隨著二極管激光器價格的下降與性能的發(fā)展，新的市場正在快速打開。在本文中，技術(shù)咨詢公司IDTechEx展示了半導(dǎo)體激光技術(shù)的進步如何讓激光材料加工和工業(yè)制造領(lǐng)域的新應(yīng)用成為可能。
技術(shù)進步使激光器從專業(yè)技術(shù)儀器進入到各類多元化的市場。激光二極管是應(yīng)用最為廣泛的激光技術(shù)，屬于簡單的半導(dǎo)體器件。過去30年來，激光二極管的平均功率顯著提升，而每瓦平均價格卻呈指數(shù)級下降。因此，激光二極管正在取代一些已有的激光和非激光技術(shù)，同時也使全新的光學(xué)技術(shù)成為可能。激光二極管的成熟應(yīng)用領(lǐng)域包括數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)通信和固態(tài)激光器的光泵浦。相比之下，材料加工和光學(xué)傳感是細分市場快速發(fā)展的例證，該市場中出現(xiàn)了許多新興的應(yīng)用。
單個激光二極管的輸出功率從毫瓦到數(shù)瓦不等。可以通過將單個發(fā)射器組合成激光二極管巴條（bar）和數(shù)堆巴條（bar）來增加功率；一個標準巴條（bar）的寬度為1厘米。幾十年來，企業(yè)之間為提高二極管巴條（bar）的輸出功率展開了激烈競爭，并呈指數(shù)增長趨勢。雖然就商用二極管巴條（bar）產(chǎn)品而言，在1微米波長下每根二極管巴條（bar）的功率通常低于200瓦，但激光制造企業(yè)的研發(fā)部門已經(jīng)證明連續(xù)波 (CW) 的平均功率超過 1 千瓦/bar 條。二極管巴條（bar）功率的增加使材料加工領(lǐng)域的新應(yīng)用成為可能，但一些新興的應(yīng)用要求提高激光器的參數(shù)，如波長穩(wěn)定性和器件壽命。因此，功率的競爭不再是這個市場中企業(yè)的當務(wù)之急。二極管激光器技術(shù)的持續(xù)發(fā)展反映在用于精密工程的紅外光束質(zhì)量的提高和用于金屬加工的新型可見光激光器的發(fā)展。
根據(jù)IDTechEx采集和分析的數(shù)據(jù)，研究了1微米紅外波長下激光二極管巴條（bar）輸出功率的發(fā)展過程，如上圖所示。二極管巴條（bar）功率的增加促進了直接二極管激光器的發(fā)展，并使其在材料加工中的新應(yīng)用成為可能。二極管激光器技術(shù)的持續(xù)發(fā)展反映在用于精密工程的紅外光束質(zhì)量的提高和用于金屬加工的新型可見光激光器的發(fā)展。
半導(dǎo)體激光器技術(shù)的這些令人難以置信的進步使得直接二極管激光器（DDL）的發(fā)展成為可能，包括能產(chǎn)生數(shù)千瓦輸出功率的高功率直接二極管激光器（HPDDL）。DDL將許多二極管巴條（bar）與光束整形系統(tǒng)、控制電路和一個冷卻單元相結(jié)合。技術(shù)進步使DDL能夠在多模式系統(tǒng)中產(chǎn)生超過20千瓦的輸出功率，并以比以前更高的光束質(zhì)量輸出數(shù)千瓦的功率。除了DDL以外，Laserline等公司還生產(chǎn)與有源光纖轉(zhuǎn)換器耦合的二極管激光器，該激光器以4~6毫米·毫弧度的優(yōu)良光束質(zhì)量產(chǎn)生4~6千瓦的輸出功率。
根據(jù)IDTechEx采集和分析的數(shù)據(jù)，研究了1微米紅外波段高功率直接二極管激光器（HPDDL）輸出功率和光束質(zhì)量的發(fā)展過程，如上圖所示。HPDDL 是一種快速發(fā)展的材料加工和工業(yè)制造工具。
現(xiàn)在，光束質(zhì)量的顯著改善使用戶能夠?qū)⒓す饩劢沟揭粋€小點上，這表明DDL是一種快速發(fā)展的工具，可用于處理金屬、塑料和復(fù)合材料。在激光焊接等需要高精度和深穿透的應(yīng)用領(lǐng)域，DDL現(xiàn)在可以與光纖激光器一爭高下。DDL可以直接將電能轉(zhuǎn)化為激光，而光纖激光器基于稀土金屬摻雜光纖，必須通過激光二極管或二極管巴條（bar）進行光泵浦（能量輸入）。DDL的單價明顯低于連續(xù)波輸出功率達1千瓦的光纖激光器。按照IDTechEx采訪的主要廠商的報價，2018年，1千瓦高功率直接二極管激光器和1千瓦光纖激光器的典型單價分別為2萬美元和2.5萬美元。在輸出功率低于千瓦的情況下，DDL和光纖激光器的價格差距更大。此外，DDL發(fā)出的波長與光纖激光器不同，這意味著DDL可以用匹配的吸收光譜更有效地加工材料。
因此，DDL和HPDDL正在成為全球工業(yè)制造的主要趨勢。為了提升在高增長的DDL/HPDDL市場中的地位，一些重要的參與企業(yè)正在進行戰(zhàn)略性收購，并投入資金用于擴大產(chǎn)能。例如，日本松下收購了美國激光公司TeraDiode，以獲得后者在HPDDL方面的專業(yè)技術(shù)。該技術(shù)能通過擁有專利的光學(xué)工藝產(chǎn)生高質(zhì)量的光束。總的來說，上述技術(shù)進步帶來了良好的業(yè)務(wù)增長機會。IDTechEx預(yù)測，到2029年，全球激光二極管和直接二極管激光器的市場規(guī)模將達到140億美元，其中直接二極管激光器的市場規(guī)模將達到20億美元。IDTechEx的報告《激光二極管和直接二極管激光器-2019版》對該市場進行了詳細分析。
一個特別重要的趨勢是開發(fā)用于焊接和銅材料3D打印等應(yīng)用的藍光直接二極管激光器。2019年，Laserline推出了一款1kW的產(chǎn)品。藍色激光加工金屬的速度更快，效率更高，而這些金屬對大多數(shù)工業(yè)激光系統(tǒng)產(chǎn)生的1微米紅外輻射吸收能力較差。2018年，島津公司實現(xiàn)了其BLUE IMPACT藍光沖擊二極管激光器的商業(yè)化，這種激光器可以在高亮度下產(chǎn)生100瓦的功率。這款產(chǎn)品是島津公司與日本大阪大學(xué)合作開發(fā)的，是日本國家項目的一部分。BLUE IMPACT激光器結(jié)合了日亞化學(xué)公司的許多氮化鎵（GaN）藍色激光二極管，自2006年以來效率提高了一倍，輸出功率提高了一個數(shù)量級。島津450納米藍色二極管激光器的一個關(guān)鍵應(yīng)用是銅材料的3D打印。銅對藍色激光的吸收率很高，背反射的減少可以使加工過程變快，這對傳統(tǒng)的紅外激光器是一個嚴峻的挑戰(zhàn)。新研發(fā)的3D打印機可以用純銅粉高效打印物體。現(xiàn)有的3D打印機技術(shù)一般采用CuCr1Zr等銅合金來代替純銅。
IDTechEx預(yù)計，隨著更多產(chǎn)品的商業(yè)化，從2019年起，藍光DDL將會很快應(yīng)用于銅加工領(lǐng)域。IDTechEx的報告《激光二極管和直接二極管激光器-2019版》就本課題展開了進一步論述。該報告評估了采用激光技術(shù)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，提供了一個平衡的市場機會展望。
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