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抓住新机遇——超快激光,激光领域的下一个突破点

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随着以工业 4.0 位代表的新一轮科技革命和产业变革的兴起,加快转变经济发展方式也愈发成为时代任务。人民日报于 5 月 23 日刊文称:“国际国内形势的变化对改革开放提出了新的更高要求。抓住机遇,让改革之路走得更快、开放之门开得更大,就能以改革开放新突破推动社会生产力实现大跃升。”

一、超快激光器概述

超快激光是精密加工领域新一代主流技术:超快激光器是输出激光的脉冲宽度在皮秒(10-12 秒)级别、或小于皮秒级别的脉冲激光器,根据输出激光的脉宽不同,超快激光器又可分为皮秒激光器、飞秒激光器、阿秒激光器等。超快激光是能量激光领域最重要的技术方向之一,作为一种新兴的材料加工技术手段,在加工精度方面有着显著优势。

随着技术的逐渐成熟和成本不断下降,超快激光市场有望在未来几年迎来爆发。应用场景不断落地,市场快速增长: 超快激光是激光行业增长最快的细分领域之一,未来有望广泛的应用于医疗生物、航空航天、消费电子、照明显示、能源环境、精密机械等行业。

由于特性的不同,高功率连续激光器、非超快的脉冲激光器和超快激光器在下游应用领域上有较大差别。

高功率连续激光器(以及准连续激光器):主要应用于金属材料的切割、烧结、焊接、表面熔敷、打孔、金属 3D 打印等。

非超快脉冲激光器:非金属材料的打标、硅材料的加工、金属的表面雕刻、金属表面清洗、金属的精密焊接、金属的微加工等。

超快激光器:玻璃、PET 及蓝宝石等透明材料和硬脆材料的切割和焊接、精密打标、眼科手术、材料的微观钝化及刻蚀等。

从用途来看,高功率连续激光器和超快激光器几乎不存在相互替代的关系,然而非超快脉冲激光器的下游应用与连续激光器和超快激光器都分别有一些重合,这意味着超快激光器拥有一条不同的跑道。

二、竞争格局初步明朗,客观环境给力国产研发

从国内用户的视角来看,超快激光器的供应商可分为两类:一类是以通快、相干、NKT、光谱物理等为代表的海外激光器厂商,另一类是近几年快速追赶的国内厂商, 如华日、英诺、安阳、贝林等。目前基本的竞争态势是, 国外激光器厂商在市场和技术上占有先发优势,占据了国内 80% 以上的市场份额,但国内供应商进步迅速,进口替代初露苗头,这与高功率光纤激光器的国产替代前期特征十分相似。

尤其在中美贸易开战之后,人民日报发表评论称:“美国严格限制向我国出口技术, 虽然会给我们带来困难,但我国已具备进一步提升创新能力的基础和条件,可以发挥制度优势和市场优势,在关键核心技术创新上取得突破。”

结合客观背景,由已知的条件中,我们可以得出,相比海外的超快激光器制造商,国内厂商至少有以下 4 方面优势:

(1)中国全球最大的 3C 产品的生产基地,超快激光高精度的特点,尤其适用于 3C 产品的制造,不消多时,中国将是超快激光器最大的应用市场;

(2)中国拥有全球最完整的工业体系:经过几十年的发展,我国形成了从上游材料到下游应用的完整工业体系, 为超快激光器的产业化提供了良好的土壤;

(3)高端人才的回流:在激光行业,高端人才的回流在加速,这为超快激光的技术突破打下了人才基础。

(4)政策支持,激光技术一直位列国家号召扶持的高新技术名单之中。超快激光器的国产化过程与高功率 激光器有着很大的相似性,随着超快激光应用场景不断成熟落地,有望复制高功率光纤激光器进口替代的道路。

三、消费需求多样化,市场前景可期

超快激光精密加工有两大特点。一是“冷加工”。传统的激光加工术(包括纳米激光)往往会使金属、玻璃等加工原材料受热熔化。皮秒(一皮秒等于 1000 飞秒)和飞秒激光产生的局部高温可达 6000 摄氏度,比太阳表面温度还高, 受作用材料表面来不及产生热扩散就被直接汽化。二是“超精细”。超快激光能够聚焦到超细微空间区域,同时具有极高峰值功率和极短的激光脉冲,加工时切面整齐、无微裂纹、无材料损伤、无熔融区域。

超快激光器,凭借自身特殊的优势, 越来越多地应用于以下行业之中:

1. 医疗美容:超快激光一般用于眼科医疗手术设备和美容仪器。飞秒激光 被用于近视手术,近视患者的眼轴大于正常眼轴,使得在眼球调节松弛状态下, 光线进入眼球后屈光系统折射的焦点落 在视网膜之前。飞秒激光手术除去眼轴维度上多余的肌肉,使光线落点的距离 恢复正常。飞秒激光手术准确、安全、 稳定、手术时间短、舒适性高等优点, 已经成为当前最主流的近视手术治疗手段之一。在美容方面,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,其应用“光子嫩肤”在市场上极受女性青睐。

2. 消费电子:超快激光适用于消费电子制造过程中的硬脆透明材料加工、 薄膜加工、精密打标等。纳秒紫外激光 和超快激光是目前切割蓝宝石的主要技术手段,超快激光的加工效果比紫外纳秒激光更好。蓝宝石的硬度高,脆性大, 使用传统的机械加工方式效率和良品率很低,蓝宝石现在已经广泛的应用于智能手表、手机摄像头盖板、指纹模组盖板等,带给超快激光极大的市场机遇。 此外,摄像头模组、指纹模组使用的加 工方式,也以纳秒和皮秒激光为主。未来柔性手机屏(可折叠屏)的切割、及对应的 3D 玻璃钻孔,超快激光也极大可能地会成为主流解决方案。

3. 显示照明:超快激光在显示照明领域的应用主要是指 LED 晶片的划线和切割,这也是超快激光适合硬脆材料加工的又一例证,超快激光加工的截面平整度高,崩边显著减少,效率和精度都大大提升。

4. 航空航天: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。

四、结语

截至目前,超快激光器市场仍以依赖国外进口为主, NKT、MKS、通快、相干等技术优势明显,但价格较贵。 NKT 是全球光纤超快激光器的领导者,历史悠久;MKS 收 购 Femtolaser 和 HighQ 后,超快激光器实力大增;通快则是通过收购大通激光、Amphos 等超快激光器公司,成为全品类激光器齐全的供应商;相干则通过收购 Lumera、 Raydiance、Filaser 成为全球超快激光器领导者。

2019 年 6 月 5 日晚,锐科激光官方微信发文称,完成对国神光电 51% 的股权收购,成为国神光电的控股股东, 这意味着国产激光器龙头企业锐科激光正式涉足超快激光领域。

而早在三月慕尼黑光博会期间,锐科激光曾发布公告称,拟与国神光电科技(上海)有限公司就技术、产品等开展合作,双方正在对锐科激光拟通过自有或自筹资金收购周士安、胡雪原等 9 位股东部分股权事项进行洽谈。同期, 锐科激光与国神光电联合设计推出的,主要应用于 3C 行业、 5G、OLED 及医疗、精密材料微加工领域的三款超快激光器:100 W 红外皮秒激光器、20 W 紫外皮秒激光器和 20 W 红外飞秒激光器,也是夺得了众多参展人员的眼球。随着锐科激光的加入布局,更是意味着超快激光的发展前景愈发明朗。

超快激光器的国产化过程与高功率激光器一定程度上具有极大的相似性,随着超快激光应用场景不断成熟落地,有望复制高功率光纤激光器进口替代的道路。凭借市场空间大、 技术壁垒高的特质,超快激光器很有可能越来越成为工业的焦点。

2019年8月2日 16:42
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