光纖激光器研發(fā)新突破！非工業(yè)市場存在巨大潛力

加拿大拉瓦爾大學(xué)科學(xué)家開發(fā)出了第一臺可在電磁光譜的可見光范圍內(nèi)產(chǎn)生飛秒脈沖的光纖激光器，這種能產(chǎn)生超短、明亮可見波長脈沖的激光器可廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、材料加工等領(lǐng)域。

通常產(chǎn)生可見光飛秒脈沖的設(shè)備復(fù)雜且低效，光纖激光器則擁有穩(wěn)定可靠、占地面積小、效率高、成本低、亮度高等優(yōu)點，是一種非常有前途的替代方案。但迄今為止，這種激光器還無法直接產(chǎn)生持續(xù)時間在飛秒（10-15秒）范圍內(nèi)的可見光脈沖。

研究團隊負責(zé)人睿爾·瓦雷表示，他們研制出了首臺能在可見光范圍內(nèi)工作的飛秒光纖激光器。該激光器基于鑭系元素摻雜的氟化物光纖，能發(fā)射635納米的紅光，實現(xiàn)了持續(xù)時間為168飛秒、峰值功率為0.73千瓦、重復(fù)頻率為137兆赫茲的壓縮脈沖。而且，他們在設(shè)備中使用商用藍色激光二極管作為能量光源，使整體設(shè)計更加堅固、緊湊且具有成本效益。

研究團隊指出，如果在不久的將來能夠獲得更高的能量和功率，可廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。潛在應(yīng)用包括高精度、高質(zhì)量的生物組織消融和雙光子激發(fā)顯微鏡。此外，飛秒激光脈沖還可在材料加工過程中對其進行冷消融，鑒于這一過程不會產(chǎn)生熱效應(yīng)，因此在進行切割時比用更長的脈沖更加清潔。

接下來，研究人員計劃改進這項技術(shù)，使裝置完全單片化，這意味著各個光纖光學(xué)組件都將直接互連，將減少裝置的光學(xué)損耗，提高效率，進一步提高激光器的可靠、緊湊和堅固性。他們還在研究提高激光脈沖能量、脈沖持續(xù)時間和平均功率的不同途徑。


什么是光纖激光器？

光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器。

光纖激光器的工作原理和其他激光器一樣，它是由能產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)(摻雜光纖)，使光子得到反饋并在增益介質(zhì)中進行諧振放大的光學(xué)諧振腔和激勵光子躍遷的泵浦源三部分組成。由泵浦源發(fā)出的泵浦光通過一面反射鏡耦合進入增益介質(zhì)中，由于增益介質(zhì)為摻稀土元素光纖，因此泵浦光被吸收，吸收了光子能量的稀土離子發(fā)生能級躍遷并實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)后的粒子經(jīng)過諧振腔，由激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)，釋放能量，并形成穩(wěn)定的激光輸出。

光纖具有很高的“表面積/體積”比，散熱效果好，能在不加強制冷卻的情況下連續(xù)工作。

光纖作為導(dǎo)波介質(zhì)，纖芯直徑小，纖內(nèi)易形成高功率密度，因此光纖激光器具有較高的轉(zhuǎn)換效率、較低的闕值、較高的增益、較窄的線寬，與光纖耦合損耗小。

由于光纖具有很好的柔韌性，因此光纖激光器具有小巧靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，性價比較高，且易于系統(tǒng)集成的特點。

光纖還具有相當多的可調(diào)諧參數(shù)和選擇性，能獲得相當寬的調(diào)諧范圍、好的色散性和穩(wěn)定性。

工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用仍為主流，非工業(yè)領(lǐng)域市場存在巨大潛力

我國光纖激光器市場增長迅速，工業(yè)領(lǐng)域為光纖激光器下游主要應(yīng)用領(lǐng)域，占比高達62%。相較于其它類型的激光器，光纖激光器具有使用成本較低、精密加工能力強、停機修整時間短等優(yōu)勢，應(yīng)用在大規(guī)模增長的激光切割、打標、焊接等工業(yè)精細加工領(lǐng)域作業(yè)可謂是再合適不過的了。近年來，工業(yè)應(yīng)用中光纖激光器占比逐步提升，已經(jīng)成為工業(yè)應(yīng)用首選激光器，其次為信息領(lǐng)域激光設(shè)備市場，占比達22%；商業(yè)領(lǐng)域占比7%，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域占比4%，科研領(lǐng)域占比5%。

除此之外，光纖激光器在非工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用市場也存在巨大潛力。以醫(yī)療方面為例，大功率光纖激光器的引進，使組織脫落和光致凝結(jié)手術(shù)的時間大大縮短。在眼科手術(shù)中，連續(xù)摻銩光纖激光器能使角膜成形手術(shù)成功率更高，同時還可以治療遠視、近視等眼科疾病。在心血管手術(shù)中，利用光纖的柔韌性和光纖激光器光束質(zhì)量好，可以使光纖進入人體內(nèi)排除腫瘤。在整形美容手術(shù)中，2m波長光纖激光器在治療皮膚癌和去紋身方面已取得了良好效果。另外，功率超過幾瓦的摻銩光纖激光器則在顯微外科手術(shù)中扮演了十分重要的角色，它能為外科手術(shù)提供較大的高能輻射，同時在紅外保健方面也有著應(yīng)用空間。預(yù)計未來非工業(yè)激光設(shè)備應(yīng)用規(guī)模將有望超過工業(yè)設(shè)備應(yīng)用，占比較大且增長較快的非工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域主要包括醫(yī)療、傳感器與儀器、微電子加工等下游領(lǐng)域。

與傳統(tǒng)工業(yè)加工制造領(lǐng)域相比，這類非工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用市場細分領(lǐng)域眾多，沒有通用的產(chǎn)品，功率也不再是唯一的關(guān)鍵指標，必須根據(jù)具體應(yīng)用場景開發(fā)與之匹配的產(chǎn)品，因此定制化的產(chǎn)品研發(fā)必然成為企業(yè)發(fā)展方向。


國產(chǎn)化滲透率快速增長

中低功率光纖激光器已基本實現(xiàn)全面國產(chǎn)化

光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器。隨著中國制造業(yè)逐步向高端化、智能化轉(zhuǎn)型升級，光纖激光器在工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)制造的各個環(huán)節(jié)滲透率不斷攀升。2022年中國光纖激光器市場銷售數(shù)量持續(xù)攀升，但整體經(jīng)濟面臨需求收縮、供給沖擊、預(yù)期轉(zhuǎn)弱的三重壓力，我國光纖激光器市場規(guī)模下降至122.6億元，同比下降1.8%。隨著新賽道的打開和多款新產(chǎn)品投產(chǎn)，中商產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測，2023年整個市場將恢復(fù)正增長，市場規(guī)模將達135.5億元，同比增長超過10%。

從光纖激光器國產(chǎn)化滲透率來看，我國小功率光纖激光器國產(chǎn)化水平較高，中、大功率光纖激光器國產(chǎn)化滲透率有望進一步增長。

由于中低功率激光器技術(shù)壁壘相對較低，一直以來，國產(chǎn)光纖激光器都更多地集中在中低功率領(lǐng)域。低功率光纖激光器主要用于3C產(chǎn)品打標、微雕等精細加工領(lǐng)域，其中，激光打標市場是工業(yè)光纖激光器在中國的突破口，2017 年，低功率領(lǐng)域（100W 以下）國產(chǎn)比例已高達90%。目前，已有以銳科和創(chuàng)鑫為代表的約15家廠商，在50W以下的打標及其他市場占有一席之地。據(jù)不完全統(tǒng)計，這些廠商占有約40%的國內(nèi)光纖打標市場。

中功率市場國產(chǎn)化率也已于2020年突破60%，有望實現(xiàn)完全替代。據(jù)報道，國內(nèi)有四家廠商現(xiàn)已推出500W的產(chǎn)品：武漢銳科、西安梅曼、北京國科世紀和紐敦光電。中功率光纖激光器廣泛應(yīng)用于金屬薄板切割和焊接，還有三維切割領(lǐng)域等，伴隨著相關(guān)技術(shù)逐漸成熟同時關(guān)鍵激光元器件可以從國內(nèi)采購或自產(chǎn)，中功率光纖激光器國產(chǎn)化占比將繼續(xù)提升。

數(shù)據(jù)顯示，2018-2022年，大功率光纖激光器國產(chǎn)化滲透率由34.48%增長至83.55%，中功率光纖激光器國產(chǎn)化滲透率由54.90%增長至60.33%，小功率光纖激光器國產(chǎn)化滲透率由98.21增長至99.86%。其中，大功率光纖激光器國產(chǎn)化滲透率增長速度最快，表明我國大功率光纖激光器自主生產(chǎn)能力獲得快速提高。中商產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測，2023年我國大功率光纖激光器國產(chǎn)化滲透率將達85.37%。