃迁，能够在中红外和太赫兹波段产生激光。

• 由于QCL具有这些独特的优点，以及其在中远红外和太赫兹波段重要的应用价值，针对于量子级联激光器的应用也在快速展开，如环境检测、痕量气体检测等，此外在军事方面也有重要应用，如激光制导、毒气检测、激光雷达、自由空间通讯等。相比较与其它激光器，量子级联激光器的优点如下：1) 中远红外和太赫兹波段出射；2) 宽波长范围（约3-250μm）；3) 体积小；4) 单极型结构；5) 高的电子利用效率。

（一）红外激光

• 不同波段的红外激光可划分为：0.76～3 μm 为短波红外波段（也会将 0.76～1.5 μm 称为近红外波段），3～8 μm为中波红外波段，8～15 μm为长波红外波段。短波红外产生方法较多、发展成熟，主要利用激光幅值的应用往往采用该波段激光。中长波红外波段处于可见光与传统通信的微波波段之间，并具有一定距离，避免了该波段应用对日常生活的干扰，受雾霾等环境因素影响也较小，可以更好地利用激光传递信息。

1、光通信

• 光通信是一种利用光波作为信息载体，通过光纤传输数据和信号的技术。它的工作原理基于光的发射、传输、接收和信号处理过程。

• 1）光源产生特定波长的光波。

• 2）通过光调制器将电信号转换为光信号，这个过程可以是直接调制光源的强度，或者通过改变光波的相位、频率或偏振状态来编码信息。

• 3）光信号在光纤中传输，光纤的低损耗特性使得信息能够长距离无损传输。

• 4）光检测器在接收端捕获光信号，将其转换回电信号，再由解调器解析出原始信息内容。

• 光通信的优势在于其超高的传输速率（如现在的单模光纤可以达到100Gbps以上）、巨大的带宽潜力、低损耗和抗电磁干扰能力，广泛应用于互联网、移动通信、数据中心互联以及海底通信等领域。

光通信设备结构示意图

• 光纤通信系统由光纤、光源、光检测器以及光信号处理设备等组成。光纤主要分为单模和多模两种，根据传输模式和频率特性选择合适的光纤类型。光源通常采用激光器或发光二极管，而光检测器则负责将接收到的光信号转换为电信号。在信号传输过程中，光波复用技术允许多个信号在同一根光纤中并行传输，极大地提高了光纤的传输容量。光通信的关键技术涵盖了光纤材料的优化、非线性效应的抑制、光信号处理算法的开发等多个方面。例如，通过研究新型光纤材料，如掺杂光纤，可以提高光纤的抗衰减性能。

（1）通信波段

• 通信波段按照波长区间可划分为O波段（1260~1360 nm）、E波段（1360~1460 nm）、S波段（1460~ 1530 nm）、C波段（1530~1565 nm）、L波段（1565~1625 nm）和U波段（1625~1675 nm）。

• O波段的光色散导致的信号失真最小，损耗最低，为早期的光通信波段

• E波段是5个波段中最不常见的波段，由于在1370~1410 nm波段存在OH−离子的吸收带，所以导致传输损耗急剧加大，这个传输损耗凸点即水峰。在早期光纤制备工艺中，经常残留有水（OH−）杂质，导致E波段的光在光纤中的传输衰减最高，难以用于通信传输。

• S波段光的传输损耗较O波段低，常被用于无源光网络系统的下行波长。

• C波段光的传输损耗最低，被广泛用于城域网、长途、超长途以及海底光缆系统。

• CE波段，是在C80波段的基础上，向长波长扩展了一点点，波长范围是1529.16-1567.14nm，大约可使用频谱范围是4.8THz。在50GHz间隔下，CE波段可以支持96波，因此，也称为C96波段。相比C80波段，传输容量可提升20%。

• C++波段，其实就是在C96扩展的基础上，进一步扩展，波长范围是1524-1572nm，大约可使用范围达到6THz，波长数可以扩展到120波。C++也因此被称为C120波段（也有称为Super C Band）。相比C80波段，传输容量可提升50%。

• C+L波段，L波段1565nm到1625nm，如果按照1570~1611nm算，可用频谱范围大约是4.8THz。因此，C+L波段，可以实现192个波长，频谱带宽接近9.6THz，传输容量提升将近1倍。

• L 波段光的传输损耗比 C 波段略低，当 C波段光不足以满足带宽需求的时候，L波段光会作为补充用于光网络。

• U 波段则主要用于网络监控。

光通信波段示意图

（2）光通信系统组件

• 光通信系统组件包括激光器、光复用与解复用器件以及光电探测器和调制器。

光纤通信系统结构示意图

• 激光器光源是光通信系统中的关键组件，其工作原理基于受激发射的物理现象。通过选择适当的激光器类型和调制技术，可以实现高速、长距离和低损耗的光信号传输，为构建高效、可靠的光通信网络奠定基础。其中半导体激光器因其小型化、低成本和高效能而受到青睐。在生产过程中，首先，材料选择至关重要，通常采用高纯度的半导体材料，如GaAs、InP等，这些材料的光学和电学特性经过精细调控，以产生特定波长的光信号。根据光芯片类型可以分为VCSEL、FP（法布里-珀罗激光器）、DFB（分布式反馈激光器）、DBR（分布式布拉格反射激光器）、DML（直接调制激光器）、EML（电吸收调制激光器）

资料来源：源杰科技招股书

• 光探测器主要任务是将接收到的光信号转化为电信号，以便进一步的信号处理和解码。在设计光通信系统时，需要根据应用需求平衡检测器的灵敏度和响应时间。常见的有PIN 光电 二极管和 APD 雪崩光电二极管。PIN 适用于短距离传输，APD 在 PIN 的基础上 在本征区外增加雪崩区，能够更加灵敏地探测光生电流，适用于经过长距离传输 的弱信号的探测，成本较 PIN 更高。

资料来源：源杰科技招股书

• 光纤连接器与耦合器的生产是至关重要的环节。光纤连接器作为光纤系统中不可或缺的元件，其质量直接影响着光信号的传输效率和系统的稳定性。这些连接器通常需要具有高精度的端面研磨和低插入损耗，以确保在不同设备间实现无损连接。耦合器则是将多根光纤进行高效耦合的元件，广泛用于光分路、合路以及功率分配等应用。耦合器的设计和制造涉及到复杂的光学理论，包括模式匹配、相位调控等，以实现光功率的有效分配和低反向反射。

• 光放大器与波长转换模块于提高光通信系统的性能和覆盖范围起到了关键作用。光放大器主要用于补偿光纤在长距离传输中产生的信号衰减，从而实现信号的再生和增强。例如，EDFA（掺饵光纤放大器）是目前广泛应用的一种光放大器，它能够放大1550nm附近的光信号，显著提高了光纤通信的传输距离。波长转换模块则解决了多波长复用系统中的波长兼容性问题。在不同波长的光信号需要在同一个网络中传输时，波长转换技术可以将信号从一个波长转换到另一个，确保信号的顺利传输和有效分离。

（3）光通信市场驱动

• 光通信主要市场分为电信市场、数通市场、新兴市场。电信市场是光通信最先发力的市场，主要包括5G通信、光纤接入等，通信网络建设推动光通信市场需求；数通市场是光通信增速最快的市场，主要包括云计算、大数据等，数据流量与数据交汇量的增长推动市场需求；新兴市场包括消费电子、自动驾驶、工业自动化等市场。受益于AI不断发展的应用场景和快速增长的市场需求，数通市场的增长成为光通信市场的主要驱动力。

• 未来海量数据以及高速运算要求带来的巨大需求，光通信行业有望保持持续增长。据中商产业研究院统计预测，2022年光通信市场规模约为1331亿元，同比增长8.56%，2023年约为1405亿元。中商产业研究院分析师预测，2024年市场规模将达1473亿元。

资料来源：中商产业研究院

• 从我国光通信市场结构情况来看，光纤光缆、网络运营服务及光网络设备占据了我国光通信绝大部分市场份额，占比之和达90%以上。其中光纤光缆占比最高，达37%。

资料来源：中商产业研究院

• 数据量爆发、“光进铜退”趋势下，光通信蓬勃发展。随着云计算、大数据、物联网、人工智能等信息技术的快速发展及加速应用，全球数据流量激增。根据IDC的预测，到2025年，全球的数据总量将从2018年的33ZB增长至175ZB，2018年-2025年CAGB为26.91%。庞大的数据流和高速交互对网络连接速度和基础设施提出了巨大挑战。与传统的使用铜线为介质的电通信相比，使用光纤为介质的光通信在传输速率、网络带宽、信号衰减、传播距离及通信成本等方面优势显著，数据传播更具可靠性、高速性、经济性，迎合了数据流量爆发式增长对信息传播的高容量、高速率、高可靠性、广距离、低成本的通信需求。大规模的数据处理需求为我国光纤通信行业，尤其是低损、长距离光纤的需求带来了新一轮发展机遇。

• 数据中心数量、容量迅速发展，光模块作为核心部件需求拉升。近年来，全球市场互联网和云计算行业蓬勃发展，推动了对数据中心光模块的需求增加。海外互联网厂商对于数据中心建设大幅投入，国内互联网厂商奋起直追。根据LightCounting数据，2021年以太网用数据中心光模块市场规模同比增长超过10%，其中100G及以上光模块占比约为82.48%。2025年，预计全球以太网用数据中心光模块市场规模将达到62.74亿美元，年均复合增长率为11.19%，其中100G及以上光模块市场占比将超过90%。

• AI热潮催生数通光模块的巨大需求。全球AI及软件公司纷纷推出或正在研发自己的大语言模型（LLM），试图抓住AIGC的巨大机遇。随着生成式AI的发展，对计算能力的需求也与日俱增，而计算能力的提升需要海量的数据传输。目前数据中心光模块正在向400G/800G 过渡，400G是高速以太网客户端接口的最新标准。随着400G光模块的大规模部署在即，以及网络带宽和性能需求的不断加速，数据中心互联800G成为新需求，未来将应用于超大规模数据中心、云计算和人工智能算力中心。AI集群约占以太网光模块总销量的30%，将带动400G、800G、1.6T及以上速率光模块的需求。

• 5G驱动电信侧光模块速率、市场规模持续发展。相比于4G，5G移动通信网络在提供更高传输速率和更低时延的同时，各级光传输节点间光端口速率明显提升，要求光模块能够承载更高的速率。5G移动通信网络可大致分为前传、中传、回传，光模块也可按应用场景分为前传、中回传光模块，前传光模块速率需达到25G，中回传光模块速率则需达到50G/100G/200G/400G。5G单基站光模块数要比4G单基站光模块数多2-4个，达到8-10个，对应5G基站光芯片数量是4G基站的2.8倍。5G将带来5000万只光模块的增量需求，每年需求近千万只光模块。

• 中国 5G 基站建设持续推进，亦会带动光模块需求提升。2023年，三家基础电信企业和中国铁塔股份有限公司共完成电信固定资产投资 4205 亿元，比上年增长0.3%。其中，5G投资额达1905亿元，同比增长5.7%,占全部投资的 45.3%。截至2023年末，全国 5G 基站为 337.7万个占移动基站总数的29.1%，占比相较上年末提升7.7Pct，相较 2019年年末提升27.2Pct，5G基站数量2019-2023年CAGR 高达116.8%。未来随着5G基站占比的持续提升，有望进一步刺激光模块及长距离光纤光缆需求提升。

2、激光雷达

• 激光雷达（LiDAR）是一种利用激光束来计算物体到目标表面距离的传感器。其通过向目标出射一束脉冲或连续激光到达待测目标，利用飞行时间原理，处理反射或散射的信号，计算出目标物体的距离、速度和位置信息。激光雷达探测具备精度高、抗干扰能力强、测量范围广、测量速度快等优势。可广泛应用于自动驾驶汽车、无人机、自主机器人、卫星、火箭等。

激光雷达工作原理

• 激光雷达是由激光发射单元和激光接收单元组成。发射单元的工作方式是向外发射激光束层，层数越多，精度也越高，不过这也意味着传感器尺寸越大。发射单元将激光发射出去后，当激光遇到障碍物会反射，从而被接收器接收，接收器根据每束激光发射和返回的时间，创建一组点云，高质量的激光雷达，每秒最多可以发出200多束激光。

不同激光束形成的激光点云

• 激光雷达的关键部件按照信号处理的信号链包括控制硬件DSP（数字信号处理器）、激光驱动、激光发射发光二极管、发射光学镜头、接收光学镜头、APD（雪崩光学二极管）、TIA（可变跨导放大器）和探测器。其中除了发射和接收光学镜头外，都是电子部件。随着半导体技术的快速演进，性能逐步提升的同时成本迅速降低。但是光学组件和旋转机械则占具了激光雷达的大部分成本。

激光雷达的关键部件

• 对于激光的波长，目前主要使用使用波长为905nm和1550nm的激光发射器，波长为1550nm的光线不容易在人眼液体中传输。1550nm激光雷达对10%反射率物体的探测距离通常能够达到250m以上（905nm大多在150m@10%左右）。故1550nm可在保证安全的前提下大大提高发射功率。大功率能得到更远的探测距离，长波长也能提高抗干扰能力。905体系近红外激光器发展较早，是基于GaAs材料体系的，产业十分成熟，成本已经很低。1550所使用的激光器种子光源材料为InGaAsP，需要基于InP体系开发，一方面其发展比GaAs要晚一些，另一方面In元素本身也更稀有，成本也更高；根据Yole测算，InP体系的边发射激光芯片的成本是GaAs体系的边发射激光芯片的约2倍。

激光雷达受环境的影响

（1）激光雷达技术

• 激光雷达测距：ToF仍为主流，FMCW未来可期。按照测距方法，激光雷达对物体的测距方式主要分为飞行时间（ToF）和调频连续波（FMCW）两种方式。随着FMCW激光雷达技术的成熟，未来一段时间内市场上可能会出现ToF和FMCW激光雷达并存的情况，为自动驾驶技术的发展提供更加全面的解决方案。

• ToF探测方式是根据光源发射及返回的时间差来得到与目标物的距离信息，这种方式探测精度高，响应速度快，是目前市场应用最为广泛和成熟的测距方式；FMCW探测方式是将发射激光的光频进行线性调制，得到发射及返回信号的频率差，从而间接获得飞行时间来反推出与目标物的距离。

• FMCW探测方式具有抗干扰能力更强、信噪比高、分辨率高等优势，此外，该方式还可以直接测出“第四维”速度信息，且不需要额外计算。但目前FMCW技术成熟度较低，仍处于发展初期。

不同雷达的点云对比图

• 相对于毫米波雷达，FMCW激光雷达有更高的点云密度；相对于常规激光雷达，FMCW激光雷达每个点增加了速度信息。从某种意义上说，FMCW激光雷达结合了毫米波雷达和常规激光雷达的优势。长期来看，随着技术的不断发展，FMCW激光雷达正在成为ToF激光雷达的替代方案，并被视为车载激光雷达的终极形态。Yole预计FMCW激光雷达在2028年才会上车。

• 发射端：VCSEL有望逐渐取代传统EEL器件。激光发射器是激光雷达的核心系统。按结构分，激光发射器主要分为边发射激光器（EEL）和垂直腔面激光器（VCSEL），目前EEL是VSCEL市场占比的两倍。具体来看，EEL优势在于输出功率及电光效率较高，缺点是光束质量较差；VCSEL优点包括体积小、易于集成、易于规模化生产、可靠性较高等优势，不足之处是输出功率及电光效率较EEL低。近年来国内外厂商陆续推出多层级结高功率VCSEL，大幅提升了光功率密度，为长距激光雷达应用提供了可能，高功率VCSEL开始代替部分传统的EEL方案。此外，禾赛科技和速腾聚创开发的短程激光雷达也是基于VCSEL激光器，VCSEL在激光雷达中的占比有望追平甚至超过EEL的使用数量。

（2）激光雷达市场驱动

• 根据Yole Group最新发布的报告显示，随着自动驾驶技术的快速发展，NOA和AEB等功能的逐渐渗透，2023年全球汽车激光雷达市场规模为5.38亿美元，预计到2029年，全球汽车激光雷达市场将增长至36.32亿美元，2023年至2029年的年均复合增长率（CAGR）高达38%。而2023年中国激光雷达市场规模约为75.9亿元。

资料来源：Yole

• 国外激光雷达厂商逐渐式微，国内厂商快速崛起。伴随着激烈的市场竞争，部分海外激光雷达厂商面临衰退。2022年，曾经的全球激光雷达巨头Velodyne和Ouster确认合并，Ibeo、Quanergy相继宣布破产。而国内激光雷达厂商在政策支持和市场需求双重驱动下快速发展，代表企业包括禾赛科技、速腾科技、大疆览沃等。2023年，中国厂商领跑全球车载激光雷达市场，禾赛科技、速腾聚创、图达通、华为、览沃（Livox）等中国的激光雷达供应商合力拿下了全球 84%的市场。

资料来源：Yole

3、空间激光通信

• 空间激光通信技术是一种利用激光光束在太空或大气中进行数据传输的通信技术。它利用激光的高方向性和高频率特性，并结合了无线电通信和光纤通信的优点，通过激光光束进行通信，以实现高速、大容量、长距离的数据传输。空间激光通信技术通常应用于卫星通信、航天器之间的通信以及地球与空间站之间的通信等场景。相比传统的无线电通信技术，空间激光通信具有更高的传输速率、更低的延迟和更高的安全性。

空间光通信技术基本演示

• 空间光通信的基本原理为：包含信息的电信号通过调制加载到光上，收发两端捕获-对准-跟踪技术(APT)建立起通信链路，以光为载波在自由空间信道中传输信息。空间激光通信是自由空间光通信（Free-space optical Communication - FSO）在外层空间的应用。通信形式包括：航天器之间（完全在太空）；地面与卫星；卫星与地面。

• 与无线电波相比，使用激光通信的主要优点是增加带宽，从而实现在更短的时间内传输更多的数据。在外层空间，FSO的通信范围约为几千公里，这适用于星间链路。当利用光学望远镜作为光束扩张器（Beam expander）时，激光通信可以跨越数百万公里的星际空间。

• 空间激光通信技术结合了无线电通信和光纤通信的优点，以激光为载波进行通信。空间激光通信技术具有抗干扰能力强、安全性高、通信速率高、传输速度快、波段选择方便及信息容量大的优势，其特点是系统体积小、重量轻、功耗低、施工简单、灵活机动，在军事和民用领域均有重大的战略需求与应用价值。

• 通信速率高：传统微波通信载波频率在几GHz到几十GHz范围内，而激光载波频率具有数百THz量级，比微波高 3~5个数量级，可携带更多信息。

• 抗干扰能力强：激光发散角窄、指向性好，没有卫星电磁频谱资源限制约束（因此无需申请空间频率使用许可证），发射信号不会产生电磁干扰，通信过程中不易受外界干扰，抗干扰能力强。

• 保密性好：0.8~1.55μm波段属不可见光，通信时不易被发现，且激光发散角小、束宽极窄，在空间中不易被捕获，保证了激光通信所需的安全性和可靠性。

• 轻量化功耗低：激光波长比微波波长小3~5个数量级，其收发光学天线、发射与接收部件等器件与微波所需器件相比，尺寸小重量轻集成度更高，具备小型化、轻量化、低功耗的特点。

• 建设成本节省：通过激光通信建立星间激光链路，地面信关站建设需求大大减少；同时有助于数据流汇聚、简化卫星网络结构，多方面节省建设成本。

（1）空间激光通信的关键技术

• 激光通信步骤

• 第一步：捕获（粗跟踪）；功能为大视场光束扫描捕获，特点为机械转台转动。

• 第二步：瞄准（精跟踪）；功能为小视场光束时时跟踪并建立双向闭合的通信链路，特点为精跟踪振镜振动。

• 第三步：通信；功能为高速数据传输，特点为高速高灵敏度。

• 捕获跟踪技术：激光通信技术借助光源的小发散角波束提供高功率增益，这对光束的捕获跟踪提出了比微波通信更高的要求。光束捕获采用激光瞄准技术和粗/精跟踪相独立的体制，即粗跟踪由大视场相机和伺服转台组成闭环，提供大范围低频带伺服控制；精跟踪由高帧频相机和快速振镜组成闭环，提供小范围高频带伺服控制，从而有效抑制因光束大范围运动和高频率抖动引起的光束扰动。

• 通信收发技术：激光通信技术需要激光器具有大调制带宽、高发射功率和窄线宽等特点。具体来看，激光调制技术的调制方式可以分为直接调制和间接调制，由于直接调制方式使带宽和发射功率受限，目前主要采用小功率种子激光源间接调制后通过高功率光纤放大器获得高发射功率的方法进行调制。

• 大气补偿技术：当激光通信技术应用在星地、空空和空地等链路时，激光在穿越大气层的过程中受大气湍流影响，在传输时会出现接收功率抖动，导致系统出现误码，这在高速激光通信中更加明显。为解决这一问题，采用高精度实时波前畸变校正技术是抑制大气湍流对传输光束波前影响的有效方法，即通过哈特曼传感器进行多孔径波面探测，在一定程度上能够矫正波前畸变。但该技术的主要难点在于激光到达角起伏补偿、波面变形补偿和空中飞行时附面层影响补偿，可通过探测系统引入波前畸变补偿镜技术进行联合校正。

• 光机电设计技术：为减小自由空间的功率损耗，提高发射光学系统增益，需要通信光束以近衍射极限角发射。在保证发射光学口径的基础上，提高光束发射增益对光纤耦合技术、光束整形技术、望远镜面型设计提出了更严格的要求,亟需研究光纤不同芯径、束散角与光学系统匹配的优化选取方法。与此同时，激光技术的广泛应用促成了多行业的标准化，如基于激光技术的激光整形传输促成了元件的模块化和标准化，降低了整机体积与成本。

（2）空间激光波段选择

• 短波红外应用成熟但其误码率高。在短波红外波段的光纤通信发展成熟，为更好地实现链路，空间激光通信的发展也在该波段相对成熟，光源主要为半导体激光器和Nd：YAG固体激光器。但是由于雾、霾以及烟尘的尺寸通常集中在2-8μm和短波与中波红外的波长向接近，导致短波与中波红外激光光束传播在此类介质中时散射效应很强，因此，很大程度上限制了激光的传播距离，影响自由空间光通信的效果，致使短波红外激光的误码率更高，且随着信噪比的降低和比特率的升高愈发明显。

• 长波红外应用的优势：

• 在8~12μm的长波红外范围内，激光有着良好的透射率且相对稳定。

• 当太阳接近或出现在自由空间光通信的接收器的视场时，会受到太阳辐射的影响，而太阳辐射在该波长区间有着较小的影响，有效地减少了接收器被太阳辐射所损坏的可能性。

• 大气传输中存在的闪烁效应与光波长成反比，长波红外激光对防止闪烁效应发生有着明显的优势。

• 还有一个重要的因素便是人身安全问题。人眼的光学系统容易透射和聚焦可见光波长，短波红外虽然不会聚焦到视网膜上，但它可以稍微渗透到眼房水中，而长波红外会被角膜、普通玻璃或塑料所阻隔，这提升了自由空间光通信中可使用的安全光功率等级。

• 同时，长波红外波段拥有可利用的频带资源，具备良好的发展前景。

4、医疗领域

• 激光医学在临床应用上已经形成了强激光治疗、光动力治疗（PDT）、弱激光治疗（LLLT）三大激光治疗技术，同步发展了包括光学相干层析成像（OCT）、光声成像、多光子显微成像、拉曼成像在内的众多兼具高灵敏度和高分辨率的激光诊断技术。此外，随着化学和生物学等相关学科的发展，各种生物探针和靶向标记技术得到快速发展，激光光学、材料学、纳米技术和生物技术的相互融合正在不断地为医学诊断和治疗带来新的发展空间。

（1）激光诊断技术

• 激光诊断技术利用激光的高单色性、光强度高、准直性、偏振性等光学基本属性以及光与物质的各种相互作用（散射、吸收等）来测量生物组织的微观结构、生理作用、生化分子浓度分布等关键指标，获取生物组织的结构和功能信息，剖析疾病的发生发展过程。凭借无损成像、高分辨率和丰富的对比机制等优势，激光诊断技术成为现代医学精准诊疗的重要组成部分。

• 激光成像方面的新技术、新机理、新概念不断涌现，衍生出了非接触无标记成像、实时在体成像等诊断新技术，逐步走向临床应用。典型的有光学相干断层成像（OCT）、光声成像、激光散斑成像、多光子显微成像、共聚焦成像、拉曼成像等。

光学相干断层成像图

（2）激光治疗技术

• 强激光治疗是利用激光的光热效应，对生物组织进行凝固、汽化或切割来达到消除病变的目的。医用激光器不同于工业激光器，它对激光有特定的要求，如激光波长、脉冲宽度、工作方式、输出功率、设备尺寸和安全监测等。

• 针对不同人体组织对激光的吸收和穿透效率的差异，需要选择不同波长的激光器；

• 针对一些高精密的治疗应用，需要严格控制脉冲宽度、工作方式和输出功率；

• 激光体积要小，重量要轻，便于携带和操作；

• 对于需要将光纤伸入身体的手术，光纤的直径要足够小。

• 医用激光器的一个重要发展方向是超快激光。超快激光指脉冲宽度在皮秒（10−12 s）及以下的超短脉冲激光，由于其脉冲宽度小于材料中的电子-晶格传热时间尺度，超快激光的烧蚀机制与传统激光具有显著差异，超快激光可以显著降低周围组织的热效应，在精确去除激光聚焦区域组织的同时将对周围组织的损伤降低到最小，实现“冷烧蚀”。当前，超快激光已被用于高精度要求的眼科和皮肤科治疗。

• 医用激光器市场：目前国内约有上百家激光医疗器械企业，按综合竞争力可分为两大梯队。其中，第一梯队以外资企业和国内少数优势企业为主，代表性厂商有以色列飞顿（Alma）、奇致激光、科医人（Lumenis）和赛诺秀（Cynosure）、欧洲之星（Fotona）、赛诺龙（Syneron）、半岛医疗、深圳吉斯迪、吉林科英等。第二梯队以国内若干小型制造企业为代表，这类企业普遍起步较晚，技术积累较少，受制于医疗器械行业本身的高门槛，其产品很难进入被外资和本土优势企业包围的医院等中高端市场。从国产化率来看，在各类激光治疗设备中，气体激光器、Nd:YAG激光器等技术较为成熟的产品已经实现了国产化，而高功率半导体激光医疗设备研制则相对匮乏，关键产品仍需依赖进口。目前，已经批量上市的国产医疗激光设备产品及典型企业如下表所示：

（二）可见光激光

• 可见光波段位于380-750nm，其中380-440nm为紫光，440-480nm为蓝光、480-510nm为青光、510-560nm为绿光、560-590nm为黄光、590-625nm为橙光、625-750nm为红光。

1、激光显示（RGB）

• 激光显示整机系统的核心是激光光学引擎（光机）。激光光学引擎的工作过程由光产生、光调制以及光投射三个环节组成。其中，光产生的核心器件为光源，光调制的核心器件为光调制器（光阀），光投射的核心器件为镜头。因此，光源、光调制器和镜头组成了光学引擎的核心。根据光峰科技招股说明书显示，其激光显示整机产品中，光源的平均成本占比为37.61%、光调制器为15.12%，镜头为12.87%，三大核心部件合计为65.60%。

（1）多种显示技术方案对比

• 在对比多种显示技术的时候会关注到显示尺寸、分辨率、亮度、色域、对比度以及寿命等关键参数：

• 显示尺寸：由于显示屏幕或投影画面多为矩形，矩形的对角线长度即为显示尺寸，多以英寸为计量单位，目前家用显示尺寸可达120英寸。

• 分辨率：指屏幕上显示像素的个数（x*y，x为水平方向的像素个数，y为垂直方向的像素个数），分辨率越高，显示效果越细腻。常见的分辨率有1080P（1920×1080个像素点）和4K（4096×2160个像素点）等。

• 亮度：指人眼感受的可见光强度，投影机多以流明（ANSI）作为计量单位，即为投影机发出的光通量；显示屏多用尼特（nit）作为计量单位，即为显示屏表面的面光源强度。两者之间存在换算关系。通常将2,000流明以上称为高流明。

• 色域：多采取NTSC标准，即显示器所能呈现的色彩在人眼可见的色区区域中的占比，色域越高所能显示的色彩范围就越宽广，越接近真实世界的颜色。

色域示意图

• 对比度：一幅图像中最亮的白和最暗的黑之间不同亮度层级的测量，差异范围越大代表对比越强，差异范围越小代表对比越弱。常见的对比度为2000:1。

• 目前已广泛应用和正在研发的显示技术包括LCD（液晶显示）、OLED（有机发光二极管显示）、QLED（量子点发光显示）、MicroLED（微发光二级管显示）和LPD（激光投影显示）。其中激光投影技术具有广色域、高亮度、低能耗和长寿命等优势，目前在大尺寸及超大尺寸（85英寸及以上）显示中已广泛应用。

资料来源：《平板显示技术比较及研究进展，中国光学》

（2）激光显示技术介绍

① 光源

• 激光显示具有光源使用寿命长、效率衰减慢、维护成本低、色域空间大、亮度高、对环境影响较小、易于实现大屏显示、节能环保等优势。从原理上讲，激光显示技术主要依靠红、绿、蓝（RGB）三基色激光来呈现色彩。激光显示的优势突出，可用于激光电视、激光投影、车载显示、AR眼镜等多个显示领域。

• 目前投影显示主要分为 LED 光源、单色激光以及三色激光三种方案。

• LED 光源原理：由红绿蓝光合成白光后经过匀光系统，然后在显示芯片形成一个均匀的照明，最后通过镜头投射出来，其优势是颜色饱和度高。

LED显示原理示意图

• 单色激光原理：由蓝色激光+红绿荧光组成，蓝色激光先在荧光轮上激发出红荧光和绿荧光，继而一起合成白光，再进行匀光，然后经过芯片及镜头投射出来，亮度较高。

单色激光显示原理示意图

• 三色激光原理：分别依靠三色激光器发出红绿蓝光，然后直接成像，再通过混合这三种颜色来产生各种色彩的画面，其优势在于亮度更高、色域更广、寿命更长。

三色激光显示原理示意图

• 通过亮度、色域、寿命、能耗、护眼等几个维度综合对比以上三种光源方案，其中三色激光显示优势显著，但是综合成本较高。

• 亮度方面，LED 光源需要发光面积和发光角度大，所以会有亮度天花板。对比之下，激光由于光展量小，亮度可以做的很高。所以亮度三色激光＞单色激光＞LED。

• 色域方面，激光的色域同样比 LED 光源优秀。一般来说，LED 光源的色域在60% BT.2020左右，而单色激光的色域可以达到110% BT.709左右，三色激光更是达到了110% BT.2020左右。所以，色域上三色激光＞单色激光＞LED。

• 能耗和寿命上，同样是三色激光＞单色激光＞LED。

• 护眼方面，LED 光源普遍包含了415~455nm 的高能波段，会有蓝光出现，护眼能力比较弱。单色激光投影采用的是有害短波高能蓝光，同样对眼睛不太友好。相比之下，三色激光避开了415~455nm高能波段，护眼更好。

• 激光显示的激光光源一般采用半导体激光芯片。由于激光显示所需要激光器件体积较小、激光稳定性较强，且能精准控制出射激光波长，所以半导体激光器是唯一的选择。蓝光和绿光光源都采用氮化镓半导体激光器、红光采用砷化镓半导体激光器。目前蓝、绿光激光光源受日亚化学垄断，具有较强的国产替代及降本需求。

② 光调制器（光阀）

• 液晶投影显示（LCD）：采用三块液晶面板分别控制红、绿、蓝三色光，合光系统发出的红、绿、蓝三色光分别投射到对应的液晶面板上，经液晶面板调制后透射，由合光棱镜汇聚后射向成像系统。液晶面板对单色光的调制是利用液晶的电光效应，通过控制液晶单元两端的电压大小来控制液晶分子的偏转方向，从而控制光线通过液晶单元的透过率，以产生不同灰度层次及色彩的图像。

3LCD方案成像示意图

• 数字光处理技术（DLP）：采用数字微镜器件（Digital Micromirror Device，DMD）进行反射调制，由于DMD器件成本较高，一般采用单片式方案。在对角线长度为0.47英寸的DMD器件上安装着由数十万片规格为微米级的可翻转微镜组成的微镜阵列，光源发出的光线投射至DMD器件表面的微镜阵列后由DMD器件控制每一个微镜的翻转角度从而控制反射光线的强弱。单片式方案下每个微镜一次翻转只反射一种颜色，通过微镜每秒上千转的翻转速率，利用人眼视觉暂留效应进行成像。DLP方案相关产品和技术由美国德州仪器公司垄断，采用DLP照明显示方案的投影设备企业均需向其采购相应产品。

DLP方案成像示意图

• 反射式液晶显示技术（LCOS）：分为传统的单片式、三片式和一数科技独创的两片式三种方案。

• 三片式LCOS方案与3LCD方案类似，采用三块液晶面板分别控制红、绿、蓝三色光，合光系统发出的红、绿、蓝三束单色光分别投射到对应的LCOS芯片，通过控制LCOS面板上液晶分子的状态来改变每个像素点反射光线的强弱，经反射的光线由合光棱镜汇聚后射向成像系统。由于技术成熟度和成本的问题，3LCOS技术目前主要应用于激光电影投影机等高端产品中，在其他领域应用较少。

• 单片式LCOS方案则采用一块液晶面板，对合光系统发出的不断切换颜色的一束光进行像素级调制并反射，利用人眼视觉暂留效应进行成像。由于单片式LCOS方案的光利用率较低，所以主要应用于1,000流明以下的微投设备中。

3LCOS方案成像示意图

• LCD技术在色彩对比度、分辨率和整机体积等方面均不如DLP和LCOS技术，但3LCD技术在5,000流明以上的高亮度设备中的能耗优于DLP。长期来看，DLP和LCOS技术将对LCD技术形成替代。

（3）激光显示行业驱动

• 近些年激光投影、激光电视相关技术的大踏步发展，凭借其大尺寸投射、高清晰度的特点让投影这一显示方式走进千家万户成为可能。激光投影设备主要应用于家用（产品亮度范围为0.2K-4K流明，主要应用为客厅、家庭影院）、教育（产品亮度范围为0.2K-5K流明，主要应用为教室）、商务（产品亮度范围为0.2K-5K流明，主要应用为会议室、餐饮、会所）和工程（产品亮度范围为4.5K-20K，主要应用为公园、展会、演出、商业广告）四个场景。

• 家用场景投影产品在整机设计及算法开发方面具有较高的要求。2022年海信、小米、坚果等品牌都首次推出家用智能激光投影机产品。峰米更是将激光智能机的价格首次拉到了3000元以下价位。数据显示，2023年，中国大陆激光投影（包括激光电视）市场出货量为87.8万台，同比增长29.3%，其中中国激光投影在家用市场的出货量为59.3万台，同比2022年增长35.5%。中商产业研究院预测，2024年家用市场出货量将达到65.2万台。

• 商教及工程场景对于投影设备的亮度及使用寿命要求高于家用场景，但对投影设备的外形、噪音、易用性及画质等方面要求则低于家用场景，因此商教及工程投影设备开发过程中更加关注投影设备的散热性能。

资料来源：头豹研究院

• 车载光学赛道为激光显示行业发展提供新增长极。车载激光投影显示的应用场景大致分为天幕投影、激光大灯、AR-HUD、后窗投影、车窗互动投影，内部大屏/分屏投影等，可实现显示、交互、娱乐等功能。目前，天幕投影、激光大灯和AR-HUD技术相对成熟，有望加快落地应用。不过现阶段由于技术制约，车载光学市场仍是一片蓝海市场，部分头部生产商如光峰科技已提前布局，获得问界、北汽新能源、比亚迪、华域等多个车企定点项目（包括智能座舱显示、车灯模组、AR-HUD的 PGU显示模组等）。预计随着激光显示在不同车型不同项目中的应用趋于成熟并实现规模化落地，车载光学赛道将成为激光显示行业又一利润增长点。

资料来源：光峰科技

• 激光显示技术可解决现今AR/VR的显示难点问题，将成为一新增长极。AR/VR头显技术发展受到产品体积、显示技术等方面限制，常见的AR/VR显示系统体积大而且耗电。为了解决这些问题，需要一种适用于紧凑型、低功率移动显示屏的超小型低功率激光模组。索尼认为蓝绿光 VCSEL 将有望成为移动显示屏的关键技术，尤其是在PS VR、Google Glass等AR/VR穿戴式设备的应用，

2、工业加工

• 激光加工是指利用激光束投射到材料表面产生的热效应来完成加工过程，包括激光焊接、激光切割、激光打标、激光钻孔和微加工等。

（1）激光焊接

• 激光焊接为激光熔化焊接工艺之一。激光焊接的原理是利用高强度的激光束直接辐射到金属表面，使被焊处形成一个能量集中的热源区从而使被焊物熔化并形成牢固的焊点和焊缝。根据工作原理的不同，适配不同的加工场景，激光焊接可分为热传导焊、深熔焊、复合焊接、激光钎焊和激光传导焊接五种。

① 蓝绿光激光焊接

• 有色金属对短波段的激光吸收率高，有利于做激光焊接。得益于450nm短波段的独特优势，相较于近红外波长激光器，针对有色金属材料（尤其铜、金）的吸收率提高了数倍到数十倍。而有色金属对常用的近红外激光吸收率低，因此在进行激光焊接时容易出现焊缝成形差、易变形、热裂纹、飞溅、气孔等焊接缺陷。高性能蓝光光源为铜、金等有色金属材料高质量激光加工提供了新技术，也使得这项技术能够在材料加工、消费电子、汽车、新能源等国民经济和军事国防领域广泛应用。

部分有色金属光吸收率曲线

• 基于氮化镓材料的半导体激光器可直接产生波长450nm的激光，无需进一步倍频，有结构简单、使用方便、电-光转换效率、吸收率高等优点。对铜、金等高反射金属材料吸收率的提升更为明显。据验证，铜焊接所需的能耗比红外激光器低 84%，这意味着，当红外激光器需要10W的激光功率来焊接铜材时，使用蓝光激光器仅需要约1kW或0.5kW的功率。当前蓝光激光最高功率可以做到4kW，芯径在600μm左右，最小芯径能到400μm。

• 铜对蓝光激光的初始吸收率高达65%，相比红外激光提高了12倍。焊接过程非常稳定，基本不存在热输入波动，能实现超低飞溅甚至零飞溅的高效高质量焊接。

• 绿光激光焊接的激光是波长为500～560nm的一种可见光，铜对波长λ=515nm的绿光吸收率高达40%，是1μm左右红外光吸收率的8倍左右，且能量耦合效率更高，对表面氧化程度的敏感性也降低。绿光激光能够实现铜合金的深熔焊接，绿光光纤芯径可以做到和红外相当，使得激光能量可以较为集中作用于材料表面，能够和振镜搭配进行远程飞行焊接；绿光激光适用于2mm 以内的铜合金热导、深熔焊接。

• 绿光激光解决了铜吸收率问题，但无法解决飞溅，绿光激光本质上和红外激光同属于高斯能量分布的光束。

• 波长为515nm和532nm的绿光激光依赖其非线性光学晶体，将泵浦激光能量转换为目标波长的能量，转换过程会导致较高的功率损耗；同时激光器需要复杂的冷却系统以及复杂的光学设置，因此激光器价格昂贵、效率低。

• 采用红外-可见光双光束复合焊接工艺。通过较小功率的可见光激光，可以使红外激光在低于深熔焊接阈值功率时，实现铜的强制深熔焊接，并大幅减少焊接飞溅，设备成本低，焊接质量高。

红蓝光复合焊接设备示意图

② 红外激光焊接

• 红外激光成本价格低，且红外脉冲激光技术更为成熟。激光在工业中的应用占有重要地位，主要利用激光辐照产生的热量实现各种加工需求。工业激光一般为了产生足够高的热量，往往要求较高功率，通常为百瓦至千瓦量级甚至可达万瓦量级。过高的能量积累容易产生温度梯度带来负面热效应，因此，连续激光的表现不如脉冲激光，对于脉冲激光也要求脉冲尽可能短，需要皮秒乃至飞秒量级。而红外激光发展较为成熟，成本价格较低，在市场早期阶段考虑到成本会采用大功率的红外飞秒脉冲激光用于部分工业加工场景。红外激光主要有光纤激光摆动焊接、环形光斑焊接两个方向。

• 摆动焊接实现了激光能量的空间调制分配，使得熔池整个面积能量分布均匀，温度梯度降低，表面张力趋同，熔池波动缺乏驱动力，趋于平缓，由此降低了液体出现在匙孔正上方的风险，也降低了飞溅的发生概率。

• 优势：光纤摆动是当前最具性价比的方案，工艺窗口较窄。一般常用的激光器主要芯径在14-50μm范围内，2kW-6kW为主。

• 劣势：单模市场化产品功率有限（最高3000W），不摆动焊接飞溅大、成形差，而且气孔缺陷难以避免，要实现大熔深厚板焊接，低速焊接极度不稳定（匙孔太小、容易坍塌），而通过高速摆动，综合行进速度，则熔深有限，常用于1.5mm以内的叠焊、对接。

摆动焊接熔池流动示意图

• 环形光斑焊接原理：主要是由两束光纤激光复合而成，区别于光纤+半导体复合，外环激光同属于高功率密度的光纤激光，负责加热母材的同时扩大匙孔开口，内环激光高功率密度用来穿透金属，实现深熔焊接。（光纤+半导体复合由于半导体同属红外光，且功率密度低得多，基本没起到加热铜基材的作用，所以在铜焊接中应用较少。）

• 优势：环形光斑能够有效的扩大匙孔开口，提高焊接过程稳定性，同时扩大熔池面积，降低熔池凝固速度，有利于气孔逸出，降低焊缝孔隙率。同时可调环模激光同样能加摆动，焊接过程更加稳定，能够有效降低铜合金焊接过程飞溅发生率。

• 劣势：由于可调环模激光器仍然采用的是波长较长的红外激光，在铜加工方面，其天然高反属性并未改变，焊接过程中吸收率突变也无法缓解，采用可调环模激光器并不能从根本上解决这些问题，因此也无法真正做到无飞溅焊接。

环形光斑焊接示意图

（2）激光切割

• 激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束扫描工件表面，在极短时间内将材料局部加热到几千至上万摄氏度，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，将工件割开，达到切割材料的目的。脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料。  

激光切割的原理图

• 激光切割的功率密度可达10^4~10^5W/cm2。激光源一般用CO2激光束，工作功率为500~2500W。尽管高能CO2激光器可以切割厚度为25mm的碳钢板，但如果希望得到高质量的切口，板厚一般不应大于 10mm。

• 激光切割可以使用辅助气体来帮助去除熔化或汽化的材料，也可以不使用辅助气体。根据采用的辅助气体的不同，激光切割可分为汽化切割、熔化切割、氧化助熔切割和控制断裂切割四类。

• 激光切割的特点：激光切割技术与其他热切割方法相比有明显的优势，总的特点是切割速度快、质量高。

• 切割质量好：由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能获得较好的切割质量。激光切割切口细窄，切割零件的尺寸精度可达士0.05mm。切割表面光洁美观，表面粗糙度只有几十微米(一般Ra为12.5~25um)，甚至激光切割可以作为最后一道工序，切缝一般不需要再加工即可焊接，零部件可直接使用。

• 切割效率高：由于激光的传输特性，激光切割机上一般配有多台数控工作台，整个切割过程可以全部实现数控。操作时，只需改变数控程序，就可适用于不同形状零件的切割，既可进行二维切割，又可实现三维切割。

• 切割速度快：用功率为1.2kW的激光切割2mm厚的低碳钢板，切割速度可达600cm/min；切割5mm厚的聚丙烯树脂板，切割速度可达1200cm/min。用功率为2kW的激光切割8mm厚的碳钢板，切割速度为 1.6m/min，切割 2mm厚的不锈钢板切割速度为3.5m/min，热影响区小，变形极小。

• 切割材料的种类多：与氧-乙炔切割和等离子切割比较，激光切割材料的种类多，包括金属、非金属、金属基和非金属基复合材料、皮革、木材及纤维等。不同的材料，由于自身的热物理性能及对激光的吸收率不同，表现出不同的激光切割适应性。采用CO2激光器，各种材料的激光切割特性如下：

（3）激光打标

• 激光打标的基本原理是利用激光束对材料表面进行非接触式的加工。通过激光能量与材料表面的相互作用，使材料表面发生物理或化学变化，从而留下永久性标记。这种变化可能是材料表面的氧化、熔化、蒸发或颜色改变等。其中，最常见的是氧化过程，它通过将材料表面氧化成黑色来实现标记效果。这种标记方式不仅美观大方，而且能够确保材料的完整性和使用寿命不受影响。

激光打标原理示意图

• 激光打标技术作为一种现代精密加工方法，与腐化侵蚀 ，电火花加工，机械刻划，印刷等传统的加工方法相比优势显著：

• 应用范围广：几乎可以在所有材料上打标。 

• 打标效率高：计算机控制下的激光光束可以高速移动，通常的打标过程可以在数秒内完成，可实现在线打标。 

• 打标精度高：激光可以形成极细光束，在材料表面的最细线宽可达微米量级，可以打印各种图形、商标、条形码、两维码。激光打标还可以改善产品外观形象和名牌效应，增强产品的市场竞争能力。 

• 使用成本低：激光打标是非接触式打标，不受通常模具打标的疲劳使用寿命的限制。在批量加工使用中的维护成本极低。

• 激光打标机按照激光器不同可分为：CO2激光打标机、半导体激光打标机、YAG激光打标机、光纤激光打标机；按照激光可见度不同分为：紫外激光打标机（不可见）、绿激光打标机（可见激光）、红外激光打标机（不可见激光）。市面上最常见的激光打标机主要以CO2激光打标机以及YAG激光打标机为主，后来YAG激光打标机逐步被半导体激光打标机所取代，成为激光打标机市场占有量最多的一种机型，另外还有高端些的端面泵浦激光打标机、光纤激光打标机、紫外激光打标机等。

• 光纤激光打标机具有转换效率高、体积小、稳定性好、可靠性高、光束质量好、使用寿命长、易于实现大功率等特点，在电子行业内使用较为广泛。

• 紫外激光打标的光束聚焦光斑更小、更细，能实现超精细标记，热影响区域非常小，产生的热效应也相对比较小，不会发生材料烧焦损伤问题，同时还具备标记速度快、效率高、整机性能稳定、能耗低等优势，且可以适用的材料范围更加广泛。

（4）激光工业加工行业驱动

① 3C电子

• 3C 电子产品对制造工艺要求较高，推动上游新材料、新工艺的不断进步，而激光技术正是 3C 产品制造工艺中迅猛发展的代表。3C 产品精密度、电子集成度越来越高，对内部构件焊接、切割技术的要求也越来越高。由于传统技术存在不稳定现象，在加工过程中容易导致零件损坏，造成成品率低。而激光加工技术属于非接触式加工，具有热影响小、加工方式灵活的特点，尤其适用高端精密产品加工。以智能手机为例，切割、焊接、打标和开孔均使用激光加工技术完成。 

激光技术应用于3C电子产品

• 3C 产品需求提升或将助推激光加工设备市场增长。随着 5G 换机进程的推进，3C 行业进入新一轮创新周期，消费电子行业景气度和设备需求逐步回升。根据 IDC 预测，5G 手机出货量占比将从 2020 年的 19%增长至 2024 年的 58%，5G 手机渗透率提升很大程度上拉动了近乎疲软的全球智能手机市场平稳增长；其中，2020 年中国市场的 5G 出货量占全球的比例高达 67.7%。

② 新能源汽车

• 汽车轻量化概念兴起及安全性能关注度日益上升，激光加工在汽车工业领域正受到更多重视和应用。根据国家《节能与新能源汽车技术路线图》，至 2020 年汽车车辆整备质量较 2015年减重10%、2025年较2015 年减重20%、2030年较2015年减重35%。除激光切割外，将激光焊接技术用于车身、不等厚板及零部件的焊接，可以降低车身重量从而节约能耗，提高装配精度及刚度以提升安全性，降低车身制造过程中的冲压和成本、减少零件数量从而促进车身一体化。目前应用较广的激光自熔焊，在完成焊接工作的同时并不会使材料其他部分变形，能够很好地提高车身的结构匹配尺寸、门盖与侧围的平度与密封效果、风挡玻璃与风窗口的匹配与密封，保证生产质量。

• 动力电池高标准的加工要求为激光工艺提供了发挥优势的空间。动力电池作为新能源汽车的核心部件，制作工艺复杂，其质量直接决定新能源车辆的性能，因此与动力电池相关的制造技术和装备必须符合严苛的生产要求。激光工艺依托高效精密、灵活、可靠稳定、自动化和安全程度高等特点，广泛应用于动力电池生产线的前、中、后段加工过程中，如：1）激光极耳切割技术已成为降低动力锂电池极耳片生产成本、提高产品稳定性的重要工艺；2）激光焊接工艺应用在焊接电池壳体、盖板防爆阀、电芯极耳与极柱、电芯极耳与顶盖以及模组等多个部位，有利于提高电池的安全性、可靠性、延长使用寿命。 

• 方壳动力电池激光焊接环节较多，4680大圆柱电池激光焊接需求更高。动力电池按照包装形式可以分为方形电池、圆柱电池、软包电池。以目前市场主流电池形态--方形电池举例，激光焊接工艺应用于：1)结构件制造环节：正负极极柱焊接、防爆阀焊接；2)电芯生产环节：顶盖焊接、密封钉焊接、转接片焊接等环节；3)模组环节:Busbar、采集线、侧板焊接等。

激光焊接在动力电池制造过程中得应用

③ 光伏电池组件

• 在光伏电池及组件的生产过程中涉及多道激光工艺。激光消融（刻蚀）、激光掺杂、激光打孔及激光划片/裂片工艺，具备工艺流程简单、投入成本低、制作效率高等多重优势，有效控制了生产过程中的光学损失和电学损失，对于太阳能电池光电转换效率提升具有重要作用。尤其随着隆基推出xBC技术路线的新型电池结构，对于激光加工的需求会明显增加。而另一新型材料钙钛矿太阳能电池对于激光加工也涉及电池制备过程中的多道工艺路线。

激光加工在光伏电池生产过程中得应用

3、激光指示与照明

• 绿光激光因为接近于人眼在多数光照条件下的最高敏感度，因此具有出色的可见性。根据国际照明委员会（CIE）制定的相对光谱光视效率曲线（或称为相对光谱灵敏度曲线）可知，人眼明视觉和暗视觉的最大光谱光视效率对应波长为绿光波段。简单理解，就是人眼对绿光最为敏感，也因此常应用于水平仪、测距仪、城市景观、舞台灯光等应用场景。

• 在国防领域，绿光激光凭借其精准性和可见性，被用于目标指示和测距。这些激光有助于精确测量目标距离并指导弹药，提高军事行动的准确性和效率。它们还在夜间操作的监视和侦察活动中起着至关重要的作用，通过照亮和标记目标，使其对监控摄像头和夜视设备可见。525nm绿色激光还能作为激光眩晕器，这种非致命性武器设计用于暂时削弱视觉或导致目标失去方向感，而不造成永久伤害，因此非常适合军事和执法部门使用。
  

激光枪瞄示意图

• 白色激光照明原理：激光照明主要是利用白激光光源，其激发光源是蓝色激光光源，通过黄色荧光功能材料将蓝色激光转换成白色光。由于激光集中于荧光粉上某个微小点发射光线并转换成白光，光源能够输出安全且高度准直的白光，再加上使用微小的光学透镜或反光碗，对光进行优异的控制可以实现较好的照明效果。

• 激光车灯自身具有着高能效、小体积、方向性好等多方面优势。目前，激光车灯只用在远光模式，工作距离高达 800 米以上，远超传统 LED 远光灯，极大地提高了驾驶者夜间视野范围。自白激光光源面世以后，各大车企一直在研究激光大灯的量产问题，除了能够大大的提高汽车远光照明的视野以外，白激光光源也为激光投影照明提供了可能性。

激光大灯示意图

• 蓝光波段在海水中传输的衰减最小，因此蓝光波段被称为海水光谱透射窗口，常用于水下照明等应用。光进入海中，受到海水的作用能量将衰减。引起衰减的原因有吸收和散射。不同波长光在海水中衰减系数不同，对于200~800 nm的可见光波长在海水中传播的衰减系数，其中400~450 nm之间的蓝色衰减最小，被称为海水光谱透射窗口。基于该原理，蓝光激光被广泛用于水下照明、水下通信、水下探测等，亦可用于探测海洋渔业资源及海底军事活动，此外，采用蓝光激光器也可探测出最适宜的臭氧含量。

4、激光直写

• 激光直写光刻技术是一种利用曝光强度可控的激光束来光刻曝光，并在显影后得到具有期望形貌微结构的3D光刻技术。该技术可以通过计算机对激光的曝光位置与曝光强度进行数字化控制，实现对光刻胶的变剂量曝光，因此具有很高的制造灵活性。激光器是直写光刻设备的光源发射装置，是光刻设备的关键零部件之一。基于直写光刻技术的原理，感光胶的种类决定激光直写设备所用激光束的波长。光刻胶按照感光光源其种类可以分为紫外（300~450nm）光刻胶、深紫外（160~280nm）光刻胶以及极紫外光刻胶（曝光波长仅几十纳米）等。

直写光刻原理示意图

• 直写光刻技术较其他刻写方式而言更为简单，成本也更为低廉，因此可以实现高精度、高灵活度、低成本的生产。同时，随着直写光刻技术水平的提升，其生产效率也得到了大幅提升，目前直接成像设备及直写光刻设备在PCB制造、泛半导体、光伏等领域已得到了不断应用。

• 在 PCB 制造环节中，内层图像、外层图像以及阻焊环节均需要使用PCB 曝光设备。根据 PCB 制造步骤，曝光设备可以分为线路层用曝光设备和阻焊层用曝光设备。二者对核心性能指标要求存在差异，线路层曝光对曝光的线宽精度、对位精度具有较高要求，更适用于LDI技术。

在PCB制作过程中激光直写路线和传统路线对比

• 在泛半导体领域，目前 IC 及 FPD 制造光刻设备主要为掩模光刻设备，而掩模光刻设备不仅价格昂贵，还需要使用生产周期较长、成本昂贵的掩模版，下游厂商无法灵活快速更换掩模版，不能实现柔性化生产。

• 在光伏领域，为了节省导电银浆成本，逐步开始推广电镀铜工艺，其中激光 LDI 和激光开槽是电镀铜图形化重要组成部分。以电镀铜栅线代替丝网印刷银栅线，其工艺分种子层制备、图形化、金属化、后处理四步。图形化是决定栅线宽度的核心环节，直接影响电镀电池转换效率。主要技术路线可分为掩膜光刻（投影式、接近式、接触式）、LDI激光直写、激光开槽等方式。其中 LDI 具有5 μm线宽精度，在中高端加工中具有明显优势，可提供量产线实现最小 15μm 的铜栅线直写曝光方案，产能达到 6,000 片/小时、对位精度±10μm。

• 激光直写所需的紫光半导体激光器存在国产替代需求。当前可用于直写光刻设备的紫外半导体激光器仅日本日亚化学（NichiaCorporation）等少数国外企业能够供应，为保证关键组件的供货安全、提高产品的竞争力，国内已经实现了激光光源的自主设计及集成，并已成功应用于2019年新推出的部分PCB直接成像设备上，未来随着自主设计及集成的激光光源技术的成熟，进口替代的比例将逐步提升。根据QYResearch统计，2023年全球激光直写设备市场销售额达到了47亿元，预计2030年将达到55亿元，年复合增长率（CAGR）为2.3%。

5、激光3D打印

• 激光3D打印技术，是一种利用激光来加热材料并使其熔化，然后再逐层堆积成实物的增材制造技术。3D打印依据耗材差异可分为金属3D打印与非金属3D打印。其中以利用光敏树脂固化的非金属激光3D打印主要包括第一代的光固化成形（SLA）以及第二代的数字光处理（DLP）。而金属激光3D打印路线主要分为激光选区融化（SLM）和定向能量沉积（DED）。

（1）非金属激光3D打印

• 光固化（SLA）3D 打印利用紫光或紫外激光将液态光敏树脂逐层固化成实物，它是第一代光固化主流技术。SLA成型技术的基本原理，就是主要通过利用紫外激光（355nm或405nm）为光源，并用振镜系统来控制激光光斑扫描，激光束在液态树脂表面勾画出物体的第一层形状，然后制作平台下降一定的距离，再让固化层浸入液态树脂中，如此反复，最终完成实体打印。SLA技术适用于打印手机、收音机、对讲机、鼠标等较精细的零件、玩具、电子工业机壳、家电外壳或模型、摩托车、汽车配件或模型、医疗器材等。

SLA工作原理示意图

• 数字光处理DLP（Digital Light Processing）技术是在SLA技术出现的十余年后才出现的，该技术也是业界公认的第二代光固化成型技术。DLP使用紫外投影仪作为光源，通过数字微镜原件（DMD）控制投射的光来工作。每次投影一层，一次固化一整层。相对其他大型3D打印机而言，DLP打印技术无法打印大物件，因此大多是桌面级3D打印机，较多应用于小型精密零部件、牙模假牙龈导板等齿科、珠宝首饰、研发试验、手办模型、医疗器械等。

 DLP工作原理示意图

• 除以上利用激光固化树脂原理的技术外，选择性激光烧结（SLS）也属于非金属激光3D打印技术。该技术使用激光束（通常是二氧化碳激光）选择性地烧结粉末状聚合物或聚合物基复合材料的薄层，形成具有宏观和微观特征的固体3D物体。SLS在成形设计对象方面有几个优点，包括零件精度高，材料通用性强，并且在制造过程中不需要零件支撑，因为材料没有被激光束产生的热量融合在一起，为被烧结对象提供了很好的支撑。此外，SLS 还能够生成不规则形状的物体，包括含有沟道和悬垂特征的结构。在SLS过程中，粉末材料被激光束加热，从而克服粉末中单个颗粒的表面张力，选择性烧结的粉末融合在一起，固化薄层，然后逐层构建固体3D物体。

（2）金属激光3D打印

• 金属激光3D打印通常以金属粉材或金属丝材为原料，采用激光作为能量源，在软件和数控系统的控制下将原料融化逐点、逐层堆积，完成金属构件的快速制造。金属3D打印技术根据工艺类型以激光选区融化（SLM）和定向能量沉积（DED）两大类为主。SLM通过热能选择性的熔化/烧结粉末床区域，DED利用聚焦热能将材料同步熔化沉积。

资料来源：南极熊3D打印

• 选择性激光融化（SLM）也叫金属粉末的快速成型技术，是利用金属粉末在激光束的热作用下快速熔化、快速凝固的一种技术。为了完全熔化金属粉末，要求激光能量密度超过106W/cm2。目前用SLM技术的激光器主要有Nd-YAG激光器、CO2激光器、光纤激光器，这些激光器产生的激光波长分别为1064nm、1090nm。金属粉末对1064nm等较短波长激光的吸收率比较高，而对1064nm等较长波长激光的吸收率较低。因此在金属零件成型过程中，具有较短波长激光器的激光能量利用率高，但是采用较长波长的CO2激光器，其激光能量利用率较低。SLM技术是在高能激光作用下，金属粉末完全熔化，经散热凝固后与基体金属冶金焊合，然后逐层累积成型出三维实体。

SLM 技术原理图

• 激光定向能量沉积（DED）技术与焊接相似。能量源聚焦在基板上，形成小熔池，原料粉末或金属丝输送到熔池中熔化，根据计划好的图案填充间距相互重叠。等待沉积完成，将沉积层自下而上移动至下一层。因此，所有层的沉积产生一个3D近净形状组件，类似于计算机辅助设计（CAD）模型。在沉积前，需使用软件对3D数字模型进行切片，以指定切片厚度、图案填充间距和每层中的沉积路径。

（a）万瓦功率四路送粉LDED加工头；（b）中央送粉、多路激光侧向入射式高沉积效率LDED加工头；（c）超高速LDED加工头

• 由于金属对蓝光优异的吸收能力，目前，蓝光正被引入增材制造领域。与焊接一样，铜、金、铝合金等高反射金属，为红外激光增材制造带来了两个挑战。第一个挑战是，当用高强度红外激光熔化金属粉末时，较小的粉末颗粒大量被汽化，这就需要控制汽化颗粒的再沉积。第二个挑战是，如果使用环形激光，在激光作用之前粉末预热会浪费大量能量。蓝光可以被大多数金属吸收，因此可以用较低能量的蓝光激光实现可控的熔池，并将汽化降到最低。因此，蓝光的打印件密度更高，打印速度更快，并能通过多个并行激光提高打印速度。

（3）3D打印行业驱动

• 受到上游激光器技术的迭代优化，以及下游新型应用市场的释放影响，激光3D打印市场快速增长。根据增材制造研究公司（AMR，前身为SmarTech Analysis）发布的《2023年增材制造零部件生产：全球市场数据与预测》报告，预计到2032年，全球3D打印行业的规模将从2023年的188亿美元（约合1346亿人民币）迅速扩大至1190亿美元（约合8518亿人民币）

• 航空航天：3D打印技术显现出从零部件向大部件制造扩展的趋势。目前国内外企业和研究机构利用3D打印技术不仅打印出了飞机、导弹、卫星、载人及货运飞船等的零部件，还打印出了发动机、无人机、微卫星、火箭等航空航天领域大部件。

• 3C钛合金：手机生产商也开始尝试在产品生产流程中引入3D打印等新兴技术，以求缩短生产周期和降低成本。最新调查显示，苹果在2023年就已经开始积极引入3D打印技术，Apple Watch Ultra的数字表冠、侧按钮和一些其他操作按钮使用钛合金粉末床激光熔融（L-PBF）金属3D打印生产。过去3D打印的痛点在于无法大规模量产，当前消费电子折叠屏+钛合金趋势之下，3D打印市场空间得以释放。

• 人形机器人：可使用工具是人形机器人区别于其他形态机器人的关键，极大拓展了人形机器人的应用场景。人形机器人与3D打印的适配主要体现在以下几点：

• 轻量化对于人形机器人灵活性具有重要意义，3D打印能够通过拓扑优化减少人形机器人重量，并降低成本。据硅族机器人，采用3D打印的POPPY机器人成本相较传统机器人降低了1/3。

• 人形机器人内外部结构复杂，采用传统加工难以完成生产，而3D打印能够快速制造复杂结构。

• 3D打印能够快速加工出手板，缩短研发制造周期。据诺研3D，法国INRIA Flowers公司的POPPY机器人通过采用3D打印技术组装耗时仅约2天。

• 3D打印可用于满足人形机器人定制化需求。

（三）紫外激光

• 紫外激光指波长位于1-380nm之间的激光。紫外激光器可以输出超短波长的激光，可以精准处理超小细微的材料；其次紫外激光的“冷处理”不会整体破坏材料本身，只是对其表面就行处理；再者基本无热损伤影响；一些材料对可见光和红外激光不能有效吸收导致无法加工，紫外最大的优势是基本所有的材料对紫外光吸收较为广泛。

1、光刻机

• 光刻的原理：在硅片表面覆盖一层具有高度光敏感性光刻胶，再用光线（一般是紫外光、深紫外光、极紫外光）透过掩模照射在硅片表面，被光线照射到的光刻胶会发生反应。此后用特定溶剂洗去被照射/未被照射的光刻胶， 就实现了电路图从掩模到硅片的转移。

• 光刻机组成中最重要的是照明系统、投影物镜系统和工件台系统。其主要由照明、投影物镜、工件台、掩膜台、对准与测量、传输等系统组成。除此之外还有光刻计算和掩膜优化为光刻机提供相关支持。

光刻机结构示意图

• KrF和ArF/ArFi光刻机使用准分子激光器作为光源，利用激发态的分子不稳定性发光，从而得到更短的248nm与193nm的光波长。其工作原理为氪气与氩气等惰性气体在电场和高压环境下与氟气，氯气等卤素气体发生反应生成不稳定的准分子。而激发态的准分子又不断的分解，释放出了深紫外的光子，通过这种释放光子的过程，可以得到248nm和193nm 的光源。由于准分子激光是脉冲式，所以其主要关注点为脉冲频率、输出功率以及持续时间等。

• EUV光刻机是采用二氧化碳激发的激光等离子体（LPP）从而产生 13.5nm 的光源。到了7nm这个节点已经是DUV光刻的极限， 所以Intel、三星和台积电都会在7nm这个节点引入极紫外光（EUV）光刻技术。EUV 光源主要由主脉冲激光器、预脉冲激光器、光束传输系统、锡液滴靶、锡回收器、收集镜等构成。13.5nm的EUV光源条件极其苛刻，目前的EUV光刻机内部零部件高达10万个，复杂程度极其高。

• 激光等离子体（LPP）产生EUV光源的办法是激光打击锡金属。高强度激光与靶材的相互作用，使靶材吸收层被加热气化并产生等离子体，由于逆轫致吸收（IBA）等离子体持续被加热，同时释放出超宽光谱辐射。就是锡金属被熔化形成直径只有20微米的液滴，并且在真空环境中自由下落，在下落过程中，首先是193nm的深紫外光，将锡液滴打成云状，紧接着用功率高达20kW的二氧化碳激光器再次击打它，就能激发出EUV。产生EUV有以下要求：

• 1）需要两次光源准确击打到正在自由下落的金属液滴中，激发产生的光转瞬即逝，因此需要每秒钟激发约5万次才能产生连续的光源。

• 2）需要高达20kW 的二氧化碳激光器，所需电源功率达到了200kW，这样高功耗的光所激发的极紫外光的功率大约只有210W，效率一般只有5.5%。

商用化激光等离子体EUV光源双脉冲方案的原理图

2、显示面板加工

（1）激光退火

• 非晶硅沉积的问题：制作屏幕的时候需要将一层薄薄的硅（所有现代固态电子器件的核心半导体）沉积在称为“玻璃基板”的大型面板上；但是制造这层硅的化学气相沉积工艺会产生非晶硅在非晶硅中，单个原子以不规则和无序的方式排列。由非晶硅制成的电路不具备良好的电子特性，这意味着显示屏会更暗，并消耗更多的电池电量。 

• 由于LTPS（低温多晶硅）比传统的TFT-a-Si（非晶硅）更为有序，因此电子可以轻松地通过电路。如果非晶硅是蜿蜒、未铺砌且车道狭窄的道路，则可以将LTPS比作拥有许多车道的高速公路。如果电子迁移率高，则可以更轻松地移动功率和数据，因此LTPS在实现高分辨率，超薄边框和低功率显示方面非常有利。

• 显示屏幕准分子激光退火（ELA）的技术：通过使用ELA工艺将a-Si（非晶硅）TFT转换为LTPS（低温多晶硅）TFT，可以显着提高TFT的性能。由于多晶硅的电子迁移率相比非晶硅约高达 200 倍（而单晶硅的电子迁移率通常至少是多晶硅的两倍）。多晶硅的使用是当前显示屏性能如此出色的一个主要原因。 

显示屏幕准分子激光退火（ELA）工艺示意图

• 制备多晶硅需要做的就是加热非晶硅层，直到熔化，然后迅速冷却，使其再固化成为多晶硅形态。但是硅需要加热到大约600°C才能熔化，而这样的高温以及相关的快速热循环会损坏普通玻璃制成的面板，因此面板需要使用昂贵的耐热型玻璃，这将使显示屏更加昂贵。

• 使用准分子激光器的原因是因为它们是可以产生非常强大的紫外线脉冲的光源。硅强烈吸收紫外线，再加上高脉冲能量，只需几个激光脉冲即可迅速熔化薄硅层。

• 非晶硅i对紫外波段的光有非常高的吸收率硅的高吸收性还可以防止紫外线大量穿透下面的玻璃，或柔性显示屏中的聚酰胺（PI）层。因此，即使硅完全熔化，玻璃本身在ELA 期间也不会变热。所以，ELA可以在标准的低成本玻璃板上进行。

  

非晶硅吸收光谱

• 为了在大型玻璃基板上执行 ELA，准分子激光器发出的光束（通常为矩形）被重新整形为通常与玻璃板宽度相同的细线光束。该细线光束被聚焦到玻璃板上，并沿着整个面板长度进行扫描，以实现所需的硅熔化和再固化。

（2）激光剥离

• 为什么需要做剥离工艺？显示制造商会在更厚、更坚硬的“母板玻璃”上制造显示屏。第一个生产步骤是将薄聚合物层粘合到母板玻璃上。这个聚合物层将成为成品显示屏的基底。接下来，将非晶硅沉积在聚合物层基底上，然后进行准分子激光退火（ELA）、创建驱动电路，最后制作显示屏的其他膜层。在这些工艺即将结束时，将显示屏与母板玻璃分离。如果这个阶段有部件报废，则代价是非常昂贵的。这意味着分离过程务必精准轻柔。

• 第一，分离工艺不能产生任何明显的机械力或应力，因为显示屏极易破碎。

• 第二，该工艺不能让显示屏太过受热，因为这可能会损坏其中的集成电路。 

GaN薄膜从蓝宝石晶片上剥离的LLO工艺示意图

• 激光剥离（LLO）的分离工艺：在使用LLO前，整个面板需要翻过来，让母板玻璃面朝上。然后，高脉冲能量激光，也就是紫外（UV）准分子激光，形成一条细长的线光斑。这条线光斑穿过母板玻璃，将其聚焦在母板玻璃与聚合物薄层基底的交界处。光斑快速扫描整个母板玻璃区域。虽然紫外光穿过玻璃，但被母板玻璃与聚合物之间的粘合剂以及聚合物本身强烈吸收。激光吸收产生的热量几乎将粘合剂立即蒸发，使显示屏与母板玻璃分离。

• 为什么采用准分子激光器剥离？主要有两个原因：

• 首先，相比其他类型的激光器，准分子激光器在紫外波段产生的脉冲能量更高。这种紫外激光被粘合剂强烈吸收，其高功率可以让粘合剂迅速分解。这使得LLO的工艺速度能够满足显示屏生产的要求。

• 此外，准分子激光束有助于形成细长线光斑。再有，它可以转换为高匀化度的平顶光斑，而不是大多数激光器产生的高斯强度分布。平顶光斑可以实现比高斯光斑更大的工艺窗口。确保产线中的LLO工艺能够有效应对激光聚焦位置的微小变化、母板玻璃的微小尺寸误差及翘曲。  

• 激光诱导前向转移技术：在LIFT中，准分子激光器的脉冲从透明临时载体的背面进入。光被缓冲GaN层吸收并使其汽化。这将LED晶圆片推开，并使其附着在附近的显示面板基板上。最后一步是通过键合将LED与面板基板在机械和电气上连接起来。

• 与其他用于制造MicroLED显示屏的大规模转移方法相比，准分子LIFT的优势包括：

• 高精度放置：LIFT可以实现低于1µm的放置精度，这对于生产小型高分辨率显示屏至关重要。这种精度水平确保每个MicroLED都能完美对齐，降低了缺陷像素的风险，从而保证了显示屏的质量。

• 高效快速：LIFT能够迅速可靠地转移数百万个MicroLED，这对于制造商在不牺牲质量的情况下扩大生产规模至关重要。

• 灵活性：由于基于激光的大规模转移可以适应不同的基板和MicroLED尺寸，因此具有灵活性。

3、晶圆检测

• 随着半导体芯片的制程从第一代超过350nm，到如今小于7nm，尤其现如今7nm-130nm制程的芯片占据全部芯片供应的60%-70%。故而对于晶圆缺陷检测的分辨率和精度要求也逐渐提高。要挑战缺陷检测的极限，需要使用波长更短的激光。目前常用的光学测量方法为散射测量法，散射测量法采用激光分析从晶圆表面反射的光模式，从而能够检测到以前无法探测到的细微缺陷。

光刻机UV波段和相对应的检测UV波段的发展历程

• 对于待检测的电路特征或缺陷，光散射的效率取决于光波长与其尺寸之间的相互关系。当特性尺寸远小于光波长时，散射效率会降低，这些特性或缺陷发出的信号会减弱。意味着无法检测到缺陷，至少在大批量半导体制造的相关工艺时间范围内无法检测到。

晶圆激光散射测量示意图

• 目前常用的深紫外检测设备为266nm固体激光检测系统，因为266nm倍频固体激光器是一种稳定、连续振荡、高输出的激光发射。可以很好的消除色差的影响，实现了极低的像差，因为晶圆检测系统的检测效率也是设备的一个重要考量因素，266nm极低的像差大大降低开发一个与之匹配高性能、宽视场的深紫外物镜的技术难度。

附录：激光行业相关政策

• 激光行业作为战略性新兴产业，涉及光通信、激光雷达、激光显示、激光指示与照明、汽车制造、机械加工、航空航天、医疗生物等领域。国家不断出台相关政策对行业的发展进行支持。我国政策规划主要鼓励激光企业通过自主创新掌握核心技术，促进激光技术与高端制造深度融合，构建完善的激光制造产业体系。具体政策汇总如下：