（一）激光器原理

1、什么是激光

• 激光（laser）是“透過受激輻射產生的光放大”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation）的縮寫，指透過刺激原子導致電子躍遷釋放輻射能量而產生的增強光子束。
• 激光的優點：
• 發散度小：激光光子是集中在同一方向的光，因此即使距離光源很遠，光也幾乎不會擴散，仍然會保持一個方向、保持強光直線向前發射。

• 干涉性好：激光光子的波長恒定，而該波長的光是相位相同的“相干光”，所以多束光重疊時，會互相放大。

• 單色性好：激光光子的波長相同，因此，可以有效產生特定波長的光，從而實現明亮且色彩復現性高的光。

• 能量強度高：因為激光的發散角度小，光子能量比較聚焦，激光光子波長和相位相同，所以多束光子疊加可實現能量線性增加。

2、什么是激光器

• 激光器的全稱叫受激輻射的光放大器。激光是靠介質內的受激輻射向外發出大量的光子而形成的，受激輻射產生的光子與外來光子性質完全相同，使入射光得到放大。用這種原理制成的光源就叫激光器。主要組成部分包括增益介質、泵浦源、光學諧振腔。
• 增益介質：一般情況下，介質處于熱平衡狀態，大多數粒子都處于能量較低的能級上。欲使介質中的受激輻射過程大于吸收過程，必須采取某種措施，把處于低能級上的粒子大量地抽運到高能級上去，造成粒子數密度反轉狀態，處于這種狀態的介質叫做增益介質。
• 泵浦源：激光器的能量供給來源；增益介質會吸收泵浦源提供的能量并將激光放大，泵浦源可以是光學或電學的，如激光二極管、光纖耦合的二極管、弧光燈等。
• 光學諧振腔：要形成激光，必須使受激輻射成為增益介質中的主要發光過程，這就需要一個光學諧振腔。諧振腔是兩面互相平行的鏡子，其中一塊的反射率約為1，稱為全反射鏡。光射到它上面時，它將把光全部反射回介質中繼續放大。另一塊反射鏡的反射率<1，稱為部分反射鏡。光射到部分反射鏡上時，一部分反射回介質繼續放大，另一部分透射出去作為輸出激光。

3、激光器的工作原理

• 光與物質的相互作用有3種不同的過程：自發輻射、受激輻射和受激吸收。普通光源中自發輻射起主要作用，激光器工作過程中受激輻射起主要作用。
• 受激吸收?：物質吸收光子的能量，從低能級躍遷到高能級。
• ?自發輻射?：物質中的原子或分子在沒有外界激發的情況下，從高能級躍遷到低能級，發出光子。
• ?受激輻射?：物質在受到外界激發時，從高能級躍遷到低能級，發出與入射光子相同頻率的光子。

• 受激輻射理論：這一理論指出，處于高能態的物質粒子在受到能量等于兩個能級之間能量差的光子作用時，會轉變到低能態，并同時發射出第二個光子，這種輻射輸出的光獲得了放大，而且是相干光，即多個光子的發射方向、頻率、位相、偏振完全相同。
• 粒子數反轉：處于激發態的粒子數多于基態的粒子數為粒子數反轉。一般情況下，粒子處于基態（最低能級）。通過泵浦，將一部分粒子激發到較高的能級，達到一定的激發態粒子數，只有在激發態的粒子數多于基態的粒子數時，才能產生受激輻射現象，進而實現激光的發射。

• 激光器的工作原理：激光器內部含有激發介質，可以是氣體、液體或固體，當施加外部能量時，這些介質中的原子或分子會被激發到更高的能量狀態。當出現大量粒子處于激發態時，部分粒子會自發輻射，釋放出光子；這些光子在諧振的過程中會去碰撞激發的粒子從而產生連續受激輻射，當光子經過諧振腔反復增益后，會有部分光透過部分反射鏡，發出具有良好譜線的相干光——激光。

  
  

  

4、激光器的關鍵參數指標

• 指激光器在單位時間內輸出的能量，通常以平均功率（W）或峰值功率（W/脈沖）來表示。輸出功率是評估激光器整體輸出能量和工作效率的重要參數之一。

• 波長是指激光的中心波長，是光譜中具有最高強度的波長，通常以納米（nm）為單位表示。激光的波長決定了其光子的能量，不同的應用領域需要不同波長的激光。

• 激光器的脈沖寬度是指激光脈沖的時間長度，是描述脈沖激光器性能的重要參數之一。不同的激光器可以產生不同時間尺度的脈沖，通常用納秒、皮秒、飛秒和阿秒等單位來描述。

• 激光器的重復頻率是指單位時間內激光器發射脈沖的次數或個數，通常以赫茲（Hz）為單位。重復頻率是衡量激光器工作速率和性能的重要參數之一，對于許多應用而言至關重要。
• 低重復頻率激光器：重復頻率較低，通常在幾赫茲到幾千赫茲之間。
• 中等重復頻率激光器：重復頻率適中，通常在幾千赫茲到幾十千赫茲之間。
• 高重復頻率激光器：重復頻率較高，通常在幾十千赫茲到幾百千赫茲甚至更高。

• 激光器的單脈沖能量是指每個脈沖所攜帶的能量，通常以焦耳（J）為單位。單脈沖能量是評估激光器輸出功率和材料加工效率的重要參數之一。根據單脈沖能量可以分為：低單脈沖能量激光器（幾毫焦），中等單脈沖能量激光器（幾十毫焦），高單脈沖能量激光器（幾百毫焦）。

• 通常用M2因子來衡量，M2的計算通過測量激光束在不同位置處的光斑直徑，然后利用相關的算法來確定。一般來說，激光器的M2值越接近1，表示其光學質量越高，激光束的發散性越小，聚焦性越好。一種簡單的計算方式：M2=激光束的實際發散角度與理想光束的發散角度之比的平方根。

• 激光的偏振比是一個描述激光束偏振狀態的重要參數，它指的是激光光束中某一特定偏振方向上的電場強度與垂直于該方向上的電場強度的比值。在實際應用中，激光的高偏振比通常是需要的，因為它有助于提高激光系統的性能和精確性。舉例來說，如果一個激光束在水平方向上偏振，那么激光的偏振比就表示水平方向上電場強度與垂直于水平方向的電場強度之比。

• 如果偏振比為1，表示電場在水平和垂直方向上的強度相等，即非偏振狀態；
• 如果偏振比大于1，表示電場在水平方向上的強度大于垂直方向上的強度，即偏振狀態。理想情況下，完全偏振的光束會有一個非常高的偏振比，接近無限大
• 激光偏振比的重要性：在激光加工中，如切割、打孔或焊接，特定偏振狀態的激光可以提高處理效率和質量。例如，線性偏振激光可以在與偏振方向相互作用的金屬表面上產生更干凈、更精確的切割效果。

• 光斑直徑通常指的是激光束在某個特定距離上的橫截面直徑，也可以理解為激光束在目標表面上形成的圓形或橢圓形斑點的直徑。光斑直徑的大小取決于多種因素，包括激光束的發散角度、聚焦系統的焦距和質量、以及目標表面與激光束的距離等。
• 在激光應用中，光斑直徑的大小對于加工精度和效率至關重要。通常情況下，較小的光斑直徑意味著更高的空間分辨率和加工精度，但可能需要更復雜的光學系統來實現。相反，較大的光斑直徑可能會降低空間分辨率，但在某些情況下可能更適合于快速加工。

• 光斑發散角是指激光束從光源或光學系統輸出后，在傳播過程中光斑直徑逐漸增大的角度。這一參數是用來描述激光束的發散性質的，常用單位是mrad（毫弧度）或度。一弧度是一個圓心角的單位，等于半徑長的弧長所對應的角度，而毫弧度則是一弧度的千分之一。在激光技術中，mrad常用來描述激光束的發散角或聚焦角，即激光束從發射源或光學系統中傳播時的擴散或聚焦程度。通常情況下，較小的mrad值表示激光束更為集中或聚焦，而較大的 mrad 值則表示激光束更為擴散。
• 發散角的大小影響著激光束的聚焦能力和在特定距離上的光斑大小，對于許多應用來說是一個關鍵的性能指標。發射角越大，相同的距離，光斑的大小越大。發散角的影響：
• 射程和聚焦：發散角越小，激光束的射程越遠，聚焦效果越好。小發散角意味著激光束可以在較遠的距離上保持較小的光斑，這對于精確打標、切割等應用非常重要。
• 能量密度：發散角較小的激光束，在較遠的距離上仍能維持較高的能量密度，這對于一些需要高能量密度的應用（如激光武器、遠距離傳輸等）至關重要。

（二）激光器的分類

• 激光器可以按照泵浦方式、增益介質、工作方式、輸出功率、和輸出波長等不同維度進行分類，具體分類方式如下：

• 1）按泵浦方式的不同,激光器主要可以分為光泵浦激光器、電泵浦激光器、化學泵浦激光器、熱泵浦激光器和核泵浦激光器。一般而言，不同類型的泵浦源是與激光晶體不同的吸收波長相適應的。

• 電泵浦激光器指以電流方式激勵的激光器，氣體激光器多以氣體放電方式進行激勵，而半導體激光器多采用電流注入方式進行激勵。
• 光泵浦激光器指以光泵方式激勵的激光器，幾乎所有固體激光器、液體激光器均屬于光泵浦激光器，而半導體激光器被作為光泵浦激光器的核心泵浦光源。
• 化學泵浦激光器指利用化學反應釋放的能量對工作物質進行激勵的激光器。 

• 2）按照增益介質的不同，可以分為液體激光器、氣體激光器和固體激光器（光纖、半導體、全固態、混合）。其中光纖激光器由于增益介質較為特殊且占有較高的市場份額，學術及生產實踐中一般會將其與其他固體激光器單獨區分開。目前發現可做增益介質的物質有近千種，常見的有摻稀土元素光纖、染料、惰性氣體、二氧化碳、摻釹釔鋁石榴石（YAG）和鈦藍寶石等。

  

• 3）按工作方式的不同，激光器可分為連續激光器和脈沖激光器。連續激光器可以在較長一段時間內連續輸出，熱效應高。脈沖激光器以脈沖形式輸出，主要特點是峰值功率高，熱效應小；根據脈沖時間長短，脈沖激光器可進一步分為長脈沖（毫秒、微秒）、短脈沖（納秒）、超短脈沖（皮秒、飛秒）激光器，一般而言，脈沖寬度越窄、波長越短，可實現的加工精度越高。

• 4）按照輸出功率的不同，可以將光纖激光器分為小功率（0-1kW）、中功率（1kW-3kW）、高功率（3kW-6kW 以上）。而對于主要應用在精細微加工領域的固體激光器，實踐中一般將10W以下的歸類為低功率，10W以上為中高功率。不同功率的激光器適應的應用場景各不同。

• 5）按輸出波長的不同，激光器可分為紅外激光器、可見光激光器、紫外激光器等。不同結構的物質可吸收的光波長范圍不同，因此需要各個波長的激光器應用于不同材料的精細加工。

1、氣體激光器

（1）CO2激光器

• CO2激光器，全稱為二氧化碳激光器，是一種以二氧化碳（CO2）氣體作為工作介質的氣體激光器。工作原理基于受激輻射，它以氣體混合物作為增益介質，其中含有二氧化碳 （CO2）、氦氣（He）、氮氣（N2），部分還含有一些氫氣（H2）、氧氣（O2）、水蒸氣或氙（Xe）。當向CO2氣體施加高電壓時，氣體分子被激發到高能級狀態。隨后這些激發態分子通過輻射躍遷回到低能級狀態，同時釋放出光子，形成激光。

• CO2激光器通常發射波長為10.6um的激光，但在9-11um范圍內（特別是9.6um）還有數十種其它譜線，針對特定的材料，可以優化不同的波長。CO2激光器通常有三種波長：9.3um，10.2um，和10.6um。10.6um波長可以適用大多數非金屬材料的打標，切割，鉆孔等應用，10.2um波長主要適用于PP聚丙烯材質材料的加工，9.3um則廣泛的應用于膜類材料的加工，如PET膜，PI膜等。

（2）準分子激光器

• 準分子：是由兩種物質形成的短壽命二聚體或異二聚體分子，其中至少一種物質的最外層被電子完全填充（例如，惰性氣體）。在這種情況下，只有當這種原子處于電子激發態時，才有可能形成分子。這兩個原子一個是惰性氣體原子，另外一個是鹵素原子，在幾十納秒的高電壓放電下產生激發態的稀有氣體-鹵族元素分子，如 ArF*，KrF*，XeF*，XeCl*等。

• 準分子激光：準分子激光的躍遷發生在束縛的激發態到排斥的基態，屬于束縛–自由躍遷。其特點基態不穩定，一般在振動弛豫時間內便分解為自粒子，而其激發態以結合的形式出現并相對穩定，以輻射的形式衰減，因而準分子激光具有高增益的特點。簡單來看就是，惰性氣體原子被放電激發為離子狀態時，變成準分子，而準分子只在激發狀態下與鹵素原子結合。這種準分子壽命短，會發出紫外光并且返回到基本形態，成為原來的惰性氣體和鹵素原子。

• 準分子激光器是紫外波段大能量激光光源，是一種輻射脈寬為幾十納秒的紫外氣體激光器。由于具有光子能量高、波長短、空間相干性低（不易產生干涉條紋）等一系列優勢，準分子激光是目前最有效、適合大規模工業生產的深紫外光源。準分子激光光源發展需求主要分為兩類：針對光刻需求——高重頻，同時要求極窄的光譜及極高的穩定性；針對工業加工需求——大單脈沖能量，高平均功率。
• 高壓氣體放電激勵技術幾乎是目前實用化準分子激光系統中唯一使用的技術。放電電極在高壓快脈沖源的作用下放電，激勵放電區的氣體介質出光，產生的深紫外光在諧振腔內振蕩放大，形成激光脈沖輸出。這種快脈沖放電泵浦的方法可以實現準分子激光系統的kHz高重復頻率運行，或者幾焦耳的大脈沖能量輸出。其中的最基本的幾個關鍵技術就是快脈沖激勵源、氣體放電腔和光學諧振腔。

• 準分子激光器被廣泛應用于工業、醫療和科研等領域。在工業領域，準分子激光器可用于集成電路光刻、OLED顯示、微電子封裝、光纖光柵制備、微切割、微鉆孔等諸多方面；在醫療領域，準分子激光器主要用于眼科激光手術，也可用于治療白癜風等皮膚病、心血管治療和神經外科手術等；在科研領域，準分子激光器在激光誘導熒光、激光脈沖沉積、激光化學氣相沉積和激光誘導刻蝕等科研，等離子體物理研究、高溫超導、光激發質譜研究、同位素分離、抽運染料激光實現超短脈沖研究、慣性約束核聚變光源和非線性光學特性的研究方面都有著重要的應用。

• 針對光刻應用需求，國際上主要有荷蘭ASML公司（Cymer）和日本Gigaphoton公司提供相應的準分子激光產品，相應功率從10~100W、光譜線寬從0.5~0.1pm、重復頻率從2~6kHz。高重復頻率可以提高加工產率，窄線寬可以保證芯片圖案的精細度，減小系統中色差影響。

• 針對工業生產及科研應用需求，主要有美國的Coherent公司提供相應的準分子激光光源。主要應用領域包括：激光退火等表面處理、近視矯正等醫療應用。工業及科研用準分子激光器一般要求具有較高的穩定性和光斑均勻性，其使用的準分子激光能量穩定性一般要求小于2%。

2、液體激光器

• 液體激光器也稱為染料激光器。這是一種使用液體作為活性介質的激光器。液態激光中使用的活性物質稱為染料，常用的染料有fluorescein, rhodamine B and rhodamine 6G。
• 液態激光器的工作原理：激光器的活性介質是有機染料，用于溶解染料的溶劑是水、酒精或乙二醇。染料從儲罐泵入毛細管。這種染料在閃光燈離開管子。然后，輸出光束通過布魯斯特窗口到達輸出耦合器，該耦合器是一個50%反射鏡。輸出波長可以變化到很寬的范圍。液體激光器由于價格高昂，但效率高，波長范圍廣，常用于醫療目的，作為研究工具。

（一）固體激光器

• 固體激光器激光介質為固體材料，通常是摻雜了特定稀土元素或過渡金屬的晶體或玻璃。其物理和光譜特性影響固體激光器工作特性，這里主要指吸收帶、熒光譜線、熱導率等。由于固體激光器的工作物質是絕緣晶體，所以泵浦系統一般都采用光泵浦激勵。

• 固體激光器的特點：輸出能量大，峰值功率高、結構緊湊牢固耐用。

• 固體激光器的缺點：

• 轉換效率低：一般情況下，紅寶石的效率在0.5%-1%；YAG的效率在1%-2%，好的情況下，可接近3%。

• 熱效應高：由于固體激光器輸出能量大，峰值功率高，導致熱效應非常明顯，為了解決這個問題，德國通快設計出了碟片激光器，碟片激光器結構非常復雜且成本較高。

• 固體激光器的分類：目前使用最廣泛的是紅寶石、主要有摻釹釔鋁石榴石、摻釹釩酸釔和鈦寶石（Ti∶Al2O3）四大基礎激光晶體。

1、碟片激光器

• 碟片激光器充分利用增益材料的幾何形狀高效散熱。碟片厚度一般在0.1毫米左右，橫向約幾個厘米。因為激光和泵浦光斑直徑都遠大于碟片厚度，熱量很快就能流向背面的散熱片。盡量減薄碟片能夠有效減少激光工作時累積的熱量。由于光學、熱學和機械性質俱佳，Yb:YAG是目前碟片激光器的標準增益材料。

• 碟片前表面鍍增透膜，后表面鍍高反膜，整體是一種有源反射鏡結構，能夠高效吸收泵浦光，提高光學效率。但是，由于碟片太薄，一次反射無法產生足夠的吸收，因此可以靠近碟片安裝一個拋物面反射鏡，通過泵浦光的多次反射增加吸收。碟片單次反射產生的激光增益只有10%左右。碟片激光器單位長度的增益要遠高于光纖激光器，在光學共振腔中放入碟片就足以輸出高平均功率。

• 碟片放大激光器的主要優勢是能夠在極高脈沖能量時提供衍射極限性能。比如，近年來超快碟片激光系統已達到千瓦平均功率和200mJ脈沖能量。碟片激光器是實現100瓦以上超快激光系統的主要商用技術之一，廣泛用于材料加工，比如制備微米級精度的特征結構。

• 超快碟片激光器近年來有三大技術挑戰：

• 1）如何管理腔內強光學非線性效應？

• 空氣的光學非線性是鎖模碟片激光器面臨的老難題。強脈沖改變空氣折射率，足以影響超短脈沖的穩定形成。所以目前最高功率都是在近真空環境中取得的，這讓實驗裝置更為復雜。

• 這個問題的解決方法之一是在激光共振腔中加入特殊設計的負非線性晶體，以此抵消腔內氣體的正非線性效應，從而使激光器能在環境氣壓下工作。

• 2）如何用有限的高功率增益材料獲得更短的脈沖？

• 為了比SESAM鎖模Yb:YAG碟片激光器產生更短的脈沖，另一個研究方向是尋找新的增益材料。Yb:Lu2O3或Yb:CaGdAlO4等材料有望達到YAG的平均功率性能，而且由于發射截面更寬，因此支持更短的脈沖。但是，這些材料在高功率和短脈沖增益之間需有所折中。

• 3）如何放大平均功率？

• 放大功率也意味著腔鏡需要承受千瓦級平均功率。這對SESAM和色散補償元件是一個問題，因為它們的薄膜結構比標準高反鏡更為復雜，所以熱效應更強、激光誘導損傷閾值更低。因此，對于給定的輸出功率，鎖模激光器所需的腔內功率和群延遲色散越小越好，當然也要考慮脈沖形成的穩定性。

• 設計激光腔時需要考慮如何讓激光在碟片上多次反射，以此提高增益和輸出耦合率。減小所需的色散有兩種方法：一是上面提到的自相位調制（SPM）抵消，一是在低壓環境中工作。第二種方法的熱透鏡影響更小。因為以高功率工作時，碟片被泵浦區溫度最高能達到100度左右。這會加熱碟片周圍的空氣，反過來產生氣體透鏡效應。正常氣壓下的氣體透鏡對碟片整體的熱透鏡影響很大，但是在真空能被消除。

2、倍頻激光器

• 激光倍頻也稱二次諧波（SHG），是利用非線性晶體在強激光作用下的二次非線性效應，使頻率為ω的激光通過晶體后變為頻率為2ω的倍頻光。非線性光學晶體的工作原理主要基于光學非線性效應，即當光通過某種材料時，其傳播特性會隨著入射光強度的變化而變化。目前常見的532nm綠光激光器則是通過1064nm激光一次倍頻得到，而更難的266nm深紫外激光器則是二次倍頻得到的。

• 倍頻激光器要想實現較高穩定性，較大功率的運行還存在較多的技術難點：

• 倍頻晶體的選擇和壽命：選擇合適的倍頻晶體是關鍵技術之一。常用的倍頻晶體包括LBO等，但其成本和壽命是需要考慮的因素。

• 光傳輸和倍頻效率：倍頻晶體嵌入激光腔或放置在激光器光路外，對光的傳播和倍頻效率有顯著影響。需要優化光路設計，以提高倍頻效率。

• 非線性效應和熱效應：激光在腔內會產生非線性效應，如空間燒孔和高階諧振模式，影響倍頻效率和穩定性。同時，激光晶體的熱效應也不容忽視，需要有效控制。

• 相位匹配問題：在倍頻過程中，需要實現相位匹配，以獲得最高效率。非線性晶體的相位匹配帶寬有限，可能導致低轉換效率。

• 單頻或準單頻激光器的設計：對于單頻或準單頻激光器，需要采用合適的設計方案，如單通倍頻或外腔諧振倍頻，以實現高功率輸出。這些方案通常較為復雜，需要精細的控制和優化。

• 系統穩定性和可靠性：高功率激光系統需要高度穩定和可靠，以減少光束質量下降和功率波動等問題。

• 倍頻激光器存在一些明顯的缺點，主要包括以下幾點：

• 溫度敏感性：倍頻激光器的晶體隨溫度變化會導致倍頻光束能量不穩定。尤其在大功率激光能量輸出過程中，這種變化尤為明顯。因此，倍頻晶體需要恒溫且溫度波動范圍小的環境，這增加了系統的復雜性和成本。

• 高功率輸出的挑戰：在泵浦光較弱時，倍頻效率較低，且隨泵浦強度的增加而線性增加。但當泵浦光損耗變得顯著時，倍頻光的進一步上升將變慢。這限制了高功率輸出的能力。

• 相位匹配要求：倍頻過程是相位敏感的，需要滿足相位匹配條件以實現高轉換效率。如果相位匹配條件不滿足，轉換效率會非常低。

• 結構復雜性：內腔倍頻相比外腔倍頻結構更復雜，制造難度高。內腔倍頻還需要解決光干擾和晶體損傷等問題。

（二）光纖激光器

• 光纖激光器通常是指采用光纖作為增益介質的激光器；通過將光纖激活，以產生和放大激光。同樣也屬于固體激光器的一種。當然有些激光器中采用半導體增益介質（半導體光放大器）和光纖諧振腔也可以稱為光纖激光器（或者半導體光學激光器）。另外，一些其它種類的激光器（例如，光纖耦合半導體二極管）和光纖放大器也稱為光纖激光器（或光纖激光器系統）。（這里主要提的是有源光纖）

• 工作原理：以縱向泵浦的光纖激光器為例來介紹，一段摻雜稀土金屬離子的光纖被放置在兩個反射率經過選擇的腔鏡之間，泵浦光從左面腔鏡耦合進入光纖，左面腔鏡對于泵浦光全部透射并對于激光全反射，以有效地利用泵浦光，并防止泵浦光產生諧振而造成輸出光不穩定。右面腔鏡對于激光部分透過，以便形成激光束的反饋和獲得激光輸出。泵浦波長上的光子被介質吸收，形成離子數反轉，最后在摻雜光纖介質中產生受激發射而輸出激光。

簡單光纖激光器的示意圖。（泵浦光從左邊通過二色性反射鏡后進入摻雜光纖的纖芯。產生的激光在右側提取出來。）

• 在光纖的纖芯中摻入能產生光子的稀土元素，通過稀土元素的作用，將激光二極管LD泵浦發出的光能量轉化到信號光上。常用于光纖激光器稀土離子有鉺離子（Er3+）、鐿離子（Yb3+）、釹離子（Nd3+）、鐠離子（Pr3+）、銩離子（Tm3+）、鏑離子（Dy3+）等，光纖激光器根據工作介質中所摻雜的稀土離子的能級結構特點，輸出相對應的激光波長。

• 光纖激光器的優點：1）光束質量高，2）效率高，3）散熱性能好，4）緊湊和堅固，5）免維護，6）可調諧性。

• 光纖激光器的缺點：1）易受非線性效應的制約，2）光子暗化效應。

1、光纖介紹

• 光纖是一種高度透明的玻璃纖維，由石英材料拉制而成。光纖主要由纖芯和包層組成。纖芯，也稱為芯層，是傳輸光信號的核心部分，其作用是將光信號從一端傳輸到另一端。包層則對光信號進行反射和保護，確保光信號在傳輸過程中不會泄露或受到干擾。光纖的主要特性包括其光學特性（如衰減系數、帶寬、模場直徑）和機械特性（如抗拉強度、彎曲性能）。
  
  
  

• 為了實現光信號的有效傳輸，光纖中的纖芯和包層具有不同的折射率。一般來說，纖芯的折射率高于包層的折射率，這使得光信號能夠在纖芯中實現全反射傳輸，從而有效地避免了光信號在傳輸過程中的損失。

• 折射由斯涅爾定律描述：

• 其中nI和nR是光束折射通過的材料的折射率，I和R是光束的入射角和折射角。

• 光纖的重要參數：

• 數值孔徑（NA）：表征光纖端面接收光的能力。數值孔徑越大，接收光的能力越強，但模式色散也越大。根據CCIT建議，多模光纖的數值孔徑范圍為0.18～0.24，單模光纖的數值孔徑通常較小。

• 按照ITU-T國際標準規定分類：G.651、G.652、G.653、G.654、G.655、G.656、G.657共7個大類。其中，G.651為多模光纖，而從G.652至G.657則都為單模光纖，常用通信光纖為G.652、G.657。

• 按光纖剖面折射率分布分：

• 階躍（SI）型光纖：在纖芯與包層區域內，折射率的分布分別是均勻的，分別為n1和n2，在纖芯與包層的邊界處，其折射率的變化是階躍的（n2<n1）。帶寬較窄，適用于小容量短距離通信。

• 漸變（GI）型光纖：光纖軸心處的折射率最大（n1），但隨橫截面徑向的增加而逐漸減小，到纖芯與包層的邊界處，正好降到與包層區域的折射率n2。帶寬較寬，適中距離通信使用。

• 按傳輸的模式分：

• 多模光纖（MMF,multimode fiber）：可傳多種模式的光。但其模間色散較大，這就限制了傳輸數字信號的頻率，而且隨距離的增加會更加嚴重，所以在短距離通信領域中更受重視。纖芯直徑為50μm和62.5μm。

• 單模光纖（SMF,single-mode fiber）：只能傳一種模式的光，因此其模間色散很小，目前在有線電視和光通信中應用最為廣泛。纖芯直徑很小，只有8-10μm。

（1）光纖特性

• 衰減：光纖衰減是指光纖每單位長度上的衰減，單位為dB/km。光纖衰減的高低直接影響傳輸距離或中繼站間隔距離的遠近，主要包括以下幾種：

• 色散：信號在光纖中是由不同頻率成分和不同模式成分攜帶的，因而速度不同，經過光纖傳輸一段距離后，不同成分之間出現時延差，引起傳輸信號波形失真，脈沖展寬，從而產生碼間干擾。

• 模式色散：在多模光纖中，各個模式走不同的路徑，高階模走的路程長，低階模走的路程短，因此到達光纖終端的時間先后不同，造成脈沖展寬。限于多模光纖（由于信號不是單一模式）。

• 材料色散：（多模和單模光纖均有）因同一模式內不同波長的光波的傳播速度不同，從而產生脈沖展寬，引起材料色散。

• 波導色散：一般限于單模光纖，由于不同頻率下的速度不同而引起的色散。

• 偏振膜色散：由于光纖本身的非圓對稱性進而導致兩個正交偏振態沿光纖傳輸而發生偏離導致

• 非線性效應：光纖介質的非線性效應來自光纖的非線性極化效應，當入纖光功率超過一定數值后，由于光纖有效截面積很小，使得光纖芯徑中的光功率密度過高，從而誘導了光纖材料的非線性極化。光纖的非線性效應與信號的光功率密度成正比，并顯著地影響了信號光的相位，脈沖形狀和功率。非線性效應可以分為彈性效應和非彈性兩類。

• 受激拉曼散射（SRS）：光與硅原子振動模式相互作用，導致光信號功率衰減或增強，尤其在長距離傳輸和多信道系統中影響顯著。受激拉曼散射在單通道系統中不是問題，但在波分系統（多波）中可能是一個重大問題。當存在多個通道時，功率會從較短的波長傳輸到較長的波長。這也可以作為一個有用的效果，比如用來構建基于SRS的拉曼光放大器。

  
  

  

• 受激布里淵散射（SBS）：光纖中的光波通過介質時與分子振動相互作用，產生增益，導致信號光功率轉化為后向傳輸，影響系統性能。一般來說，當信號線寬小于約100MHz（約0.1nm）才能使SBS成為問題。

  
  

  

• 自相位調制（SPM）：當信號光強的瞬時變化會引起其自身的相位調制，使信號頻譜逐漸展寬。
  
  
  

• 交叉相位調制（XPM）：光纖中傳播不同頻率的波長時，介質的折射率與所有波長的光場都有關系，因此某一特定頻率的相位不但與自身的光場有關，還與其它頻率的光場有關。如果沒有SPM，就沒有XPM，XPM導致的非線性更嚴重。

• 四波混頻（FWM）：不同波長的光波相互作用導致新波長的產生，尤其在DWDM系統中是主要的非線性串擾因素。比如說頻率為ω1的信號與頻率為ω2的信號混合以產生兩個新信號，一個頻率為2ω1 - ω2，另一個為2ω2 - ω1。

  
  

  

（2）光纖結構

• 單包層光纖：是一種具有單層包覆結構的光纖，結構相對簡單，適合一般的光信號傳輸。單包層光纖通常用于較低功率的激光傳輸系統，因為它只能通過纖芯傳輸光信號，泵浦光的耦合效率相對較低。

• 雙包層光纖：雙包層光纖是一種具有特殊結構的光纖，比常規光纖增加了一個內包層，由涂覆層、內包層、外包層、摻雜纖芯所構成。包層泵浦技術以雙包層光纖為基礎，其核心在于讓多模泵浦光在內包層中傳輸，激光在纖芯中傳輸，使得泵浦轉換效率和光纖激光的輸出功率都能得到較大的提高。

• 雙包層光纖對泵浦光的耦合面積由內包層尺寸決定，而不像傳統單模光纖僅由纖芯決定。這樣雙包層光纖構成了一種雙層的波導結構，一方面提高了人纖激光的功率耦合效率，使泵浦光在內包層內傳導時，多次穿越纖芯激發摻雜離子發射激光；另一方面輸出光束質量由纖芯性質決定，內包層的引入沒有破壞光纖激光器輸出的光束質量。

• 光子晶體光纖：

• 光子晶體概念：不同介電常數的介質材料在一維、二維或三維空間內組成具有光波長量級的周期性結構，在此晶體中產生允許光傳播的光子導帶和禁止光傳播的光子帶隙（PBG）。通過改變不同介質的排列方式及分布周期，可以引起光子晶體性質上的許多變化，從而實現特定的功能。

• 光子晶體光纖（PCF）是二維的光子晶體，又被稱為微結構光纖或者多孔光纖。在外觀上，PCF與傳統的單模光纖非常相似，但在微觀上卻表現出復雜的孔陣結構。使得PCF具有無截止單模傳輸、大模場面積、色散可調和低限制損耗等性能。

• 單模傳輸特性：對于普通光纖，當傳輸光的波長大于截止波長，就可能實現單模傳輸，但是對于光子晶體光纖，對光纖結構經過合理設計，就能實現在所有波長無截止單模傳輸。

• 非線性特性：光子晶體光纖是理想的非線性光學介質，因為與傳統光纖相比，光子晶體光纖的纖芯更小，從而更容易產生非線性效應，當改變包層空氣孔直徑和空氣孔間距時，有效模場的能量密度也會發生強弱變化，從而使光纖的非線性性能發生相應變化，易于實現非線性效應。

• 有效模場面積特性：有效模場面積是描述光纖中光模式分布范圍的參數，PCF通常具有較大的有效模場面積。大模場面積意味著光信號的能量分布更廣，使得PCF能夠容納更多的光信號，并提供更高的功率承載能力。

• 色散特性：由于光子晶體光纖的包層結構獨特，其光纖纖芯和包層的折射率差可以很大，從而增大了波導色散對光纖總色散的影響。通過改變光子晶體光纖的結構參數，如空氣孔的排布方式、空氣孔形狀、空氣孔半徑和空氣孔間距等，可以實現所需的色散特性，以滿足不同應用場景中的光信號傳輸、調制和處理要求。

• 多芯傳輸：光子晶體光纖的優勢在于可對不同纖芯中的光信號進行獨立的處理和調制，這為光信號的多功能處理和光子器件的集成提供了便利。光子晶體光纖的結構（a）全固態光子晶體光纖（b）空芯光子晶體光纖
  
  
  
  

• 空心光纖：

• 空心光纖是纖芯中空、無實體介質的光纖，其中微結構空芯光纖因其靈活多變的結構特點和隨之而來的優異性能成為目前國際發展的主流。此類空芯光纖通常會在中空纖芯周圍設置精細的微結構玻璃包層，其在橫截面上通常呈現出周期性或角向均勻排列的結構設計，如蜂窩狀結構、單層毛細管結構等。這些獨特構造在微觀尺度上為光開辟出一條類似自由空間的柔性傳輸管道，使得承載信息的光脈沖幾乎不受阻礙地以近乎真空光速行進，極大提升了數據傳輸效率。

• 優勢

• 低時延：光主要分布于中空芯區中傳輸，折射率比實芯玻璃低，傳輸速度更快30%以上。

• 低損耗：空芯導光使得光纖能夠打破玻璃材料的瑞利散射極限，例如在通信窗口實現0.1dB/km以下的超低損耗。

• 低色散：空芯光纖中絕大部分光場能量被限制在空芯中，大幅降低了材料色散對光纖色散的貢獻，極低的色散使光脈沖在其中可無畸變傳輸。

• 低非線性：與低色散類似，因空氣的非線性折射率相比石英等玻璃材料要低3-4數量級。

• 高激光損傷閾值：空芯光纖中光場與包層玻璃材料的重疊極小，在相同傳輸功率下有更低的材料吸收，擁有更高的激光損傷閾值。

• 結構分類：根據微結構的不同，空芯光纖主要分為光子帶隙光纖和反諧振光纖?？招竟饫w的發展也主要經歷了從光子帶隙光纖到反諧振光纖的演進過程。

• 光子帶隙光纖是通過光子帶隙效應將光限制在空芯中傳輸。光子帶隙效應是指在特定波長范圍內，光子在周期性排列的介質中不能傳播（不能沿光纖截面的徑向傳播），形成一個“禁帶”。

  

• 反諧振空芯光纖是一類利用反諧振效應實現光在空芯中傳輸的微結構光纖，是實現長距離大功率和超快激光脈沖傳輸的理想光纖。與光子帶隙光纖相比，空芯反諧振光纖的制造難度較低、衰減系數低，從2015年以后，空芯光纖的研究重點迅速轉向了空芯反諧振光纖。

• 反諧振光纖的導光原理：空芯反諧振光纖的導光原理與薄膜干涉相似，毛細管壁可視作一個法布里-珀羅(F-P)諧振腔，滿足諧振條件的光在毛細管壁內發生諧振（F-P腔可視作透明狀態）透射出去，不滿足諧振條件的光被管壁反射回空氣纖芯中穩定傳輸，實現反諧振反射導光。諧振條件通常由波長、毛細管材料的折射率、毛細管的壁厚決定。滿足諧振條件時的波長也稱為諧振波長，取決于毛細管的結構和諧振階次。
  
  
  
  
  

2、光纖激光器分類

• 光纖激光器按照工作方式可以分為連續光纖激光器、準連續光纖激光器、脈沖光纖激光器（鎖模光纖激光器、調Q光纖激光器）。

（1）連續光纖激光器

• 連續光纖激光器（CW）輸出的激光是連續不斷的，功率維持在一個固定的水平，這個功率即為激光器的額定功率。激光泵浦源持續提供能量，長時間地產生激光輸出，從而得到連續激光。連續激光器中各能級的粒子數及腔內輻射場均具有穩定分布。其工作特點是工作物質的激勵和相應的激光輸出，可以在一段較長的時間范圍內以連續方式持續進行，以連續光源激勵的光纖激光器即為連續光纖激光器。

（2）準連續光纖激光器

• 準連續光纖激光器可雙模式運轉，可以同時在連續和高峰值功率脈沖模式下工作。相比連續（CW）激光的峰值和平均功率在CW和CW/調制模式中總是相同的，而準連續激光器在脈沖模式下的峰值功率要比平均功率高出10倍。因此，這樣能夠在從幾十赫茲到幾千赫茲的重復頻率下產生具有高能量的微秒和毫秒脈沖，并且可實現數千瓦的平均功率和峰值功率。準連續光纖激光器將提供更高的電光轉換效率，并顯著提高加工速度及生產效率。

（3）脈沖光纖激光器

• 脈沖激光的激光是“時斷時續”的，這個斷續的時間往往很短，通常以納秒、皮秒為單位。

• 通過脈沖調制，脈沖激光可以快速釋放，在波峰位置達到極大的功率，但由于存在波谷，所以平均功率相對較低。如果平均功率一樣，那么脈沖激光的功率峰值可以遠遠大于連續激光，實現比連續激光器更大的能量密度，體現到金屬加工上就是有更大的熔深穿透能力，同時，也適合于不能承受持續性高熱量的熱敏材料，以及一些高反射率材料。脈沖光纖激光器可以在小的脈沖能量下獲得較高的平均功率，即具有更高的靶面密度和光束質量，使加工速率提高100多倍。

• 脈沖光纖激光器又分為調Q光纖激光器和鎖模光纖激光器。

• 調Q的原理是在激光器內加入一個損耗可調節器件，在大部分時間區域內，激光器的損耗很大，幾乎無光輸出，在某一個較短的時間內，減小器件的損耗，從而使激光器輸出一個強度較高的短脈沖。

• Q開關是調Q技術的核心器件，可以通過主動或者被動方式實現調Q光纖激光器。

• 主動調Q需要在腔內使用電光開關或聲光開關來控制腔內Q值。可分為電光調Q技術（反射損耗）；聲光調Q技術（衍射損耗）。

• 電光調Q技術：利用晶體的電光效應實現激光器諧振腔內損耗的突變，從而控制腔內激光工作物質能量的存儲和快速釋放。調制晶體上施加λ/4電壓，利用縱向電光效應，通過偏振片的y方向的線偏振光，經過晶體后變為圓偏振光，反射，再經過晶體，會變為x方向偏振光，這使得Q值很低，損耗很大，使得可以積累較大的粒子數。撤去電壓時，Q值增大，巨大脈沖輸出。

電光調Q圓棒放大9J激光系統

• 聲光調Q技術：聲光調Q是通過電聲轉換形成超聲波使調制介質折射率發生周期性變化，對入射光起衍射光柵作用，使之產生衍射損耗，最終實現對激光器輸出激光的脈沖調制。當高頻振蕩信號加在聲光調Q器件的換能器上時，在聲光介質中形成等效的“相位光柵”；當光束通過聲光介質時，便產生布拉格衍射，使光波偏離出腔外，使諧振腔處于高損耗低Q值狀態，不能產生振蕩，或者說Q開關將激光“關斷”；當高頻信號的作用突然停止，則聲光介質中的超聲場消失，于是諧振腔又突變為高Q值狀態，相當于Q開關“打開”。Q值交替變化一次，就使激光器輸出一個調Q脈沖。

  

• 鎖模脈沖光纖激光器即通過主動鎖模或者被動鎖模方法來產生超短脈沖。受限于調制器的響應時間，主動鎖模產生的脈寬較寬一般為皮秒量級；被動鎖模利用的是被動鎖模器件，響應時間很短，可以產生飛秒量級的脈沖。

• 鎖模的簡要原理是采取合適的措施，使諧振腔中相互獨立的縱模在相位上存在一定的關系，即使得相鄰縱模的位相差為一常數，則激光器將會輸出脈寬極窄、高峰值功率的脈沖。

• 最常用的的鎖模方式為半導體可飽和吸收鏡（Semiconductor Saturable Absorption Mirror，SESAM）鎖模和克爾透鏡鎖模（Kerr Lens Mode，KLM）。

• SESAM 鎖模不需要對腔進行精密調節，易于啟動，但弛豫時間較長，輸出脈寬較寬，抗損傷閾值低。SESAM支持功率倍增，而且通過激光共振腔的優化設計，能將熱透鏡效應對碟片的影響降至最小，從而以高平均功率穩定工作。

• KLM鎖模方式輸出激光脈寬短且損傷閾值高，但需要對諧振腔進行精密調節才能實現鎖模且難以實現自啟動。

• 對于大功率光纖激光技術主要分為兩個方向：基于單路光纖結構下的放大技術研究和基于時空相干合成技術。而單路光纖結構下的飛秒放大技術可以分為啁啾脈沖放大技術和非線性啁啾脈沖放大技術兩類。
  
  
  

• 啁啾脈沖放大（Chirped-pulse Amplification，CPA）技術。CPA技術先將低能量短脈沖拉長，然后進行放大，最后再通過壓縮恢復到原來的脈沖寬度，同時脈沖能量實現大幅放大，從而解決了增益介質和其他光學元件不能承受過高的功率密度的問題。

• 將種子源發出的待放大的低能量光脈沖（皮焦量級）通過展寬器（如透射光柵等）在時域進行脈沖寬度展寬，通常展寬到數百皮秒乃至納秒量級（步驟2）；

• 展寬后的脈沖在進入放大器吸取增益介質中儲存的能量，由于這個階段的光脈沖被展寬了，所以此時的脈沖峰值功率是低于增益介質的破壞閾值的（步驟3）；

• 最后，再利用負色散元件（如光柵對）對能量增加的長脈沖實行壓縮（步驟4），最終獲得高脈沖能量的飛秒激光脈沖。

• 非線性啁啾脈沖放大（nonlinear chirped pulse amplification, NCPA）技術：啁啾脈沖放大技術降低了非線性效應帶來的影響，但是即便展寬系數非常大，放大過程引入的非線性相移仍舊無法忽略，因此最終獲得的脈沖寬度很難達到100fs以下。而非線性啁啾脈沖放大技術則是在一定程度上利用非線性效應，實現更高質量的輸出，應用于GHz重復頻率脈沖的常見非線性啁啾脈沖放大技術有自相似放大技術、增益管理放大技術、孤子壓縮技術等。

（三）半導體激光器

• 激光二極管（Laser Diode）也被稱為“半導體激光器”。是一種能發射特定波長激光的半導體器件。其基本結構由量子阱發光層、上下波導層、上下光場限制層、P型和N型的載流子注入層組成。

• 半導體激光器的特點：超小型，重量輕，成本低，可批量生產，能量轉換效率高（>30%）， 波長范圍廣（0.5 ~30μm），壽命長（>百萬小時），功率?。ㄒ话阍?~100mw），發散角大，單色性差，易于調制，改變驅動電流，可將輸出光調制到GHz。

1、基本概念介紹

• 載流子：本征半導體材料，如單晶硅，在熱力學溫度為0K的情況下，能帶由一個充滿電子的價帶和一個完全沒有電子的導帶組成，二者之間是禁帶。隨著溫度的升高，部分電子由于熱運動激發到導帶中，成為自由電子。同時價帶中少了一個電子，產生一個空穴，相當于一個與電子電量相同的正電荷。在外電場的作用下，導帶中的電子和價帶中的空穴都可以運動而導電，二者都稱為載流子。

• PN結：PN結就是把P型半導體和N型半導體制作在一起，也就是在P型和N型連接處形成一個PN結。在P型半導體和N型半導體結合后，在它們的交界處就出現了電子和空穴的濃度差而發生擴散，使P區失去空穴，留下了帶負電的離子，N區失去電子，留下了帶正電的離子。這些離子在P和N區交界面附近，形成了一個空間電荷區。由于空間電荷區正負電荷之間的相互作用形成了內電場，其方向是從帶正電的N區指向帶負電的P區。這個電場將使N區的空穴向P區漂移，P區的電子向N區漂移，漂移運動的方向正好與擴散運動的方向相反，最后多子的擴散和少子的漂移達到動態平衡。

• N型半導體：通過摻雜實現多電子的半導體材料。

• P型半導體：通過摻雜實現多空穴的半導體材料。

• 電流密度閾值：激光器產生激光的條件除了粒子數反轉外，還需要滿足閾值條件，即諧振腔的雙程光放大倍數大于1。由于半導體激光器作用區的粒子數反轉不好確定，所以一般用電流密度來表示激光器的閾值。閾值電流密度越低越好。

2、半導體激光基本原理

• 半導體激光器發光原理：當外部電流通過P-N結時，電子從N型區注入到P型區，形成電子與空穴（P型材料中的正電載流子）的結合。當電流流動時電子和空穴復合，此時輻射出的光子在諧振腔內來回反射，發生連續受激輻射放大，形成激光。

（1）不同波長

• 每種半導體材料都存在帶隙能量，即導帶和價帶的能量差值。帶隙能量（Eg）和波長（λ）之間的關系可以用下列公式來表示：Eg=hν=hc/λ（h：普朗克常數，ν：光子的振動頻率，c：光速），故帶隙能量越高，輻射光的波長就越短，顏色就越紫。

• 激光二極管（半導體激光器）的主要材料如下：

• 磷化銦（InP）：被用于高速通信應用和近紅外激光二極管。

• 砷化鎵（GaAs）：最常見的激光二極管材料，能夠支持很寬的波長范圍。半導體制造技術非常發達，可實現高性能。

• 氮化鎵（GaN）：以開發出高效率的藍光LD和高輸出UV LD而聞名。

（2）受激放大

• 第一步受激輻射：當相當于導帶和價帶之間的帶隙能量Eg的光λ1通過時，導帶中的電子因與光的相互作用被激發，并躍遷到價帶的基態。此時，會發射出能量（波長）相同、相位相同的光（光子）。最初只有一個光子，現在變成兩個，這兩個光子進一步激發導帶的電子，變為四個光子……就這樣，通過受激輻射不斷增加，形成波長和相位相同的強光。

• 第二步光學諧振：受激光子在諧振腔內往復，當光被充分放大并達到一定強度時，就會穿透反射率較低的反射面。故而需要一個一面具有高反射率一面具有低反射率的諧振腔。

• 光限制和載流子控制：為了能使光子在有源層內激發并放大，還需要對光限制，以及載流子限制。

• 光限制：通過使用折射率高的層作為有源層，使用折射率低的層作為包層，可以像光纖一樣將光限制在中央的有源層區域。

• 載流子限制：上下波導層以及光場限制層還可以將載流子（電子和空穴）限制在有源層內。

3、半導體激光器材料

（1）磷化銦

• 磷化銦化學式為 InP，是磷和銦的化合物，是一種瀝青光澤的深灰色晶體，是一種重要的化合物半導體材料，其結構為閃鋅礦型晶體，它的抗輻射能力高、導熱性好、光電轉換效率高，禁帶寬度為1.34eV。磷化銦具有電子遷移率高、耐輻射性能好、禁帶寬度大等優點。

• 與砷化鎵相比，磷化銦材料由于工作范圍波長更高，廣泛應用于中長距離通信。1）GaAs為首個應用于半導體激光器的III-V材料，其工作窗口范圍為800-1100nm，適合于近距離通信，如GaAs VCSELs是短距離（<幾百米）通信的主要光源。2）InP及其四元化合物InGaAsP和InGaAlAs（可以生長在InP襯底上），其工作范圍為1200-1700nm，涵蓋長距離高速通信的最重要波長（O波段、C波段和L波段），故為長、中高速通信的首選材料。

• 磷化銦的單晶生長方法分為兩大類：垂直生長和水平生長，目前主要的生長方法包括液封直拉法（LEC）、改進LEC法、水平布里奇曼法（HB）和水平梯度凝固法（HGF）、垂直梯度凝固法（VGF）和垂直奇曼法（VB）。磷化銦單晶的生長過程實際上是一種相變的過程，先升溫加熱，將多晶變成熔體，由固相轉變為液相，然后降溫，將熔體結晶為固體晶體，由液相轉變為固相。當多晶原料熔化后，偏離化學配比較多時容易在晶體內部形成夾雜物、沉淀、孿晶和位錯等缺陷，這些缺陷可能嚴重損害晶體質量和晶體的物理特性。因此，控制化合物半導體多晶料或者熔體的配比度是制備晶體材料的首要任務，也是制備高離解壓化合物半導體的難點。

• 可用于磷化銦外延生長的外延技術主要包括分子束外延（MBE）、金屬有機化學氣相沉積（MOCVD）、氫化物氣相外延（HVPE）和液相外延（LPE）等。相比之下，MOCVD技術生長速率更快，更適合產業化大規模生產；而MBE技術的優點是材料質量非常好，但是生長速度較慢，更適用于高電子遷移率晶體管（PHEMT）結構、Sb銻化合物半導體等生產；HVPE技術在氮化鎵和氮化鋁材料外延上應用較多，目前大部分HVPE設備是自行搭建的，很少有商業化的設備，優點是生長速率比較快；LPE技術是比較早期的外延方法，主要用于硅晶圓，目前已基本被氣相沉積技術所取代。

（2）砷化鎵

• 砷化鎵化學式為GaAs，是砷和鎵的化合物，擁有1.4eV的禁帶寬度，擊穿電壓可以承受20V，并且電子遷移率是Si的6倍多，可以用在高于250GHz的場合。

• 砷化鎵晶體生長和襯底生產加工環節。生產砷化鎵襯底的原材料包括金屬鎵、砷等，先通過人工合成砷化鎵多晶，再利用生長技術制備砷化鎵單晶，最終經過切割、磨邊、研磨、拋光、清洗等工藝得到砷化鎵襯底，整個過程生產設備主要涉及晶體生長爐、研磨機、拋光機、切割機、檢測與測試設備等。

• 氮化鎵襯底單晶生長：從20世紀50年代開始，就已經開發出多種砷化鎵單晶生長方法，目前主流的工業化生長工藝包括：液封直拉法（LEC）、水平布里奇曼法（HB）、垂直布里奇曼法（VB）以及垂直梯度凝固法（VGF）等。

• GaAs外延IDM廠商多采用MOCVD工藝，廣泛應用于數通、功率和LED等領域。而MOCVD和MBE外延法各具優勢。

• MOCVD成長薄膜時，主要將載流氣體通過有機金屬反應源的容器時，將反應源的飽和蒸氣帶至反應腔中與其它反應氣體混合，然后在被加熱的襯底上面發生化學反應促成薄膜的成長；

• MBE成長條件則透過元素加熱方式，借由超高真空環境的腔體，將所需外延元素加熱升華形成分子束，當分子束接觸襯底后，就可形成所需外延結構。

（3）氮化鎵

• 氮化鎵化學式為GaN，是氮和鎵的化合物，屬于第三代半導體材料。第三代半導體是指化合物半導體，包括SiC(碳化硅)、GaN（氮化鎵）、ZnO（氧化鋅）、GaO（氧化鎵）、AlN（氮化鋁），以及金剛石等寬禁帶半導體材料（導帶與禁帶間能隙差Eg>2.3eV）。

• 氮化鎵器件制作流程包裝襯底、外延及器件設計和制造。由于 GaN 單晶襯底生長尺寸受限，目前 GaN 器件主要采用藍寶石、SiC、Si 等襯底，但外延層 GaN 和異質襯底之間存在晶格失配和熱失配問題，效率降低，研究者們正著力突破GaN單晶襯底的制備技術。

• 非GaN襯底異質外延生長成本較低，但品質較差，嚴重影響器件性能。由于同質外延生長GaN的成本很高，為降低器件的制備成本，采用了在Si、SiC和藍寶石上異質外延生長的方法, 以上這些襯底相比單晶氮化鎵襯底具有更低的成本，因此在市場上應用廣泛。但是異質外延生長的GaN內部存在著較大的晶格失配及熱失配等問題，這些失配將會導致外延層產生晶格扭曲，從而形成較高的位錯密度，甚至破裂等問題。會嚴重影響GaN基器件的性能和使用壽命，這是目前GaN基器件的性能遠低于其材料理論極限的重要原因之一。

• GaN單晶襯底是外延 GaN最理想的襯底，缺陷密度低，外延材料質量好。獲得高質量GaN外延層的最佳方案就是同質外延，即在塊狀GaN襯底上外延生長GaN層。因為GaN熔點高，需要高壓環境，很難采用熔融的結晶技術制作GaN襯底，目前主要在藍寶石襯底上生長 GaN厚膜制作GaN基板，然后通過剝離技術實現襯底和GaN厚膜的分離，分離后的GaN厚膜可作為外延用的襯底。但該方法控制工藝復雜，良率較低，且相關技術發展較慢，GaN 襯底片成本較高，應用受到限制。主流GaN襯底產品以2英寸為主，4英寸也已經實現商用。

• 目前商業化生產的GaN襯底位錯密度高，容易翹曲，對外延生長挑戰較大。GaN體單晶襯底的主要方法有氫化物氣相外延法（HVPE）、氨熱法，以及助熔劑法：

• HVPE方法生長速率快、易得到大尺寸晶體，是目前商業上提供氮化鎵單晶襯底的主要方法；其缺點是成本高、晶體位錯密度高、曲率半徑小以及會造成環境污染。

• 氨熱法生長技術結晶質量高，可以在多個籽晶上生長，易規模化生產，可以顯著降低成本；缺點是生長壓力較高，生長速率低。

• 助熔劑法生長條件相對溫和，對生長裝備要求低，可以生長出大尺寸的氮化鎵單晶；其缺點是易于自發成核形成多晶，難以生長出較厚的氮化鎵晶體。

• 由于 GaN 的熔點很高，且飽和蒸汽壓較高，在自然界中無法以單晶形式存在，必須采用外延法進行制備。MOCVD（金屬有機物氣相沉積法），MBE（分子束外延法），HVPE （氫化物氣相外延法）等是比較傳統的 GaN 薄膜制備方法。

• MOCVD 工藝以三甲基鎵作為鎵源，氨氣作為氮源，目前常以藍寶石（Al2O3）作為襯底，并用氫氣和氮氣的混合氣體作為載氣，將反應物載入反應腔內，加熱到一定溫度下使其發生反應，在襯底表面上吸附、成核、生長，最終形成一層 GaN 單晶薄膜。采用 MOCVD 法制備的產量大，生長周期短，適合用于大批量生產。

• MBE 法制備 GaN 與 MOCVD 法類似，主要區別在于鎵源的不同。MBE 法的鎵源通常采用 Ga 的分子束，NH3 作為氮源。用該方法可以在較低的溫度下實現 GaN 的生長，一般為 700 ℃左右。但外延層較厚的膜反應時間較長，在生產中發揮的效率欠佳，因此該方法尚不能用于大規模生產。

• HVPE 法與上述兩種方法的區別也在于鎵源，通常以鎵的氯化物 GaCl3 為鎵源，NH3 為氮源，在襯底上以 1000 ℃左右的溫度生長出 GaN 晶體。此方法生成的 GaN 晶體質量較好，高溫下生長速度快，但高溫反應對設備、成本與技術要求都比較高。

4、半導體激光器結構

• 按照出光方向的差別，可以將半導體激光器分為兩類：垂直腔面發射半導體激光器（VCSEL）和邊緣發射半導體激光器（EEL）。

（1）邊緣發射半導體激光器（EEL）

• 邊緣發射半導體激光器的諧振腔由半導體晶體天然的解離面構成，其輸出光束是從激光器的前端面發射的。EEL的光學腔是以兩個端面作為反射鏡，光學腔平行于半導體芯片表面，在半導體芯片的邊緣發射激光，可以實現高功率、高速率和低噪聲的激光輸出。

• 優勢：EEL通常能提供較高的輸出功率，適合高功率應用；同時其電光轉換效率較高，能夠有效地將電能轉化為光能，從而節省能耗。

• 劣勢：EEL輸出的激光光束一般有著不對稱的光束橫截面和較大的角發散，與光纖或其他光學元件的耦合效率低，需要搭配光束整形系統修飾光束形貌。

（2）垂直腔面發射激光器（VCSEL）

• 垂直外腔面發射激光器（VCSEL），也被稱為半導體碟片激光器（SDL），是一種相對較新的激光器。垂直腔面發射半導體激光器的諧振腔垂直于有源區所在平面，其輸出光與有源區平面垂直。激光諧振腔由增益芯片底層DBR結構和外部輸出耦合鏡構成。這種獨特的外部諧振腔結構可以在腔內插入光學元件實現倍頻、差頻、鎖模等操作，使VCSEL在光通信、激光顯示、光存儲、消費電子等領域得到了廣泛應用。
  

• VCSEL的激光諧振腔由有源區上下兩側的半導體材料多層外延結構組成的分布式布拉格反射鏡（distributed Bragg reflector, DBR）構成，與EEL采用解理面構成的激光諧振腔有很大區別。VCSEL光學諧振腔方向垂直于芯片表面，激光輸出也垂直于芯片表面，兩側DBR 的反射率也都比EEL解理面要高很多。

• 功率：VCSEL的激光諧振腔的長度一般為幾微米，遠小于EEL的mm量級的諧振腔，腔內光場振蕩獲得的單程增益較低，雖然可以實現基橫模輸出，但是輸出功率只能達到數毫瓦。

• 光斑：VCSEL輸出激光光束的截面輪廓為圓形，而且發散角比邊發射型激光器光束發散角小很多。

• 優勢：VCSEL具有獨特的優勢，例如體積小、頻率高、光束質量較好、腔面損傷閾值大、生產工藝相對簡單等。其在激光顯示、光通信和光時鐘等方面的應用中，展示出十分優異的性能。

• 劣勢：但是VCSEL無法獲得瓦級以上的大功率激光，因此不能應用于對功率有較高要求的領域中。VCSEL實現高功率輸出需要增大發光區域提供更多的增益，而發光區域增大會導致輸出激光變成多模輸出，同時較大的發光區域內很難實現均勻的電流注入，電流注入不均勻會加劇廢熱積累。

• VCSEL由于芯片結構與外延生長工藝不同于EEL，故存在更多的技術難點。VCSEL中的光子在上下 DBR 之間反復振蕩形成諧振，由于光在諧振腔內傳播的單程增益很小，為確保達到激射條件（即增益大于損耗），諧振腔兩端的DBR需要具有 99%以上的高反射率減少鏡面損耗，故而DBR在芯片外延結構設計及生長過程中中至關重要，一般會考慮采用與襯底晶格一致的半導體材料組成。VCSEL激光器工作時，需要橫向的電流限制以保證發光區具有高的載流子密度水平，因此，需要在發光區附近做電流的橫向注入限制。目前商業化的VCSEL 激光器一般采用側氧化工藝制備氧化電流注入孔，也有采用用質子注入或隧穿結結構實現電流的橫向限制。同時VCSEL的功率轉換效率受到氧化孔徑大小和斜率效率的影響。較大的氧化孔徑會導致光束發散角增大，光譜寬度變寬，中心強度變弱，橫模間隔變小，縱模特性變差。因此，需要在輸出功率和光束質量之間進行權衡。

5、量子級聯激光器（QCL）

• 量子級聯激光器的工作原理與普通的半導體激光器電子空穴復合發光的工作原理不相同，QCL 的受激輻射過程只有電子參與，并且通過調節量子阱/壘層厚度進行調節子帶間距從而調節波長。當電子在半導體材料導帶的子帶間躍遷和聲子共振輔助隧穿從而產生光放大，故其出射波長由導帶的子帶間的能量差所決定，和半導體材料的禁帶寬度無關，因此可以通過設計量子阱層的厚度來實現波長的控制。由于其可通過多級能級結構實現連續的電子能級躍遷，能夠在中紅外和太赫茲波段產生激光。

• 由于QCL具有這些獨特的優點，以及其在中遠紅外和太赫茲波段重要的應用價值，針對于量子級聯激光器的應用也在快速展開，如環境檢測、痕量氣體檢測等，此外在軍事方面也有重要應用，如激光制導、毒氣檢測、激光雷達、自由空間通訊等。相比較與其它激光器，量子級聯激光器的優點如下：1) 中遠紅外和太赫茲波段出射；2) 寬波長范圍（約3-250μm）；3) 體積小；4) 單極型結構；5) 高的電子利用效率。

（一）紅外激光

• 不同波段的紅外激光可劃分為：0.76～3 μm 為短波紅外波段（也會將 0.76～1.5 μm 稱為近紅外波段），3～8 μm為中波紅外波段，8～15 μm為長波紅外波段。短波紅外產生方法較多、發展成熟，主要利用激光幅值的應用往往采用該波段激光。中長波紅外波段處于可見光與傳統通信的微波波段之間，并具有一定距離，避免了該波段應用對日常生活的干擾，受霧霾等環境因素影響也較小，可以更好地利用激光傳遞信息。

1、光通信

• 光通信是一種利用光波作為信息載體，通過光纖傳輸數據和信號的技術。它的工作原理基于光的發射、傳輸、接收和信號處理過程。

• 1）光源產生特定波長的光波。

• 2）通過光調制器將電信號轉換為光信號，這個過程可以是直接調制光源的強度，或者通過改變光波的相位、頻率或偏振狀態來編碼信息。

• 3）光信號在光纖中傳輸，光纖的低損耗特性使得信息能夠長距離無損傳輸。

• 4）光檢測器在接收端捕獲光信號，將其轉換回電信號，再由解調器解析出原始信息內容。

• 光通信的優勢在于其超高的傳輸速率（如現在的單模光纖可以達到100Gbps以上）、巨大的帶寬潛力、低損耗和抗電磁干擾能力，廣泛應用于互聯網、移動通信、數據中心互聯以及海底通信等領域。

光通信設備結構示意圖

• 光纖通信系統由光纖、光源、光檢測器以及光信號處理設備等組成。光纖主要分為單模和多模兩種，根據傳輸模式和頻率特性選擇合適的光纖類型。光源通常采用激光器或發光二極管，而光檢測器則負責將接收到的光信號轉換為電信號。在信號傳輸過程中，光波復用技術允許多個信號在同一根光纖中并行傳輸，極大地提高了光纖的傳輸容量。光通信的關鍵技術涵蓋了光纖材料的優化、非線性效應的抑制、光信號處理算法的開發等多個方面。例如，通過研究新型光纖材料，如摻雜光纖，可以提高光纖的抗衰減性能。

（1）通信波段

• 通信波段按照波長區間可劃分為O波段（1260~1360 nm）、E波段（1360~1460 nm）、S波段（1460~ 1530 nm）、C波段（1530~1565 nm）、L波段（1565~1625 nm）和U波段（1625~1675 nm）。

• O波段的光色散導致的信號失真最小，損耗最低，為早期的光通信波段

• E波段是5個波段中最不常見的波段，由于在1370~1410 nm波段存在OH?離子的吸收帶，所以導致傳輸損耗急劇加大，這個傳輸損耗凸點即水峰。在早期光纖制備工藝中，經常殘留有水（OH?）雜質，導致E波段的光在光纖中的傳輸衰減最高，難以用于通信傳輸。

• S波段光的傳輸損耗較O波段低，常被用于無源光網絡系統的下行波長。

• C波段光的傳輸損耗最低，被廣泛用于城域網、長途、超長途以及海底光纜系統。

• CE波段，是在C80波段的基礎上，向長波長擴展了一點點，波長范圍是1529.16-1567.14nm，大約可使用頻譜范圍是4.8THz。在50GHz間隔下，CE波段可以支持96波，因此，也稱為C96波段。相比C80波段，傳輸容量可提升20%。

• C++波段，其實就是在C96擴展的基礎上，進一步擴展，波長范圍是1524-1572nm，大約可使用范圍達到6THz，波長數可以擴展到120波。C++也因此被稱為C120波段（也有稱為Super C Band）。相比C80波段，傳輸容量可提升50%。

• C+L波段，L波段1565nm到1625nm，如果按照1570~1611nm算，可用頻譜范圍大約是4.8THz。因此，C+L波段，可以實現192個波長，頻譜帶寬接近9.6THz，傳輸容量提升將近1倍。

• L 波段光的傳輸損耗比 C 波段略低，當 C波段光不足以滿足帶寬需求的時候，L波段光會作為補充用于光網絡。

• U 波段則主要用于網絡監控。

光通信波段示意圖

（2）光通信系統組件

• 光通信系統組件包括激光器、光復用與解復用器件以及光電探測器和調制器。

光纖通信系統結構示意圖

• 激光器光源是光通信系統中的關鍵組件，其工作原理基于受激發射的物理現象。通過選擇適當的激光器類型和調制技術，可以實現高速、長距離和低損耗的光信號傳輸，為構建高效、可靠的光通信網絡奠定基礎。其中半導體激光器因其小型化、低成本和高效能而受到青睞。在生產過程中，首先，材料選擇至關重要，通常采用高純度的半導體材料，如GaAs、InP等，這些材料的光學和電學特性經過精細調控，以產生特定波長的光信號。根據光芯片類型可以分為VCSEL、FP（法布里-珀羅激光器）、DFB（分布式反饋激光器）、DBR（分布式布拉格反射激光器）、DML（直接調制激光器）、EML（電吸收調制激光器）

資料來源：源杰科技招股書

• 光探測器主要任務是將接收到的光信號轉化為電信號，以便進一步的信號處理和解碼。在設計光通信系統時，需要根據應用需求平衡檢測器的靈敏度和響應時間。常見的有PIN 光電 二極管和 APD 雪崩光電二極管。PIN 適用于短距離傳輸，APD 在 PIN 的基礎上 在本征區外增加雪崩區，能夠更加靈敏地探測光生電流，適用于經過長距離傳輸 的弱信號的探測，成本較 PIN 更高。

資料來源：源杰科技招股書

• 光纖連接器與耦合器的生產是至關重要的環節。光纖連接器作為光纖系統中不可或缺的元件，其質量直接影響著光信號的傳輸效率和系統的穩定性。這些連接器通常需要具有高精度的端面研磨和低插入損耗，以確保在不同設備間實現無損連接。耦合器則是將多根光纖進行高效耦合的元件，廣泛用于光分路、合路以及功率分配等應用。耦合器的設計和制造涉及到復雜的光學理論，包括模式匹配、相位調控等，以實現光功率的有效分配和低反向反射。

• 光放大器與波長轉換模塊于提高光通信系統的性能和覆蓋范圍起到了關鍵作用。光放大器主要用于補償光纖在長距離傳輸中產生的信號衰減，從而實現信號的再生和增強。例如，EDFA（摻餌光纖放大器）是目前廣泛應用的一種光放大器，它能夠放大1550nm附近的光信號，顯著提高了光纖通信的傳輸距離。波長轉換模塊則解決了多波長復用系統中的波長兼容性問題。在不同波長的光信號需要在同一個網絡中傳輸時，波長轉換技術可以將信號從一個波長轉換到另一個，確保信號的順利傳輸和有效分離。

（3）光通信市場驅動

• 光通信主要市場分為電信市場、數通市場、新興市場。電信市場是光通信最先發力的市場，主要包括5G通信、光纖接入等，通信網絡建設推動光通信市場需求；數通市場是光通信增速最快的市場，主要包括云計算、大數據等，數據流量與數據交匯量的增長推動市場需求；新興市場包括消費電子、自動駕駛、工業自動化等市場。受益于AI不斷發展的應用場景和快速增長的市場需求，數通市場的增長成為光通信市場的主要驅動力。

• 未來海量數據以及高速運算要求帶來的巨大需求，光通信行業有望保持持續增長。據中商產業研究院統計預測，2022年光通信市場規模約為1331億元，同比增長8.56%，2023年約為1405億元。中商產業研究院分析師預測，2024年市場規模將達1473億元。

資料來源：中商產業研究院

• 從我國光通信市場結構情況來看，光纖光纜、網絡運營服務及光網絡設備占據了我國光通信絕大部分市場份額，占比之和達90%以上。其中光纖光纜占比最高，達37%。

資料來源：中商產業研究院

• 數據量爆發、“光進銅退”趨勢下，光通信蓬勃發展。隨著云計算、大數據、物聯網、人工智能等信息技術的快速發展及加速應用，全球數據流量激增。根據IDC的預測，到2025年，全球的數據總量將從2018年的33ZB增長至175ZB，2018年-2025年CAGB為26.91%。龐大的數據流和高速交互對網絡連接速度和基礎設施提出了巨大挑戰。與傳統的使用銅線為介質的電通信相比，使用光纖為介質的光通信在傳輸速率、網絡帶寬、信號衰減、傳播距離及通信成本等方面優勢顯著，數據傳播更具可靠性、高速性、經濟性，迎合了數據流量爆發式增長對信息傳播的高容量、高速率、高可靠性、廣距離、低成本的通信需求。大規模的數據處理需求為我國光纖通信行業，尤其是低損、長距離光纖的需求帶來了新一輪發展機遇。

• 數據中心數量、容量迅速發展，光模塊作為核心部件需求拉升。近年來，全球市場互聯網和云計算行業蓬勃發展，推動了對數據中心光模塊的需求增加。海外互聯網廠商對于數據中心建設大幅投入，國內互聯網廠商奮起直追。根據LightCounting數據，2021年以太網用數據中心光模塊市場規模同比增長超過10%，其中100G及以上光模塊占比約為82.48%。2025年，預計全球以太網用數據中心光模塊市場規模將達到62.74億美元，年均復合增長率為11.19%，其中100G及以上光模塊市場占比將超過90%。

• AI熱潮催生數通光模塊的巨大需求。全球AI及軟件公司紛紛推出或正在研發自己的大語言模型（LLM），試圖抓住AIGC的巨大機遇。隨著生成式AI的發展，對計算能力的需求也與日俱增，而計算能力的提升需要海量的數據傳輸。目前數據中心光模塊正在向400G/800G 過渡，400G是高速以太網客戶端接口的最新標準。隨著400G光模塊的大規模部署在即，以及網絡帶寬和性能需求的不斷加速，數據中心互聯800G成為新需求，未來將應用于超大規模數據中心、云計算和人工智能算力中心。AI集群約占以太網光模塊總銷量的30%，將帶動400G、800G、1.6T及以上速率光模塊的需求。

• 5G驅動電信側光模塊速率、市場規模持續發展。相比于4G，5G移動通信網絡在提供更高傳輸速率和更低時延的同時，各級光傳輸節點間光端口速率明顯提升，要求光模塊能夠承載更高的速率。5G移動通信網絡可大致分為前傳、中傳、回傳，光模塊也可按應用場景分為前傳、中回傳光模塊，前傳光模塊速率需達到25G，中回傳光模塊速率則需達到50G/100G/200G/400G。5G單基站光模塊數要比4G單基站光模塊數多2-4個，達到8-10個，對應5G基站光芯片數量是4G基站的2.8倍。5G將帶來5000萬只光模塊的增量需求，每年需求近千萬只光模塊。

• 中國 5G 基站建設持續推進，亦會帶動光模塊需求提升。2023年，三家基礎電信企業和中國鐵塔股份有限公司共完成電信固定資產投資 4205 億元，比上年增長0.3%。其中，5G投資額達1905億元，同比增長5.7%,占全部投資的 45.3%。截至2023年末，全國 5G 基站為 337.7萬個占移動基站總數的29.1%，占比相較上年末提升7.7Pct，相較 2019年年末提升27.2Pct，5G基站數量2019-2023年CAGR 高達116.8%。未來隨著5G基站占比的持續提升，有望進一步刺激光模塊及長距離光纖光纜需求提升。

2、激光雷達

• 激光雷達（LiDAR）是一種利用激光束來計算物體到目標表面距離的傳感器。其通過向目標出射一束脈沖或連續激光到達待測目標，利用飛行時間原理，處理反射或散射的信號，計算出目標物體的距離、速度和位置信息。激光雷達探測具備精度高、抗干擾能力強、測量范圍廣、測量速度快等優勢?？蓮V泛應用于自動駕駛汽車、無人機、自主機器人、衛星、火箭等。

激光雷達工作原理

• 激光雷達是由激光發射單元和激光接收單元組成。發射單元的工作方式是向外發射激光束層，層數越多，精度也越高，不過這也意味著傳感器尺寸越大。發射單元將激光發射出去后，當激光遇到障礙物會反射，從而被接收器接收，接收器根據每束激光發射和返回的時間，創建一組點云，高質量的激光雷達，每秒最多可以發出200多束激光。

不同激光束形成的激光點云

• 激光雷達的關鍵部件按照信號處理的信號鏈包括控制硬件DSP（數字信號處理器）、激光驅動、激光發射發光二極管、發射光學鏡頭、接收光學鏡頭、APD（雪崩光學二極管）、TIA（可變跨導放大器）和探測器。其中除了發射和接收光學鏡頭外，都是電子部件。隨著半導體技術的快速演進，性能逐步提升的同時成本迅速降低。但是光學組件和旋轉機械則占具了激光雷達的大部分成本。

激光雷達的關鍵部件

• 對于激光的波長，目前主要使用使用波長為905nm和1550nm的激光發射器，波長為1550nm的光線不容易在人眼液體中傳輸。1550nm激光雷達對10%反射率物體的探測距離通常能夠達到250m以上（905nm大多在150m@10%左右）。故1550nm可在保證安全的前提下大大提高發射功率。大功率能得到更遠的探測距離，長波長也能提高抗干擾能力。905體系近紅外激光器發展較早，是基于GaAs材料體系的，產業十分成熟，成本已經很低。1550所使用的激光器種子光源材料為InGaAsP，需要基于InP體系開發，一方面其發展比GaAs要晚一些，另一方面In元素本身也更稀有，成本也更高；根據Yole測算，InP體系的邊發射激光芯片的成本是GaAs體系的邊發射激光芯片的約2倍。

激光雷達受環境的影響

（1）激光雷達技術

• 激光雷達測距：ToF仍為主流，FMCW未來可期。按照測距方法，激光雷達對物體的測距方式主要分為飛行時間（ToF）和調頻連續波（FMCW）兩種方式。隨著FMCW激光雷達技術的成熟，未來一段時間內市場上可能會出現ToF和FMCW激光雷達并存的情況，為自動駕駛技術的發展提供更加全面的解決方案。

• ToF探測方式是根據光源發射及返回的時間差來得到與目標物的距離信息，這種方式探測精度高，響應速度快，是目前市場應用最為廣泛和成熟的測距方式；FMCW探測方式是將發射激光的光頻進行線性調制，得到發射及返回信號的頻率差，從而間接獲得飛行時間來反推出與目標物的距離。

• FMCW探測方式具有抗干擾能力更強、信噪比高、分辨率高等優勢，此外，該方式還可以直接測出“第四維”速度信息，且不需要額外計算。但目前FMCW技術成熟度較低，仍處于發展初期。

不同雷達的點云對比圖

• 相對于毫米波雷達，FMCW激光雷達有更高的點云密度；相對于常規激光雷達，FMCW激光雷達每個點增加了速度信息。從某種意義上說，FMCW激光雷達結合了毫米波雷達和常規激光雷達的優勢。長期來看，隨著技術的不斷發展，FMCW激光雷達正在成為ToF激光雷達的替代方案，并被視為車載激光雷達的終極形態。Yole預計FMCW激光雷達在2028年才會上車。

• 發射端：VCSEL有望逐漸取代傳統EEL器件。激光發射器是激光雷達的核心系統。按結構分，激光發射器主要分為邊發射激光器（EEL）和垂直腔面激光器（VCSEL），目前EEL是VSCEL市場占比的兩倍。具體來看，EEL優勢在于輸出功率及電光效率較高，缺點是光束質量較差；VCSEL優點包括體積小、易于集成、易于規模化生產、可靠性較高等優勢，不足之處是輸出功率及電光效率較EEL低。近年來國內外廠商陸續推出多層級結高功率VCSEL，大幅提升了光功率密度，為長距激光雷達應用提供了可能，高功率VCSEL開始代替部分傳統的EEL方案。此外，禾賽科技和速騰聚創開發的短程激光雷達也是基于VCSEL激光器，VCSEL在激光雷達中的占比有望追平甚至超過EEL的使用數量。

（2）激光雷達市場驅動

• 根據Yole Group最新發布的報告顯示，隨著自動駕駛技術的快速發展，NOA和AEB等功能的逐漸滲透，2023年全球汽車激光雷達市場規模為5.38億美元，預計到2029年，全球汽車激光雷達市場將增長至36.32億美元，2023年至2029年的年均復合增長率（CAGR）高達38%。而2023年中國激光雷達市場規模約為75.9億元。

資料來源：Yole

• 國外激光雷達廠商逐漸式微，國內廠商快速崛起。伴隨著激烈的市場競爭，部分海外激光雷達廠商面臨衰退。2022年，曾經的全球激光雷達巨頭Velodyne和Ouster確認合并，Ibeo、Quanergy相繼宣布破產。而國內激光雷達廠商在政策支持和市場需求雙重驅動下快速發展，代表企業包括禾賽科技、速騰科技、大疆覽沃等。2023年，中國廠商領跑全球車載激光雷達市場，禾賽科技、速騰聚創、圖達通、華為、覽沃（Livox）等中國的激光雷達供應商合力拿下了全球 84%的市場。

資料來源：Yole

3、空間激光通信

• 空間激光通信技術是一種利用激光光束在太空或大氣中進行數據傳輸的通信技術。它利用激光的高方向性和高頻率特性，并結合了無線電通信和光纖通信的優點，通過激光光束進行通信，以實現高速、大容量、長距離的數據傳輸。空間激光通信技術通常應用于衛星通信、航天器之間的通信以及地球與空間站之間的通信等場景。相比傳統的無線電通信技術，空間激光通信具有更高的傳輸速率、更低的延遲和更高的安全性。

空間光通信技術基本演示

• 空間光通信的基本原理為：包含信息的電信號通過調制加載到光上，收發兩端捕獲-對準-跟蹤技術(APT)建立起通信鏈路，以光為載波在自由空間信道中傳輸信息?？臻g激光通信是自由空間光通信（Free-space optical Communication - FSO）在外層空間的應用。通信形式包括：航天器之間（完全在太空）；地面與衛星；衛星與地面。

• 與無線電波相比，使用激光通信的主要優點是增加帶寬，從而實現在更短的時間內傳輸更多的數據。在外層空間，FSO的通信范圍約為幾千公里，這適用于星間鏈路。當利用光學望遠鏡作為光束擴張器（Beam expander）時，激光通信可以跨越數百萬公里的星際空間。

• 空間激光通信技術結合了無線電通信和光纖通信的優點，以激光為載波進行通信。空間激光通信技術具有抗干擾能力強、安全性高、通信速率高、傳輸速度快、波段選擇方便及信息容量大的優勢，其特點是系統體積小、重量輕、功耗低、施工簡單、靈活機動，在軍事和民用領域均有重大的戰略需求與應用價值。

• 通信速率高：傳統微波通信載波頻率在幾GHz到幾十GHz范圍內，而激光載波頻率具有數百THz量級，比微波高 3~5個數量級，可攜帶更多信息。

• 抗干擾能力強：激光發散角窄、指向性好，沒有衛星電磁頻譜資源限制約束（因此無需申請空間頻率使用許可證），發射信號不會產生電磁干擾，通信過程中不易受外界干擾，抗干擾能力強。

• 保密性好：0.8~1.55μm波段屬不可見光，通信時不易被發現，且激光發散角小、束寬極窄，在空間中不易被捕獲，保證了激光通信所需的安全性和可靠性。

• 輕量化功耗低：激光波長比微波波長小3~5個數量級，其收發光學天線、發射與接收部件等器件與微波所需器件相比，尺寸小重量輕集成度更高，具備小型化、輕量化、低功耗的特點。

• 建設成本節?。和ㄟ^激光通信建立星間激光鏈路，地面信關站建設需求大大減少；同時有助于數據流匯聚、簡化衛星網絡結構，多方面節省建設成本。

（1）空間激光通信的關鍵技術

• 激光通信步驟

• 第一步：捕獲（粗跟蹤）；功能為大視場光束掃描捕獲，特點為機械轉臺轉動。

• 第二步：瞄準（精跟蹤）；功能為小視場光束時時跟蹤并建立雙向閉合的通信鏈路，特點為精跟蹤振鏡振動。

• 第三步：通信；功能為高速數據傳輸，特點為高速高靈敏度。

• 捕獲跟蹤技術：激光通信技術借助光源的小發散角波束提供高功率增益，這對光束的捕獲跟蹤提出了比微波通信更高的要求。光束捕獲采用激光瞄準技術和粗/精跟蹤相獨立的體制，即粗跟蹤由大視場相機和伺服轉臺組成閉環，提供大范圍低頻帶伺服控制；精跟蹤由高幀頻相機和快速振鏡組成閉環，提供小范圍高頻帶伺服控制，從而有效抑制因光束大范圍運動和高頻率抖動引起的光束擾動。

• 通信收發技術：激光通信技術需要激光器具有大調制帶寬、高發射功率和窄線寬等特點。具體來看，激光調制技術的調制方式可以分為直接調制和間接調制，由于直接調制方式使帶寬和發射功率受限，目前主要采用小功率種子激光源間接調制后通過高功率光纖放大器獲得高發射功率的方法進行調制。

• 大氣補償技術：當激光通信技術應用在星地、空空和空地等鏈路時，激光在穿越大氣層的過程中受大氣湍流影響，在傳輸時會出現接收功率抖動，導致系統出現誤碼，這在高速激光通信中更加明顯。為解決這一問題，采用高精度實時波前畸變校正技術是抑制大氣湍流對傳輸光束波前影響的有效方法，即通過哈特曼傳感器進行多孔徑波面探測，在一定程度上能夠矯正波前畸變。但該技術的主要難點在于激光到達角起伏補償、波面變形補償和空中飛行時附面層影響補償，可通過探測系統引入波前畸變補償鏡技術進行聯合校正。

• 光機電設計技術：為減小自由空間的功率損耗，提高發射光學系統增益，需要通信光束以近衍射極限角發射。在保證發射光學口徑的基礎上，提高光束發射增益對光纖耦合技術、光束整形技術、望遠鏡面型設計提出了更嚴格的要求,亟需研究光纖不同芯徑、束散角與光學系統匹配的優化選取方法。與此同時，激光技術的廣泛應用促成了多行業的標準化，如基于激光技術的激光整形傳輸促成了元件的模塊化和標準化，降低了整機體積與成本。

（2）空間激光波段選擇

• 短波紅外應用成熟但其誤碼率高。在短波紅外波段的光纖通信發展成熟，為更好地實現鏈路，空間激光通信的發展也在該波段相對成熟，光源主要為半導體激光器和Nd：YAG固體激光器。但是由于霧、霾以及煙塵的尺寸通常集中在2-8μm和短波與中波紅外的波長向接近，導致短波與中波紅外激光光束傳播在此類介質中時散射效應很強，因此，很大程度上限制了激光的傳播距離，影響自由空間光通信的效果，致使短波紅外激光的誤碼率更高，且隨著信噪比的降低和比特率的升高愈發明顯。

• 長波紅外應用的優勢：

• 在8~12μm的長波紅外范圍內，激光有著良好的透射率且相對穩定。

• 當太陽接近或出現在自由空間光通信的接收器的視場時，會受到太陽輻射的影響，而太陽輻射在該波長區間有著較小的影響，有效地減少了接收器被太陽輻射所損壞的可能性。

• 大氣傳輸中存在的閃爍效應與光波長成反比，長波紅外激光對防止閃爍效應發生有著明顯的優勢。

• 還有一個重要的因素便是人身安全問題。人眼的光學系統容易透射和聚焦可見光波長，短波紅外雖然不會聚焦到視網膜上，但它可以稍微滲透到眼房水中，而長波紅外會被角膜、普通玻璃或塑料所阻隔，這提升了自由空間光通信中可使用的安全光功率等級。

• 同時，長波紅外波段擁有可利用的頻帶資源，具備良好的發展前景。

4、醫療領域

• 激光醫學在臨床應用上已經形成了強激光治療、光動力治療（PDT）、弱激光治療（LLLT）三大激光治療技術，同步發展了包括光學相干層析成像（OCT）、光聲成像、多光子顯微成像、拉曼成像在內的眾多兼具高靈敏度和高分辨率的激光診斷技術。此外，隨著化學和生物學等相關學科的發展，各種生物探針和靶向標記技術得到快速發展，激光光學、材料學、納米技術和生物技術的相互融合正在不斷地為醫學診斷和治療帶來新的發展空間。

（1）激光診斷技術

• 激光診斷技術利用激光的高單色性、光強度高、準直性、偏振性等光學基本屬性以及光與物質的各種相互作用（散射、吸收等）來測量生物組織的微觀結構、生理作用、生化分子濃度分布等關鍵指標，獲取生物組織的結構和功能信息，剖析疾病的發生發展過程。憑借無損成像、高分辨率和豐富的對比機制等優勢，激光診斷技術成為現代醫學精準診療的重要組成部分。

• 激光成像方面的新技術、新機理、新概念不斷涌現，衍生出了非接觸無標記成像、實時在體成像等診斷新技術，逐步走向臨床應用。典型的有光學相干斷層成像（OCT）、光聲成像、激光散斑成像、多光子顯微成像、共聚焦成像、拉曼成像等。

光學相干斷層成像圖

（2）激光治療技術

• 強激光治療是利用激光的光熱效應，對生物組織進行凝固、汽化或切割來達到消除病變的目的。醫用激光器不同于工業激光器，它對激光有特定的要求，如激光波長、脈沖寬度、工作方式、輸出功率、設備尺寸和安全監測等。

• 針對不同人體組織對激光的吸收和穿透效率的差異，需要選擇不同波長的激光器；

• 針對一些高精密的治療應用，需要嚴格控制脈沖寬度、工作方式和輸出功率；

• 激光體積要小，重量要輕，便于攜帶和操作；

• 對于需要將光纖伸入身體的手術，光纖的直徑要足夠小。

• 醫用激光器的一個重要發展方向是超快激光。超快激光指脈沖寬度在皮秒（10?12 s）及以下的超短脈沖激光，由于其脈沖寬度小于材料中的電子-晶格傳熱時間尺度，超快激光的燒蝕機制與傳統激光具有顯著差異，超快激光可以顯著降低周圍組織的熱效應，在精確去除激光聚焦區域組織的同時將對周圍組織的損傷降低到最小，實現“冷燒蝕”。當前，超快激光已被用于高精度要求的眼科和皮膚科治療。

• 醫用激光器市場：目前國內約有上百家激光醫療器械企業，按綜合競爭力可分為兩大梯隊。其中，第一梯隊以外資企業和國內少數優勢企業為主，代表性廠商有以色列飛頓（Alma）、奇致激光、科醫人（Lumenis）和賽諾秀（Cynosure）、歐洲之星（Fotona）、賽諾龍（Syneron）、半島醫療、深圳吉斯迪、吉林科英等。第二梯隊以國內若干小型制造企業為代表，這類企業普遍起步較晚，技術積累較少，受制于醫療器械行業本身的高門檻，其產品很難進入被外資和本土優勢企業包圍的醫院等中高端市場。從國產化率來看，在各類激光治療設備中，氣體激光器、Nd:YAG激光器等技術較為成熟的產品已經實現了國產化，而高功率半導體激光醫療設備研制則相對匱乏，關鍵產品仍需依賴進口。目前，已經批量上市的國產醫療激光設備產品及典型企業如下表所示：

（二）可見光激光

• 可見光波段位于380-750nm，其中380-440nm為紫光，440-480nm為藍光、480-510nm為青光、510-560nm為綠光、560-590nm為黃光、590-625nm為橙光、625-750nm為紅光。

1、激光顯示（RGB）

• 激光顯示整機系統的核心是激光光學引擎（光機）。激光光學引擎的工作過程由光產生、光調制以及光投射三個環節組成。其中，光產生的核心器件為光源，光調制的核心器件為光調制器（光閥），光投射的核心器件為鏡頭。因此，光源、光調制器和鏡頭組成了光學引擎的核心。根據光峰科技招股說明書顯示，其激光顯示整機產品中，光源的平均成本占比為37.61%、光調制器為15.12%，鏡頭為12.87%，三大核心部件合計為65.60%。

（1）多種顯示技術方案對比

• 在對比多種顯示技術的時候會關注到顯示尺寸、分辨率、亮度、色域、對比度以及壽命等關鍵參數：

• 顯示尺寸：由于顯示屏幕或投影畫面多為矩形，矩形的對角線長度即為顯示尺寸，多以英寸為計量單位，目前家用顯示尺寸可達120英寸。

• 分辨率：指屏幕上顯示像素的個數（x*y，x為水平方向的像素個數，y為垂直方向的像素個數），分辨率越高，顯示效果越細膩。常見的分辨率有1080P（1920×1080個像素點）和4K（4096×2160個像素點）等。

• 亮度：指人眼感受的可見光強度，投影機多以流明（ANSI）作為計量單位，即為投影機發出的光通量；顯示屏多用尼特（nit）作為計量單位，即為顯示屏表面的面光源強度。兩者之間存在換算關系。通常將2,000流明以上稱為高流明。

• 色域：多采取NTSC標準，即顯示器所能呈現的色彩在人眼可見的色區區域中的占比，色域越高所能顯示的色彩范圍就越寬廣，越接近真實世界的顏色。

色域示意圖

• 對比度：一幅圖像中最亮的白和最暗的黑之間不同亮度層級的測量，差異范圍越大代表對比越強，差異范圍越小代表對比越弱。常見的對比度為2000:1。

• 目前已廣泛應用和正在研發的顯示技術包括LCD（液晶顯示）、OLED（有機發光二極管顯示）、QLED（量子點發光顯示）、MicroLED（微發光二級管顯示）和LPD（激光投影顯示）。其中激光投影技術具有廣色域、高亮度、低能耗和長壽命等優勢，目前在大尺寸及超大尺寸（85英寸及以上）顯示中已廣泛應用。

資料來源：《平板顯示技術比較及研究進展，中國光學》

（2）激光顯示技術介紹

① 光源

• 激光顯示具有光源使用壽命長、效率衰減慢、維護成本低、色域空間大、亮度高、對環境影響較小、易于實現大屏顯示、節能環保等優勢。從原理上講，激光顯示技術主要依靠紅、綠、藍（RGB）三基色激光來呈現色彩。激光顯示的優勢突出，可用于激光電視、激光投影、車載顯示、AR眼鏡等多個顯示領域。

• 目前投影顯示主要分為 LED 光源、單色激光以及三色激光三種方案。

• LED 光源原理：由紅綠藍光合成白光后經過勻光系統，然后在顯示芯片形成一個均勻的照明，最后通過鏡頭投射出來，其優勢是顏色飽和度高。

LED顯示原理示意圖

• 單色激光原理：由藍色激光+紅綠熒光組成，藍色激光先在熒光輪上激發出紅熒光和綠熒光，繼而一起合成白光，再進行勻光，然后經過芯片及鏡頭投射出來，亮度較高。

單色激光顯示原理示意圖

• 三色激光原理：分別依靠三色激光器發出紅綠藍光，然后直接成像，再通過混合這三種顏色來產生各種色彩的畫面，其優勢在于亮度更高、色域更廣、壽命更長。

三色激光顯示原理示意圖

• 通過亮度、色域、壽命、能耗、護眼等幾個維度綜合對比以上三種光源方案，其中三色激光顯示優勢顯著，但是綜合成本較高。

• 亮度方面，LED 光源需要發光面積和發光角度大，所以會有亮度天花板。對比之下，激光由于光展量小，亮度可以做的很高。所以亮度三色激光＞單色激光＞LED。

• 色域方面，激光的色域同樣比 LED 光源優秀。一般來說，LED 光源的色域在60% BT.2020左右，而單色激光的色域可以達到110% BT.709左右，三色激光更是達到了110% BT.2020左右。所以，色域上三色激光＞單色激光＞LED。

• 能耗和壽命上，同樣是三色激光＞單色激光＞LED。

• 護眼方面，LED 光源普遍包含了415~455nm 的高能波段，會有藍光出現，護眼能力比較弱。單色激光投影采用的是有害短波高能藍光，同樣對眼睛不太友好。相比之下，三色激光避開了415~455nm高能波段，護眼更好。

• 激光顯示的激光光源一般采用半導體激光芯片。由于激光顯示所需要激光器件體積較小、激光穩定性較強，且能精準控制出射激光波長，所以半導體激光器是唯一的選擇。藍光和綠光光源都采用氮化鎵半導體激光器、紅光采用砷化鎵半導體激光器。目前藍、綠光激光光源受日亞化學壟斷，具有較強的國產替代及降本需求。

② 光調制器（光閥）

• 液晶投影顯示（LCD）：采用三塊液晶面板分別控制紅、綠、藍三色光，合光系統發出的紅、綠、藍三色光分別投射到對應的液晶面板上，經液晶面板調制后透射，由合光棱鏡匯聚后射向成像系統。液晶面板對單色光的調制是利用液晶的電光效應，通過控制液晶單元兩端的電壓大小來控制液晶分子的偏轉方向，從而控制光線通過液晶單元的透過率，以產生不同灰度層次及色彩的圖像。

3LCD方案成像示意圖

• 數字光處理技術（DLP）：采用數字微鏡器件（Digital Micromirror Device，DMD）進行反射調制，由于DMD器件成本較高，一般采用單片式方案。在對角線長度為0.47英寸的DMD器件上安裝著由數十萬片規格為微米級的可翻轉微鏡組成的微鏡陣列，光源發出的光線投射至DMD器件表面的微鏡陣列后由DMD器件控制每一個微鏡的翻轉角度從而控制反射光線的強弱。單片式方案下每個微鏡一次翻轉只反射一種顏色，通過微鏡每秒上千轉的翻轉速率，利用人眼視覺暫留效應進行成像。DLP方案相關產品和技術由美國德州儀器公司壟斷，采用DLP照明顯示方案的投影設備企業均需向其采購相應產品。

DLP方案成像示意圖

• 反射式液晶顯示技術（LCOS）：分為傳統的單片式、三片式和一數科技獨創的兩片式三種方案。

• 三片式LCOS方案與3LCD方案類似，采用三塊液晶面板分別控制紅、綠、藍三色光，合光系統發出的紅、綠、藍三束單色光分別投射到對應的LCOS芯片，通過控制LCOS面板上液晶分子的狀態來改變每個像素點反射光線的強弱，經反射的光線由合光棱鏡匯聚后射向成像系統。由于技術成熟度和成本的問題，3LCOS技術目前主要應用于激光電影投影機等高端產品中，在其他領域應用較少。

• 單片式LCOS方案則采用一塊液晶面板，對合光系統發出的不斷切換顏色的一束光進行像素級調制并反射，利用人眼視覺暫留效應進行成像。由于單片式LCOS方案的光利用率較低，所以主要應用于1,000流明以下的微投設備中。

3LCOS方案成像示意圖

• LCD技術在色彩對比度、分辨率和整機體積等方面均不如DLP和LCOS技術，但3LCD技術在5,000流明以上的高亮度設備中的能耗優于DLP。長期來看，DLP和LCOS技術將對LCD技術形成替代。

（3）激光顯示行業驅動

• 近些年激光投影、激光電視相關技術的大踏步發展，憑借其大尺寸投射、高清晰度的特點讓投影這一顯示方式走進千家萬戶成為可能。激光投影設備主要應用于家用（產品亮度范圍為0.2K-4K流明，主要應用為客廳、家庭影院）、教育（產品亮度范圍為0.2K-5K流明，主要應用為教室）、商務（產品亮度范圍為0.2K-5K流明，主要應用為會議室、餐飲、會所）和工程（產品亮度范圍為4.5K-20K，主要應用為公園、展會、演出、商業廣告）四個場景。

• 家用場景投影產品在整機設計及算法開發方面具有較高的要求。2022年海信、小米、堅果等品牌都首次推出家用智能激光投影機產品。峰米更是將激光智能機的價格首次拉到了3000元以下價位。數據顯示，2023年，中國大陸激光投影（包括激光電視）市場出貨量為87.8萬臺，同比增長29.3%，其中中國激光投影在家用市場的出貨量為59.3萬臺，同比2022年增長35.5%。中商產業研究院預測，2024年家用市場出貨量將達到65.2萬臺。

• 商教及工程場景對于投影設備的亮度及使用壽命要求高于家用場景，但對投影設備的外形、噪音、易用性及畫質等方面要求則低于家用場景，因此商教及工程投影設備開發過程中更加關注投影設備的散熱性能。

資料來源：頭豹研究院

• 車載光學賽道為激光顯示行業發展提供新增長極。車載激光投影顯示的應用場景大致分為天幕投影、激光大燈、AR-HUD、后窗投影、車窗互動投影，內部大屏/分屏投影等，可實現顯示、交互、娛樂等功能。目前，天幕投影、激光大燈和AR-HUD技術相對成熟，有望加快落地應用。不過現階段由于技術制約，車載光學市場仍是一片藍海市場，部分頭部生產商如光峰科技已提前布局，獲得問界、北汽新能源、比亞迪、華域等多個車企定點項目（包括智能座艙顯示、車燈模組、AR-HUD的 PGU顯示模組等）。預計隨著激光顯示在不同車型不同項目中的應用趨于成熟并實現規?；涞?，車載光學賽道將成為激光顯示行業又一利潤增長點。

資料來源：光峰科技

• 激光顯示技術可解決現今AR/VR的顯示難點問題，將成為一新增長極。AR/VR頭顯技術發展受到產品體積、顯示技術等方面限制，常見的AR/VR顯示系統體積大而且耗電。為了解決這些問題，需要一種適用于緊湊型、低功率移動顯示屏的超小型低功率激光模組。索尼認為藍綠光 VCSEL 將有望成為移動顯示屏的關鍵技術，尤其是在PS VR、Google Glass等AR/VR穿戴式設備的應用，

2、工業加工

• 激光加工是指利用激光束投射到材料表面產生的熱效應來完成加工過程，包括激光焊接、激光切割、激光打標、激光鉆孔和微加工等。

（1）激光焊接

• 激光焊接為激光熔化焊接工藝之一。激光焊接的原理是利用高強度的激光束直接輻射到金屬表面，使被焊處形成一個能量集中的熱源區從而使被焊物熔化并形成牢固的焊點和焊縫。根據工作原理的不同，適配不同的加工場景，激光焊接可分為熱傳導焊、深熔焊、復合焊接、激光釬焊和激光傳導焊接五種。

① 藍綠光激光焊接

• 有色金屬對短波段的激光吸收率高，有利于做激光焊接。得益于450nm短波段的獨特優勢，相較于近紅外波長激光器，針對有色金屬材料（尤其銅、金）的吸收率提高了數倍到數十倍。而有色金屬對常用的近紅外激光吸收率低，因此在進行激光焊接時容易出現焊縫成形差、易變形、熱裂紋、飛濺、氣孔等焊接缺陷。高性能藍光光源為銅、金等有色金屬材料高質量激光加工提供了新技術，也使得這項技術能夠在材料加工、消費電子、汽車、新能源等國民經濟和軍事國防領域廣泛應用。

部分有色金屬光吸收率曲線

• 基于氮化鎵材料的半導體激光器可直接產生波長450nm的激光，無需進一步倍頻，有結構簡單、使用方便、電-光轉換效率、吸收率高等優點。對銅、金等高反射金屬材料吸收率的提升更為明顯。據驗證，銅焊接所需的能耗比紅外激光器低 84%，這意味著，當紅外激光器需要10W的激光功率來焊接銅材時，使用藍光激光器僅需要約1kW或0.5kW的功率。當前藍光激光最高功率可以做到4kW，芯徑在600μm左右，最小芯徑能到400μm。

• 銅對藍光激光的初始吸收率高達65%，相比紅外激光提高了12倍。焊接過程非常穩定，基本不存在熱輸入波動，能實現超低飛濺甚至零飛濺的高效高質量焊接。

• 綠光激光焊接的激光是波長為500～560nm的一種可見光，銅對波長λ=515nm的綠光吸收率高達40%，是1μm左右紅外光吸收率的8倍左右，且能量耦合效率更高，對表面氧化程度的敏感性也降低。綠光激光能夠實現銅合金的深熔焊接，綠光光纖芯徑可以做到和紅外相當，使得激光能量可以較為集中作用于材料表面，能夠和振鏡搭配進行遠程飛行焊接；綠光激光適用于2mm 以內的銅合金熱導、深熔焊接。

• 綠光激光解決了銅吸收率問題，但無法解決飛濺，綠光激光本質上和紅外激光同屬于高斯能量分布的光束。

• 波長為515nm和532nm的綠光激光依賴其非線性光學晶體，將泵浦激光能量轉換為目標波長的能量，轉換過程會導致較高的功率損耗；同時激光器需要復雜的冷卻系統以及復雜的光學設置，因此激光器價格昂貴、效率低。

• 采用紅外-可見光雙光束復合焊接工藝。通過較小功率的可見光激光，可以使紅外激光在低于深熔焊接閾值功率時，實現銅的強制深熔焊接，并大幅減少焊接飛濺，設備成本低，焊接質量高。

紅藍光復合焊接設備示意圖

② 紅外激光焊接

• 紅外激光成本價格低，且紅外脈沖激光技術更為成熟。激光在工業中的應用占有重要地位，主要利用激光輻照產生的熱量實現各種加工需求。工業激光一般為了產生足夠高的熱量，往往要求較高功率，通常為百瓦至千瓦量級甚至可達萬瓦量級。過高的能量積累容易產生溫度梯度帶來負面熱效應，因此，連續激光的表現不如脈沖激光，對于脈沖激光也要求脈沖盡可能短，需要皮秒乃至飛秒量級。而紅外激光發展較為成熟，成本價格較低，在市場早期階段考慮到成本會采用大功率的紅外飛秒脈沖激光用于部分工業加工場景。紅外激光主要有光纖激光擺動焊接、環形光斑焊接兩個方向。

• 擺動焊接實現了激光能量的空間調制分配，使得熔池整個面積能量分布均勻，溫度梯度降低，表面張力趨同，熔池波動缺乏驅動力，趨于平緩，由此降低了液體出現在匙孔正上方的風險，也降低了飛濺的發生概率。

• 優勢：光纖擺動是當前最具性價比的方案，工藝窗口較窄。一般常用的激光器主要芯徑在14-50μm范圍內，2kW-6kW為主。

• 劣勢：單模市場化產品功率有限（最高3000W），不擺動焊接飛濺大、成形差，而且氣孔缺陷難以避免，要實現大熔深厚板焊接，低速焊接極度不穩定（匙孔太小、容易坍塌），而通過高速擺動，綜合行進速度，則熔深有限，常用于1.5mm以內的疊焊、對接。

擺動焊接熔池流動示意圖

• 環形光斑焊接原理：主要是由兩束光纖激光復合而成，區別于光纖+半導體復合，外環激光同屬于高功率密度的光纖激光，負責加熱母材的同時擴大匙孔開口，內環激光高功率密度用來穿透金屬，實現深熔焊接。（光纖+半導體復合由于半導體同屬紅外光，且功率密度低得多，基本沒起到加熱銅基材的作用，所以在銅焊接中應用較少。）

• 優勢：環形光斑能夠有效的擴大匙孔開口，提高焊接過程穩定性，同時擴大熔池面積，降低熔池凝固速度，有利于氣孔逸出，降低焊縫孔隙率。同時可調環模激光同樣能加擺動，焊接過程更加穩定，能夠有效降低銅合金焊接過程飛濺發生率。

• 劣勢：由于可調環模激光器仍然采用的是波長較長的紅外激光，在銅加工方面，其天然高反屬性并未改變，焊接過程中吸收率突變也無法緩解，采用可調環模激光器并不能從根本上解決這些問題，因此也無法真正做到無飛濺焊接。

環形光斑焊接示意圖

（2）激光切割

• 激光切割是利用經聚焦的高功率密度激光束掃描工件表面，在極短時間內將材料局部加熱到幾千至上萬攝氏度，使被照射的材料迅速熔化、汽化、燒蝕或達到燃點，同時借助與光束同軸的高速氣流吹除熔融物質，將工件割開，達到切割材料的目的。脈沖激光適用于金屬材料，連續激光適用于非金屬材料。  

激光切割的原理圖

• 激光切割的功率密度可達10^4~10^5W/cm2。激光源一般用CO2激光束，工作功率為500~2500W。盡管高能CO2激光器可以切割厚度為25mm的碳鋼板，但如果希望得到高質量的切口，板厚一般不應大于 10mm。

• 激光切割可以使用輔助氣體來幫助去除熔化或汽化的材料，也可以不使用輔助氣體。根據采用的輔助氣體的不同，激光切割可分為汽化切割、熔化切割、氧化助熔切割和控制斷裂切割四類。

• 激光切割的特點：激光切割技術與其他熱切割方法相比有明顯的優勢，總的特點是切割速度快、質量高。

• 切割質量好：由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能獲得較好的切割質量。激光切割切口細窄，切割零件的尺寸精度可達士0.05mm。切割表面光潔美觀，表面粗糙度只有幾十微米(一般Ra為12.5~25um)，甚至激光切割可以作為最后一道工序，切縫一般不需要再加工即可焊接，零部件可直接使用。

• 切割效率高：由于激光的傳輸特性，激光切割機上一般配有多臺數控工作臺，整個切割過程可以全部實現數控。操作時，只需改變數控程序，就可適用于不同形狀零件的切割，既可進行二維切割，又可實現三維切割。

• 切割速度快：用功率為1.2kW的激光切割2mm厚的低碳鋼板，切割速度可達600cm/min；切割5mm厚的聚丙烯樹脂板，切割速度可達1200cm/min。用功率為2kW的激光切割8mm厚的碳鋼板，切割速度為 1.6m/min，切割 2mm厚的不銹鋼板切割速度為3.5m/min，熱影響區小，變形極小。

• 切割材料的種類多：與氧-乙炔切割和等離子切割比較，激光切割材料的種類多，包括金屬、非金屬、金屬基和非金屬基復合材料、皮革、木材及纖維等。不同的材料，由于自身的熱物理性能及對激光的吸收率不同，表現出不同的激光切割適應性。采用CO2激光器，各種材料的激光切割特性如下：

（3）激光打標

• 激光打標的基本原理是利用激光束對材料表面進行非接觸式的加工。通過激光能量與材料表面的相互作用，使材料表面發生物理或化學變化，從而留下永久性標記。這種變化可能是材料表面的氧化、熔化、蒸發或顏色改變等。其中，最常見的是氧化過程，它通過將材料表面氧化成黑色來實現標記效果。這種標記方式不僅美觀大方，而且能夠確保材料的完整性和使用壽命不受影響。

激光打標原理示意圖

• 激光打標技術作為一種現代精密加工方法，與腐化侵蝕 ，電火花加工，機械刻劃，印刷等傳統的加工方法相比優勢顯著：

• 應用范圍廣：幾乎可以在所有材料上打標。 

• 打標效率高：計算機控制下的激光光束可以高速移動，通常的打標過程可以在數秒內完成，可實現在線打標。 

• 打標精度高：激光可以形成極細光束，在材料表面的最細線寬可達微米量級，可以打印各種圖形、商標、條形碼、兩維碼。激光打標還可以改善產品外觀形象和名牌效應，增強產品的市場競爭能力。 

• 使用成本低：激光打標是非接觸式打標，不受通常模具打標的疲勞使用壽命的限制。在批量加工使用中的維護成本極低。

• 激光打標機按照激光器不同可分為：CO2激光打標機、半導體激光打標機、YAG激光打標機、光纖激光打標機；按照激光可見度不同分為：紫外激光打標機（不可見）、綠激光打標機（可見激光）、紅外激光打標機（不可見激光）。市面上最常見的激光打標機主要以CO2激光打標機以及YAG激光打標機為主，后來YAG激光打標機逐步被半導體激光打標機所取代，成為激光打標機市場占有量最多的一種機型，另外還有高端些的端面泵浦激光打標機、光纖激光打標機、紫外激光打標機等。

• 光纖激光打標機具有轉換效率高、體積小、穩定性好、可靠性高、光束質量好、使用壽命長、易于實現大功率等特點，在電子行業內使用較為廣泛。

• 紫外激光打標的光束聚焦光斑更小、更細，能實現超精細標記，熱影響區域非常小，產生的熱效應也相對比較小，不會發生材料燒焦損傷問題，同時還具備標記速度快、效率高、整機性能穩定、能耗低等優勢，且可以適用的材料范圍更加廣泛。

（4）激光工業加工行業驅動

① 3C電子

• 3C 電子產品對制造工藝要求較高，推動上游新材料、新工藝的不斷進步，而激光技術正是 3C 產品制造工藝中迅猛發展的代表。3C 產品精密度、電子集成度越來越高，對內部構件焊接、切割技術的要求也越來越高。由于傳統技術存在不穩定現象，在加工過程中容易導致零件損壞，造成成品率低。而激光加工技術屬于非接觸式加工，具有熱影響小、加工方式靈活的特點，尤其適用高端精密產品加工。以智能手機為例，切割、焊接、打標和開孔均使用激光加工技術完成。 

激光技術應用于3C電子產品

• 3C 產品需求提升或將助推激光加工設備市場增長。隨著 5G 換機進程的推進，3C 行業進入新一輪創新周期，消費電子行業景氣度和設備需求逐步回升。根據 IDC 預測，5G 手機出貨量占比將從 2020 年的 19%增長至 2024 年的 58%，5G 手機滲透率提升很大程度上拉動了近乎疲軟的全球智能手機市場平穩增長；其中，2020 年中國市場的 5G 出貨量占全球的比例高達 67.7%。

② 新能源汽車

• 汽車輕量化概念興起及安全性能關注度日益上升，激光加工在汽車工業領域正受到更多重視和應用。根據國家《節能與新能源汽車技術路線圖》，至 2020 年汽車車輛整備質量較 2015年減重10%、2025年較2015 年減重20%、2030年較2015年減重35%。除激光切割外，將激光焊接技術用于車身、不等厚板及零部件的焊接，可以降低車身重量從而節約能耗，提高裝配精度及剛度以提升安全性，降低車身制造過程中的沖壓和成本、減少零件數量從而促進車身一體化。目前應用較廣的激光自熔焊，在完成焊接工作的同時并不會使材料其他部分變形，能夠很好地提高車身的結構匹配尺寸、門蓋與側圍的平度與密封效果、風擋玻璃與風窗口的匹配與密封，保證生產質量。

• 動力電池高標準的加工要求為激光工藝提供了發揮優勢的空間。動力電池作為新能源汽車的核心部件，制作工藝復雜，其質量直接決定新能源車輛的性能，因此與動力電池相關的制造技術和裝備必須符合嚴苛的生產要求。激光工藝依托高效精密、靈活、可靠穩定、自動化和安全程度高等特點，廣泛應用于動力電池生產線的前、中、后段加工過程中，如：1）激光極耳切割技術已成為降低動力鋰電池極耳片生產成本、提高產品穩定性的重要工藝；2）激光焊接工藝應用在焊接電池殼體、蓋板防爆閥、電芯極耳與極柱、電芯極耳與頂蓋以及模組等多個部位，有利于提高電池的安全性、可靠性、延長使用壽命。 

• 方殼動力電池激光焊接環節較多，4680大圓柱電池激光焊接需求更高。動力電池按照包裝形式可以分為方形電池、圓柱電池、軟包電池。以目前市場主流電池形態--方形電池舉例，激光焊接工藝應用于：1)結構件制造環節：正負極極柱焊接、防爆閥焊接；2)電芯生產環節：頂蓋焊接、密封釘焊接、轉接片焊接等環節；3)模組環節:Busbar、采集線、側板焊接等。

激光焊接在動力電池制造過程中得應用

③ 光伏電池組件

• 在光伏電池及組件的生產過程中涉及多道激光工藝。激光消融（刻蝕）、激光摻雜、激光打孔及激光劃片/裂片工藝，具備工藝流程簡單、投入成本低、制作效率高等多重優勢，有效控制了生產過程中的光學損失和電學損失，對于太陽能電池光電轉換效率提升具有重要作用。尤其隨著隆基推出xBC技術路線的新型電池結構，對于激光加工的需求會明顯增加。而另一新型材料鈣鈦礦太陽能電池對于激光加工也涉及電池制備過程中的多道工藝路線。

激光加工在光伏電池生產過程中得應用

3、激光指示與照明

• 綠光激光因為接近于人眼在多數光照條件下的最高敏感度，因此具有出色的可見性。根據國際照明委員會（CIE）制定的相對光譜光視效率曲線（或稱為相對光譜靈敏度曲線）可知，人眼明視覺和暗視覺的最大光譜光視效率對應波長為綠光波段。簡單理解，就是人眼對綠光最為敏感，也因此常應用于水平儀、測距儀、城市景觀、舞臺燈光等應用場景。

• 在國防領域，綠光激光憑借其精準性和可見性，被用于目標指示和測距。這些激光有助于精確測量目標距離并指導彈藥，提高軍事行動的準確性和效率。它們還在夜間操作的監視和偵察活動中起著至關重要的作用，通過照亮和標記目標，使其對監控攝像頭和夜視設備可見。525nm綠色激光還能作為激光眩暈器，這種非致命性武器設計用于暫時削弱視覺或導致目標失去方向感，而不造成永久傷害，因此非常適合軍事和執法部門使用。
  

激光槍瞄示意圖

• 白色激光照明原理：激光照明主要是利用白激光光源，其激發光源是藍色激光光源，通過黃色熒光功能材料將藍色激光轉換成白色光。由于激光集中于熒光粉上某個微小點發射光線并轉換成白光，光源能夠輸出安全且高度準直的白光，再加上使用微小的光學透鏡或反光碗，對光進行優異的控制可以實現較好的照明效果。

• 激光車燈自身具有著高能效、小體積、方向性好等多方面優勢。目前，激光車燈只用在遠光模式，工作距離高達 800 米以上，遠超傳統 LED 遠光燈，極大地提高了駕駛者夜間視野范圍。自白激光光源面世以后，各大車企一直在研究激光大燈的量產問題，除了能夠大大的提高汽車遠光照明的視野以外，白激光光源也為激光投影照明提供了可能性。

激光大燈示意圖

• 藍光波段在海水中傳輸的衰減最小，因此藍光波段被稱為海水光譜透射窗口，常用于水下照明等應用。光進入海中，受到海水的作用能量將衰減。引起衰減的原因有吸收和散射。不同波長光在海水中衰減系數不同，對于200~800 nm的可見光波長在海水中傳播的衰減系數，其中400~450 nm之間的藍色衰減最小，被稱為海水光譜透射窗口?；谠撛?，藍光激光被廣泛用于水下照明、水下通信、水下探測等，亦可用于探測海洋漁業資源及海底軍事活動，此外，采用藍光激光器也可探測出最適宜的臭氧含量。

4、激光直寫

• 激光直寫光刻技術是一種利用曝光強度可控的激光束來光刻曝光，并在顯影后得到具有期望形貌微結構的3D光刻技術。該技術可以通過計算機對激光的曝光位置與曝光強度進行數字化控制，實現對光刻膠的變劑量曝光，因此具有很高的制造靈活性。激光器是直寫光刻設備的光源發射裝置，是光刻設備的關鍵零部件之一。基于直寫光刻技術的原理，感光膠的種類決定激光直寫設備所用激光束的波長。光刻膠按照感光光源其種類可以分為紫外（300~450nm）光刻膠、深紫外（160~280nm）光刻膠以及極紫外光刻膠（曝光波長僅幾十納米）等。

直寫光刻原理示意圖

• 直寫光刻技術較其他刻寫方式而言更為簡單，成本也更為低廉，因此可以實現高精度、高靈活度、低成本的生產。同時，隨著直寫光刻技術水平的提升，其生產效率也得到了大幅提升，目前直接成像設備及直寫光刻設備在PCB制造、泛半導體、光伏等領域已得到了不斷應用。

• 在 PCB 制造環節中，內層圖像、外層圖像以及阻焊環節均需要使用PCB 曝光設備。根據 PCB 制造步驟，曝光設備可以分為線路層用曝光設備和阻焊層用曝光設備。二者對核心性能指標要求存在差異，線路層曝光對曝光的線寬精度、對位精度具有較高要求，更適用于LDI技術。

在PCB制作過程中激光直寫路線和傳統路線對比

• 在泛半導體領域，目前 IC 及 FPD 制造光刻設備主要為掩模光刻設備，而掩模光刻設備不僅價格昂貴，還需要使用生產周期較長、成本昂貴的掩模版，下游廠商無法靈活快速更換掩模版，不能實現柔性化生產。

• 在光伏領域，為了節省導電銀漿成本，逐步開始推廣電鍍銅工藝，其中激光 LDI 和激光開槽是電鍍銅圖形化重要組成部分。以電鍍銅柵線代替絲網印刷銀柵線，其工藝分種子層制備、圖形化、金屬化、后處理四步。圖形化是決定柵線寬度的核心環節，直接影響電鍍電池轉換效率。主要技術路線可分為掩膜光刻（投影式、接近式、接觸式）、LDI激光直寫、激光開槽等方式。其中 LDI 具有5 μm線寬精度，在中高端加工中具有明顯優勢，可提供量產線實現最小 15μm 的銅柵線直寫曝光方案，產能達到 6,000 片/小時、對位精度±10μm。

• 激光直寫所需的紫光半導體激光器存在國產替代需求。當前可用于直寫光刻設備的紫外半導體激光器僅日本日亞化學（NichiaCorporation）等少數國外企業能夠供應，為保證關鍵組件的供貨安全、提高產品的競爭力，國內已經實現了激光光源的自主設計及集成，并已成功應用于2019年新推出的部分PCB直接成像設備上，未來隨著自主設計及集成的激光光源技術的成熟，進口替代的比例將逐步提升。根據QYResearch統計，2023年全球激光直寫設備市場銷售額達到了47億元，預計2030年將達到55億元，年復合增長率（CAGR）為2.3%。

5、激光3D打印

• 激光3D打印技術，是一種利用激光來加熱材料并使其熔化，然后再逐層堆積成實物的增材制造技術。3D打印依據耗材差異可分為金屬3D打印與非金屬3D打印。其中以利用光敏樹脂固化的非金屬激光3D打印主要包括第一代的光固化成形（SLA）以及第二代的數字光處理（DLP）。而金屬激光3D打印路線主要分為激光選區融化（SLM）和定向能量沉積（DED）。

（1）非金屬激光3D打印

• 光固化（SLA）3D 打印利用紫光或紫外激光將液態光敏樹脂逐層固化成實物，它是第一代光固化主流技術。SLA成型技術的基本原理，就是主要通過利用紫外激光（355nm或405nm）為光源，并用振鏡系統來控制激光光斑掃描，激光束在液態樹脂表面勾畫出物體的第一層形狀，然后制作平臺下降一定的距離，再讓固化層浸入液態樹脂中，如此反復，最終完成實體打印。SLA技術適用于打印手機、收音機、對講機、鼠標等較精細的零件、玩具、電子工業機殼、家電外殼或模型、摩托車、汽車配件或模型、醫療器材等。

SLA工作原理示意圖

• 數字光處理DLP（Digital Light Processing）技術是在SLA技術出現的十余年后才出現的，該技術也是業界公認的第二代光固化成型技術。DLP使用紫外投影儀作為光源，通過數字微鏡原件（DMD）控制投射的光來工作。每次投影一層，一次固化一整層。相對其他大型3D打印機而言，DLP打印技術無法打印大物件，因此大多是桌面級3D打印機，較多應用于小型精密零部件、牙模假牙齦導板等齒科、珠寶首飾、研發試驗、手辦模型、醫療器械等。

 DLP工作原理示意圖

• 除以上利用激光固化樹脂原理的技術外，選擇性激光燒結（SLS）也屬于非金屬激光3D打印技術。該技術使用激光束（通常是二氧化碳激光）選擇性地燒結粉末狀聚合物或聚合物基復合材料的薄層，形成具有宏觀和微觀特征的固體3D物體。SLS在成形設計對象方面有幾個優點，包括零件精度高，材料通用性強，并且在制造過程中不需要零件支撐，因為材料沒有被激光束產生的熱量融合在一起，為被燒結對象提供了很好的支撐。此外，SLS 還能夠生成不規則形狀的物體，包括含有溝道和懸垂特征的結構。在SLS過程中，粉末材料被激光束加熱，從而克服粉末中單個顆粒的表面張力，選擇性燒結的粉末融合在一起，固化薄層，然后逐層構建固體3D物體。

（2）金屬激光3D打印

• 金屬激光3D打印通常以金屬粉材或金屬絲材為原料，采用激光作為能量源，在軟件和數控系統的控制下將原料融化逐點、逐層堆積，完成金屬構件的快速制造。金屬3D打印技術根據工藝類型以激光選區融化（SLM）和定向能量沉積（DED）兩大類為主。SLM通過熱能選擇性的熔化/燒結粉末床區域，DED利用聚焦熱能將材料同步熔化沉積。

資料來源：南極熊3D打印

• 選擇性激光融化（SLM）也叫金屬粉末的快速成型技術，是利用金屬粉末在激光束的熱作用下快速熔化、快速凝固的一種技術。為了完全熔化金屬粉末，要求激光能量密度超過106W/cm2。目前用SLM技術的激光器主要有Nd-YAG激光器、CO2激光器、光纖激光器，這些激光器產生的激光波長分別為1064nm、1090nm。金屬粉末對1064nm等較短波長激光的吸收率比較高，而對1064nm等較長波長激光的吸收率較低。因此在金屬零件成型過程中，具有較短波長激光器的激光能量利用率高，但是采用較長波長的CO2激光器，其激光能量利用率較低。SLM技術是在高能激光作用下，金屬粉末完全熔化，經散熱凝固后與基體金屬冶金焊合，然后逐層累積成型出三維實體。

SLM 技術原理圖

• 激光定向能量沉積（DED）技術與焊接相似。能量源聚焦在基板上，形成小熔池，原料粉末或金屬絲輸送到熔池中熔化，根據計劃好的圖案填充間距相互重疊。等待沉積完成，將沉積層自下而上移動至下一層。因此，所有層的沉積產生一個3D近凈形狀組件，類似于計算機輔助設計（CAD）模型。在沉積前，需使用軟件對3D數字模型進行切片，以指定切片厚度、圖案填充間距和每層中的沉積路徑。

（a）萬瓦功率四路送粉LDED加工頭；（b）中央送粉、多路激光側向入射式高沉積效率LDED加工頭；（c）超高速LDED加工頭

• 由于金屬對藍光優異的吸收能力，目前，藍光正被引入增材制造領域。與焊接一樣，銅、金、鋁合金等高反射金屬，為紅外激光增材制造帶來了兩個挑戰。第一個挑戰是，當用高強度紅外激光熔化金屬粉末時，較小的粉末顆粒大量被汽化，這就需要控制汽化顆粒的再沉積。第二個挑戰是，如果使用環形激光，在激光作用之前粉末預熱會浪費大量能量。藍光可以被大多數金屬吸收，因此可以用較低能量的藍光激光實現可控的熔池，并將汽化降到最低。因此，藍光的打印件密度更高，打印速度更快，并能通過多個并行激光提高打印速度。

（3）3D打印行業驅動

• 受到上游激光器技術的迭代優化，以及下游新型應用市場的釋放影響，激光3D打印市場快速增長。根據增材制造研究公司（AMR，前身為SmarTech Analysis）發布的《2023年增材制造零部件生產：全球市場數據與預測》報告，預計到2032年，全球3D打印行業的規模將從2023年的188億美元（約合1346億人民幣）迅速擴大至1190億美元（約合8518億人民幣）

• 航空航天：3D打印技術顯現出從零部件向大部件制造擴展的趨勢。目前國內外企業和研究機構利用3D打印技術不僅打印出了飛機、導彈、衛星、載人及貨運飛船等的零部件，還打印出了發動機、無人機、微衛星、火箭等航空航天領域大部件。

• 3C鈦合金：手機生產商也開始嘗試在產品生產流程中引入3D打印等新興技術，以求縮短生產周期和降低成本。最新調查顯示，蘋果在2023年就已經開始積極引入3D打印技術，Apple Watch Ultra的數字表冠、側按鈕和一些其他操作按鈕使用鈦合金粉末床激光熔融（L-PBF）金屬3D打印生產。過去3D打印的痛點在于無法大規模量產，當前消費電子折疊屏+鈦合金趨勢之下，3D打印市場空間得以釋放。

• 人形機器人：可使用工具是人形機器人區別于其他形態機器人的關鍵，極大拓展了人形機器人的應用場景。人形機器人與3D打印的適配主要體現在以下幾點：

• 輕量化對于人形機器人靈活性具有重要意義，3D打印能夠通過拓撲優化減少人形機器人重量，并降低成本。據硅族機器人，采用3D打印的POPPY機器人成本相較傳統機器人降低了1/3。

• 人形機器人內外部結構復雜，采用傳統加工難以完成生產，而3D打印能夠快速制造復雜結構。

• 3D打印能夠快速加工出手板，縮短研發制造周期。據諾研3D，法國INRIA Flowers公司的POPPY機器人通過采用3D打印技術組裝耗時僅約2天。

• 3D打印可用于滿足人形機器人定制化需求。

（三）紫外激光

• 紫外激光指波長位于1-380nm之間的激光。紫外激光器可以輸出超短波長的激光，可以精準處理超小細微的材料；其次紫外激光的“冷處理”不會整體破壞材料本身，只是對其表面就行處理；再者基本無熱損傷影響；一些材料對可見光和紅外激光不能有效吸收導致無法加工，紫外最大的優勢是基本所有的材料對紫外光吸收較為廣泛。

1、光刻機

• 光刻的原理：在硅片表面覆蓋一層具有高度光敏感性光刻膠，再用光線（一般是紫外光、深紫外光、極紫外光）透過掩模照射在硅片表面，被光線照射到的光刻膠會發生反應。此后用特定溶劑洗去被照射/未被照射的光刻膠， 就實現了電路圖從掩模到硅片的轉移。

• 光刻機組成中最重要的是照明系統、投影物鏡系統和工件臺系統。其主要由照明、投影物鏡、工件臺、掩膜臺、對準與測量、傳輸等系統組成。除此之外還有光刻計算和掩膜優化為光刻機提供相關支持。

光刻機結構示意圖

• KrF和ArF/ArFi光刻機使用準分子激光器作為光源，利用激發態的分子不穩定性發光，從而得到更短的248nm與193nm的光波長。其工作原理為氪氣與氬氣等惰性氣體在電場和高壓環境下與氟氣，氯氣等鹵素氣體發生反應生成不穩定的準分子。而激發態的準分子又不斷的分解，釋放出了深紫外的光子，通過這種釋放光子的過程，可以得到248nm和193nm 的光源。由于準分子激光是脈沖式，所以其主要關注點為脈沖頻率、輸出功率以及持續時間等。

• EUV光刻機是采用二氧化碳激發的激光等離子體（LPP）從而產生 13.5nm 的光源。到了7nm這個節點已經是DUV光刻的極限， 所以Intel、三星和臺積電都會在7nm這個節點引入極紫外光（EUV）光刻技術。EUV 光源主要由主脈沖激光器、預脈沖激光器、光束傳輸系統、錫液滴靶、錫回收器、收集鏡等構成。13.5nm的EUV光源條件極其苛刻，目前的EUV光刻機內部零部件高達10萬個，復雜程度極其高。

• 激光等離子體（LPP）產生EUV光源的辦法是激光打擊錫金屬。高強度激光與靶材的相互作用，使靶材吸收層被加熱氣化并產生等離子體，由于逆軔致吸收（IBA）等離子體持續被加熱，同時釋放出超寬光譜輻射。就是錫金屬被熔化形成直徑只有20微米的液滴，并且在真空環境中自由下落，在下落過程中，首先是193nm的深紫外光，將錫液滴打成云狀，緊接著用功率高達20kW的二氧化碳激光器再次擊打它，就能激發出EUV。產生EUV有以下要求：

• 1）需要兩次光源準確擊打到正在自由下落的金屬液滴中，激發產生的光轉瞬即逝，因此需要每秒鐘激發約5萬次才能產生連續的光源。

• 2）需要高達20kW 的二氧化碳激光器，所需電源功率達到了200kW，這樣高功耗的光所激發的極紫外光的功率大約只有210W，效率一般只有5.5%。

商用化激光等離子體EUV光源雙脈沖方案的原理圖

2、顯示面板加工

（1）激光退火

• 非晶硅沉積的問題：制作屏幕的時候需要將一層薄薄的硅（所有現代固態電子器件的核心半導體）沉積在稱為“玻璃基板”的大型面板上；但是制造這層硅的化學氣相沉積工藝會產生非晶硅在非晶硅中，單個原子以不規則和無序的方式排列。由非晶硅制成的電路不具備良好的電子特性，這意味著顯示屏會更暗，并消耗更多的電池電量。 

• 由于LTPS（低溫多晶硅）比傳統的TFT-a-Si（非晶硅）更為有序，因此電子可以輕松地通過電路。如果非晶硅是蜿蜒、未鋪砌且車道狹窄的道路，則可以將LTPS比作擁有許多車道的高速公路。如果電子遷移率高，則可以更輕松地移動功率和數據，因此LTPS在實現高分辨率，超薄邊框和低功率顯示方面非常有利。

• 顯示屏幕準分子激光退火（ELA）的技術：通過使用ELA工藝將a-Si（非晶硅）TFT轉換為LTPS（低溫多晶硅）TFT，可以顯著提高TFT的性能。由于多晶硅的電子遷移率相比非晶硅約高達 200 倍（而單晶硅的電子遷移率通常至少是多晶硅的兩倍）。多晶硅的使用是當前顯示屏性能如此出色的一個主要原因。 

顯示屏幕準分子激光退火（ELA）工藝示意圖

• 制備多晶硅需要做的就是加熱非晶硅層，直到熔化，然后迅速冷卻，使其再固化成為多晶硅形態。但是硅需要加熱到大約600°C才能熔化，而這樣的高溫以及相關的快速熱循環會損壞普通玻璃制成的面板，因此面板需要使用昂貴的耐熱型玻璃，這將使顯示屏更加昂貴。

• 使用準分子激光器的原因是因為它們是可以產生非常強大的紫外線脈沖的光源。硅強烈吸收紫外線，再加上高脈沖能量，只需幾個激光脈沖即可迅速熔化薄硅層。

• 非晶硅i對紫外波段的光有非常高的吸收率硅的高吸收性還可以防止紫外線大量穿透下面的玻璃，或柔性顯示屏中的聚酰胺（PI）層。因此，即使硅完全熔化，玻璃本身在ELA 期間也不會變熱。所以，ELA可以在標準的低成本玻璃板上進行。

  

非晶硅吸收光譜

• 為了在大型玻璃基板上執行 ELA，準分子激光器發出的光束（通常為矩形）被重新整形為通常與玻璃板寬度相同的細線光束。該細線光束被聚焦到玻璃板上，并沿著整個面板長度進行掃描，以實現所需的硅熔化和再固化。

（2）激光剝離

• 為什么需要做剝離工藝？顯示制造商會在更厚、更堅硬的“母板玻璃”上制造顯示屏。第一個生產步驟是將薄聚合物層粘合到母板玻璃上。這個聚合物層將成為成品顯示屏的基底。接下來，將非晶硅沉積在聚合物層基底上，然后進行準分子激光退火（ELA）、創建驅動電路，最后制作顯示屏的其他膜層。在這些工藝即將結束時，將顯示屏與母板玻璃分離。如果這個階段有部件報廢，則代價是非常昂貴的。這意味著分離過程務必精準輕柔。

• 第一，分離工藝不能產生任何明顯的機械力或應力，因為顯示屏極易破碎。

• 第二，該工藝不能讓顯示屏太過受熱，因為這可能會損壞其中的集成電路。 

GaN薄膜從藍寶石晶片上剝離的LLO工藝示意圖

• 激光剝離（LLO）的分離工藝：在使用LLO前，整個面板需要翻過來，讓母板玻璃面朝上。然后，高脈沖能量激光，也就是紫外（UV）準分子激光，形成一條細長的線光斑。這條線光斑穿過母板玻璃，將其聚焦在母板玻璃與聚合物薄層基底的交界處。光斑快速掃描整個母板玻璃區域。雖然紫外光穿過玻璃，但被母板玻璃與聚合物之間的粘合劑以及聚合物本身強烈吸收。激光吸收產生的熱量幾乎將粘合劑立即蒸發，使顯示屏與母板玻璃分離。

• 為什么采用準分子激光器剝離？主要有兩個原因：

• 首先，相比其他類型的激光器，準分子激光器在紫外波段產生的脈沖能量更高。這種紫外激光被粘合劑強烈吸收，其高功率可以讓粘合劑迅速分解。這使得LLO的工藝速度能夠滿足顯示屏生產的要求。

• 此外，準分子激光束有助于形成細長線光斑。再有，它可以轉換為高勻化度的平頂光斑，而不是大多數激光器產生的高斯強度分布。平頂光斑可以實現比高斯光斑更大的工藝窗口。確保產線中的LLO工藝能夠有效應對激光聚焦位置的微小變化、母板玻璃的微小尺寸誤差及翹曲。  

• 激光誘導前向轉移技術：在LIFT中，準分子激光器的脈沖從透明臨時載體的背面進入。光被緩沖GaN層吸收并使其汽化。這將LED晶圓片推開，并使其附著在附近的顯示面板基板上。最后一步是通過鍵合將LED與面板基板在機械和電氣上連接起來。

• 與其他用于制造MicroLED顯示屏的大規模轉移方法相比，準分子LIFT的優勢包括：

• 高精度放置：LIFT可以實現低于1μm的放置精度，這對于生產小型高分辨率顯示屏至關重要。這種精度水平確保每個MicroLED都能完美對齊，降低了缺陷像素的風險，從而保證了顯示屏的質量。

• 高效快速：LIFT能夠迅速可靠地轉移數百萬個MicroLED，這對于制造商在不犧牲質量的情況下擴大生產規模至關重要。

• 靈活性：由于基于激光的大規模轉移可以適應不同的基板和MicroLED尺寸，因此具有靈活性。

3、晶圓檢測

• 隨著半導體芯片的制程從第一代超過350nm，到如今小于7nm，尤其現如今7nm-130nm制程的芯片占據全部芯片供應的60%-70%。故而對于晶圓缺陷檢測的分辨率和精度要求也逐漸提高。要挑戰缺陷檢測的極限，需要使用波長更短的激光。目前常用的光學測量方法為散射測量法，散射測量法采用激光分析從晶圓表面反射的光模式，從而能夠檢測到以前無法探測到的細微缺陷。

光刻機UV波段和相對應的檢測UV波段的發展歷程

• 對于待檢測的電路特征或缺陷，光散射的效率取決于光波長與其尺寸之間的相互關系。當特性尺寸遠小于光波長時，散射效率會降低，這些特性或缺陷發出的信號會減弱。意味著無法檢測到缺陷，至少在大批量半導體制造的相關工藝時間范圍內無法檢測到。

晶圓激光散射測量示意圖

• 目前常用的深紫外檢測設備為266nm固體激光檢測系統，因為266nm倍頻固體激光器是一種穩定、連續振蕩、高輸出的激光發射。可以很好的消除色差的影響，實現了極低的像差，因為晶圓檢測系統的檢測效率也是設備的一個重要考量因素，266nm極低的像差大大降低開發一個與之匹配高性能、寬視場的深紫外物鏡的技術難度。

附錄：激光行業相關政策

• 激光行業作為戰略性新興產業，涉及光通信、激光雷達、激光顯示、激光指示與照明、汽車制造、機械加工、航空航天、醫療生物等領域。國家不斷出臺相關政策對行業的發展進行支持。我國政策規劃主要鼓勵激光企業通過自主創新掌握核心技術，促進激光技術與高端制造深度融合，構建完善的激光制造產業體系。具體政策匯總如下：