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超快激光器行业研究报告(一)

发布时间:2024-07-05

一、激光与激光器的基本介绍

  

(一)激光的定义

  激光是指特定的物质受到外部强能量激发而产生的光,技术起源于20世纪60年代,与核能、电脑、半导体并称为20世纪的四大发明,美国科学家将激光技术总结为影响全球未来发展的18项重大关键技术之一。

  激光产生的原理是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。由于激光具有良好的相干性、单色性、方向性、高能量密度等特点,因而被称为“最快的刀、最准的尺、最亮的光”。

(二)激光的特性

  激光相对于普通光源具有明显的优势,例如光强高,方向性好不容易发散,以及单色性好光谱宽度窄等。归纳起来激光具有三大特性,分别是:时间相干(叠加放大)、空间相干(准直)、频率相干(单色性)。

  1、时间相干性:光强叠加放大

  如果以电磁波的角度来看待光,激光与普通光源的最大区别在于每一束光的相位完全相同,两束激光叠加之后的强度一定会超过普通光源的叠加强度。普通光源由于每一束光的相位完全随机,最终强度不具有叠加放大效应。由于叠加放大效应的存在,消耗相同能量的激光与普通光源的发射强度差别巨大,理论上强度差异倍数与光子数量成正比。

图表1 激光叠加强度超过普通光源

资料来源:MiridiaAcupunctureTechnology,天惠投资整理

  2、空间相干性:长距离准直输出

  激光从原理上比同等功率的普通光源具有更大的光强,但是如果激光无法准直输出,激光的强度将会随着传输距离的增加而快速下降。一般来说,点光源的辐射强度与传输距离的平方成反比。激光由于其准直性,辐射面积并不随着传输距离的增加而变化,如果不考虑传输损失激光的辐射强度能够保持不变。

图表2 准直性对光强的影响

资料来源:GeorgiaStateUniversity,天惠投资整理

  3、频率相干性:频谱纯净的光源

  激光的第三个重要的特点就是频谱的纯净。相对于自然光源和其他人造光源,激光频谱宽度要窄很多。普通的日月光或者是LED光源其实含有很多不同频率的光线,其波长范围可以高达400nm以上,而激光光源的频谱宽度则明显较窄。

  图表3 不同光源的频谱比较

资料来源:FloridaStateUniversity,天惠投资整理

  在实际应用中,由于很多材料的光吸收或者反射有一定选择性,因此光谱的纯净十分重要。激光作为最为纯净的光源,一方面能够提高能量的利用率,同时还能减少无效频率光源产生的热效应或者材料损伤。

  

(三)激光器及其分类

  1、激光器的基本结构

  激光器是利用受激辐射方法产生可见光或不可见光的一种器件,构造复杂、技术壁垒较高,是大量光学材料和元器件组成的综合系统,居于整个激光产业链的核心中枢位置;其主要由光学系统、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(激励源)、增益介质(工作介质)和谐振腔等光学器件材料组成。

  增益介质是光子产生的源泉,通过吸收泵浦源产生的能量,使得增益介质从基态跃迁到激发态。由于激发态为不稳定状态,此时,增益介质将释放能量回归到基态的稳态。在这个释能的过程中,增益介质产生出光子,且这些光子在能量、波长、方向上具有高度一致性,它们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。作为终端设备的核心光学系统,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,是下游激光设备最核心的部件。

  工作介质(增益介质):实现粒子束反转。用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系,也被称为激光增益媒质,常用的有红宝石、铍玻璃、氖气、半导体、有机染料等。在增益介质中可以实现粒子数反转,以制造获得激光的必要条件。

  激励源(泵浦源):使原子被激发。为了使工作介质中出现粒子数反转,必须用一定的方法去激励原子体系,使处于上能级的粒子数增加。一般可以用电流注入或气体放电的办法驱使具有动能的电子激发介质原子,称为电激励;也可用脉冲光源来照射工作介质,称为光激励;还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运;为了不断得到激光输出,必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。

  谐振腔:实现光放大。有了合适的工作物质和激励源后,可实现粒子数反转,但这样产生的受激辐射强度很弱,无法实际应用。人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔,实际是在激光器两端,面对面装上两块反射率很高的镜片:一块几乎全反射,一块使大部分光反射、少量光透射出去,以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光,继续诱发新的受激辐射,光被放大。因此,光在谐振腔中来回振荡,造成连锁反应,雪崩似地获得放大,产生强烈的激光,从部分反射镜子一端输出。

  图表4 激光器工作原理

资料来源:周炳琨等《激光原理》,天惠投资整理

  2、激光器的分类方式

  激光器可以按照增益介质、输出波长、运转方式、泵浦方式进行分类,具体情况如下:

图表5 激光器主要分类方式 

资料来源:长光华芯招股说明书,天惠投资整理

  按增益介质分类:根据增益介质的不同,激光器可以分为固态(含固体、半导体、光纤、混合)、液体激光器、气体激光器等。由于稳定性好、功率较高、维护成本低,固态激光器的应用占绝对优势。固态激光器中,半导体激光器具有效率高、体积小、寿命长、低能耗等优点,一方面可以直接应用于激光加工、医疗、通讯、传感、显示、监控及国防应用的核心光源和支撑,已经成为现代激光技术发展的重要基础,具有战略性的发展意义。另一方面,半导体激光器还可以作为固体激光器和光纤激光器等其他激光器的核心泵浦光源,极大地推动整个激光领域的技术进步。世界各主要发达国家均将其列入国家级发展计划,给予大力支持,并得到快速发展。

  按泵浦方式划分:激光器按泵浦方式可分为电泵浦、光泵浦、化学泵浦激光器等。电泵浦激光器指以电流方式激励的激光器,气体激光器多以气体放电方式进行激励,而半导体激光器多采用电流注入方式进行激励。光泵浦激光器指以光泵方式激励的激光器,几乎所有固体激光器、液体激光器均属于光泵浦激光器,而半导体激光器被作为光泵浦激光器的核心泵浦光源。化学泵浦激光器指利用化学反应释放的能量对工作物质进行激励的激光器。

  按运转方式分类:激光器按运转方式主要可以分为连续激光器和脉冲激光器。连续激光器中各能级的粒子数及腔内辐射场均具有稳定分布,其工作特点是工作物质的激励和相应的激光输出可以在一段较长的时间范围内以连续方式持续进行。连续激光器可以在较长一段时间内连续输出激光,但热效应较明显。脉冲激光器指激光功率维持在一定值时所持续的时间,以不连续方式输出激光,主要特点是热效应小,可控性好。

图表6 激光器按运转方式的分类及其适用的领域

资料来源:《IPGP-Investor-Presentation-202205》,天惠投资整理

  按输出波长分类:激光器按照波长可分为红外光激光器、可见光激光器、紫外激光器、深紫外激光器等。不同结构的物质可吸收的光波长范围不同,因此需要各种不同波长的激光器用于不同材料的精细加工或者不同应用场景。红外激光器与紫外激光器是运用最广泛的两种激光器,红外激光器主要应用于“热加工”,将材料表面的物质加热并使其汽化(蒸发),以除去材料;在薄膜非金属材料加工,半导体晶圆切割,有机玻璃切割、钻孔、打标等领域,高能量的紫外光子直接破坏非金属材料表面的分子键,使分子脱离物体,这种方式不会产生高热量反应,因此通常被称为“冷加工”,紫外激光器在微加工领域具有不可替代的优势。由于紫外光子能量大,难以通过外激励源激励产生一定高功率的连续紫外激光,故紫外激光一般是应用晶体材料非线性效应变频方法产生,因此目前广泛应用于工业领域的紫外激光器主要是固体紫外激光器。

  3、激光器的性能指标

图表7 激光器的关键性能指标

资料来源:德龙激光招股说明书,天惠投资整理


(未完待续)