激光二極管和二極管巴條（bar）的發(fā)展

隨著二極管激光器價(jià)格的下降與性能的發(fā)展，新的市場(chǎng)正在快速打開(kāi)。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(jìn)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。

本文中的討論基于近期發(fā)布的一份報(bào)告：《激光二極管和直接二極管激光器-2019版》對(duì)該市場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)分析。在該報(bào)告中，IDTechEx分析師Nilushi Wijeyasinghe博士對(duì)二極管激光技術(shù)、價(jià)值鏈、主要參與方的活動(dòng)和全球市場(chǎng)進(jìn)行了全面回顧。通過(guò)案例研究著重強(qiáng)調(diào)了材料加工方面的最新進(jìn)展，她利用自己在激光物理學(xué)和半導(dǎo)體物理學(xué)方面的研究背景，解釋了案例研究中的新技術(shù)概念。在廣泛分析原始數(shù)據(jù)和二手?jǐn)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，仔細(xì)考慮市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)因素和限制因素，提出了細(xì)分的10年市場(chǎng)預(yù)測(cè)和技術(shù)路線圖。

激光二極管和二極管巴條（bar）的發(fā)展

技術(shù)進(jìn)步使激光器從專業(yè)技術(shù)儀器進(jìn)入到各類多元化的市場(chǎng)。激光二極管是應(yīng)用最為廣泛的激光技術(shù)，屬于簡(jiǎn)單的半導(dǎo)體器件。過(guò)去30年來(lái)，激光二極管的平均功率顯著提升，而每瓦平均價(jià)格卻呈指數(shù)級(jí)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(shí)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(chǔ)、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(xì)分市場(chǎng)快速發(fā)展的例證，該市場(chǎng)中出現(xiàn)了許多新興的應(yīng)用。

單個(gè)激光二極管的輸出功率從毫瓦到數(shù)瓦不等?？梢酝ㄟ^(guò)將單個(gè)發(fā)射器組合成激光二極管巴條（bar）和數(shù)堆巴條（bar）來(lái)增加功率；一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)巴條（bar）的寬度為1厘米。幾十年來(lái)，企業(yè)之間為提高二極管巴條（bar）的輸出功率展開(kāi)了激烈競(jìng)爭(zhēng)，并呈指數(shù)增長(zhǎng)趨勢(shì)。雖然就商用二極管巴條（bar）產(chǎn)品而言，在1微米波長(zhǎng)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(mén)已經(jīng)證明連續(xù)波 (CW) 的平均功率超過(guò) 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(zhǎng)穩(wěn)定性和器件壽命。因此，功率的競(jìng)爭(zhēng)不再是這個(gè)市場(chǎng)中企業(yè)的當(dāng)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(jiàn)光激光器的發(fā)展。

連續(xù)波(CW)激光二極管巴條（bar）功率發(fā)展過(guò)程

根據(jù)IDTechEx采集和分析的數(shù)據(jù)，研究了1微米紅外波長(zhǎng)下激光二極管巴條（bar）輸出功率的發(fā)展過(guò)程，如上圖所示。二極管巴條（bar）功率的增加促進(jìn)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(jiàn)光激光器的發(fā)展。

功率和精度新興的直接二極管激光器技術(shù)

半導(dǎo)體激光器技術(shù)的這些令人難以置信的進(jìn)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(gè)冷卻單元相結(jié)合。技術(shù)進(jìn)步使DDL能夠在多模式系統(tǒng)中產(chǎn)生超過(guò)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。

連續(xù)波(CW)高功率直接二極管激光器功率發(fā)展過(guò)程

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(guò)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€(gè)小點(diǎn)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(zhēng)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(guò)激光二極管或二極管巴條（bar）進(jìn)行光泵浦（能量輸入）。DDL的單價(jià)明顯低于連續(xù)波輸出功率達(dá)1千瓦的光纖激光器。按照IDTechEx采訪的主要廠商的報(bào)價(jià)，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(jià)分別為2萬(wàn)美元和2.5萬(wàn)美元。在輸出功率低于千瓦的情況下，DDL和光纖激光器的價(jià)格差距更大。此外，DDL發(fā)出的波長(zhǎng)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(shì)。為了提升在高增長(zhǎng)的DDL/HPDDL市場(chǎng)中的地位，一些重要的參與企業(yè)正在進(jìn)行戰(zhàn)略性收購(gòu)，并投入資金用于擴(kuò)大產(chǎn)能。例如，日本松下收購(gòu)了美國(guó)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(guò)擁有專利的光學(xué)工藝產(chǎn)生高質(zhì)量的光束?？偟膩?lái)說(shuō)，上述技術(shù)進(jìn)步帶來(lái)了良好的業(yè)務(wù)增長(zhǎng)機(jī)會(huì)。IDTechEx預(yù)測(cè)，到2029年，全球激光二極管和直接二極管激光器的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到140億美元，其中直接二極管激光器的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到20億美元。IDTechEx的報(bào)告《激光二極管和直接二極管激光器-2019版》對(duì)該市場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)分析。

激光二極管細(xì)分應(yīng)用

用高亮度藍(lán)光二極管激光器進(jìn)行焊接和銅材料的3D打印

一個(gè)特別重要的趨勢(shì)是開(kāi)發(fā)用于焊接和銅材料3D打印等應(yīng)用的藍(lán)光直接二極管激光器。2019年，Laserline推出了一款1kW的產(chǎn)品。藍(lán)色激光加工金屬的速度更快，效率更高，而這些金屬對(duì)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(shí)現(xiàn)了其BLUE IMPACT藍(lán)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(kāi)發(fā)的，是日本國(guó)家項(xiàng)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(lán)色激光二極管，自2006年以來(lái)效率提高了一倍，輸出功率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。島津450納米藍(lán)色二極管激光器的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是銅材料的3D打印。銅對(duì)藍(lán)色激光的吸收率很高，背反射的減少可以使加工過(guò)程變快，這對(duì)傳統(tǒng)的紅外激光器是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。新研發(fā)的3D打印機(jī)可以用純銅粉高效打印物體?，F(xiàn)有的3D打印機(jī)技術(shù)一般采用CuCr1Zr等銅合金來(lái)代替純銅。

根據(jù)CAD模型（右），使用島津的BLUE IMPACT二極管激光器3D打印一個(gè)純銅物體（左）

IDTechEx預(yù)計(jì)，隨著更多產(chǎn)品的商業(yè)化，從2019年起，藍(lán)光DDL將會(huì)很快應(yīng)用于銅加工領(lǐng)域。IDTechEx的報(bào)告《激光二極管和直接二極管激光器-2019版》就本課題展開(kāi)了進(jìn)一步論述。該報(bào)告評(píng)估了采用激光技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)，提供了一個(gè)平衡的市場(chǎng)機(jī)會(huì)展望。