直接二極管激光器：技術(shù)進(jìn)步打開新市場,銅3D打印更經(jīng)濟(jì)

      隨著二極管激光器價(jià)格的下降與性能的發(fā)展，新的市場正在快速打開。在本文中，技術(shù)咨詢公司 IDTechEx 展示了半導(dǎo)體激光技術(shù)的進(jìn)步如何讓激光材料加工和工業(yè)制造領(lǐng)域的新應(yīng)用成為可能。

         本文中的討論基于近期發(fā)布的一份報(bào)告：《激光二極管與直接二極管激光器，2019-2029 年：技術(shù)、市場與預(yù)測》對(duì)該市場進(jìn)行了詳細(xì)分析。在該報(bào)告中，IDTechEx 分析師 Nilushi Wijeyasinghe 博士對(duì)二極管激光技術(shù)、價(jià)值鏈、主要參與方的活動(dòng)和全球市場進(jìn)行了全面回顧。通過案例研究著重強(qiáng)調(diào)了材料加工方面的最新進(jìn)展，Wijeyasinghe 博士利用自己在激光物理學(xué)和半導(dǎo)體物理學(xué)方面的研究背景，解釋了案例研究中的新技術(shù)概念。在廣泛分析原始數(shù)據(jù)和二手?jǐn)?shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，仔細(xì)考慮市場驅(qū)動(dòng)因素和限制因素，提出了細(xì)分的 10 年市場預(yù)測和技術(shù)路線圖。

    指數(shù)級(jí)價(jià)格下降與技術(shù)創(chuàng)新打開更多應(yīng)用領(lǐng)域，帶來上升空間

激光二極管和二極管 bar 條的發(fā)展

       技術(shù)進(jìn)步使激光器從專業(yè)技術(shù)儀器進(jìn)入到各類多元化的市場。激光二極管是應(yīng)用最為廣泛的激光技術(shù)，屬于簡單的半導(dǎo)體器件。過去 30 年來，激光二極管的平均功率顯著提升，而每瓦平均價(jià)格卻呈指數(shù)級(jí)下降。因此，激光二極管正在取代一些已有的激光和非激光技術(shù)，同時(shí)也使全新的光學(xué)技術(shù)成為可能。

激光二極管的成熟應(yīng)用領(lǐng)域包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和固態(tài)激光器的光泵浦。相比之下，材料加工和光學(xué)傳感是細(xì)分市場快速發(fā)展的例證，該市場中出現(xiàn)了許多新興的應(yīng)用。

       單個(gè)激光二極管的輸出功率從毫瓦到數(shù)瓦不等。可以通過將單個(gè)發(fā)射器組合成激光二極管 bar 條和數(shù)堆 bar 條來增加功率；一個(gè)標(biāo)準(zhǔn) bar 條的寬度為 1 厘米。幾十年來，企業(yè)之間為提高二極管 bar 條的輸出功率展開了激烈競爭，并呈指數(shù)增長趨勢。雖然就商用二極管 bar 條產(chǎn)品而言，在 1 微米波長下每根二極管 bar 條的功率通常低于 200 瓦，但激光制造企業(yè)的研發(fā)部門已經(jīng)證明連續(xù)波 (CW) 的平均功率超過 1 千瓦/bar 條。

       二極管 bar 條功率的增加使材料加工領(lǐng)域的新應(yīng)用成為可能，但一些新興的應(yīng)用要求提高激光器的參數(shù)，如波長穩(wěn)定性和器件壽命。因此，功率的競爭不再是這個(gè)市場中企業(yè)的當(dāng)務(wù)之急。二極管激光器技術(shù)的持續(xù)發(fā)展反映在用于精密工程的紅外光束質(zhì)量的提高和用于金屬加工的新型可見光激光器的發(fā)展。

來源：IDTechEx

       根據(jù) IDTechEx 采集和分析的數(shù)據(jù)，研究了 1 微米紅外波長下激光二極管 bar 條輸出功率的發(fā)展過程。二極管 bar 條功率的增加促進(jìn)了直接二極管激光器的發(fā)展，并使其在材料加工中的新應(yīng)用成為可能。二極管激光器技術(shù)的持續(xù)發(fā)展反映在用于精密工程的紅外光束質(zhì)量的提高和用于金屬加工的新型可見光激光器的發(fā)展。

功率和精度新興的直接二極管激光器技術(shù)

      半導(dǎo)體激光器技術(shù)的這些令人難以置信的進(jìn)步使得直接二極管激光器(DDL)的發(fā)展成為可能，包括能產(chǎn)生數(shù)千瓦輸出功率的高功率直接二極管激光器(HPDDL)。DDL 將許多二極管 bar 條與光束整形系統(tǒng)、控制電路和一個(gè)冷卻單元相結(jié)合。技術(shù)進(jìn)步使 DDL 能夠在多模式系統(tǒng)中產(chǎn)生超過 20 千瓦的輸出功率，并以比以前更高的光束質(zhì)量輸出數(shù)千瓦的功率。除了 DDL 以外，Laserline (德國)等公司還生產(chǎn)與有源光纖轉(zhuǎn)換器耦合的二極管激光器，該激光器以 4 – 6 毫米 毫弧度的優(yōu)良光束質(zhì)量產(chǎn)生 4 – 6 千瓦的輸出功率。

來源：IDTechEx

      根據(jù) IDTechEx 采集和分析的數(shù)據(jù)，研究了 1 微米紅外波段高功率直接二極管激光器(HPDDL)輸出功率和光束質(zhì)量的發(fā)展過程。HPDDL 是一種快速發(fā)展的材料加工和工業(yè)制造工具。現(xiàn)在，光束質(zhì)量的顯著改善使用戶能夠?qū)⒓す饩劢沟揭粋€(gè)小點(diǎn)上，這表明 DDL 是一種快速發(fā)展的工具，可用于處理金屬、塑料和復(fù)合材料。在激光焊接等需要高精度和深穿透的應(yīng)用領(lǐng)域，DDL 現(xiàn)在可以與光纖激光器一爭高下。DDL 可以直接將電能轉(zhuǎn)化為激光，而光纖激光器基于稀土金屬摻雜光纖，必須通過激光二極管或二極管 bar 條進(jìn)行光泵浦(能量輸入)。

      DDL 的單價(jià)明顯低于連續(xù)波輸出功率達(dá) 1 千瓦的光纖激光器。按照 IDTechEx 采訪的主要廠商的報(bào)價(jià)，2018 年，1 千瓦高功率直接二極管激光器和 1 千瓦光纖激光器的典型單價(jià)分別為 2 萬美元和 2.5 萬美元。在輸出功率低于千瓦的情況下，DDL 和光纖激光器的價(jià)格差距更大。此外，DDL 發(fā)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(yè)制造的主要趨勢。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(yè)正在進(jìn)行戰(zhàn)略性收購，并投入資金用于擴(kuò)大產(chǎn)能。例如，松下(日本)收購了激光公司 TeraDiode (美國)，以獲得后者在 HPDDL 方面的專業(yè)技術(shù)。該技術(shù)能通過擁有專利的光學(xué)工藝產(chǎn)生高質(zhì)量的光束。

       總的來說，上述技術(shù)進(jìn)步帶來了良好的業(yè)務(wù)增長機(jī)會(huì)。DTechEx 預(yù)測，到 2029 年，全球激光二極管和直接二極管激光器的市場規(guī)模將達(dá)到 140 億美元，其中直接二極管激光器的市場規(guī)模將達(dá)到 20 億美元。IDTechEx 的報(bào)告《激光二極管與直接二極管激光器，2019-2029 年：技術(shù)、市場與預(yù)測》對(duì)該市場進(jìn)行了詳細(xì)分析。

來源：IDTechEx

激光二極管市場材料加工細(xì)分市場的技術(shù)圖黑色輪廓表示正在興起或快速發(fā)展的技術(shù)直接二極管激光器產(chǎn)生的可見光和紅外波長可以加工各種金屬、塑料和復(fù)合材料。最近的 IDTechEx 報(bào)告《激光二極管與直接二極管激光器，2019-2029 年：》對(duì)這些材料處理技術(shù)與市場進(jìn)行了分析。

用高亮度藍(lán)光二極管激光器進(jìn)行焊接和銅材料的3D 打印

      一個(gè)特別重要的趨勢是開發(fā)用于焊接和銅材料 3D 打印等應(yīng)用的藍(lán)光直接二極管激光器。2019 年，Laserline 推出了一款1 kW 的產(chǎn)品。藍(lán)色激光加工金屬的速度更快，效率更高，而這些金屬對(duì)大多數(shù)工業(yè)激光系統(tǒng)產(chǎn)生的 1 微米紅外輻射吸收能力較差。2018 年，島津公司擬（日本）實(shí)現(xiàn)了其 BLUE IMPACT 藍(lán)光沖擊二極管激光器的商業(yè)化，這種激光器可以在高亮度下產(chǎn)生 100 瓦的功率。這款產(chǎn)品是島津公司與日本大阪大學(xué)合作開發(fā)的，是日本國家項(xiàng)目的一部分。

      BLUE IMPACT 激光器結(jié)合了日亞化學(xué)公司（日本）的許多氮化鎵(GaN)藍(lán)色激光二極管，自 2006 年以來效率提高了一倍，輸出功率提高了一個(gè)數(shù)量級(jí)。島津 450 納米藍(lán)色二極管激光器的一個(gè)關(guān)鍵應(yīng)用是銅材料的 3D 打印。銅對(duì)藍(lán)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(duì)傳統(tǒng)的紅外激光器是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。新研發(fā)的 3D 打印機(jī)可以用純銅粉高效打印物體?，F(xiàn)有的 3D 打印機(jī)技術(shù)一般采用 CuCr1Zr 等銅合金來代替純銅。

來源：島津公司

      根據(jù) CAD 模型(右)，使用島津的 BLUE IMPACT 二極管激光器 3D 打印一個(gè)純銅物體(左)。該物體的下半部分埋在銅粉中。IDTechEx Research 預(yù)計(jì)，隨著更多產(chǎn)品的商業(yè)化，從 2019 年起，藍(lán)光 DDL 將會(huì)很快應(yīng)用于銅加工領(lǐng)域。IDTechEx Research 的報(bào)告《激光二極管與直接二極管激光器，2019-2029 年：技術(shù)、市場與預(yù)測》就本課題展開了進(jìn)一步論述。該報(bào)告評(píng)估了采用激光技術(shù)的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，提供了一個(gè)平衡的市場機(jī)會(huì)展望。

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