直接二極體激光器：技術進步如何打開新市場？

隨著二極體激光器價格的下降與性能的發展，新的市場正在快速打開。在本文中，技術諮詢公司IDTechEx展示了半導體激光技術的進步如何讓激光材料加工和工業製造領域的新應用成為可能。

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激光二極體和二極體巴條（bar）的發展

技術進步使激光器從專業技術儀器進入到各類多元化的市場。激光二極體是應用最為廣泛的激光技術，屬於簡單的半導體器件。過去30年來，激光二極體的平均功率顯著提升，而每瓦平均價格卻呈指數級下降。因此，激光二極體正在取代一些已有的激光和非激光技術，同時也使全新的光學技術成為可能。激光二極體的成熟應用領域包括數據存儲、數據通信和固態激光器的光泵浦。相比之下，材料加工和光學感測是細分市場快速發展的例證，該市場中出現了許多新興的應用。

單個激光二極體的輸出功率從毫瓦到數瓦不等。可以通過將單個發射器組合成激光二極體巴條（bar）和數堆巴條（bar）來增加功率；一個標準巴條（bar）的寬度為1厘米。幾十年來，企業之間為提高二極體巴條（bar）的輸出功率展開了激烈競爭，並呈指數增長趨勢。雖然就商用二極體巴條（bar）產品而言，在1微米波長下每根二極體巴條（bar）的功率通常低於200瓦，但激光製造企業的研發部門已經證明連續波 (CW) 的平均功率超過 1 千瓦/bar 條。二極體巴條（bar）功率的增加使材料加工領域的新應用成為可能，但一些新興的應用要求提高激光器的參數，如波長穩定性和器件壽命。因此，功率的競爭不再是這個市場中企業的當務之急。二極體激光器技術的持續發展反映在用於精密工程的紅外光束質量的提高和用於金屬加工的新型可見光激光器的發展。

連續波 (CW) 激光二極體巴條（bar）功率發展過程

根據IDTechEx採集和分析的數據，研究了1微米紅外波長下激光二極體巴條（bar）輸出功率的發展過程，如上圖所示。二極體巴條（bar）功率的增加促進了直接二極體激光器的發展，並使其在材料加工中的新應用成為可能。二極體激光器技術的持續發展反映在用於精密工程的紅外光束質量的提高和用於金屬加工的新型可見光激光器的發展。

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功率和精度新興的直接二極體激光器技術

半導體激光器技術的這些令人難以置信的進步使得直接二極體激光器（DDL）的發展成為可能，包括能產生數千瓦輸出功率的高功率直接二極體激光器（HPDDL）。DDL將許多二極體巴條（bar）與光束整形系統、控制電路和一個冷卻單元相結合。技術進步使DDL能夠在多模式系統中產生超過20千瓦的輸出功率，並以比以前更高的光束質量輸出數千瓦的功率。除了DDL以外，Laserline等公司還生產與有源光纖轉換器耦合的二極體激光器，該激光器以4~6毫米·毫弧度的優良光束質量產生4~6千瓦的輸出功率。

連續波 (CW) 高功率直接二極體激光器功率發展過程

根據IDTechEx採集和分析的數據，研究了1微米紅外波段高功率直接二極體激光器（HPDDL）輸出功率和光束質量的發展過程，如上圖所示。HPDDL 是一種快速發展的材料加工和工業製造工具。

現在，光束質量的顯著改善使用戶能夠將激光聚焦到一個小點上，這表明DDL是一種快速發展的工具，可用於處理金屬、塑料和複合材料。在激光焊接等需要高精度和深穿透的應用領域，DDL現在可以與光纖激光器一爭高下。DDL可以直接將電能轉化為激光，而光纖激光器基於稀土金屬摻雜光纖，必須通過激光二極體或二極體巴條（bar）進行光泵浦（能量輸入）。DDL的單價明顯低於連續波輸出功率達1千瓦的光纖激光器。按照IDTechEx採訪的主要廠商的報價，2018年，1千瓦高功率直接二極體激光器和1千瓦光纖激光器的典型單價分別為2萬美元和2.5萬美元。在輸出功率低於千瓦的情況下，DDL和光纖激光器的價格差距更大。此外，DDL發出的波長與光纖激光器不同，這意味著DDL可以用匹配的吸收光譜更有效地加工材料。

因此，DDL和HPDDL正在成為全球工業製造的主要趨勢。為了提升在高增長的DDL/HPDDL市場中的地位，一些重要的參與企業正在進行戰略性收購，並投入資金用於擴大產能。例如，日本松下收購了美國激光公司TeraDiode，以獲得後者在HPDDL方面的專業技術。該技術能通過擁有專利的光學工藝產生高質量的光束。總的來說，上述技術進步帶來了良好的業務增長機會。IDTechEx預測，到2029年，全球激光二極體和直接二極體激光器的市場規模將達到140億美元，其中直接二極體激光器的市場規模將達到20億美元。IDTechEx的報告《激光二極體和直接二極體激光器-2019版》對該市場進行了詳細分析。

激光二極體細分應用

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藍光二極體激光器進行焊接和銅材料的3D列印

一個特別重要的趨勢是開發用於焊接和銅材料3D列印等應用的藍光直接二極體激光器。2019年，Laserline推出了一款1kW的產品。藍色激光加工金屬的速度更快，效率更高，而這些金屬對大多數工業激光系統產生的1微米紅外輻射吸收能力較差。2018年，島津公司實現了其BLUE IMPACT藍光衝擊二極體激光器的商業化，這種激光器可以在高亮度下產生100瓦的功率。這款產品是島津公司與日本大阪大學合作開發的，是日本國家項目的一部分。BLUE IMPACT激光器結合了日亞化學公司的許多氮化鎵（GaN）藍色激光二極體，自2006年以來效率提高了一倍，輸出功率提高了一個數量級。島津450納米藍色二極體激光器的一個關鍵應用是銅材料的3D列印。銅對藍色激光的吸收率很高，背反射的減少可以使加工過程變快，這對傳統的紅外激光器是一個嚴峻的挑戰。新研發的3D印表機可以用純銅粉高效列印物體。現有的3D印表機技術一般採用CuCr1Zr等銅合金來代替純銅。

根據CAD模型（右），使用島津的BLUE IMPACT二極體激光器3D列印一個純銅物體（左）

IDTechEx預計，隨著更多產品的商業化，從2019年起，藍光DDL將會很快應用於銅加工領域。IDTechEx的報告《激光二極體和直接二極體激光器-2019版》就本課題展開了進一步論述。該報告評估了採用激光技術的優勢和挑戰，提供了一個平衡的市場機會展望。

來源：MEMS

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