工业科技闪耀时飞秒激光的技术现状竞
一、飞秒激光：科学前沿工程顶端
激光及其分类激光，意为受激辐射光放大。其英文名为LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation，已经完全表达了制造激光的主要过程。这里用书面语言细化一下：即原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释放的能量以光子的形式放出。激光的原理在年被伟大的科学家爱因斯坦所发现，被誉为“最快的刀”、“最准的尺”和“最亮的光”。激光器是产生激光的装置，其按照工作物质、输出波形、输出波长和功率大小有不同的分类，具体见下表：其中，按照能量输出波形，激光器可以分为连续激光器、准连续激光器和脉冲激光器：连续激光器：在工作时间内连续输出稳定能量波形的激光器，其特点是功率较高，能够加工体积大、熔点高的材料，如金属板材等；准连续激光器：介于连续激光器和脉冲激光器之间，可以在一定周期内重复输出比较高能量的激光，理论上来说也是一种脉冲激光器；脉冲激光器：以脉冲形式输出能量，根据脉冲宽度，脉冲激光器可进一步分为毫秒激光器、微秒激光器、纳秒机关器、皮秒激光器、飞秒激光器及阿秒激光器等；例如，如果一台脉冲激光器所输出激光的脉宽在1~ns之间，可称之为纳秒激光器，以此类推；行业内将皮秒激光器、飞秒激光器、及阿秒激光器等，称作超快激光器。脉冲激光器的功率远低于连续激光器，但加工精度高于连续激光器，且一般情况下，脉宽越窄，加工精度越高。简单来说，激光脉冲如同手电筒工作一样，如果保持开关开着，手电筒就是连续工作，如果打开开关立刻合上，就相当于发出了一个光脉冲。激光器在工业激光产业链里的位置见下图：接下来进入文章的正题，超快激光之飞秒激光。何为飞秒？何为超快现象？飞秒（Femtosecond）也叫毫微微秒，简称fs，是标衡时间长短的一种计量单位。1飞秒只有1秒的一千万亿分之一，即10的负十五次方秒或0.皮秒（1皮秒是，10的负十二次方秒）。即使是自然界中速度最快的光速（30万千米/秒），在1飞秒内，也只能走0.3μm，这个距离甚至不到一根头发丝的百分之一。极短时间的激光脉冲称为飞秒激光，是目前工程化技术水平下所能获得的最短脉冲。飞秒激光一经诞生，便被广泛应用于物理、生物、化学等领域中的微观过程，从而发现了许多新的超快现象。超快现象是指发生在物质微观体系中快速变化的物理、化学或生物过程。在原子分子体系中，原子及分子运动的时间尺度大约从皮秒(picosecond)到几十飞秒(femtosecond)，如分子转动的周期约为皮秒量级，振动的时间周期约几百到几十飞秒。而原子分子内部电子以及与电荷转移相关的运动时间尺度则大约从几十飞秒短至几个阿秒（10的负十八次方秒），如分子轨道上电子的时间尺度为几十飞秒，价带和外壳层电子时间尺度约为几十阿秒到飞秒量级，内壳层电子则为几个阿秒（attosecond）。如下图所示：△物质微观体系中各瞬态现象的时间尺度所以，飞秒激光器具备以下的特性：脉冲宽度极短。脉冲宽度指激光功率维持在一定值时所持续的时间。飞秒激光的持续时间只有几个飞秒，是目前实验室条件下所能获得的最短脉冲技术手段，比利用电子学方法所获得的最短脉冲要短几千倍；
脉冲峰值功率极高。飞秒激光的峰值功率是指脉冲持续时间内所具有的瞬时功率，由于持续时间极短，因此即使在能量很小的情况下，其瞬时功率可达百万亿瓦，比目前全世界发电总功率还要多出百倍，是未来能源的选择之一；
覆盖频谱范围极广。一个脉冲宽度数十飞秒的脉冲可包含高达数百万个频谱成分，相当于上百万个具有不同中心波长的保持相等频率间隔的连续波（CW）激光器，飞秒激光的这一特定性在计量标准和精密测量中获得了重大应用；
作用时间极短。几乎不产生热影响。
不同类型激光器工业应用特性示意图：△长脉冲激光加工热效应示意图△飞秒激光加工热效应示意图
△飞秒激光工作示意图
由于特性的不同，飞秒激光器主要应用对热效应敏感的材料和对高加工精细度工艺方式需求的领域，包括玻璃、PET及蓝宝石等透明材料和硬脆材料的切割和焊接、精密打标、眼科手术、材料的微观钝化及刻蚀等领域。从用途来看，高功率连续激光器和超快激光器几乎不存在相互替代的关系，可以理解为它们一个像板斧一个像镊子，尺寸各有长短。飞秒激光器的技术原理、核心器件和整体硬件架构
在写全球主流飞秒激光器的技术原理时，一定绕不开两位人物（见下图）。法国科学家杰哈?莫罗（GérardMourou）和加拿大科学家唐娜·斯特里克兰（DonnaStricklan）基于对“产生高密度超短光学脉冲的方法”的贡献而成为年诺贝尔物理学奖获得者。二人获奖的理由是发明了激光的啁啾脉冲放大技术（ChirpedPulseAmplification，CPA），这种技术使脉冲激光器突破了脉冲峰值功率的瓶颈，目前已经被普遍应用于超快脉冲激光系统。飞秒激光啁啾脉冲放大（CPA）技术原理图：
根据上述的技术原理，涉及到核心器件、关键工艺和光路传输的具体硬件架构为：
整体的激光器设计和制造过程中，涉及诸多的物理问题和关键技术：激光放大介质的增益动力学过程和光纤放大器的增益控制技术；
光纤中的非线性效应和特种光纤熔接技术；
光栅的二阶及高阶色散特性和啁啾脉冲的色散管理技术；
高峰值功率光脉冲引起的光损伤现象和非线性的利用和抑制技术；
大模场光纤的模场分布规律及特征和大模场光纤的横模控制技术；
高功率器件的热分布和热平衡特性和高功率激光系统的热管理技术;
…...二、市场超预期发展应用场景越来越多
飞秒激光器的发展趋势和市场容量
据OFweek研究中心数据显示，全球工业激光器收入从年的23.4亿美元增加至年的52.3亿美元，近三年的市场规模增长率分别为10.6％、24.2％和28.6％。其中超快脉冲激光器占比约为24％，预计年，全球超快脉冲激光器市场规模有望突破25亿美元。而据BBCResearch统计，全球超快激光市场总额和年分别达到了亿和亿人民币，这个市场预期在年扩大至约亿人民币。△全球超快激光器市场容量及年增长率（单位：亿元）超快激光是激光行业增长最快的细分领域之一，未来有望广泛的应用于医疗生物、航空航天、消费电子、照明显示、能源环境、精密机械等行业。StrategiesUnlimited指出超快激光市场正处于市场爆发的边缘，其增长速度是整个激光市场增长速度的2倍！年中国超快激光器市场约13.5亿RMB，预计年超过50亿RMB。这里本文作者特别指出，以上国内外超快激光器市场容量数据基本统计的是皮秒激光器，飞秒激光器在上述数据中的占比不到10%，但每年的增量占超快市场的比例越来越高，尤其是中国的工业市场。飞秒激光器的应用领域
三、国产企业小荷才露尖尖角
从市场格局来看，我国超快激光器市场主要被NKT、光谱物理、通快、相干等海外激光器厂商主导，随着超快激光需求扩大、国内技术不断突破与成熟，具有深厚底层技术背景的企业纷纷布局，进口替代的序幕正在拉开。国内超快市场面临的行业痛点见下图：国内飞秒激光器领域布局企业
大族激光：大族激光长期以来致力于推进皮秒和飞秒激光器的国产化，并不断加大相关技术的研发投入。年，大族Draco系列皮秒激光器实现了规模销售，在新一代核心光源方面成功打破了国外垄断，在LED晶圆、蓝宝石、玻璃脆性材料切割等领域基本实现了进口替代。年9月，大族推出首款20W飞秒激光器，该激光器光模式优异，M2＜1.3，适用于玻璃、陶瓷等材料的标记与切割、传感器打标、蚀刻、以及金属表面处理领域；华日激光：年，华日激光已研制出飞秒激光器种子源，其团队已经完成了10W飞秒激光器的原理样机，后面又推出了40W飞秒激光器。公司飞秒激光器产品尚未大规模量产，目前以科研用户为主；卓镭激光：卓镭激光的重点产品是超快激光器，核心竞争力明显。该团队在领域内多个关键核心技术领域表现突出。卓镭激光自主研发的BLAZER系列工业级超快激光器实现进口替代，在国内LCD全面屏切割领域市场占有率在行业前列。ALICE-PS系列医疗皮秒激光器打破欧美垄断，解决了国内高端医疗器械核心光源国产化问题并出口至韩国、以色列、香港等国家及地区。年初，北京卓镭激光技术有限公司完成近亿元B轮融资。本轮投资由君联资本领投、厦门建发及朗玛峰创投跟投；锐科激光：国神光电拥有多项领先的专利技术，已具备生产工业化稳定的大功率超快激光器的能力，整体技术全面且实力较强。周士安博士为公司研发带头人，已带领研发团队研制出具有国际领先技术水平的全光纤集成高功率飞秒激光器。武汉锐科光纤激光技术股份有限公司于年6月5日召开了第二届董事会第十一次会议，以全部9票审议通过了《关于公司收购国神光电科技（上海）有限公司51%股权的议案》，同意公司收购国神光电科技（上海）有限公司9名股东共计51%的股权，收购估值2.25亿元。预计国神光电年实现万元收入；华快光子：华快光子注册成立于年7月，公司专注于超快激光器的设计、研发和销售。公司超快激光基础设计技术来源主要是北大的张志刚教授，结合公司成立以来不断的产业化经验，华快已经成为国内极少数全面掌握超快激光器从系统集成、核心元器件到光芯片技术的企业。公司飞秒激光器产品已经完成技术开发，进入工程样机制作阶段。主要用于OLED加工和修复、航空发动机叶片打孔、焊接焊缝处理、医疗牙科加工、眼科白内障等潜在高端市场。公司在技术及产品层面具备几项核心优势：1.超快激光和传统激光技术差异大，难度更大，华快率先跑通导入量产；2.国内最庞大的工业超快激光工程化研发和生产品控团队，快速迭代能力强；3.各产品模块和光学元器件高自制率，与竞品相比具备一定的价格优势。华快光子年全年销售额数千万元；奥创光子：成立于年6月，公司主要从事工业高功率飞秒激光器及其核心器件的研发、生产与应用。奥创光子技术是目前国内领先的专业飞秒激光器研发和制造商，核心技术团队由中科院瞬态光学与光子技术国家重点实验室骨干成员和工程化经验丰富的海归专家组成，拥有极强的研发技术实力和产业化经验。团队掌握了激光器产业化过程中所需的全部核心关键技术，包括光纤种子激光源的产生和诊断、啁啾体布拉格光栅色散补偿技术、波长转换等，结合团队设计制造的超快种子源、可编程高速脉冲选单/降频器、温度调谐式啁啾光纤光栅等核心器件已成功推出系列化多个功率级别飞秒脉冲激光器，经众多客户反馈，产品的主要性能及指标均达到国际先进水平。预计年公司有数千万元销售收入。四、飞秒激光器投资逻辑
行业发展趋势
随着消费电子以及半导体行业的快速发展，尤其是5G带来新一代终端设备的升级，对新工艺需求不断提升，加工工具也由传统的纳秒激光到皮秒激光，目前正在向飞秒激光器方面快速发展。飞秒激光器的增长速度为传统激光器的两倍以上。在航空航天领域，尤其是应用于民用航空飞机涡轮发动机叶片以及第四代战斗机涡轮发动机叶片的加工，飞秒激光加工工艺完全替代了传统的电火花工艺，国产民用飞机批量生产必然带动飞秒激光器的井喷式增长。在激光行业，总体的发展趋势是向更窄脉宽、更高的峰值功率、更高的能量发展。此外，欧美国家对中国飞秒激光器核心技术进行封锁，而由于进口设备的高售价、账期和付款方式、售后支持和服务等原因，加上较多的海外高端人才往国内回流，给国产核心器件做到进口替代提供了一个好机会；
国内飞秒激光器市场竞争格局
文章作者这里大量的访谈了国产超快激光企业的创始团队成员，包括核心的技术和市场负责人。虽然积极布局飞秒激光器的企业至少有十多家，但是每个团队具备的核心竞争力不尽相同。目前在这个领域，国产团队中年全年销售10台及以上整机的企业更是少数，尤其是在纯工业场景中。虽然每家的
