2021年9月14-18日
数控机床与金属加工展
机床、金属板材及管材加工、模具制造和工具的国际盛会
汉诺威米兰展览(上海)有限公司
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新闻与媒体
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最新报告:超快激光市场前景及国内外格局分析
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激光器可以根据工作物质、输出波长、功率大小和输出波形进行划分。根据输出波形,可将激光器分为连续激光器、准连续激光器以及脉冲激光器。


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资料来源:中国产业信息网,天风证券研究所


连续激光器:以多模连续光纤激光器为代表,占据了当前工业市场的大部分份额,其特点是连续输出稳定波形,常应用于激 光切割、激光焊接以及激光熔覆;


准连续激光器:又称长脉冲,其特点是介于连续激光器和脉冲激光器之间,具有比连续光高十倍以上的峰值功率,可在一定周期内重复输出比较高能量的激光,常应用于激光钻孔及热处理;


脉冲激光器:以脉冲形式输出能量,根据脉冲宽度,脉冲激光器可进一步分为毫秒激光器、微秒激光器、纳秒激光器、皮秒 激光器及飞秒激光器等,其特点是加工精度高,且脉宽越窄,加工精度越高,常应用于激光标刻、非金属材料加工、医疗及 航空航天等。


超快激光器是指输出激光的脉冲宽度在皮秒(10^-12)级别、或小于皮秒级别的脉冲激光器。


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超快激光器复合增速远高于激光器整体增速


2019年全球激光器产业市场规模:2019年全球激光器销售额为147.3亿美元,相比2018年的137.6亿 美元销售额同比增长9.9个百分点。中美贸易战得到一定程度缓和,激光产品进出口表现出复出迹象。2019年激光器在科研和军事市场持续扩张,增长率达到21%以上。


中国激光产业市场规模:2019年中国激光器市场虽然有所增长但与前两年相比增速开始放缓。工业、信息、商业、医学和科研领域的激光设备市场销售总收入为658亿元,较2018年同比增长了8.8个百分点。


超快激光器成为近年来激光市场上最突出的增长点,2015-2019年复合增速为70.5%,而全球激光器市场2015-2019年复合增速仅为11%。2019年国内从事超快激光器研发生产的企业超过25家,2019年市 场空间达到24.5亿元,已成长为相当于国内光纤激光器收入体量30%的市场。


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资料来源:2020中国激光产业发展报告、天风证券研究所


超快激光器核心优势:真正意义上的冷加工,加工精度卓越


传统激光加工处理:起源于入射光子-受激电子-声子转化而成的热能,材料通过固态-液态-气态的三相热熔过程得到逐步去除,并且其中的热扩散过程会影响加工处理的质量。


热扩散对激光加工的影响:
• 从作用区域内不断地抽取其中的能量,降低了激光加工效率;
• 降低了激光聚焦点的温度,使得该点温度无法远大于材料的熔点温度,而仅处于熔融状态;
• 降低了激光微加工的精确度;
• 影响到环绕工作点附近的一大片区域,造成机械应力;
• 有时会造成表面冲击波的形成,损坏周围的材料结构。


超快激光加工处理:激光与物质的作用实际上被“冻结”在电子受激吸收和储存能量的过程,在根本上避免了能量的转移、转化以及热能的存在和热扩散造成的影响。


超快激光作用时间有效缩短, 也使因热传导作用而影响的热效应体积减小了很多。这不仅极大地提高了加工的精度, 同时也 实现了真正意义上的“冷”加工。


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资料来源:《激光与光电学进展》2004年第3版、天风证券研究所


超快激光器:CPA技术——超快激光发展里程碑


1960年,第一台激光器--红宝石激光器问世为超快过程的研究打开了门户,随后调Q技术、锁模技术以及啁啾CPA压缩技 术的出现,使得超快过程经历并实现了纳秒(1ns=10-9s)、皮秒(1ps=10-12s)、飞秒(1fs=10-15s)和阿秒(1as=10-18s)的发展过程。


调Q技术:是指调节激光器的Q值的技术。在激光器泵浦的初期,把谐振腔的Q值调得很低,使激光器暂时不满足振荡条件,在泵浦脉冲的激励下获得很高的粒子数密度时,再迅速调大谐振腔的Q值,此时反转粒子数密度远大于阈值反转粒子数密度,激光振荡迅速建立并达到很高的峰值功率,同时反转粒子数迅速被耗尽,脉冲很快结束,这样就获得了具有窄脉冲宽度和大峰值功率的激光脉冲。利用调Q技术能够建立纳秒脉冲的输出。


锁模技术:是激光器产生超短脉冲的重要技术。激光器光腔内存在多种模式的激光脉冲,当这些模式相互间的相位实现相长干涉时才产生激光超短脉冲或称锁模脉冲输出。锁模一般分为两类:一类是主动锁模,另一类是被动锁模。前者是从外部向激光器输入信号周期性地调制激光器的增益或损耗,达到锁模;后者则采用饱和吸收器(例如一片薄的半导体膜),利用其非线性吸收达到锁定相对相位,产生超短脉冲输出。


通过调Q和锁模等超快激光技术已经可以将激光脉冲从毫秒量级提高到纳秒、皮秒量级。但是,直接放大激光脉冲的能量,进一步提高峰值功率遇到了难以逾越的瓶颈:(1)直接放大过程中,激光脉冲的超高峰值功率密度极易损坏放大器中增益介质和其他透射式光学元器件;(2)直接放大的激光脉冲时间尺度太短,不利于高效吸收放大增益介质中的全部能量。


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啁啾脉冲放大技术诞生后,有效地解决了技术瓶颈,对激光科学产生了极具革命性的影响。


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资料来源:中国产业信息网、天风证券研究所


这一技术的原理大体上可以表述为:将一段短脉冲在时域上展宽,然后放大,再进行压缩。当脉冲展宽时,功率的极值会变得非常低,因此,即便放大到很高的倍数,也不会烧毁放大器;然后,再在时域上对脉冲进行压缩,可以极大增强脉冲的强度。使用这项技术后,脉冲可以 短到飞秒(10^-15秒)量级,功率可以达到太瓦(10^12瓦特)量级。通过这一技术,激光脉冲变得更短,强度变得更高。


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资料来源:中国产业信息网,天风证券研究所


正是这项技术的发明,使得超快、超强激光得到了快速发展。


超快激光器应用领域1——脆性材料微加工


超快激光器的应用范围需要厘清,总结而言,其尤其适合脆性非金属材料加工(由波长决定,超快一般为紫外等)以及金属薄片加工(超快也会有红外,目前成本较高)。


激光焊接:超快激光器使普通激光难以焊接的特殊材料,如玻璃、陶瓷等实现焊接技术革新和突破。


举例:飞秒激光玻璃焊接:电子元器件之间的微连接为大难题,传统的胶水粘合虽然可以实现多种材料之间的连接,但其易老化、热解、易受热膨胀等缺点使得产品的可靠性难以保证;普通长脉冲激光的能量不易被玻璃吸收而且热膨胀易使玻璃碎 裂,并不适合微焊接玻璃等透明材料。超短脉冲激光与透明材料相互作用具有热效应小及非线性吸收的特点,非常适合透明材料的微焊接,其原理是将高强度的飞秒激光聚焦在两块透明玻璃材料的分界面处,界面处的玻璃经历熔化以及再凝结等过 程,最终使得两块玻璃牢固的结合在一起。


激光切割:激光切割:超快激光器不断挑战业界最高水准的切割效率,切割质量优于其他激光,满足更多潜在行业的应用需求。


举例:全面屏切割:传统切割方法的机械刀轮在异形切割时开始暴露出切割速度慢、精度低、存在较大毛边损伤等问题,激光切割在上述方面优势明显,但仍然存在一定热影响,超快激光器的激光脉宽进一步缩短,可以使用更小的能量将玻璃切开,从而对玻璃损伤更小。其他切割:面板制造中OLED偏光片的切割、LED晶片切割等。




其他激光微加工:蓝宝石和陶瓷是普遍应用于微加工技术和精细加工的材料,然后由于其质地坚硬,对热敏感,传统制造工艺很难完成,需要通过超快激光器进行微加工处理。


蓝宝石凹槽铣削:蓝宝石是地球上仅此于钻石第二坚硬的材料,很难用机械的方法来加工,需要用激光 器来切割蓝宝石。


陶瓷加工:陶瓷材料塑性变小、材料脆性大、易产生裂纹,扩展至脆性断裂,所以在切削加工过程中会 造成崩豁现象,甚至于整个工件报废。通过超快激光器可以完成陶瓷加工精细化处理,减少裂纹产生。


光伏电池图案蚀刻:超快激光在光伏电池的制造中应用空间广阔。例如在CIGS薄膜电池的制造中,超快激光可替代原有的机械划线工艺,显著改善划线质量,尤其是对于P2、P3划线环节,可以做到几乎没有崩边现象,也没有裂纹和残余应力。


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飞秒激光金属箔切割:飞秒激光切割机是指采用脉冲激光时间为飞秒段的超快激光,其加工特性在于对材料的热影响小,与材料作用时间超短,在某些材料上低于材料分子间的布朗运动时间,因此热影响超小,也就不会造成超薄金属材料变形、产生毛刺、颗粒粉尘等。


激光金属蚀刻,打标相比普通激光器,超快激光器可以进行更精准的蚀刻及标记,更耐腐蚀。


激光表面处理:激光表面处理是一种烧蚀过程,在该过程中,材料表面吸收聚焦的激光能量来实现良好的修复、修饰效果。主要应用包括去除金属、玻璃和复合板上的油漆、粘合剂、氧化物、油污 和脱模等。


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航空领域:


为提高涡轮叶片的性能和使用寿命,进而提高发动机的性能,需要采用气膜冷却技术,这对气膜孔加工技术提 出了极高的要求,2018年西安光机所开发出国内最高单 脉冲能量的26瓦工业级飞秒光纤激光器,并研制出系列 化超快激光极端制造装备,实现了航空发动机涡轮叶片 气膜孔的“冷加工”突破,填补了国内空白,这种加工 方法较电火花加工等方法精度更高,成品率大大提升。


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超快激光还可应用于纤维增强复合材料的精密加工,加工精度的提升,有助于碳纤维等复合材料在航空航天等 高端领域的应用拓展。


医疗领域:


飞秒激光视力矫正:在众多的近视矫正术中,全飞秒激光手术已经成为主流治疗近视眼的方法,与传统的准分子激光手术相比,全飞秒激光手术具有手术准确度高、无明显疼痛感、术后视觉效果好等优势。


心脏支架切割:由于心脏支架壁管极薄,通常采用激光加工代替常规的机械加工。但是,使用普通激光通过烧蚀融化来加工,这样加工的心脏支架存在毛刺多、切槽宽度不统一、表面烧蚀严重、筋宽不均匀等一系列问题。近年来,国外企业已经开始采用飞秒激光进 行支架切割。


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在医疗美容方面,超快激光可用于去除色素和原生痣、去除纹身等,也可以用来改善肌肤的衰老情况。

竞争格局:超快激光器国产化空间广阔


超快激光器市场竞争格局:中国的超快激光器产业化起步较晚,目前市场多以外国激光器为主,国内仍以纳米紫外(不是真正意义上的超快)为主,但随着超快激光市场需求的扩大,国内激光技术的不断突破与成熟,截止2019年底我国共有规模以上超快激光器研发、生产企业25家。

国外超快激光器龙头企业:


IPG光电:公司是最大的超快激光器系统生产商,经过二十多年的发展逐步形成了光纤激光器上游产业链的垂直整合,如:增益光纤、半导体泵浦源、光纤元器件等,公司主营产品包括高、中、低功率连续激光器、脉冲激光器等。


Coherent(相干):全世界最大、最全面的超快激光器系统生产商,于1970年在美国纳斯达克市场上市,公司作为全球最大的激光仪器生产商,产品覆盖科研、医疗、工业加工等多个行业。


德国通快:创立于1923年,工业生产领域机床与激光器的市 场及技术领导者,全球领先的机床制造厂商之一,在机床、激光技术以及电子领域提供生产解决方案。


国内超快激光器主要企业:


大族激光:亚洲第一、世界领先的工业激光加工设备生产厂商。一直致力于推进皮秒和飞秒激光器的国产化,截止2019年底已实现100余台超快激光器销售。


锐科激光:公司是全球第三家研发光纤激光器并规模生产批量销售的公司,公司已掌握光纤激光器及其核心器件和材料的关键技术,实现了光纤激光器上游产业链的垂直整合,公司主营产品包括连续光纤激光器、脉冲光纤激光器等。



来源:天风证券 邹润芳
转载自:激光制造网