2022年半导体激光器行业发展现状及未来前景分析.docx

2022年半导体激光器行业发展现状及未来前景分析1、 全球激光器行业稳步增长，供应链具有持续成长空间全球激光器行业有望持续受益于下游激光设备规模增长，材料加工与光刻仍是最大 应用领域，仪表与传感器行业规模增速可观，随着高功率半导体激光元器件国产替 代进程加快，国产厂商迎来发展良机。激光设备对于推动我国经济转型升级具有不 可替代的作用，市场需求广阔。作为激光设备必不可少的激光元器件，激光器行业将 持续受益。据 Laser Focus World 数据，2015 年至 2020 年，全球激光器销售收入由 97.1 亿美元增长至 160.1 亿美元，CAGR 为 10.52%。预计 2021 年该市场规模将达到 184.8 亿美元，同比增长率约为 15%。当前，我国低、中功率激光核心元器件已基本 完成国产替代，高功率半导体激光器核心元器件国产替代未来可期。国内激光厂商 已掌握大部分器件制造技术，但部分核心器件如高功率半导体激光芯片等仍依赖进 口。而国外激光器龙头企业，例如美国相干公司、美国 IPG 光电、美国 nLight 和法 国 Lumibird 等，则依靠全产业链整合实现产品低成本、高性能及高稳定性。根据 Laser Focus World 数据，2019 年全球激光器应用领域中，材料加工与光刻是全球激光主要 应用市场，占比 40.94%；其余应用领域中，仪表和传感器行业内激光器市场规模增 速较快，由 2016 年 6.15 亿美元增至 14.41 亿美元，CAGR 约为 23.72%，较其他行业 领先。近年来，随着激光雷达、3D 传感、生物医学仪器等细分行业的快速发展，仪 表和传感器市场规模有望进一步扩大，从而拉动激光器元器件及相关光学应用模组 与解决方案的市场需求增长。图：全球激光器销售收入保持持续稳健增长2、 激光器是激光产品最核心部件激光器是激光产品最核心部件，直接决定激光设备的性能。激光起源于 20 世纪 60 年代初期，是指窄幅频率的光伏射线通过受激反馈共振与辐射放大，产生的准直、单 色、相干的定向光束，被誉为“最准的尺”、“最快的刀”，被广泛应用在焊接、切割、 光纤通信、测距、唱片、美容等领域。产生激光的激光器由大量的光学材料和元器件 组成，居于整个产业链的中枢位置，通常由光学系统、电源系统、控制系统和机械机 构四个部分组成。其中光学系统主要由泵浦源、增益介质和谐振腔等元器件组成。光 子通过吸收了泵浦源能量的增益介质产生，在光学谐振腔内不断反射，往复运动，从而不断放大，最终通过反射镜射出激光，形成激光束。因此激光器的性能往往直接决 定激光设备输出光束的质量和功率，是下游激光设备的核心部件。3、 半导体激光器优势显著，光学整形后进一步打开应用空间半导体激光器光束质量有所不足，但光电转换效率等方面优势显著，经过光学整形 后有望弥补短板，在更多领域实现应用。激光器按照增益介质（工作物质）可分为： （1）液体激光和气体激光，该方式效率低下并且需要频繁维护，目前只用于小众场 景；（2）自由电子激光器，主要依靠加速器产生的高品质电子书与 NS 交替排列的磁 铁阵列波荡器相互作用来产生具备激光品质的高功率相干辐射。目前技术发展 不充分，难以广泛使用；（3）固体激光器，主要以晶体或玻璃光纤作为工作物质，以 灯（少部分使用）或半导体激光器作为泵浦源；（4）半导体激光器是以半导体材料作 为激光介质，以电流注入激光二极管来产生激光作为泵浦源。这其中，固体激光器尤 其是光纤激光器具有光束质量好、能量密度高、使用方便等优势，目前广泛应用于雕 刻、切割、钻孔等领域。而半导体激光器具有光电转换效率高、体积小、寿命长、可 靠性高、工业化程度高、成本低等诸多优点，但由于半导体激光器直接产生的光束质 量较差，所以应用的领域受限，通常作为泵浦源出现在固态激光器中。然而在实际应 用中，一些场景并不需要高光束质量的激光，只要满足特定应用所要求的光斑形状、 功率密度和光强分布即可。而激光光学产品恰好可以起到这一作用，经过激光光学 产品的整形，低光束质量的半导体激光也可以在焊接、退火、激光雷达等领域应用， 完美弥补半导体激光器的不足，发挥该技术路线的优势。未来半导体激光器在激光 光学元件搭配下将拥有越来越多的应用场景。4、 激光光学产品给激光装上翅膀，其生产工艺和对光路理解尤为重要激光光学产品是激光的“加工器”，生产工艺和光路理解对制备激光光学器件来说是 最重要的环节。激光的整形常用到的激光光学元器件包含微透镜阵列、光束准直器 等，其能够帮助调整激光的光场强度分布、光斑形状和功率密度，进而让半导体激光 器发出的激光取得最好的应用效果和应用价值。以微透镜阵列为例，其表面由通光 孔径及浮雕深度为微米级的透镜组成阵列，最小功能单元也是球面镜、非球面镜、柱 镜、棱镜等，能在微光学角度实现聚焦、成像、光束变换等功能，由于单元尺寸小， 集成精度高，可以完成很多传统光学元件无法完成的功能。微透镜阵列可分为折射 型（ROE）和衍射型（DOE）两类，折射型微透镜阵列主要依靠几何光学的折射原理， 当激光照射到微透镜上时，微透镜阵列上的每个小透镜单元都可以将一小部分激光 折射到满足要求的位置，进而实现对激光光束的精确整形。衍射型微透镜阵列主要 基于物理光学的衍射原理，透镜阵列表面的浮雕结构形成衍射单元，激光经过这些 衍射单元后在一定距离产生干涉，形成特定的光强分布。微光学产品对精度要求高， 如衍射光学元件对光的入射角度敏感，需要较好的光路调整精度和稳定性；同时，微 光学元器件的生产工艺亦是考验厂商竞争力的核心环节，目前主流的生产方式有精 密模压、晶圆级光学镜头（WLO）以及晶圆级玻璃（WLG）三类工艺，其中模压方 案产出的产品耐久性差，通常用于低功率、低成本场景；晶圆级光学镜头（WLO） 技术被苹果应用于手机的 3D 结构光发射模组，主要专利集中于少数国外公司手中； 相比晶圆级光学镜头工艺（WLO），晶圆级玻璃工艺（WLG）所生产的产品具有更小 的尺寸和更优异的光学特性以及更好的耐久性，因此 WLG 也有望替代 WLO 成为微 透镜阵列的主要制备方案，国内的炬光科技在该工艺方向技术储备遥遥领先。除此 之外，微光学元器件的设计和生产也考验厂商对于光路的理解，如何搭配光束整形 等技术生产出更适合下游应用场景的产品，亦非常重要。图：ROE 依靠光的折射实现光束整形