解析半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與技術(shù)流派前景

　　近年來，中國激光產(chǎn)業(yè)獲得了飛速的發(fā)展。中國是活躍的制造業(yè)市場及工業(yè)激光設(shè)備的主要市場，受宏觀經(jīng)濟發(fā)展、制造業(yè)產(chǎn)業(yè)升級、國家政策支持等因素影響，中國工業(yè)激光產(chǎn)業(yè)成為受高度關(guān)注的產(chǎn)業(yè)之一，市場發(fā)展迅速。2015年，中國取代歐洲，首次成為激光器最大的消費市場。

　　半導(dǎo)體激光器市場規(guī)模

　　2013年以來，我國光纖激光器市場規(guī)模逐年增長，CO2激光器市場被逐漸侵蝕，光纖激光器成為工業(yè)激光器最大產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，作為光纖激光器泵浦半導(dǎo)體激光器市場規(guī)模快速擴大，2015年、2016年、2017年是我國半導(dǎo)體激光飛速發(fā)展的3年，2017年以后，由于部分光纖激光器龍頭廠商開始大批量單獨生產(chǎn)LD器件、LD芯片，減少了對半導(dǎo)體激光器泵浦采購。加之國內(nèi)宏觀經(jīng)濟發(fā)展壓力加大，國際貿(mào)易摩擦不斷，半導(dǎo)體激光器市場增速大幅放緩，到2019年，我國半導(dǎo)體激光器市場規(guī)模為19.79億元，同比增長10.6%，2013-2019年年復(fù)合增長率達(dá)到18.17%。

　　數(shù)據(jù)來源：OFweek產(chǎn)業(yè)研究院

　　當(dāng)前國際上從事半導(dǎo)體激光器的企業(yè)有美國的Coherent、nLight、II-VI、Newport、德國TRUMPF、DILAS等。由于國外半導(dǎo)體激光器研發(fā)起步早，產(chǎn)業(yè)化早，技術(shù)積累更深厚，因此其產(chǎn)品占據(jù)較大市場份額。

　　國內(nèi)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)化相對較晚，但隨著應(yīng)用市場的快速擴大，也孕育出一批極具競爭力的企業(yè)，如山東華光光電(1999.11.成立)、西安華科光電(2002.9.成立)、北京凱普林光電(2003.3.成立)、西安炬光科技(2009.9.成立)、蘇州長光華芯(2012.3.成立)等。據(jù)OFweek激光網(wǎng)了解，這幾家企業(yè)2019年銷售額均超過億元。其中，凱普林早期的半導(dǎo)體激光器主要面對海外醫(yī)療及激光制版印刷行業(yè)，從2011年開始逐步成為工業(yè)半導(dǎo)體泵浦源及半導(dǎo)體激光直接加工領(lǐng)域國產(chǎn)替代進(jìn)口品牌的主力軍，其強大的研發(fā)團(tuán)隊及高額的研發(fā)投入為其開拓工業(yè)市場提供了堅實的技術(shù)保障。

　　半導(dǎo)體激光器應(yīng)用日趨廣泛

　　早在20世紀(jì)80年代的時候，半導(dǎo)體激光器還只是應(yīng)用在光存儲和一些小眾應(yīng)用。當(dāng)時，光存儲是半導(dǎo)體激光器行業(yè)的第一個大型應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體激光器技術(shù)不斷創(chuàng)新，推動了注入數(shù)字多功能光盤(DVD)和藍(lán)光光盤(BD)等光存儲技術(shù)的發(fā)展。到20世紀(jì)80年代，光網(wǎng)絡(luò)成為了半導(dǎo)體激光器的主戰(zhàn)場。再后來，半導(dǎo)體激光器又成為通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵加工制造設(shè)備。

　　由于半導(dǎo)體激光器具有制造簡單、易量產(chǎn)、成本低、波長覆蓋范圍廣、體積小、壽命長、能耗低、電光轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點，在CD激光唱片機、光纖通信、光存儲器、激光打印機等獲得廣泛應(yīng)用，逐漸覆蓋了各個光電子學(xué)領(lǐng)域的實用市場。隨著半導(dǎo)體激光器輸出功率逐步提高及輸出特性不斷改善，其在工業(yè)加工領(lǐng)域也逐步開始發(fā)揮作用。除了直接參與工業(yè)加工外，半導(dǎo)體激光器更多應(yīng)用于光纖激光器和固體激光器的泵浦源，與工業(yè)激光市場共同發(fā)展，并隨著光纖激光器的爆發(fā)而迎來新的增長點。

　　受光束質(zhì)量的限制，傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器難以直接用于金屬切割。近年來，隨著半導(dǎo)體耦合技術(shù)的提高，以及新型合束技術(shù)的逐漸成熟，部分千瓦級以上的光纖輸出的半導(dǎo)體激光器，也可以滿足切割對光束質(zhì)量的要求。另外，由于半導(dǎo)體激光器波長的多樣性，短波長的半導(dǎo)體激光器十分接近鋁的波長吸收最大值，因此，在汽車工業(yè)中大功率半導(dǎo)體激光非常適用于鋁材汽車車身的焊接。目前，激光輸出功率為2KW到6KW之間的半導(dǎo)體激光器，在汽車工業(yè)生產(chǎn)過程中已得到了廣泛應(yīng)用。此外，藍(lán)光半導(dǎo)體激光器以其在銅材料方面吸收效率的極大優(yōu)勢，在新能源電池電極焊接、PCB加工等領(lǐng)域受到越來越多的青睞。2020年美國西部光電展上，凱普林推出了445nm，200W的產(chǎn)品，成為國內(nèi)高功率藍(lán)光半導(dǎo)體激光器的代表，與laserline等公司同臺競爭。

　　在材料直接加工領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器光束質(zhì)量難以超越光纖激光器，但在薄板焊接、切割應(yīng)用方面，半導(dǎo)體激光器卻十分適用。高功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展使得許多重要的應(yīng)用成為可能，除用作工業(yè)激光器泵浦源和直接材料加工外，制版印刷，醫(yī)療美容，照明傳感等均成為半導(dǎo)體激光器的重要應(yīng)用市場。

　　兩種技術(shù)流派：單管耦合與巴條耦合

　　目前工業(yè)加工市場已成為半導(dǎo)體激光器的最大市場，而不論是直接加工還是作為泵浦源，半導(dǎo)體激光器的工業(yè)應(yīng)用都離不開光纖耦合。半導(dǎo)體激光器的耦合主要有兩個技術(shù)流派，分別是單管耦合技術(shù)和巴條耦合技術(shù)，這二種技術(shù)本質(zhì)相同卻又各具特點。

　　所謂單管就是我們常說的“激光芯片”。其制作過程與半導(dǎo)體芯片一樣，都要經(jīng)過硅晶圓制造、IC設(shè)計、IC制造、IC封測等一系列過程。最終制成的一小片芯片，即稱為單管半導(dǎo)體激光器。而激光巴條可以看做是多個半導(dǎo)體單管并排形成的激光器單條，稱之為一個bar，實質(zhì)上是在同一基底上構(gòu)建一系列半導(dǎo)體激光器單管而形成的，也可以叫線陣激光器。簡單理解就是，多個單管排列成為一個巴條，而一個巴條又可拆分多個單管。

　　激光單管(左)與激光巴條(右)

　　圖片來源：凱普林

　　激光器單管僅有一個發(fā)光點，易于進(jìn)行光纖耦合，因此常用作光纖激光器的泵浦源(多為中低功率)，能夠有效減少熱效應(yīng)的相互影響，同時易于檢修、維護(hù)、更換，而且高電壓低電流的驅(qū)動電源結(jié)構(gòu)簡單，成本低;而激光巴條由于發(fā)光點多，具有更高的發(fā)光功率，因此常用作大功率光纖激光器、全固態(tài)激光器的泵浦源或直接發(fā)光，在醫(yī)美、軍工等領(lǐng)域也有較多應(yīng)用。目前國內(nèi)的激光器單管最高功率能做到20W，而激光巴條則能實現(xiàn)300W甚至更高功率的輸出。

　　由于光纖激光器的爆發(fā)式增長及工業(yè)市場的巨量需求，單管耦合是目前半導(dǎo)體激光器中應(yīng)用更廣的技術(shù)方案。代表企業(yè)包括美國的Lumentum、nLight，國內(nèi)的凱普林、長光華芯等。而巴條耦合則由于存在散熱、后期維護(hù)等問題，為企業(yè)入局造成較高門檻，代表企業(yè)如德國Dilas、LIMO等。

　　未來走向：兩派技術(shù)各有所長，市場發(fā)展兼容并包

　　隨著半導(dǎo)體激光器在材料加工、泵浦源、醫(yī)療美容、傳感照明等應(yīng)用的廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外半導(dǎo)體激光器制造商之間競爭日趨激烈。領(lǐng)先的公司在產(chǎn)品性能提升、應(yīng)用拓展、性價比提高等方面不斷發(fā)力。多單管耦合技術(shù)與巴條、疊陣直接輸出及巴條耦合技術(shù)，作為半導(dǎo)體激光器技術(shù)發(fā)展的兩條主要技術(shù)路線，一直以來以各自的優(yōu)點，分別在不同的細(xì)分應(yīng)用上獨立發(fā)展。

　　盡管眼下工業(yè)激光市場的泵浦源多采用單管耦合技術(shù)，但巴條、疊陣、巴條耦合在功率上有著先天優(yōu)勢，隨著光纖激光器功率不斷提高，巴條技術(shù)有望獲得更好的發(fā)展前景。此外，半導(dǎo)體激光器在醫(yī)美應(yīng)用、固體激光器泵浦源、高功率直接加工等市場也在飛速發(fā)展，也為巴條技術(shù)帶來更廣闊的發(fā)展空間。實際上這兩種技術(shù)流派各有特點，在應(yīng)用上能夠相互彌補，在增量巨大的市場完全能夠兼容，彼此促進(jìn)，實現(xiàn)共同發(fā)展。對國內(nèi)半導(dǎo)體激光器企業(yè)而言，擴充技術(shù)儲備范圍，對長遠(yuǎn)發(fā)展意義非凡。

　　這一判斷并非空穴來風(fēng)。OFweek激光網(wǎng)了解到，北京凱普林光電便已有所行動。據(jù)悉，凱普林在成熟的單管耦合技術(shù)基礎(chǔ)上，邀請多名歐洲技術(shù)專家加入公司，補足巴條、疊陣、巴條耦合等半導(dǎo)體激光器相關(guān)技術(shù)，其目標(biāo)是在半導(dǎo)體激光器的兩類產(chǎn)品技術(shù)路線都建立優(yōu)勢。

　　凱普林官網(wǎng)顯示，公司致力于高功率激光器系統(tǒng)、器件的研發(fā)及產(chǎn)業(yè)化，目前自有技術(shù)包括高效率光纖耦合技術(shù)、高精度半導(dǎo)體激光芯片封裝技術(shù)、微透鏡設(shè)計/光纖處理/光束整形及整套高可靠半導(dǎo)體激光器商業(yè)化生產(chǎn)工藝技術(shù)，還可為用戶定制特殊規(guī)格的激光器組件/系統(tǒng)或提供OEM服務(wù)。其大功率光纖耦合半導(dǎo)體激光器產(chǎn)銷量位列世界前列。

　　OFweek激光網(wǎng)認(rèn)為，凱普林補齊巴條半導(dǎo)體激光器技術(shù)，或?qū)�對國�?nèi)半導(dǎo)體激光器市場格局產(chǎn)生較大影響。伴隨巨大市場增量的驅(qū)動，凱普林的變革一方面能擴大自身的市場布局、提高市場占有率;另一方面，新技術(shù)的引入也將給整個產(chǎn)業(yè)鏈帶來更多選擇，促進(jìn)整個產(chǎn)業(yè)鏈的良性發(fā)展。中國半導(dǎo)體激光市場，未來值得期待!