第二章 激光晶体行业现状及发展趋势

第一节行业发展历程和发展特点

2.1.1 行业发展历程

激光材料是激光技术发展的核心和基础，意义重大。1960年美国海军休斯试验室的希尔多•梅曼（Theodore H. Maiman）研制成功了世界第一台人造红宝石（Cr3+：A1203）晶体激光器，标志着量子电子学进入了光频阶段；1964年诞生了掺钕的钇铝石榴石晶体（Nd：YAG），激光晶体开始大力发展；80年代可调谐范围为660 - 1100nm的掺钛蓝宝石晶体（Ti：A1203）问世，超短、超快和超强激光已成为可能，飞秒（fs）激光科学技术蓬勃发展、并渗透到各个基础研究和应用学科领域；80年代后期随着作为泵浦源的半导体激光二极管（LD）技术和产品的飞速发展，给激光晶体的研究带来复苏；90年代掺钕的钒酸钇晶体（Nd：YV04）研制成功，使激光晶体的发展进入一个新时期。

激光晶体行业经过40多年的发展，已经渗透到了各个学科与国民经济的各个部门。迄今为止，已研究过的#p#分页标题#e#激光晶体在几百种以上，其中包括氟化物、复合氟化物、氧化物、复合氧化物、无机盐类、自激活、自倍频、色心等系列激光晶体。

目前，世界上使用最多的激光晶体主要有如下几种：

图表 5：主要激光晶体及其基本性能列表

资料来源：********统计整理

2.1.2、行业发展特点

2.1.2.1 行业的发展空间

激光晶体的主要应用领域是固体激光器，作为产生受激辐射跃迁的工作物质，激光晶体中的掺杂离子能级结构决定了激光器的波长，基质的晶格结构及其宏观物理、化学性能决定了激光器的输出性能。可以说，激光晶体在很大程度上左右着固体激光器的发展。因此，在分析激光晶体行业的发展趋势前，有必要对各种类型激光器的特点和技术进展进行简要分析梳理。

激光（Laser）的全名为受激辐射的光放大（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation），是人类二十世纪自然科学的重大发明之一，是自然界并不存在的一种新型光源。与其他光源相比，它具有高亮度、高方向性、高单色性和高相干性四大特点，这四个特点决定了激光技术在科技、工业、军事、医学和日常生活中的广阔应用领域。比如，利用其高亮度和高方向性，人们将激光技术用于工业材料加工、医疗、测距、制导、定向能武器等，而激光的高单色性和高相干性，则使其在通讯、显示、测量、全息等领域大显身手。

按产生激光的工作物质物态的不同，激光器基本可分为五类：固体激光（晶体/玻璃/光纤）、气体激光（原子气体、离子气体、分子气体、准分子气体等）、液体激光（有机染料、无机化合物）、半导体激光、自由电子激光。其中，在实际应用中得到广泛使用的分别是：半导体激光器、所有类型的固体激光器、气体激光中的分子和准分子激光器。如果按激励方式分类，则主要是光泵式、电激励和化学激励等三种，其中，几乎所有的固体和液体激光器，以及少量的气体和半导体激光器采用光泵方式激励，而大部分气体和半导体激光采用电激励方式。

如果按照目前市场销售规模分类，则半导体激光是目前全球使用量和市场规模最大的激光应用，主要用于通讯、存储、显示、医疗、固体激光器泵浦源等领域，而固体激光器和气体激光器次之，其他类型的激光主要是作为科学研究，使用量极其有限。下面我们着重分析在工业加工、军事科研等领域中大量应用的激光晶体固体激光器、光纤固体激光器和气体激光中的CO2激光器。

激光晶体固体激光器，作为众多激光技术研究和工程开发中的佼佼者，主要采用闪光灯泵浦和半导体激光泵浦两种光泵方式，为以YAG系列基质为主的稀土掺杂激光晶体提供能源，常用的输出基波波长为1.06um，能够实现大能量、高功率和高重复频率运转，并可通过串联、主振功率放大（#p#分页标题#e#MOPA）、再生放大、啁啾放大等技术有效提高输出能量水平。在采用调Q、腔倒空、锁模等技术后，可极大的压缩激光脉冲的宽度，实现纳秒、皮秒甚至窄至飞秒级的脉宽，分别提供兆瓦、吉瓦和太瓦级的极高峰值功率。并通过倍频、和频、光参量振荡、拉曼频移等非线性光学技术，实现从200nm紫外到1.5um人眼安全等波长的变换。特别是随着半导体激光器的产业化，采用半导体激光泵浦固体激光技术（DPSSL）的全固态激光器技术飞速发展并日益普及，有效地降低了激光晶体的热效应和使用成本、提高了转换效率，使用端泵、侧泵以及盘片激光泵浦等多种方式，在高光束质量、大能量、高功率方面取得平衡，国外已实现10KW级、国内5KW级的1064nm红外、200W 532nm绿光以及20W 355nm紫外激光的可靠运转。这一系列的特点，决定了采用激光晶体的固体激光器在军事、工业、显示、科研等领域广阔的应用范围和巨大的发展潜力。

光纤激光器是指采用掺稀土元素的玻璃光纤作为增益介质的光波导固体激光器，在通讯用光纤放大器（EDFA）基础上发展而来，均采用半导体激光泵浦技术、大功率双包层光纤作为导光和增益介质、波导结构光纤作为腔镜熔接形成谐振腔，具有泵浦波长匹配简单、效率高、尺寸小、重量轻、成本低、可靠性高、永不失调等优点，特别是由于光纤芯径自身的限制，使光纤激光器比较容易控制光束质量，因而光纤激光器大都具有同等输出功率下较好的光束质量，同时，激光功率的增加可以方便地采用增加光纤长度的办法实现，目前光纤激光器的输出功率已超过千瓦，并可通过光纤合束实现万瓦级输出。在工业加工领域，已开始在多个领域得到应用，如金属打标、雕刻、切割、金属/非金属钻孔、焊接等，同时在激光武器应用方面得到强烈关注。

CO2 激光器是目前应用最广泛的气体激光器，由于气体的可流动性，不会过多受制于增益介质的体积，因此具有平均输出功率高、每瓦成本低、光束质量较好等特点，同时由于激光波长为10.6um，在非金属材料加工方面具有独特的优势，目前CO2激光器绝大多数应用在工业领域，且主要集中于包装、皮革等非金属材料标刻、雕刻等行业的10-30W中小功率射频激励CO2管，和切割、焊接应用的快轴流、慢轴流、横流放电的1KW - 6KW级高功率激光器。

由于波长、激光输出特性的不同，导致上述三种激光器在技术成熟度、发展趋势和市场应用领域各有所不同，简要对比如下

1）技术与发展方面#p#分页标题#e#

固体激光技术是激光发明以来，开发和研究最为全面广泛和成果最为丰富的激光技术，并在理论研究、工程设计、制造工艺、配套元器件甚至专业设计软件等方面形成了完整体系，并继续深化和细化。仅在全固态激光器方面，以应用为牵引，就陆续研发出各种新型结构的半导体激光泵浦技术，如工业、科研中兼具端泵和侧泵优势的薄片激光技术，军事科研领域的热容激光、多程激光放大、板状Nd：YAG角耦合技术，在微加工领域的全固态的深紫外激光倍频技术、工业皮秒激光技术和工艺、飞秒激光技术，在激光显示领域，高效微片三原色激光技术的开发，使显示领域逐步进入一个全新的发展阶段。目前多波长、高效率、高功率和大能量的固体激光器以及飞秒超快脉冲的光与物质相互作用机理和加工工艺研究等均为整个激光界的研究前沿和开发热点。

但随着应用的深入，固体激光器的发展亦存在一些制约因素，如技术难度大、光学分立元件多、调试维护工作量大、热管理困难等，因此，世界著名商用激光器公司：美国Coherent、Newport、JDSU等投入大量资源，研制采用Nd:YAG薄片激光器作种子源、光纤激光作为功率放大以及光子超快光纤做种子源、一到两级Nd：YAG晶体作为能量放大的所谓“混合”泵浦技术，即利用了光纤激光光束质量好的优点，又发挥了激光晶体储能高、能量大的特色。另外，按照工业标准化制造流程，开发各种免调试、集成制造等专利工艺技术，以增强固体激光器的可靠性和免维护性。

CO2激光器由于平均输出功率高，原理技术成熟，研究开发的热点主要集中在激光器制造工艺、可靠性工程设计、提高运行寿命、加工工艺研究以及降低成本等方面，近30年来，CO2激光器件的有关工艺技术在国外已达到相当高的水平，如德国的TRUMPH、ROFIN-SINAR等公司的工业级CO2激光器输出功率可达到6KW，美国的Coherent、Synard公司的100W以下功率激光器一次充气寿命可达到8000小时，但国内在这些方面差距较大，目前国产高功率CO2激光器输出功率为3KW，#p#分页标题#e#100W以下的射频激励CO2激光器工艺技术尚未过关，无法提供商用。同时，CO2激光器的红外波长使之无法有效采用光纤传输，这于目前强调柔性化、灵活制造的趋势不符，是其与固体激光和光纤激光竞争时的一大主要劣势。随着全固态激光和光纤激光技术的崛起和发展，在部分领域已开始取代CO2激光器，如聚合物加工、塑料/金属焊接、金属切割、表面处理等应用中。

光纤激光器技术被誉为第三代的固体激光技术，在光束质量、高效、稳定性和小体积等方面有着极强的技术优势。光纤激光器本质上有别于其它类型的激光器：在光纤激光器中，产生激光的激活介质实际上散布在光纤自身内部。这一特点将其与通过光纤传导的固体激光器区别开来，后者只是简单地将光束从激光谐振腔通过光纤传输到导光元件上。随着高功率双包层光纤技术的突破，使光纤激光器输出功率达到单束KW级输出。光子光纤的出现，又使光纤激光技术向超快和超连续谱输出等前沿科学研究领域迈进。如世界最大的专业光纤激光器公司：美国IPG公司已可提供高达数千瓦级功率的激光器，并通过并联将多模光纤激光器的输出功率放大至50千瓦以上，同时通过借鉴固体激光中的MOPA技术，实现数十毫焦量级的纳秒脉冲能量输出。目前，光纤激光技术已得到飞速发展，并在激光加工(laser oem)、光通讯、生物技术、军事等领域得到高度重视和发展，开始侵蚀或部分取代全固态激光器和CO2激光器传统应用的市场份额。

但是，光纤激光技术自身也存在不少制约其发展的问题，其中最关键的是光纤激光无法提供较大脉冲能量和高峰值功率输出，由于玻璃光纤的芯径和物理性质限制、热负荷以及低增益特点，大能量激光将导致自身的损毁，同时随着输出功率的提升，光纤将产生光致吸收效应和受激拉曼散射（SRS）的影响，严重影响激光器的运转性能。另外一个不容忽视的问题是，目前全球光纤激光技术和产品工艺技术主要掌握在美国IPG和英国SPI公司手中，由于专利的保护，使其处于事实上的技术和市场垄断地位，这并不有利于光纤激光技术的进一步发展。

总之，三种类型的激光器不论在技术上，还是在应用上，即相互竞争，又互相借鉴融合，共同促进了激光产业的发展。

2）市场应用方面

自第一台红宝石激光器问世，固体激光器就一直占据了激光器发展的主导地位，特别是在20世纪80年代出现的半导体激光器以及在此基础上出现的全固化固体激光器更因为体积小、重量轻、效率高、性能稳定、可靠性好和寿命长等优点，逐渐成为光电行业中最具发展前途的领域。目前世界范围内销售的商品固体激光器已有#p#分页标题#e#500余种，但从1998年开始，固体激光器中的Nd:YAG激光器的市场占有率和销售额已升为第一位。近年来由于大功率激光二极管制造工艺的成熟和生产成本的降低，使二极管泵浦固体激光器的研究得到了飞快的发展，且已正式进入商品化。世界著名的激光公司Rofin-Sinar所销售的激光工业加工设备中60％已是二极管泵浦的固体激光器。

根据《Laser Focus World》报道，2002年全球商用激光器产值为43亿美元，其中，非二极管激光市场为44%，预计2003年全球商用激光产值48亿美元，其中非二极管激光市场占领41%。表一、二和三分别给出了近几年来全球商用激光市场的情况。可以看出，在全固化固体激光器中，二极管泵浦固体激光器仍然占主导地位。从2002年的销售到2003年的销售预测来看，全球非二极管激光产值平均增长为5.9%，灯泵浦固体激光器增长为5.83%，而二极管泵浦固体激光器增长却高达12%，表明全固化固体激光器正快速增长，逐步在市场中成为主导产品。表四给出了1999-2001年国内激光产品的销售情况，可以看出，固体激光器销售额远大于气体激光器的销售额，但全固化固体激光器的销售额未见报道，其研究和开发还远落后于世界水平，其主要原因应归咎于我国大功率半导体激光器水平的落后。

表一、 全球商用激光器市场（亿美元）

表二、 全球二极管激光在全固化固体激光器中的应用（美元）

表三、全球非二极管激光器市场

表四、1999-2001年全国激光产品销售额按主要激光器件分类统计（万元人民币）

以下两图是#p#分页标题#e#2005年全球工业激光的销售和应用分布

随着上述三种激光器技术和工艺的成熟，激光在各领域的应用日益普及，特别是在激光加工(laser oem)、光通讯、激光武器等领域。由于具有能量集中、易于操作、柔性高、高效率、高质量、节能环保等突出优点，激光加工(laser oem)技术迅速在汽车、电子、航空航天、机械、冶金、铁路、船舶等工业部门广泛普及，几乎涵盖了国民经济的所有领域，被誉为“制造系统共同的加工手段”。

如今在市场销售份额中，固体激光器的应用数量是最高的，其次是CO2和光纤激光器。在销售金额中，则CO2激光器最高、固体激光和光纤次之。从增长速率看，光纤激光由于基数较低，近年来增长速度惊人，即使2009年全行业下滑时，它仍增长约70%，其次是全固态固体激光器，基本保持20%左右的增长率，而CO2激光器销售增长则相对稳定，约在5-10%之间。

作为激光技术的后起之秀，光纤激光器正全面进入激光应用最重要的激光加工(laser oem)领域，根据LFW和ILS的数据，光纤激光器、灯泵固体激光和全固态激光在加工领域的销售数量上比率是4:3.1:2.9；但是工业大功率激光的中高端市场：激光钣金切割/焊接应用领域：CO2激光、灯泵、光纤、全固态的平均销售价格分别是15:6.5:2.9:2.2万美元。在加工系统的客户端，客户更关注的是激光的加工效果、效率、价格和使用成本等因素，而对具体采用何种激光技术并不重视，这就需要加工系统供应商综合平衡可行性、效率、利润后再选择使用何种激光器。因此，尽管光纤激光在这一应用中具有技术优势，但实际使用中仍然更多地采用CO2、全固态甚至灯泵激光。在激光焊接领域，由于过高的光束质量导致激光焦点能量太过集中，容易使焊接过程变成穿孔，效果反而不如光束质量较差的灯泵Nd：YAG固体激光器，这一现象在激光打标领域也有体现，如，光纤激光器光束质量极好，非常有利于精细标刻，但却因此带来焦深的缩短，不利于非平面工件的高速打标或对工作平台提出过高要求，另外，由于光纤端面显而易见的脆弱性，加工时的材料后向反射容易损伤光纤自身，导致光纤激光的免维护特性变成无法维护，这大大限制了光纤激光器在金属打标市场的应用。

#p#分页标题#e#另一个对光纤激光应用不利的因素则来自于公司战略，由于目前商用光纤激光技术，特别是大功率双包层光纤技术和工艺，把持在极少数的1-2家公司中，导致系统利润更多地集中于激光器，而不是加工系统，使得众多系统集成供应商采用光纤激光技术的意愿不强烈，尤其是类似德国TRUMPH、ROFINE-SINAR等工业加工巨头，宁愿自己投资开发全固态的盘片激光技术和器件以及完善高功率CO2激光器，而不是采购IPG公司的高功率光纤激光器，从IPG公司和整个光纤激光器的销售数据就见端倪，如2005年全球光纤激光器销售额1.23亿美元，IPG一家公司即占去0.94亿美元，可见其市场垄断地区。可以预见，如果这一现象不能改观，加上光纤激光固有的一些技术劣势，将会大大阻碍光纤激光技术的推广和普及。