激光產業鏈從上游-中游-下游-終端，可分為四大環節：上游：核心器件，包括激光芯片、泵浦源、特種光纖、晶體材料、光學元器件；中游：激光器，包括半導體激光、光纖激光、超快激光等；下游：激光切割、激光焊接、激光打標、激光清洗、激光熔覆、激光3D打印、激光顯示、激光測量、激光武器等；終端客戶包括汽車制造業、3C電子、專業鈑金加工、航空航天、新能源/光伏、軌道交通、船舶重工、工程機械、生物醫療、軍工集團等。

圖1. 激光加工在航空航天、新能源/光伏、軌道交通、船舶重工、工程機械等行業的應用場景持續拓寬

激光制造已然成為發達國家積極搶占的戰略制高點。例如在中國，隨著以“十四五”規劃和2035年遠景目標為指引的發展戰略的不斷落實，激光制造正加快推動中國制造業實現轉型升級。

作為國內最大的光電器件基地、光通信技術研發基地和最大的激光產業基地之一，武漢·中國光谷目前的光電子信息產業規模超5500億元。同時，光谷也是我國激光技術研究、激光產業和激光專業人才培養重要基地之一，這里聚集了逾300家激光企業。近日，湖北省人民政府印發《加快“世界光谷”建設行動計劃》，提出到2025年，“世界光谷”地區生產總值達到5000億元，光電子信息產業規模達到7000億元，帶動武鄂黃黃（武漢、鄂州、黃岡、黃石）光電子信息產業規模突破1萬億元，攜手打造世界級高新技術產業集群。到2025年，光谷激光企業產值達到1000億元；到2035年，激光企業產值達到3000億元。當前，武漢正在打造的“965”產業集群（9大支柱產業、6大戰略新興產業、5大未來產業），激光產業作為新型戰略型產業被涵蓋在內。

當前，低速光學芯片和電動芯片一般都是中國制造，但高速光學芯片仍依賴進口。國外最先進芯片的生產精度是10nm，而我國只有28nm，落后兩代。據報道，在計算機系統、通用電子系統、通信設備、存儲設備、顯示和視頻系統等多個領域，中國制造的芯片占比為0。

2017年，ASML推出全球第一臺量產的極紫外光刻機，在芯片制造領域發揮著至關重要的作用。2021年該公司推出新一代光刻機，造價1.5億美元，且對我國限制出口，是典型“卡脖子”領域。

高功率高重頻脈沖CO₂激光器作為極紫外驅動光源具有更高的轉化效率(3%-6%)和產生更少的碎片，是目前極紫外光刻機量產設備的唯一方案。

在該領域，需要突破的關鍵單元技術包括：高損傷閾值聲光開關器件、電光器件技術、高損傷閾值精準相位控制鏡片鍍膜技術、自適應鏡片光學保偏鍍膜與性能測試、基于相位控制的防反射器件設計等。

華中科技大學針對高功率脈沖CO₂激光器開展了多項攻關工作，其中包括脈沖CO₂種子源、基于射頻板條的CO₂激光預放大、基于射頻激勵軸快流的CO₂激光主放大等技術和工藝的研發。同時，針對高功率脈沖CO₂激光器在極紫外光源、光電對抗、電路板鉆孔等應用領域開展了相關研究。

晶圓激光退火是芯片制造的關鍵技術之一，其主要使用的是高精度、高穩定性的大功率射頻板條CO₂激光器。毫秒退火是近年來的最新技術，這種方法將晶圓加熱到僅低于硅的熔點，約為1100-1350℃，而加熱時間僅為幾百微秒到幾毫秒之間。該方法主要包括閃光燈退火以及激光尖峰退火。閃光燈退火主要采用一排閃光燈在一瞬間對晶圓進行照射；激光尖峰退火的原理是：長波長的CO₂激光器產生激光束，并通過一定的整形形成線光束，以掠射角照射到晶圓表面。對于28nm以下節點的集成電路退火，主要采用射頻板條CO₂激光器進行激光退火。

圖2. 激光尖峰退火示意圖

華中科技大學是目前國內唯一具有研發和制造能力3.5kW射頻板條CO₂激光器的科研單位，針對高精度射頻板條電極設計與加工、大功率射頻電源設計與開發、非穩波導混合諧振腔、匹配網絡與并聯諧振技術、光束整形設計和射頻氣體放電理論與參數測試開展了大量科研工作。

高功率、高光束質量是實現半導體激光器加工直接應用的重要技術指標。為了提高半導體激光器輸出光功率，需要采用最適宜的合束技術來提高半導體激光源的亮度及光束質量。

針對高功率紅外半導體激光器，當采用常規合束方法時，其外部光學集成，易實現上萬瓦高功率，但光束質量較差，目前亮度達76MW/cm²/sr (3000W/20mm*mrad)；如采用光譜合束，外腔反饋光譜窄化及調節，光束質量有較大提升，目前亮度達3.9GW/cm2/sr (4700W/3.5mm*mrad)；采用高光束質量單元與光譜合束結合方法時，光束質量近衍射極限，功率待進一步提升，目前亮度達10GW/cm²/sr (360W/0.6mm*mrad)，是獲得萬瓦級、高光束質量輸出的有效途徑；當采用高光束質量單元與光譜合束單片集成方法時，芯片內部光譜窄化及調節，結構更加穩定簡化，強化了半導體激光器的環境適應性。

波長400nm~500nm范圍的藍光半導體激光器，具有穩定性高、電光效率高等優點，廣泛應用于激光加工（如銅、金）、醫療、水下探測、照明、激光泵浦等領域。高功率藍光半導體激光旨在解決以純銅、純金、高強鋁為代表的高反射高導熱材料激光先進制造問題。藍光吸收率是常規紅外激光器的5-10倍，激光焊接時可達到無飛濺、無氣孔、焊縫一致性成形好等優點，它也適用于電力輸送、動力電池和航空航天燃燒室等Cu焊接或3D打印等應用中。

藍光合束方法主要包括空間合束、偏振合束、波長合束、光譜合束、光纖合束。其中，空間合束、偏振合束和光纖合束是在工業領域應用較多的手段。通過空間合束和偏振合束可以實現500W，1000W的藍光激光器。就高亮度藍光光纖耦合模塊而言，500W模塊的光纖≦400μm/0.22NA；1000W、1500W模塊的光纖≦800μm/0.22NA；功率穩定≦±2%；1500W模塊，光纖≦800μm/0.22NA；功率穩定≦±2%；。

圖 3. 從 a 到 e 依次為：空間合束、偏振合束、波長合束、光譜合束、光纖合束的示意圖

藍光復合技術主要包括藍光+光纖復合、激光焊接機器人、焊接過程視覺檢測、焊接位置跟蹤等工藝的結合。通常情況下，高功率藍光激光加工頭，其功率承受能力≥1500W，焦點光斑直徑≤1mm；復合應用激光加工頭總承受功率≥6000W。高功率藍光半導體激光焊接應用上，結合藍光激光的高吸收率和光纖激光器的高功率，能夠獲得理想的焊接效果。此外，藍光/紅外耦合的雙激光選區熔化增材制造也引發不少關注。

可見光激光在生物醫學、精細加工、水下通信、光學存儲、光譜學等領域有非常廣泛的應用。

LD 作泵浦源能使固體激光器具有體積小、重量輕、壽命長、效率高、光束質量好、易通過陣列化、模塊化來實現高功率激光輸出等優點。

以摻鐠激光器為代表的藍光泵浦的可見光激光器可以高效的產生藍光、綠光、橙光、紅光和深紅光激光，避免了倍頻晶體的使用，穩定性好，腔體結構緊湊。

在眾多光源產品中，光纖激光器以其優異的電光轉換效率、卓越的性能、最小的維護需求、節能環保、持續拓展的應用場景、優異的光束質量以及更高的穩定性等諸多優勢頗受青睞。高功率光纖激光器主要指單脈沖功率在1.5kW以上的光纖激光器，特殊的高功率光纖激光器單脈沖功率甚至可以達到10kW以上。

2022年，中國光纖激光器市場總營收為120多億元，同比增長3.7%-11.7%。2019年以來，高功率光纖激光器頻出，尤其是萬瓦級激光器。12kW、15 kW、20KW、100KW……為板材加工市場帶來一次又一次沖擊。

光纖激光器的核心光學器件如泵浦源、有源光纖、合束器、光柵均在中國已陸續實現了批量化生產制造。今后，工業應用對于高效率、加工能力、加工精度的持續追求，將推動光纖激光器邁向更高亮度、更高功率、更短脈沖的發展征程。

表1. 976nm更高泵浦效率及更短光纖

相較而言，976nm比915nm泵浦的光電轉化效率提高25%以上；12kW的976nm比915nm產品成本低10%左右。

Coherent/Nufern推出MM-YTF-34/460/530多模三包層摻鐿光纖。傳統的大模場（LMA）光纖輸，受限于光纖光柵腔鏡，無法使用30um以上的低數值孔徑（NA）光纖制作高功率光纖激光器諧振腔。主震蕩功率放大（MOPA）技術是提升單根光纖輸出功率水平的一條可行技術路線。同時提供匹配使用的無源三包層光纖MM-GTF-34/460/530，方便用于光纖合束器的制作和高功率匹配光纖輸出。MM-YTF-34/460/530適合于MOPA結構的高功率多模光纖激光器，能夠實現高達5kW甚至更高輸出。

圖4. MOPA結構高功率多模光纖激光器原理圖

未來，國內的光纖激光器廠商亟需在大功率激光芯片、半導體激光泵浦源（如976nm泵浦技術的工業化應用）、特種光源/光纖設計；光學器件制造和工藝等領域不斷攻關。此外，要持續提升激光器的光電轉換效率、光束質量等關鍵指標和產品性能，還需要快速應對終端多場景技術變革，例如當前如火如荼的新能源、電子、汽車等自動化產線多種應用的需求。

近幾年，超快激光技術經歷了重大革新和迭代，超快激光器在微電子、3C /5G、穿戴式電子設備、醫療裝備、航空航天、新能源汽車、光伏、OLED 等現代顯示行業、增材制造、生命科學、科研領域擁有更多元化和創新型的應用潛力。超快激光提供了前所未有的極端制造與精密制造潛力，在攻克常規工藝難以實現的高、精、尖、硬、難等加工瓶頸方面獨樹一幟。

圖5.超快激光提供了前所未有的極端制造與精密制造潛力

2022年國內工業超快1000余臺，其中國內激光器占比50%以上。今后，超快激光領域的研發重點包括提升光源的輸出功率和能量，不斷改善光束工藝和質量，飛秒和皮秒激光光束的光纖傳輸，紫外和深紫外的頻率轉換；進一步開發高功率和高能量的組件，過程監控和控制，以及進一步攻克光纖種子源、光子晶體光纖、泵浦源、激光二極管、壓縮光柵、保偏光纖、脈沖調制器件、放大技術等領域的技術瓶頸。

當前，激光切割已占據大約70%的激光加工市場，20%為激光焊接，約10%為其他工藝。2021年激光切割仍是最大應用市場，并且向萬瓦級高功率持續邁進，超600家從事激光切割裝備制造的企業紛紛加入光纖切割陣營。

對于厚板而言，其切割、穿孔能力均突破80 mm，切割效率和斷面質量也全面提升中，高功率激光器切割中，氧氣作為輔助氣體，通過使用不同功率配合不同厚度板材切割，以獲取光滑平整的切割斷面。

圖6. 從切割效果來看，15kW光纖激光器進行切割工作，可有效改善工件錐度。

切割厚度從以往的25mm瓶頸，逐漸突破了40mm、60 mm、80mm，甚至更厚。然而目前，在切割大于60mm厚度的材料上，穿孔、穩定切割和錐度大小的控制，是亟需進一步攻克的問題。

在使用較低激光功率進行氧氣碳鋼切割時，通常建議用戶不要切割小于板材厚度的圓孔，一般情況下等于板材厚度甚至是板材厚度的1.5倍，隨著切割、穿孔效率的提升，輔以合適的噴嘴，可以進行厚板小孔的加工。 

圖7. 15kW 碳鋼小孔切割，可以看出氧氣碳鋼高功率小噴嘴高速亮面切割，板材上層條紋及下層拖曳線均過于粗糙

總之，需要對切割速度、激光功率、輔助氣體、焦點位置、噴嘴特性及材料材質性能等工藝參量進行合理有機的控制，倘若參量把握不準，其切割精度和切割質量都會受到很大的影響。

激光拼焊技術、熱壓成型技術等先進的加工制造工藝直接決定汽車輕量化應用。通常情況下，前縱梁采用激光拼焊技術，車身零件數量可減少約25%，質量減輕20%，抗扭剛度提高65%，振動特性改善35%，并且大幅增強了彎曲剛度。同時，要進一步攻克鋁質材料與鋼鐵材料的激光拼焊形式，以保證對重要位置的強化等。

圖8. 如今，汽車板拼焊的應用場景越來越多，需求量亦越來越大，包括汽車門內板、底板、立柱等不等厚鋼板的拼焊中

預計到2025年，全球新能源汽車銷量將超1500萬輛；到2030年全球新能源汽車銷量將達3000萬輛左右。全球新能源動力電池裝機量需求到2025年預計達到1000GWh，到2030年預計達到2400GWh。另據相關數據統計，激光技術在動力電池制程中發揮核心作用，如果以激光設備占整線價值量投資比例為30%計算，2025 年激光鋰電設備的需求規模約為430億元，市場空間巨大。

汽車動力電池主要包括方形電池、圓柱電池以及軟包電池這三種形式。可焊接部位包括蓋板防爆閥焊接、極耳與極柱焊接、殼體焊接、注液孔焊接，模組連續片焊接等。

圖9. 藍光激光在各電池部件上的焊接應用

當涉及汽車鍍鋅鋼板焊接時，鋅蒸氣和鋅等離子體是激光深熔焊接鍍鋅板過程中存在的兩種主要焊接特征，其對焊接過程產生重要影響。鍍鋅板搭接焊時搭接板間隙中的鋅蒸氣將流向熔池部位，干擾熔池液相流動，從而造成孔洞、氣孔與飛濺，甚至出現嚴重的咬邊等現象。車廂激光填絲釬焊，疊焊時預留板間間隙便于鋅蒸氣的逸出，間隙在0.1-0.2mm之間。目前，通快的Bright Line焊接技術，相干的ARM（可調節環形光斑模式）技術，IPG 和Laserline的多光點模塊激光釬焊技術等得到了廣泛應用。

從激光拼焊的典型應用來看，主要包括門內板，立柱，前縱梁等。例如以門內板為例，需要在其前部安裝車門鉸鏈的地方，需另外設計一塊加強板。而新設計的激光拼焊門內板，則將板厚或強度不同的鋼板直接焊接在一起。這彰顯出不少優勢，一個是廢料減少，另外是重量減輕。在激光拼焊技術領域，德國蒂森克虜伯（ThyssenKrupp）可謂是佼佼者，該公司在產品質量、穩定性、可靠性、批量生產等方面都是市場引領者。

圖10. 德國蒂森克虜伯公司在激光拼焊技術上處于全球領先地位

針對航空、汽車、鋼鐵、石油化工、能源、發電等不同工業領域失效零件，亟需開發相應的增材修復與再制造的控形控性工藝與裝備；研制固定式和移動式激光修復集成裝備及其在海陸空的綜合應用；研究高功率半導體激光光束傳輸聚焦熱源特性，以及探討在局部約束條件下激光能量吸收機制和關鍵部件修復再制造工藝難題。

例如，由于工業電鍍存在污染環境、危害人體的缺點，因此采用激光熔覆技術作為工業鍍硬鉻技術的有效替代方案。然而，由于常規激光熔覆技術的表面速率低，熔覆層不夠光滑等缺點，亟需探索一種可以彌補常規激光熔覆技術缺陷的高速激光熔覆技術。高速激光熔覆技術主要包括激光技術、送粉技術、監控技術和材料工藝技術。

圖11. EHLA完成的熔覆涂層冶金質量高、稀釋率低、變形小、表面光潔度高，被視為先進環保的再制造加工技術。（Credit：Fraunhofer ILT）

由德國Fraunhofer ILT開發的超高速激光熔覆技術（EHLA）具有替代當前腐蝕和磨損保護方法如硬鍍鉻和熱噴涂的潛力。EHLA的原理是通過激光融化金屬粉末，從而在金屬件表面形成涂層。這種涂層能有效保護金屬件免遭腐蝕和磨損，延長其壽命。普通的激光熔覆技術速率是0.5-2m/min，而超高速激光熔覆技術可達到50-200m/min，鍍層速度至少提高了100倍。EHLA其他優勢還包括可以在零件表面制備大規模的同成分涂層，從而有可能生產出在生命周期內不會磨損的創新零件。據悉目前，Fraunhofer ILT的研究人員已經將二維超高速激光材料沉積 EHLA 技術轉移到改進的五軸 CNC 系統，用于復雜零部件的增材制造。通過將 EHLA 工藝擴展到三維，可以快且精確地3D打印工具鋼、鈦、鋁和鎳基合金等難焊材料。