回顾60岁的激光,向1000亿规模迈进

2020年5月15日(北京时间5月16日),在美国休斯研究实验室,梅曼成功制成了世界上第一台可操作的波长为0.6943微米的红宝石激光器,至今已60年。在梅曼发明激光器60周年之际,我们将与每年一度的国际光日(International Day of Light)一同庆祝。

激光是20世纪以来,继原子能、计算机、半导体之后,人类科学史上的又一重大发明。原子能具有巨大能量和破坏力,在原子能基础上,人类建立了全球核工业,核能运用于军事、能源、工业、航天等领域;半导体是电子产业的基石,应用于汽车、能源、消费电子、航空航天、医疗等众多领域,相对原子能而言,半导体应用更为广泛;计算机它的应用领域从最初的军事科研应用扩展到社会的各个领域,已形成了规模巨大的计算机产业,带动了全球范围的技术进步,由此引发了深刻的社会变革,计算机已遍及政府、企业、家庭、个人,成为信息社会中必不可少的工具;而激光成为先进制造技术和升级改造传统工业的重要手段,已广泛应用于材料加工、通信与光存储、医疗与美容、研发与军事、仪器与传感器、娱乐显示、增材制造等我国国民经济几乎所有领域。

由于历史原因,我国激光器应用市场整体起步较晚,二十一世纪初,国内高端激光器市场基本被国外企业垄断,导致国内生产激光器原材料成本昂贵,终端激光器、激光加工设备价格高昂,限制了激光技术在制造行业中的广泛应用。2009年前后,随着国内科研机构和企业的创新技术突破,我国激光产业获得快速发展,福晶科技、锐科激光、创鑫激光、大族激光、华工科技等企业快速迅速,国内激光产业已经基本形成激光材料/芯片、激光关键元器件、配套件、激光器、激光系统、应用开发、公共服务平台等全产业链发展。

随着“中国制造2025”行动纲领和“一带一路”战略的深入实施,制造业对自动化,智能化生产模式的需求日益增长,激光技术是现代高端制造前沿技术,在产业转型升级过程中将扮演重要角色,激光加工应用也从一开始的食品、纺织、电子等轻工业领域,拓展至汽车、船舶、航天、航空、高铁等重工业领域。除此以外,中国的激光市场还延伸至消费电子、通信、显示、医疗、整形美容、增材制造、数据传感器等新兴领域。受益于国家政策的大力支持和市场旺盛需求,激光产业涌现出像大族激光、华工科技、福晶科技、锐科激光、创鑫激光、杰普特等一批优秀民族企业,助力我国激光产业快速发展。2018年我国激光产业市场规模收入达到713亿元,同比增长18.05%,2019年,我国激光产业市场规模达到786亿元,再创历史新高,我国激光产业正向千亿市场规模迈进。

2013-2019年我国激光产业市场规模及增长情况
2013-2019年我国激光产业市场规模及增长情况

西奥多·梅曼:

1960年5月15日(北京时间5月16日),梅曼博士在美国休斯实验室点亮第一台激光器,开启了全新的激光新纪元。

1961年:激光器开始通过Trion Instruments、Perkin-Elmer和Spectra-Physics等公司出现在商业市场上。

1961年3月:在第二届国际量子电子会议上,休斯研究实验室的RobertW. Hellwarth提出了理论研究,表明通过使红宝石激光器的脉冲更可预测和可控制,可以对红宝石激光器进行重大改进。

1961年10月:美国光学公司的EliasSnitzer实现了了钕玻璃(Nd:glass)激光器的首次运行。

1962年:Hellwarth与FredJ. McClung一起证明了他的激光理论,通过使用电开关Kerr单元百叶窗产生的峰值功率是普通红宝石激光器的100倍,巨大脉冲形成技术被称为Q开关。同年,GE,IBM和麻省理工学院的林肯实验室的研究人员同时开发了砷化镓激光器,这是一种半导体器件,可以将电能直接转换为红外光,但是即使进行脉冲操作,也必须进行低温冷却。

小尼克·霍尼奥克(L.Brian Stauffer):

1962年6月:贝尔实验室报告了第一台钇铝石榴石(YAG)激光器。1962年10月,位于纽约州锡拉丘兹的GeneralElectricCo实验室的咨询科学家Nick Holonyak Jr.发表了他关于“可见红色” GaAsP(磷化砷化镓)激光二极管的工作,这是一种紧凑,有效的可见相干光源,这是当今消费类产品(如DVD播放器和手机)中使用红色LED的基础。

1963年初:《巴伦周刊》(Barron’s magazine)估计商业激光市场的年销售额为100万美元。Logan E.Hargrove,Richard L. Fork和MA Pollack实现了锁模激光器的首次演示,即带有声光调制器的氦氖激光器,锁模是激光通信的基础,也是飞秒激光器的基础。同年,加利福尼亚大学圣塔芭芭拉分校的赫伯特·克鲁默和俄罗斯圣彼得堡AF艾菲物理技术学院的Rudolf Kazarinov和Zhores Alferov团队独立提出了用异质结构器件制造半导体激光器的想法,这项工作使Kroemer和Alferov赢得了2000年诺贝尔物理学奖。

1964年:在使用HeNe和氙气激光器工作了两年之后,休斯研究实验室的William B. Bridges发现了脉冲氩离子激光器,该激光器虽然体积大且效率低下,但可以在多个可见和紫外波长下产生输出。Townes,Basov和Prokhorov因“在量子电子学领域的基础性工作,从而基于maser-laser原理构造了“振荡器和放大器”而获得了诺贝尔物理学奖。同年,二氧化碳激光由贝尔实验室的Kumar Patel发明,如今已在全球范围内用作手术和工业中的切割工具。Nd:YAG(掺钕YAG)激光由贝尔实验室的约瑟夫E.盖西奇和理查德史密斯发明,后来,激光被证明是美容应用的理想选择,例如激光辅助原位角膜磨镶术(lasik)视力矫正和皮肤重铺。

1965年:贝尔实验室首次将两个激光器锁相,这是向光通信迈出的重要一步。Jerome VV Kasper和George C. Pimentel在加利福尼亚大学伯克利分校展示了第一台化学激光器,一种3.7μm的氯化氢仪器。

1966年:休斯研究实验室的Mary L. Spaeth发明了由红宝石激光器泵浦的可调染料激光器。CharlesK.Kao与英国哈洛市标准电信实验室的George Hockham合作,实现了光纤技术新的突破,共同提出光纤可以用作通信媒介,他计算了如何通过光学玻璃纤维在远距离传输光,并决定使用最纯净的玻璃纤维可以在100km的距离内传输光信号,而相比之下,只有20 m的光纤可以传输光信号。由于他取得的成果,2009年Kao获得诺贝尔物理学奖。

1970年:Basov,VA Danilychev和YuM. Popov在PN Lebedev物理研究所开发准分子激光器。

1970年春季:Ioffe物理技术研究所的Alferov小组和Bell Labs的Mort Panish和Izuo Hayashi小组生产了第一批实现室温下连续波激射的半导体激光器,为光纤通信的商业化铺平了道路。

1972年:查尔斯·H·亨利(Charles H. Henry)发明了量子阱激光器,与传统的二极管激光器相比,量子阱激光器所需的电流要少得多,达到激射阈值,而且效率要高得多。Holonyak和伊利诺伊大学香槟分校的学生于1977年首次展示了量子阱激光器。

1975年:Jan P. Van der Ziel、R Dingle、obert C. Miller、William Wiegmann和WA Nordland Jr制造了第一台量子阱激光器。

戈登·古尔德:

1977年:古尔德在芝加哥的街道下完成了贝尔实验室光纤光波通信系统的第一个商业安装。

1977年10月11日:古尔德获得了光泵浦的专利。

1978年:LaserDisc进入家庭视频市场,但影响并不大。最早的播放器使用HeNe激光管读取媒体,而后来的播放器使用IR激光二极管。

Arthur Schawlow教授:

1981年:Schawlow和Bloembergen因其对激光光谱学发展的贡献而获得诺贝尔物理学奖。

1982年:麻省理工学院林肯实验室的Peter F. Moulton开发了钛蓝宝石激光器,该激光器用于在皮秒和飞秒范围内产生短脉冲。Ti:蓝宝石激光器取代了染料激光器,可用于可调和超快激光器。

1982年10月:音频CD(LaserDisc视频技术的衍生产品)问世。Billy Joel的歌迷为之欢欣鼓舞,因为他的1978年专辑“ 52nd Street”是第一张发行CD的专辑。

王大珩:

1936年,毕业于清华大学物理系。

1938年,赴英国留学,先后就读于伦敦帝国理工学院、谢菲尔德大学。

1948年回国,王大珩开拓和推动了中国光学研究及光学仪器制造、特别是国防光学工程事业。

1961年,在他的领导下研制出第一台红宝石激光器和首台航天相机,主持研制出我国第一台大型光测设备。在雷射技术、遥感技术、计量科学、色度标准等方面也都作出了重要贡献。

1986年3月,会同其他3名科学家提出“863”计划建议并获中央批准,促使发展高科技成为实现我国科技现代化的一项重要战略部署。

1992年,与其他学部委员倡议并促成建立中国工程院。荣获国家科学技术进步奖特等奖、首届“何梁何利基金科学与技术成就奖”。

2011年7月21日,王大珩在北京逝世,享年96岁。

Coherent :

相干(Coherent)公司是世界最大激光器及相关光电子产品生产商之一。相干公司现在是最全面的超快激光器系统供应商,提供从振荡级、放大器、OPA、泵浦源到特殊制造的TW激光器等一系列超快激光器产品,脉冲宽度最窄到20fs;峰值功率最高可达100TW;单脉冲能量最高可达到5J。2019财年(截至2019年9月28日),相干公司销售额达14.31亿美元,截止目前,Coherent 相干公司紧凑型连续可见光激光器Sapphire出货量已突破 50000 台。

1966年,Coherent 在美国加利福尼亚州帕洛阿尔托成立,成立当年推出真正意义上的第一台CO2商用激光器。

1970年,在美股上市。

1998年, Coherent公司以6500亿美金收购 Palomar Medical Technologiesi部分业务。

2003年4月, Coherent公司收购PositiveLight公司,成为全世界最大、最全面的超快激光器系统生产商。

2004年5月, Coherent收购了LambdaPhysik公司98%股权,并成功地将其在全球的销售和维修网络整合在相干公司旗下。

2005年5月, Coherent公司收购了TuiLaser公司及其全资子公司 Bavarian Photonics( Tui Laser是最知名的小功率准分子激光器生产厂商, Bavarian Photonics以生产高功率调Q全固态激光器并以其对精细加工系统集成的全面支持能力而知名)。

2006年11月, Coherent (北京)商业有限公司正式成立,2007年4月,Coherent收购 Nuvonyx公司一一后者是全球知名的高功率半导体激光器系统生产商,产品广泛应用在热处理、焊接、熔覆等领域。

2010年5月,Coherent收购激光设备制造商Beam Dynamics公司,后者主要研发制造工业级激光加工设备,用于各种切割应用之中,例如加工塑料、织物、皮革、椽胶、金属、陶瓷和木材等。

IPG:

1990年由PG主席兼首席执行官Valentin P. Gapontsev和IPG首席技术官Igor Samartsev 成立。IPG已经全球最大的光纤激光制造商,其生产的高效光纤激光器、光纤放大器以及拉曼激光的技术均走在世界的前端。

1996年,IPG推出了工业级,衍射极限(单模)10瓦光纤激光器。

2000年,推出了使用其多光纤侧耦合技术的100瓦衍射极限光纤激光器。

2002年至2003年之间,IPG开发了多千瓦工业级光纤激光器。

2006年,IPG在首次公开募股中筹集了超过9000万美元的净收益。

2007年,在中国北京及2010 年在其硅谷技术中心附近开设办事处。

2010年,公司推出了首个准连续产品。波(QCW)激光器进入市场。

2017年,全球IPG收入增长至14亿美元,同比增长40%。

2018年,公司被列入标准普尔500指数股票市场指数。

2019年,IPG实现营收13.146亿美元,同比下降10%;净利润1.802亿美元,同比下降55%;毛利率46.1%,同比减少8.7个百分点。

2020年,IPG在“OFweek2020(第六届)中国激光在线展会”重磅推出新产品——YLR-4000机架式单模块激光器。

Newport:

美国理波公司(NewportCorporation)成立于1969年,Newport是全球领先的光电子先进技术产品和系统的解决方案提供商,整合旗下Corion、NewFocus、OrielInstruments、RichardsonGratings和Spectra-PhysicsLaser子公司,供应客户各类光源、光电仪器、光电调制器、激光器、光学平台、亚微米定位系统、光学机械构件、震动隔离、光学元件、光学量测计等光电科技产品。

1991年-Newport Corporation收购了法国Evry的Micro-Controle的微定位产品部门。Micro Controle以其非凡的超高精度定位和运动控制系统的制造和设计而闻名于世。此后,Newport 已成为定位和运动控制系统的全球领导者。

1999年-Newport 公司收购了康宁OCA Incorporated的商业光学部门,成立了Newport 精密光学业务集团。Newport Precision Optics通过高性能的光学元件,光学系统和增值的光机械子组件,将Newport设计和制造能力的提升到了新水平。

2004年-Newport 收购了Spectra-Physics和相关的光子学公司。此次收购极大地扩大了Newport在公司目标客户市场中的专业知识和产品范围,从而增加了Newport的固态,气体和染料激光器,大功率二极管激光器,超快激光系统以及光子学仪器的产品组合光谱和物理,Oriel仪器,Richardson光栅和Corion滤光片的知名品牌的产品和组件,包括光源,单色仪,光谱仪器,光学滤光片以及直纹和全息衍射光栅。

2009年-Newport 从Oclaro®手中收购了New Focus™业务。此次收购扩大了Newport 的产品范围,包括了许多新的高性能产品,包括光电,高分辨率执行器,光电机械,可调谐激光器和专为原始设备制造商(OEM)设计的定制工程解决方案。

2011年-Newport 收购了Ophir Optronics Ltd.和High Q Laser GmbH。对Ophir的收购极大地扩展了Newport在红外光学和光子仪器方面的能力,为Newport的产品系列增加了Ophir的精密红外光学和透镜组件;激光测量仪器,包括激光束轮廓仪,激光功率和能量计以及传感器;三维非接触式测量传感器和设备。对High Q的收购扩大了Newport的超快激光器功能,特别是在生命,健康科学和工业市场中的应用,并扩大了Newport在欧洲激光器市场的影响力。

2012年–Newport 收购了ILX Lightwave Corporation。对ILX Lightwave的收购扩展了Newport的光子学仪器和系统产品,将ILX的二极管激光器控制器和驱动器,温度控制器,电流源,光功率和波长仪,半导体激光器/LED老化,测试和表征系统添加到Newport的产品组合中。

2016年4月,Newport成为MKSInstruments,Inc.的全资子公司。

大族激光:

大族激光1996年创立于中国深圳,目前公司已经是亚洲最大、世界排名前三的工业激光加工设备生产厂商。该公司于2004年在深圳证券交易所上市,股票代码:002008。目前全球员工超过13000人,总资产逾180亿元,市值近340亿。2012年以来公司凭借多元化拓展战略,在新业务上的发展保证了整体业绩的平稳,2010-2018年该公司营收复合增速达17.14%。

2017年公司大功率激光装备、数控设备、LED焊线机等领域逐步进入收获期,与消费电子行业需求旺盛产生共振,业绩爆发,全年实现营收115.6亿元,同比增长66.12%,创历史新高。

2019年大族激光营业收入95.63亿元,同比下降13.30%,营收首次跌破百亿元大关。

激光的理论提出到现在激光产业的蓬勃发展大致经历了四个阶段:

(1)理论阶段(1916-1960年):激光理论始于爱因斯坦的受激发射理论,该理论于 1916年提出;1928 年 Landenburg 证实了受激辐射“负吸收”的存在;1940 年 V.A Fabikant 在其论文中提出产生粒子数反转的实现方法;1947 年受激辐射第一次被实验验证,1950 年 Kastler 提出了光学泵浦的方法;1953年:美国物理学家Charles Townes用微波实现了激光器的前身:微波受激发射放大;1958年,美国科学家肖洛(Schawlow)和汤斯(Townes)提出了”激光原理”,他们为此发表了重要论文,并获得1964年的诺贝尔物理学奖。

(2)实践阶段(1960-1971年):这一阶段,不同类型激光器开始从实验室制作出来,进入人们的视野。1960年5月15日,美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光。1962年前苏联科学家尼古拉·巴索夫发明了第一台半导体激光器出现;1963年帕特尔发明了第一台CO2激光器;1965年贝尔实验室发明了第一台YAG激光器等等。

(3)商用阶段(1971-1989年):1971年出现了第一台商用1KWCO2激光器,这标志着激光从理论实践进入应用普及阶段,激光首次进入艺术世界,用于舞台光影效果,以及激光全息摄像。英国籍匈牙利裔物理学家DennisGabor凭借对全息摄像的研究获得诺贝尔奖;1974年第一个超市条形码扫描器出现;1975年IBM投放第一台商用激光打印机;1982年日本夏普公司制造出半导体激光器;1978年飞利浦制造出第一台激光盘(LD)播放机;1988年北美和欧洲间架设了第一根光纤,用光脉冲来传输数据。

激光产业发展历程重大事件
激光产业发展历程重大事件

(4)延伸阶段(上世纪90年代至今):1990年,俄罗斯研制成功了大功率半导体激光器。激光开始广泛用于制造业,包括集成电路和汽车制造等。1991年激光首次用于人体治疗近视,海湾战争中首次使用激光制导导弹;1996年,东芝推出数字多用途光盘(DVD)播放器;2008年法国神经外科学家使用纤维激光和微创手术技术治疗了脑瘤;2010年,美国国家核安全管理局(NNSA)表示,通过使用192束激光来束缚核聚变的反应原料、氢的同位素氘(质量数2)和氚(质量数3),解决了核聚变的一个关键困难。2011年,在汉斯·佐格(Hans Zogg)的指导下,瑞士苏黎世联邦理工学院(瑞士联邦理工学院的一部分)的研究人员首次生产了一种垂直外腔表面发射激光器(VECSEL),该激光器在中红外大约在5微米该波长范围对于光谱应用非常有用。VECSEL的潜力促使研究团队的成员成立了一家名为Phocone的公司来将该技术商业化。2016年2月,在加利福尼亚州圣何塞举行的SPIE高级光刻技术研讨会上,半导体光刻工具制造商ASML宣布EUV(极紫外)光刻技术终于准备就绪。经过多年的发展,由于光源不够亮,进展滞后了,ASML将其精力投向了激光产生的等离子体方法。通过这种方法,红外CO2激光器向熔化的锡的微小液滴发射集中脉冲。过滤出最终的发射脉冲后,结果是一个13.5nm或EUV的光脉冲。该技术及其产生的波长比半导体生产中使用的193nm深紫外激光器短得多,是半导体制造领域持续发展的关键。2017年,上海超强超短激光实验装置成功实现10拍瓦激光放大输出,此次研制取得诸多突破,包括实现300焦耳以上能量水平宽带激光放大输出,10拍瓦激光主放大器采用的钛宝石晶体直径达235毫米,由中科院上海光机所自主研制。当下,激光技术已经无处不在,激光技术基本做到了在全球军事领域及民用领域应用全覆盖。

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