值得关注 | 超快激光前景广，国产替代正当时

超快激光技术目前处激光器的绝对顶端，在制造业转型升级趋势下迎来发展机遇。如今随着制造业的产业升级，下游市场已经趋于成熟，超快开始对传统设备甚至连续激光设备进行替代，市场处于快速增长期。据Strategies Unlimited的预测，超快激光行业未来增速将为激光行业的两倍。

 

超快激光器核心元器件技术壁垒极高，国产化率低。由于超快激光器门槛高，难度大，上游对应的核心元器件种类更多且生产难度更大。由于国内超快激光起步时间晚，对应的专用型核心元器件国内极少有公司参与涉及，商业化起晚。

 

超快激光下游应用场景持续发力，半导体与医疗美容领域成为最高增长点。随着晶圆制造往更小、更精、更密发展，对于切割、开槽、钻孔等工艺的精细化要求也会越来越高，超快激光也将成为晶圆加工领域的最优选择。此外，超快激光被广泛应用于眼科手术、牙科手术、医疗器械切割、美容、医疗打标等诸多领域。

 

超快激光“冷加工”

突破连续激光局限性

 

激光器是激光产业链中游价值量最高的器件，对于激光器的分类标准有很多，通常我们按照运转方式或者增益介质两种方式来分类：

 

1.按转运转方式可以分为连续激光器与脉冲激光器两个大类，而脉冲激光器又可以继续细分为纳秒激光器、皮秒激光器与飞秒激光器。其中，皮秒激光器与飞秒激光器统称超快激光器。 

 

2.按照增益介质可以分为气体激光器、液体激光器以及固体激光器。其中，固体激光器又可以继续细分为固态激光器、光纤激光器、混合激光器以及半导体激光器。

 

激光器的分类

 

1960年，第一台激光器——红宝石激光器问世为超快过程的研究打开了门户，随后出现的调Q技术和锁模技术使得超快激光取得了长足进步。区别于常规的连续或者长脉冲激光，超快激光的特点是脉冲宽度是皮秒ps（10-12s）、飞秒（10-15s）级，由于脉冲时间短，峰值功率高，等离子体还没来得及将能量传递给周围材料，就已经从材料表面被汽化，不会给周围的材料带来热影响，属于超精密“冷加工”，可以解决常规连续或者长脉冲激光的热效应导致的材料碳化、加工精度差的问题，突破高精密加工应用的局限性。

 

超快激光加工效果（ns/ps/fs）

 

市场规模

 

超快激光器的下游应用开始放量。LaserFocus World数据测算，2022年全球超快激光器市场规模将达到166亿元，国内超快激光器市场规模将超过83亿元，过去3年复合年化增长率高达50%。通过我们对行业的走访，目前飞秒大概占超快市场的25%，皮秒占75%。

 

超快激光市场规模（亿元）

 

超快激光器的独特性

 

由于其超短的脉冲持续时间，超快激光器与长脉冲或连续波（CW）激光器存在着本质区别。产生如此短的脉冲需要一个宽带光谱。产生超快激光脉冲所需的最小带宽，取决于其脉冲形状及中心波长。通常，这种关系由不确定性原理产生的时间-带宽乘积（TBP）来描述。对于高斯脉冲，TBP由下式给出：

 

 

其中，Δτ是脉冲的持续时间，Δν是频谱带宽。[4]从这个方程可以看出，频谱带宽和脉冲持续时间存在反比关系——脉冲越短，产生脉冲所需的带宽就越宽。图1中给出了不同脉冲持续时间所需的最小带宽。

 

除了频谱带宽大，超快激光的峰值功率也非常高。为了更直观地了解这一点，我们将10W连续激光器与10W超快激光器的峰值功率进行对比；其中10W超快激光器的脉宽为150fs，重复频率为80MHz，这是常见的商用超快激光器能够实现的指标。

 

对于连续激光器而言，其平均功率和峰值功率是相同的，输出功率始终都是10W，或10J/s。而对于超快激光器而言，平均输出功率仍为10W，与连续激光器的功率相同；但是这两种激光器的不同之处在于：超快激光器是在很短的时间内输出10W的平均功率。图2中显示了平均功率和峰值功率之间的差异。

 

 

对超快激光器来说，其重复频率为80MHz，因此10W功率被分配到每秒钟输出的8000万个脉冲中。平均下来，每个激光脉冲的输出能量仅为亚微焦；但这亚微焦的能量被挤压到只有150fs的时间里，其输出的峰值功率就会超过800kW，比平均功率大四个数量级。极高的峰值功率和较大的光谱带宽，促使超快激光器在广泛的领域获得了应用机会，但这些特性也带来了一些独特的技术挑战。

 

超快激光应用场景持续发力

 

半导体与医疗美容领域成为最高增长点

 

半导体

 

超快激光在半导体领域的应用包括LED/OLED照明领域、光伏领域以及晶圆切割领域等。超快激光在半导体领域的应用也将是未来短时间内超快激光市场增速最快的领域之一：

 

（1）超快激光在照明领域的应用主要是指LED晶片的划线和切割，这也是超快激光适合硬脆材料加工的又一例证，超快激光加工的截面平整度高，崩边显著减少，效率和精度都大大提升； 

 

（2）随着晶圆制造往更小、更精、更密发展，对于切割、开槽、钻孔等工艺的精细化要求也会越来越高，超快激光也将成为晶圆加工领域的最优选择。

 

超快激光在半导体加工领域的应用

 

航天航空

 

为提高涡轮叶片的性能和使用寿命，进而提高发动机的性能，需要采用气膜冷却技术，这对气膜孔加工技术提出了极高的要求，超快激光的应用很好地解决了气膜孔加工的难题。此外，超快激光还可应用于纤维增强复合材料的精密加工，加工精度的提升，有助于碳纤维等复合材料在航空航天等高端领域的应用拓展。

 

超快激光在航天航空领域的应用

 

医疗美容

 

超快激光技术已经广泛地应用于医疗器械、医疗服务、生物制药、药物等高端技术领域，发挥更加重要的作用，另外超快激光越来越多地被直接用于人体医疗领域，改善患者生活。从应用领域来说，在生物医疗领域，超快激光将引领包括眼科手术，激光美容如美肤、去纹身、去毛发等。

 

激光技术用于医疗美容与手术已经很久了，以往较长时间近视眼科手术采用的是准分子激光技术，而祛斑美容则采用CO2点阵激光。超快激光的出现快速得到推广，在众多的近视矫正术中，全飞秒激光手术已经成为主流治疗近视眼的方法，近视矫正手术平均费用约2万元即可摘掉眼镜，广受学生与年轻人的欢迎。与传统的准分子激光手术相比，全飞秒激光手术具有手术准确度高、无明显疼痛感、术后视觉效果好等优势。

 

在美容方面，超快激光可用于去除色素和原生痣、去除纹身等，也可以用来改善肌肤的衰老情况，保持嫩肤的效果。

 

超快激光在医疗美容领域的应用

 

超快激光前景分析

宏观：政策长期支持

 

激光技术是《中国制造2025》产业升级的核心元技术与战略版块之一。在2016年颁布的国家重点研发计划中也有“增材制造与激光制造”这一专项，明确提出了要支持高性能激光器及飞秒激光器在制造应用和高端装备方面的应用和发展。在实际操作中中，除了各地的光电产业基金有对新型激光研发投入支持，更多的支持来自于产业集成及在各经济圈成立“光谷”和配套政策扶持。 

 

超快激光位列激光产业扶持政策的绝对核心。以国家重点研发计划“增材制造与激光制造”专项试举例，其中就有如“飞秒激光精密制造应用基础研究”、“飞秒激光超精细微圆孔制造装备研发及应用”等专项课题，涉及到飞秒激光技术的国家研发支出金额均位列泛激光领域所有项目金额的前列。

 

微观：市场刚需、壁垒高、低渗透率、低国产率带来巨大市场上市空间

 

激光器为刚需，行业需求可持续。终端领域的光伏、3C及传统制造领域的升级迭代离不开高精度激光器的升级与应用，而激光器是激光设备的绝对核心，属于底层技术的范围，因此具备绝对刚需。目前工业激光器方面超快的占比仅仅为25%，市场提升空间充足。

 

国产化率低，替代空间大。目前超快领域皮秒的国产只有57%，高端型号依赖进口，而飞秒领域更是由国外企业把持，产品价格高昂，是国内激光器价格的近两倍。国外产品高昂的供给价格严重抑制了我国激光设备商及终端产业升级迭代的能力，因此国内企业对选择国内产品替代意愿较强。

 

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