激光行业的现状及应用前景

文章来源:MM《现代制造》 发布时间:2016-11-10
​激光技术、计算机技术、原子能技术、生物技术,并列为20世纪最重要的四大发现。早在1916年爱因斯坦提出受激辐射的概念,激光的原理就被发现。直到1960年美国科学家发明了红宝石激光器,从此人类拥有了激光这一利器。

激光技术、计算机技术、原子能技术、生物技术,并列为20世纪最重要的四大发现。早在1916年爱因斯坦提出受激辐射的概念,激光的原理就被发现。直到1960年美国科学家发明了红宝石激光器,从此人类拥有了激光这一利器。

由于激光单色性、相干性、方向性好,亮度高等优异特性,使其在工业生产、科技探测、军事等方面得到了广泛应用。激光技术与应用发展迅猛,已与多个学科相结合形成多个应用技术领域,比如光电技术、激光医疗与光子生物学、激光加工技术、激光检测与计量技术、激光全息技术、激光雷达、激光制导、激光可控聚变、激光武器等。

激光器的应用市场可以分成五大部分:材料加工与光刻、通信与光存储、医疗与美容、科研与军事、仪器与传感器。2014年,全球材料加工和光刻激光器市场已经超过通信和光存储业务,成为激光产业中最大的市场。近年来,光纤激光器和半导体激光器的发展突飞猛进,各种先进激光加工设备与加工技术层出不穷,推动着激光产业的快速增长。

市场规模

目前,从高端的光纤到常见的条形码扫描仪,每年和激光相关产品和服务的市场价值已高达上万亿美元。其中,激光器占激光行业主导地位,根据《Industrial Laser Solutions》的数据,2014年全球激光器销售收入约92亿美元,增长达6%,2015年的销售收入为99亿美元,增长8%的速度。在全球激光器细分市场中,材料加工与光刻和通信以及光存储占据份额的第一和第二,分别为39亿美元和36.3亿美元。在激光加工领域,大功率的CO2激光器和光纤激光器分庭抗礼,占据超过70%的市场份额。

2015年全球工业激光器(不含光刻)的销售收入相比2014年实现了6.9%的增长,主要是得益于光纤激光器强劲的销售增长。由于受到来自光纤激光器的竞争,CO2激光器的跌幅最大。光纤激光推动激光行业的技术升级浪潮,潜力巨大。

光纤激光器最显著的优势是具有极高的泵浦效率,一般情况下泵浦转换效率为70%~75%,比工业用二级管泵浦的固体激光器高得多。因此降低了激光器系统制冷和功率需要,能够比传统固体激光器的结构更为紧凑,同时光纤激光器的光束质量更高,器件寿命更长。光纤激光器的输出波长涵盖范围广,可满足各方面的应用需求。

全球激光市场竞争格局

无论在全球还是中国市场,做为核心部件的激光器目前还是由欧美公司占据领先位置。2012~2014年激光器全球四强(Cohernet、Rofin、IPG、Trumpf)收入稳定增长,其中,IPG在2015年中取得17%的增长,销售额达到9.01亿美金。在四大激光器厂家中,只有Trumpf涉足下游应用业务(机床和其他集成业务)。而在2016年3月,美国相干公司(Coherent)与罗芬激光公司(Rofin)宣布相干将以每股32.5美元的价格收购罗芬公司,总收购价大约为9.42亿美元。

在2014年,光纤激光器占据工业激光市场近50%的份额,并在2015年超过了一半(54%)。光纤激光器在各类工业应用中的主导地位愈发明显,同时增速最快,CO2激光器同比下降。工业激光器的下游应用中,增材制造的增速最快。

按应用划分中,59%的收入要归于使用平均功率大于1 kW激光器的材料加工市场,该领域继续以每年9%的速度在增长,随着价格因素的影响,更高功率(>1 kW)的激光器得到更多的应用,其中大部分是光纤激光器。

国内激光行业公司除了大族激光、华工科技外,其他业内企业普遍体量较小。在产业链中分布在下游应用环节的企业数量最多,尤其在打标和切割领域。

目前国内公司以华工激光产业链布局较完善,大族激光2015年启动激光器自制计划。国内激光行业低端应用竞争激烈,如在激光切割领域,由于缺乏核心技术、产品同质化严重,竞争激烈。竞争产生的趋势有:下游激光设备集成厂商往中游发展,自制激光器。如大族激光、联赢激光。从下游集成做起,逐渐往中游激光器方向发展,增强产业链控制能力。中游激光器厂商往下游发展,从事行业设备制造。

新材料和新工艺

随着激光加工的进一步发展,未来激光加工将会大放光彩。金属加工是激光材料加工的重要部分,非金属材料如蓝宝石、陶瓷、玻璃等加工将会是激光应用更广阔的舞台。

随着激光冷加工的兴起,其所能加工材料的范畴逐渐扩大。传统的激光打标、激光切割、激光焊接与自动化装备更紧密的结合后,能够更好的起到精密、快捷、柔性制造的作用,在智能制造的大背景下,未来将扮演更重要的角色,并进一步提升制造业的装备水平。

比较典型的新型行业应用如蓝宝石、玻璃和陶瓷的切割以及激光金属融覆等。蓝宝石在珠宝首饰、半导体衬底材料、光学窗口器件领域应用广泛。蓝宝石的超硬特性造成其加工具有很大难度,传统加工方式一般采用金刚石加工。而激光加工具有快速、高精度的特征,在蓝宝石的后端切割中的地位逐步明确。尤其超短脉冲激光较早期的纳秒或微秒激光器具有更大的优势,切割后的蓝宝石边缘整齐、无热效应、无刮渣。

超短脉冲激光器是产生飞秒量级(10~15 s)光脉冲的的设备,超短脉冲(USPL)激光器现在已经慢慢从研究实验室转移到了工业微加工。皮秒和飞秒级别的脉冲宽度使得材料能够不经过液化直接气化。通过冷消融可以实现对玻璃、金属、陶瓷和聚合物的逐层去除。

蓝宝石材料已在iPhone等手机指纹识别及镜头保护盖上大量应用,未来随着消费电子的发展,蓝宝石、玻璃和陶瓷材料预计将在手机、可穿戴设备上有更多的应用。在消费类电子产品中使用激光加工的优势非常明显,未来可以预期对激光加工设备的需求也将进一步显现。随着新型激光器如紫外激光器、超短脉冲激光器的不断成熟,激光光谱及波长能够更容易被控制,激光在新材料加工方面将能发挥更大的作用。

新型陶瓷材料则通过高纯、超细人工合成无机物为原料,采用精密控制工艺烧结而制成,因而具有比通过粘土烧制的传统陶瓷材料更优异的性能。由于陶瓷较硬且脆,使用传统刀具加工难度很大,激光加工技术能够实现快速的划片、精准的深度控制,从而提供较好的断面质量。玻璃材料传统上都使用物理刀具加工,因为红外光谱的激光会穿透玻璃,因此只能使用紫外波长的激光器进行玻璃加工。随着紫外、皮秒等新型激光技术的发展,玻璃的切割和蚀刻也已经可以由激光完成,激光能够避免材料侧边裂缝,提升被加工材料强度,延长使用寿命。

激光在半导体与PCB行业中的应用也在逐渐增加,半导体行业中,激光应用能够涵盖黄光光刻、激光划片、芯片打标等多个步骤,全面渗透到芯片的制造与封装环节。高端半导体设备主要生产商为欧美公司,随着我国半导体产业发展,设备国产化也是未来的必由之路,国内设备厂商力争从辅助设备入手进入到相关产业中,部分国产激光设备如芯片划片机已经开始被国内的晶圆厂所用。

激光器技术和设备发展

从2012年到2015年,伴随着光纤激光器的快速发展,光纤激光器件一直保持较高的增长速度。2014年,全球光纤激光器器件市场销售规模为3.65亿美元,比2013年的3.07亿美元同比增长了18.84%。据中国光学学会激光加工专委会的数据,光纤激光器2014年国内销售总台数近3.5万台,比2013年的1.9万台增长了70%,总共有超过3.1万台的小功率光纤激光器进行装机,其中国产率水平达80%。伴随着光纤激光器在国内的应用更加广泛,其价格近年呈年均20%的下降速度。随着成本的降低,下游应用空间将被极大的带动。(稿件来源:中国锻压协会)

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