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，技術咨詢公司IDTechEx展示了半導體激光技術的進步如何讓激光材料加工和工業(yè)制造領域的新應用成為可能。

本文中的討論基于近期發(fā)布的一份報告：《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。在該報告中，IDTechEx分析師Nilushi Wijeyasinghe博士對二極管激光技術、價值鏈、主要參與方的活動和全球市場進行了全面回顧。通過案例研究著重強調了材料加工方面的最新進展，她利用自己在激光物理學和半導體物理學方面的研究背景，解釋了案例研究中的新技術概念。在廣泛分析原始數(shù)據(jù)和二手數(shù)據(jù)的基礎上，仔細考慮市場驅動因素和限制因素，提出了細分的10年市場預測和技術路線圖。

激光二極管和二極管巴條（bar）的發(fā)展

技術進步使激光器從專業(yè)技術儀器進入到各類多元化的市場。激光二極管是應用最為廣泛的激光技術，屬于簡單的半導體器件。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，同時也使全新的光學技術成為可能。激光二極管的成熟應用領域包括數(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)了許多新興的應用。

單個激光二極管的輸出功率從毫瓦到數(shù)瓦不等?？梢酝ㄟ^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域的新應用成為可能，但一些新興的應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)的當務之急。二極管激光器技術的持續(xù)發(fā)展反映在用于精密工程的紅外光束質量的提高和用于金屬加工的新型可見光激光器的發(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用成為可能。二極管激光器技術的持續(xù)發(fā)展反映在用于精密工程的紅外光束質量的提高和用于金屬加工的新型可見光激光器的發(fā)展。

功率和精度新興的直接二極管激光器技術

半導體激光器技術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合。技術進步使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，光束質量的顯著改善使用戶能夠將激光聚焦到一個小點上，這表明DDL是一種快速發(fā)展的工具，可用于處理金屬、塑料和復合材料。在激光焊接等需要高精度和深穿透的應用領域，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。該技術能通過擁有專利的光學工藝產(chǎn)生高質量的光束。總的來說，上述技術進步帶來了良好的業(yè)務增長機會。IDTechEx預測，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。

激光二極管細分應用

用高亮度藍光二極管激光器進行焊接和銅材料的3D打印

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合作開發(fā)的，是日本國家項目的一部分。BLUE IMPACT激光器結合了日亞化學公司的許多氮化鎵（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鍵應用是銅材料的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?，F(xiàn)有的3D打印機技術一般采用CuCr1Zr等銅合金來代替純銅。

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

IDTechEx預計，隨著更多產(chǎn)品的商業(yè)化，從2019年起，藍光DDL將會很快應用于銅加工領域。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的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，提供了一個平衡的市場機會展望。