超快激光器应用场景与国产化趋势分析

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。

•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；

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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。

表1：激光器根据输出波形分类、特点及应用领域

资料来源：中国产业信息网，OFweek 激光网，天风证券研究所

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本周专题：超快激光器：精密加工应用场景应运而生，快速增长的新兴市场

资料来源：中国产业信息网，天风证券研究所图1：根据不同标准划分的激光器类型

1.1. 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。

图2：2014-2020E全球激光器市场销售收入（亿美元）图3：2015-2019年中国超快激光器市场情况（亿元）

资料来源：2020中国激光产业发展报告、天风证券研究所资料来源：2020中国激光产业发展报告、天风证券研究所

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。

图5：飞秒脉冲激光微加工过程

资料来源：《激光与光电子学进展》2004年第3期，天风证券研究所图4：长脉冲激光加工过程

资料来源：《激光与光电子学进展》2004年第3期，天风证券研究所

1.2. 超快激光器核心优势：真正意义上的冷加工，加工精度卓越

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。图6：脉冲激光技术的发展过程

调Q锁模啁啾CPA

资料来源：OFweek激光网，天风证券研究所

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。 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（1012瓦特）量级。通过这一技术，激光脉冲变得更短，强度变得更高。 正是这项技术的发明，使得超快、超强激光得到了快速发展。

资料来源：中国产业信息网，天风证券研究所

图7：啁啾脉冲放大（CPA ）原理示意图

图8：激光聚焦功率密度的发展历程

资料来源：中国产业信息网，天风证券研究所