一、激光器工作原理及分類

    光從組成物質的原子中發射出來，原子獲得能量后處于不穩定狀態（也就是激發狀態），它會以光子的形式把能量發射出去。激光是一種純色、準直、高亮、同向、能量密度高的光子隊列，常常被稱為“最快的刀”、“最準的尺”、“最亮的光”。激光的應用很廣泛，主要有激光打標、激光焊接、激光切割、光纖通信、激光光譜、激光測距等等。

    激光器一般包括三個部分，工作介質，激勵源和諧振腔。泵浦源為激光器的光源，激光的產生必須選擇合適的工作介質，可以是氣體、液體、固體或半導體，在這種介質中可以實現粒子數反轉，以制造獲得激光的必要條件。諧振腔可使腔內的光子有一致的頻率、相位和運行方向，從而使激光具有良好的方向性和相干性。

激光器工作原理示意圖

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    激光技術自發明以來，已從方方面面走進了人們的生活，但激光器種類繁多，其各自波長不同，特性不同，因此所應用的領域也不同。激光器可以按照工作介質，輸出形式，輸出波長和激勵方式分類。

激光器分類

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    在工業上，通常將激光分成連續波、準連續、短脈沖、超短脈沖四類。連續波以多模連續光纖激光器為代表，占據了當前工業市場的大部分份額。準連續波又稱長脈沖，可產生ms～μs量級的脈沖，占空比為10％，這使得脈沖光具有比連續光高十倍以上的峰值功率。短脈沖指的是ns量級的脈沖，廣泛的應用于激光標刻、鉆孔、醫療、激光測距、二次諧波的產生、軍事等領域。超短脈沖則是我們所說的超快激光，包括達到ps、fs量級的脈沖激光。

    二、技術進步、超快激光器快速發展

    CPA技術突破瓶頸，超快激光成行業新秀

    CPA技術的提出，解決了超快激光發展的關鍵問題。在CPA技術提出前，科學家就已經利用鎖模技術產生具有皮秒(ps，10−12s)及飛秒(fs，10−15s)脈寬的超短脈沖激光。但激光在達到放大飽和前，就由于強度依賴的克爾效應導致的自聚焦及元件損傷，激光強度的進一步發展遭遇巨大瓶頸。1985年，CPA技術的提出解決了這一難題，成為超快激光發展的里程碑。

    超快激光迅速發展，已成為激光行業重點研究方向。在CPA技術突破了超快激光發展瓶頸之后，超快激光的研發和應用進入了一個新的階段。而今，超快激光已廣泛運用于精密加工，醫療，科研，軍事應用等領域。無論是全球激光巨頭，還是國內的激光后起之秀，都著眼于超快激光領域，超快激光已經成為了激光行業爭先研究發展的新寵。

    三、超快激光應用逐步擴展，發展迎來歷史機遇。

    當前超快激光已走出實驗室，逐步走向各個行業的實際應用，雖然當前超快激光價格較高，但隨著技術的發展和成本的降低，超快激光在未來將會在多個行業廣泛應用。國內外超快激光龍頭已經率先將超快激光運用于相關產業，并且取得了良好的效果

    超快激光在真正意義上實現了冷加工，在精密加工方面有顯著優勢，隨著超快激光器的生產工藝逐漸成熟，成本逐漸下降，未來有望廣泛的應用于醫療生物、航空航天、消費電子、照明顯示、能源環境、精密機械等下游行業。

    1、“冷”加工優勢使得超快激光在多個領域獨占鰲頭。

    超快激光以其獨特的超短持續時間和超強峰值功率正在打破以往傳統的激光加工方法，開創了材料超精細、低損傷和空間3D加工和處理的新領域，該技術已在精密加工、消費電子、醫學美容、航空航天、光伏能源等多個領域得到非常廣泛應用。

    2、超快激光在多種材料的微細加工方面的應用。

    超快激光憑借其獨特的“冷”加工優勢，在多種材料的微細加工，包括、鉆孔、切割、表面處理和3D結構制作方面表現出色。例如對于一般金屬如鋼、銅、鋁等來說，由于具有很高的熱導性和較低的熔點溫度，在其表面實現高精度和高質量的鉆空有很大的困難。而對于超快激光，由于脈沖持續時間只有飛秒量級，遠小于材料中受激電子通過轉移"轉化等形式的能量釋放時間，從根本上避免了熱擴散的存在和影響。

    3、超快激光在消費電子領域的應用。

    全球消費電子產業發展迅速，消費電子產品朝著高集成化、高精密化方向升級，其產品內構件越來越小巧，精密度、電子集成度越來越高。在產品研發中，更輕、更薄、更便攜是設計師的追求目標，由此帶來了新材料、新工藝的不斷進步。消費電子行業中廣泛應用的柔性材料、硬脆透明材料等，使加工變得日益高、精、尖、難。而超快激光技術的發展為消費電子行業的精密加工帶來了更好的解決方案。

超快激光在消費電子領域的應用

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    4、超快激光在醫療美容領域的應用。

    超快激光在醫療領域的應用也日益廣泛，包括我們熟知的飛秒激光近視治療，也包括高精尖的心臟支架加工。心臟支架的制造方式包含“由大做小”的激光切割、等離子切割、電火花加工、光蝕刻，或是“由小做大”的編織、鑄造、電鑄、3D打印等。其中，由于激光切割的支架質量好，自動化程度高，且成本較低，激光切割已成為支架制作的主流方式。在醫療美容方面，超快激光主要是應用于祛痣祛斑祛黑色素、祛紋身、嫩膚等領域。

    5、超快激光在航空航天領域的應用。

    航空領域，西安光學精密機械研究所率先利用超快激光極端制造技術攻克了新型超高溫單晶材料和高精度復雜微結構制造難題，實現了對高壓渦輪葉片氣膜孔的“超精細冷加工”，解決了現有電火花、長脈沖激光加工工藝存在重鑄層、微裂紋、再結晶等缺陷的問題，完成了國產發動機多型號、多批次高壓渦輪單晶葉片的氣膜孔加工及驗證，為國產大飛機發動機換上“中國心”打下堅實基礎。除此以外，超快激光還應用于航空濾網清洗，引擎噴油嘴打孔等方向。

    6、超快激光在光伏能源領域的應用。

    超快激光憑借其獨特優勢，在光伏能源領域應用也取得了一定的成果。鈣鈦礦薄膜太陽能電池制造是光伏產業新的發展方向，具有取代現有晶硅太陽能電池產業的潛力。在鈣鈦礦薄膜太陽能電池的精密加工過程中，超快激光加工起著至關重要的作用。

    7、超快激光在精密檢測領域的應用。

    太赫茲（Terahertz，THz）輻射是對位于某一個特定頻段電磁輻射的統稱，對應的頻率在0.1~10THz（1THz=1012Hz）。基于太赫茲波自身特點，其對目前應用較多的復合材料有著良好的透過性及成像效果，所以太赫茲波可以在無損檢測領域發揮獨特優勢。目前最常用的太赫茲產生及檢測手段是太赫茲時域光譜（TerahertzTimeDomainSpectroscopy，THz-TDS）系統，其由飛秒激光器、太赫茲源、太赫茲探測器及延遲線組成。

    系統利用飛秒激光脈沖產生太赫茲脈沖，并探測被測樣品的透射波或反射波，然后通過傅里葉變換獲取探測信號的頻譜，進而對測量樣品進行鑒定。

透視式太赫茲時域光譜系統

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    四、國內廠商奮起直追，國產替代潛力無限

    近年來，中國傳統制造業正面臨深度轉型和升級，附加值更高的高端精密加工市場需求大幅增長。隨著這一轉變，激光技術在消費電子、新型顯示、激光內雕、生物醫療等領域獲得了越來越多的應用，這些新的需求對激光加工精細度的要求變得更加苛刻。在強大的市場需求力刺激下，超快激光技術不斷取得新的突破，并迅速成為行業重點關注的發展方向。而在超快激光器領域，當前國內大部分產品依靠進口。進口超快激光器占據了先發技術的優勢，其可靠性和穩定性已被廣泛認可，即便價格較高，也同樣為國內用戶所接受。

    2018年，國內激光龍頭大族激光發布了自主研發的國內首款達到20W的飛秒激光器。部分激光器制造企業已在超快激光領域深耕多年，例如華日激光從2014年開始從事超快激光器的研究。而今面對充滿潛力的市場，眾多激光廠商也紛紛涉足超快激光技術的研發和應用，國內超快激光發展態勢蒸蒸日上。隨著國產技術的研發和完善，我們認為國產超快激光器將憑借價格優勢在市場上占據一席之地。

    中國的激光產業在地域上呈現出很強的集聚性，各區域均有超快激光器廠商。我國目前已經形成華中、珠三角、長三角、環渤海四大激光產業帶，四大區域均有數家超快激光器研發和生產企業。

中國四大激光產業集中帶

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    五、超快激光器前景

    從我國市場規模來看，超快激光行業正處于快速發展階段，智研咨詢發布的《2019-2025年中國超快激光器行業市場現狀分析及發展前景預測報告》顯示：2017年我國超快激光器市場約13.5億元，預計2020年將超過50億元。

2015 年-2018 年國產超快激光器銷售數量（臺）

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2017年~2020年超快激光器市場規模

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    我國民用超快激光器在全世界范圍內發展較快，己渡過萌芽期、成長期，進入技術成熟期。北京、湖北和上海是目前中國超快激光器研制和發展的先進地區，湖北工業大學、中科院半導體研究所和溫州大學技術暫時領先，但中國超快激光器的發展也存在過分集中在光學諧振器、部件的結構和形狀研究，以及在利用激光束加工方面創新不足等問題。