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商用超短脉冲激光技术:第一部分-激光器

自2015年以来,超短脉冲激光器制造商的数量显著增长

虽然超短脉冲(USP)激光对整个工业激光市场的贡献仍然并不高(不到10%),但他们收入份额的增长速度比任何其他工业激光市场都要快,而且未来几年的增长显得十分具有吸引力。USP激光器,即皮秒和飞秒激光器,虽然目前并非市场“宠儿”,但很快将会成为一个足够大的细分市场。即便是Allen Nogee(著名的行业分析师)也很少跟踪报道飞秒或皮秒激光,除非有特别的相关新闻。据Nogee称,“与CW(连续波)激光器相比,对于USP激光的统计并不复杂,因为它只占大部分小公司产品的一小部分,必须达到较高的出货量才能赚钱。很多公司都是利基的小公司。” 事实确实如此,但据我观察,无论是在技术研讨会上还是展览会上,USP的从业者都在讨论新市场的拓展和销量的增长。

让我们一起来梳理,据上次我在2015年所展示的激光表格之后到底又发生了什么变化。首先,大多数激光制造商现在提供飞秒和皮秒的解决方案。其中一部分可以提供可调谐的激光器,而另外一部分,则可以提供应用于特定领域的一些模块。像大多数行业分析师的观点一样,我并没有将飞秒和皮秒单独讨论,而是将它们都统称为USP激光器。无疑这打消了人们对激光器到底是皮秒还是飞秒的考虑,因为它们都是USP激光器。与几年前相比,这些USP激光器更具备了“商品”的属性。然而,USP激光器涉及及光学、系统集成和工艺开发过程,这些过程都十分必要,但显然还不够。随着竞争的加剧,USP激光器的利润率可能已经大幅下降,但销量却大大提高。市场分析人士预测,截至2024年,美国的市场份额将以25%的复合年增长率(CAGR)增长,北美和亚洲市场规模最大,预计医疗市场将涌现大量用户。

对于USP激光制造商的跟踪似乎并不复杂,但是如果考虑到所有其组件,那将会是一件十分繁杂的工作。在许多国家,特别是中国,有很多公司已加入或声称要加入USP激光市场。为显简明,在此我仅强调几点:

  • USP激光和光学:包括所有在国际上销售的产品
  • USP激光系统:仅讨论在美国销售或营销USP系统的公司
  • USP委约制造:仅讨论美国公司

即使存在上述限制,大多数据可以进性观察和推断。我认为,USP激光器现在不再是加工系统中的瓶颈或弱点,而是许多不同组件中的一个(请注意,这个观点很重要),将这些组件有效利用,才能激发出USP激光器的最大潜力。事实上,USP激光器本身在技术曲线上已趋于稳定,大多数制造商都面向更高功率、更低成本、更小尺寸等的未来计划。当然这些都没有错,只不过这都是以销售和工程为驱动,而非市场和创新驱动。

在我看来,真正的好消息是实际应用远在技术曲线之下,所以新的应用将推动激光制造业的全面增长。在过去几年中,大量激光制造商进行并购,而新公司的出现速度远远快于被收购或刚刚消失的公司。虽然,只有少数公司只是“离开”(例如,Raydiance),但大多数公司都蓬勃发展。坦率地说,如果一家公司不能在这种增长环境中生存下去,要么它的的商业模式很糟糕,要么它的产品很糟糕。

激光器

让我们一起来进一步了解下工业USP激光器。在本文中,激光器的脉冲长度必须小于1ns,最好小于20ps,飞秒激光单脉冲能量为10mJ,皮秒激光单脉冲能量大于10mJ。激光器必须能够运行高达100千赫的重复频率(通常使用100千赫至1兆赫)。功率应该是“可用功率”,其中输出功率(W)是脉冲能量(J)乘以重复率(s-1)的乘积:

Epulse × Rep Rate = P

功率应该在没有太高的重复率(不可用)或太低的能量脉冲(不可用)的情况下实现。最后,激光器必须是“工业”激光器,如下所述:

  • 具有价格竞争力,且客户愿意为质量保证买单
  • 具有小型框架式的外包,且易于访问和服务
  • 具有与光学、运动等所有必要元件的电气和触发界面
  • 24/7运行可靠
  • 具有公司支持售后服务
  • 具有可用的重复频率和能量脉冲;如果有可用的谐波,在频率转换后必须具有足够的脉冲能量
  • 具有合理的交付时间

数据

我向50家不同公司的大约100名员工发送了问卷调查(其中有一些是重复的)。大多数是从参与2019年USP 激光会议中私人联系的,如SPIE Photonics West(加利福尼亚州旧金山)、the UKP Workshop(德国亚琛)和LASER World of PHOTONICS(德国慕尼黑)。如上所述,共有四类。对于那些我没有私人联系的公司,我从他们发布的网站上获得了信息,并获取了一些数据——许多发送给普通公司的电子邮件都没有得到回复。我联系了22家USP激光制造商,其中16家回复了我们的最初调查,而在回复后,校正的表格显示最终统计的22家公司中除两家(91%)外,其他所有公司都直接提供了信息。不管他们是否根据网站上的信息做出答复(此数据在表中斜体显示),所有公司都被包括在内。有一些中国公司,例如Huaray和Raycus,因为它们出现在不同的场所,所以它们在中国规模很大,可能也应该受到关注。此外,少数公司被排除在外,因为他们已经公布了功率水平,相比于微加工来说,这种功率水平对计量或其他应用变得更有用。

评论

目前,USP激光器主要应用在基本红外(IR)波长的使用上,因为它们遵循长脉冲(纳秒)的趋势。因此,许多公司都在关注这个波段,特别是所有在脉冲能量不足以产生谐波的光纤激光器。光纤激光器通常没有足够的脉冲能量来进行转换,尤其是在二次谐波产生之后。然而,双倍频和三倍频激光器已经明确了有这样的应用,即在较短的波长下,材料之间的相互作用更好,或者可以获得更小的特征尺寸。对于那些回答了关于未来计划的问题的公司,大多数认为低成本、高功率和谐波比短脉冲更重要。事实上,在许多飞秒激光器的应用上,当脉宽接近1ps的时候效率最高,并不是越短越好。

虽然没有足够的空间来检查每个条目,但是该表应该可以进行简单的对比。注意,这里没有价格的比较,因为这取决于位置、激光器型号、功率、谐波和其他因素。在竞争日益激烈的环境下,激光器的价格应该是合理的,但如果有人能够做出展示,人们也愿意为质量和性能支付费用。

表格中有许多不同类型的公司,我们将讨论其中的一些公司。在上市的公司中,有一些致力于USP激光器,尤其是飞秒激光器。Light Conversion (维尔纽斯,立陶宛)在USP行业中有25年的历史,与Light Conversion (佩萨克,法国)的时间差不了许多。这两家公司最初都是致力于飞秒激光器开发的小型公司,现在都是在全球具有影响力的中型公司。两家公司的技术都是由公司内部或与当地学者合作开发的。他们具有红外、二次谐波发电(SHG)、三次谐波发电(THG)等多种模式。他们有良好的支持和公平合理的价格,并且通过提供光纤振荡器和自由空间光学来获得高次谐波的服务,使其成为行业的领导者。这足以支持完全围绕USP加工的进行中的应用程序开发和研讨会展示。

 Lumentum公司(加州圣何塞)是Industrial Laser Solutions Billion-Dollar Club (工业激光器产品收入最大的供应商)的成员之一,该公司生产最成熟的皮秒激光器之一,但是仅生产皮秒激光器。工业激光器只占其总销售额的一小部分,而皮秒激光器只占其总销售额的更小的一部分。它们公司确已经遍布世界各地,而且生产的紫外激光具有很好的可靠性和寿命。此外,它们还具有各种实验设备(不仅仅是激光器)的实验室,而且非常专注于皮秒激光的应用。

我经常把一些公司称为“一站式商店”。其中两个例子是Clark-MXR(密歇根州德克斯特)和Spectra-Physics(加利福尼亚州圣克拉拉)。这些公司只提供激光器,或者他们将建立一个激光器子系统,又或者是一个完整的激光处理系统。Spectra-Physics有许多从低飞秒到皮秒的USP激光器的模型,并为它们提供光学组件、动力组件等。该公司是全球范围内的一个更大实体商家的一部分(MKS仪器;安德沃马)。USP激光器目前虽然规模小,但却是在商业极为重要的一部分,而且对其需求不断增长。所以,公司的重点是加工精度,而不是激光功率。Clark-MXR是USP技术的先驱,只提供飞秒激光的加工方案。虽然它仍然是一家较小的公司,但它在对飞秒激光加工方面的时间可能比任何公司都长。该公司还致力于制造飞秒激光生产系统和提供工作车间/生产合同制造。

YSL Photonics(武汉)是唯一一家回应我问题的中国公司。这表明它对中国以外的市场具有很强的洞察力,而且,它的回答非常完整明确。该公司提供了从400 fs到10 ps的脉宽可调谐激光,并提供有效的谐波。该公司身处具有如此庞大市场的中国,而且还计划在欧洲和美国展开生产。YSL Photonics已宣布在2019年底推出1千瓦的飞秒激光器,未来计划还需要提高低功率激光器型号的性能。

总结

USP激光器到底在全球具有多大的市场?对于我问的这个问题,最多的回复是没有回应,其次是“无可奉告”,再者是“不知道”。 当然也有回答称美国国内每年是100到1000台激光器,全球是每年1000到数千台。我认为实际的范围是美国200-300台、全球2000台,而且两者都在不断增长。但请记住,这些数字不包括外科应用、计量应用或其他非材料加工应用。此外,有时候这些数字也很难界定,比如在某个国家“出售”的激光器数量中,有些是在该国生产或者采购的,但是以系统的名义运输到另外一个国家。

如前所述,激光器是任何激光加工系统的基本组成部分,但其组成不仅仅是激光器。在“商用超细脉冲激光技术:第二部分——光学、系统和合同制造”中,我将详细阐述USP光学供应商、系统制造商和美国合同制造商。

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