半导体激光技术进步如何打开新市场

随着二极管激光器价格的下降与性能的发展，新的市场正在快速打开。在本文中，技术咨询公司 IDTechEx 展示了半导体激光技术的进步如何让激光材料加工和工业制造领域的新应用成为可能。

本文中的讨论基于近期发布的一份报告：《激光二极管与直接二极管激光器，2019-2029 年：技术、市场与预测》对该市场进行了详细分析。在该报告中，IDTechEx 分析师 Nilushi Wijeyasinghe 博士对二极管激光技术、价值链、主要参与方的活动和全球市场进行了全面回顾。通过案例研究着重强调了材料加工方面的最新进展，她利用自己在激光物理学和半导体物理学方面的研究背景，解释了案例研究中的新技术概念。在广泛分析原始数据和二手数据的基础上，仔细考虑市场驱动因素和限制因素，提出了细分的 10 年市场预测和技术路线图。

激光二极管和二极管 bar 条的发展

技术进步使激光器从专业技术仪器进入到各类多元化的市场。激光二极管是应用最为广泛的激光技术，属于简单的半导体器件。过去 30 年来，激光二极管的平均功率显著提升，而每瓦平均价格却呈指数级下降。因此，激光二极管正在取代一些已有的激光和非激光技术，同时也使全新的光学技术成为可能。激光二极管的成熟应用领域包括数据存储、数据通信和固态激光器的光泵浦。相比之下，材料加工和光学传感是细分市场快速发展的例证，该市场中出现了许多新兴的应用。

单个激光二极管的输出功率从毫瓦到数瓦不等。可以通过将单个发射器组合成激光二极管 bar 条和数堆 bar 条来增加功率；一个标准 bar 条的宽度为 1 厘米。几十年来，企业之间为提高二极管 bar 条的输出功率展开了激烈竞争，并呈指数增长趋势。虽然就商用二极管 bar 条产品而言，在 1 微米波长下每根二极管 bar 条的功率通常低于 200 瓦，但激光制造企业的研发部门已经证明连续波 (CW) 的平均功率超过 1 千瓦/bar 条。二极管 bar 条功率的增加使材料加工领域的新应用成为可能，但一些新兴的应用要求提高激光器的参数，如波长稳定性和器件寿命。因此，功率的竞争不再是这个市场中企业的当务之急。二极管激光器技术的持续发展反映在用于精密工程的红外光束质量的提高和用于金属加工的新型可见光激光器的发展。

根据 IDTechEx 采集和分析的数据，研究了 1 微米红外波长下激光二极管 bar 条输出功率的发展过程。二极管 bar 条功率的增加促进了直接二极管激光器的发展，并使其在材料加工中的新应用成为可能。二极管激光器技术的持续发展反映在用于精密工程的红外光束质量的提高和用于金属加工的新型可见光激光器的发展。图片来源：IDTechEx

功率和精度新兴的直接二极管激光器技术

半导体激光器技术的这些令人难以置信的进步使得直接二极管激光器(DDL)的发展成为可能，包括能产生数千瓦输出功率的高功率直接二极管激光器(HPDDL)。DDL 将许多二极管 bar 条与光束整形系统、控制电路和一个冷却单元相结合。技术进步使 DDL 能够在多模式系统中产生超过 20 千瓦的输出功率，并以比以前更高的光束质量输出数千瓦的功率。除了 DDL 以外，Laserline (德国)等公司还生产与有源光纤转换器耦合的二极管激光器，该激光器以 4 - 6 毫米 毫弧度的优良光束质量产生 4 - 6 千瓦的输出功率。

根据 IDTechEx 采集和分析的数据，研究了 1 微米红外波段高功率直接二极管激光器(HPDDL)输出功率和光束质量的发展过程。HPDDL 是一种快速发展的材料加工和工业制造工具。图片来源：IDTechEx

现在，光束质量的显著改善使用户能够将激光聚焦到一个小点上，这表明 DDL 是一种快速发展的工具，可用于处理金属、塑料和复合材料。在激光焊接等需要高精度和深穿透的应用领域，DDL 现在可以与光纤激光器一争高下。DDL 可以直接将电能转化为激光，而光纤激光器基于稀土金属掺杂光纤，必须通过激光二极管或二极管 bar 条进行光泵浦(能量输入)。DDL 的单价明显低于连续波输出功率达 1 千瓦的光纤激光器。按照 IDTechEx 采访的主要厂商的报价，2018 年，1 千瓦高功率直接二极管激光器和 1 千瓦光纤激光器的典型单价分别为 2 万美元和 2.5 万美元。在输出功率低于千瓦的情况下，DDL 和光纤激光器的价格差距更大。此外，DDL 发出的波长与光纤激光器不同，这意味着 DDL 可以用匹配的吸收光谱更有效地加工材料。

因此，DDL 和 HPDDL 正在成为全球工业制造的主要趋势。为了提升在高增长的 DDL/HPDDL 市场中的地位，一些重要的参与企业正在进行战略性收购，并投入资金用于扩大产能。例如，松下(日本)收购了激光公司 TeraDiode (美国)，以获得后者在 HPDDL 方面的专业技术。该技术能通过拥有专利的光学工艺产生高质量的光束。总的来说，上述技术进步带来了良好的业务增长机会。DTechEx 预测，到 2029 年，全球激光二极管和直接二极管激光器的市场规模将达到 140 亿美元，其中直接二极管激光器的市场规模将达到 20 亿美元。 IDTechEx 的报告《激光二极管与直接二极管激光器，2019-2029 年：技术、市场与预测》对该市场进行了详细分析。

激光二极管市场材料加工细分市场的技术图黑色轮廓表示正在兴起或快速发展的技术直接二极管激光器产生的可见光和红外波长可以加工各种金属、塑料和复合材料。最近的 IDTechEx 报告《激光二极管与直接二极管激光器，2019-2029 年：》对这些材料处理技术与市场进行了分析。图片来源：IDTechEx

用高亮度蓝光二极管激光器进行焊接和铜材料的 3D 打印

一个特别重要的趋势是开发用于焊接和铜材料 3D 打印等应用的蓝光直接二极管激光器。2019 年，Laserline 推出了一款1 kW 的产品。蓝色激光加工金属的速度更快，效率更高，而这些金属对大多数工业激光系统产生的 1 微米红外辐射吸收能力较差。2018 年，岛津公司拟（日本）实现了其 BLUE IMPACT 蓝光冲击二极管激光器的商业化，这种激光器可以在高亮度下产生 100 瓦的功率。这款产品是岛津公司与日本大阪大学合作开发的，是日本国家项目的一部分。BLUE IMPACT 激光器结合了日亚化学公司（日本）的许多氮化镓(GaN)蓝色激光二极管，自 2006 年以来效率提高了一倍，输出功率提高了一个数量级。岛津 450 纳米蓝色二极管激光器的一个关键应用是铜材料的 3D 打印。铜对蓝色激光的吸收率很高，背反射的减少可以使加工过程变快，这对传统的红外激光器是一个严峻的挑战。新研发的 3D 打印机可以用纯铜粉高效打印物体。现有的 3D 打印机技术一般采用 CuCr1Zr 等铜合金来代替纯铜。

根据 CAD 模型(右)，使用岛津的 BLUE IMPACT 二极管激光器 3D 打印一个纯铜物体(左)。该物体的下半部分埋在铜粉中。图片来源：岛津公司

IDTechEx Research 预计，随着更多产品的商业化，从 2019 年起，蓝光 DDL 将会很快应用于铜加工领域。IDTechEx Research 的报告《激光二极管与直接二极管激光器，2019-2029 年：技术、市场与预测》就本课题展开了进一步论述。该报告评估了采用激光技术的优势和挑战，提供了一个平衡的市场机会展望。