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激光行业报告基础篇（一）
2021-10-14 18:02:22
我国是制造业大国，然而与世界制造业大国相比，我国激光在对制造业尤其是装备制造业中的应用比例偏低，仅为30%。而美、日、德激光在装备制造业中的应用比重均超过了40%，其中德国高达46.4%，高出我国16.4个百分点。这也是造成我国工业结构升级缓慢的一个原因。与此同时，激光在制造业的应用比例差距也可以看到我国激光产业的巨大市场潜力。在未来国家一系列产业结构调整及工业结构改造过程当中，激光产业拥有广阔的市场前景。
国家政策以鼓励和支持激光技术在制造业中的应用为主。目前，以激光技术为依托，支撑起了智能制造、航天科工、生物医疗、材料结构等众多支柱产业。为此，源起基金聚焦激光产业，深挖行业潜力，对激光行业深入研究。
太阳是能量最强、天然稳定的自然辐射源，内部发生由氢转换成氦的聚核反应。
太阳辐射的波长范围覆盖了从X射线到无线电波的整个电磁波谱。在地面上观测（人眼或借助光学设备观测）的太阳辐射的波长范围大约介于0.295µm-2.5µm；波长＜0.295µm和波长＞2.5µm的太阳辐射，大部分会被大气层（臭氧、水汽、其他大气分子）强烈吸收，不能到达地面。其中，对流层不吸收短波吸收长波；平流层中，氧分子在紫外线作用下，形成臭氧层，臭氧层可以阻挡太阳紫外线及高能粒子。
可见光（人眼可以接收到的电磁波），波长介于0.38µm(0.39µm)-0.78µm。波长不同的电磁波，引起人眼的颜色感觉不同，经散射后的可见光、波长会被切分，当波长位于0.78µm-0.622µm范围时人眼感受到的是红色光、当波长位于0.622µm-0.597µm范围时人眼感受到的是橙色光（其他范围见上表），而将其混合起来则为白光。
红外线（人眼不能接收到的电磁波），需借助光学设备才可以感受到（如红外感光胶片/红外成像仪），通常红外线摄像机接收到红外线后会将其转化为可见的绿光。红外线具有巨大的热效应，太阳的热量主要通过红外线传到地球。
紫外线（人眼不能接收到的电磁波），需借助光学设备才可以感受到（如荧光效应）。紫外线有明显杀菌作用，但过强的紫外线会灼伤皮肤、还有可能诱发皮肤癌。
X射线、γ射线属于高能电磁辐射，能够直接破坏人体内分子的分子结构（蛋白质、DNA等的结构），从而引起机体发生病变和引起癌症。
微波的基本性质通常呈现为穿透（穿透玻璃、塑料、瓷器）、反射（金属类会反射微波，故而微波传输多在金属波导和介质波导中）、吸收（水和食物等吸收微波使其发热）三个特性。由于微波的性质，其在空气中传播损耗很大，传输距离短，但机动性好，工作频宽大。
电磁波是能量的一种，凡是高于绝对零度的物体，都会释放出电磁波。且温度越高，放出的电磁波波长就越短。
电磁波是电磁场的一种运动形态。变化的电场会产生磁场（即电流会产生磁场），变化的磁场会产生电场。变化的电场和变化的磁场构成了一个不可分离的统一的场，这就是电磁场，而变化的电磁场在空间的传播形成了电磁波（同向且互相垂直的电场与磁场在空间中衍生发射的震荡粒子波）。即电磁波是以波动的形式传播的电磁场，具有波粒二象性。
图1：同向且互相垂直的电场与磁场
图2：以波动形式传播的电磁场－电磁波
举例：无线电广播中，发射端，先将声音信号转变为电信号，然后将电信号由高频振荡的电磁波带着向周围空间传播；接收端，人们利用接收机接收到这些电磁波后，再将其中的电信号还原成声音信号。
在电视中，发射端，声音信号的处理与无线电广播一致、同时将图像的光信号转变为电信号，然后将这两种信号一起由高频振荡的电磁波带着向周围空间传播；接收端，电视接收机接收到这些电磁波后将其中的电信号还原成声音信号和光信号，从而显示出画面和声音。
二、什么是激光
原子由原子核和绕核运动的电子组成，这些电子在特定的能级上运动，在同一能级上运动不带有能量的转换。而当电子在不同的能级之间运动时，会伴随着能量的吸收和释放，这种现象称之为原子跃迁。光的产生来源于分子或原子的能级跃迁。
具体而言，当电子在低能级吸收能量，会跳跃至更高的一个能级（吸收跃迁/原子激发），之后从这个更高的能级回到基态的过程中（辐射跃迁/自发辐射），会释放出能量，这种能量是以光子形式释放的，也即是产生了光。不同能级之间的差距越大，则产生的光频率越高。
激光是“受激辐射的光放大”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation——LASER）的缩写，不同于光的自发辐射，激光束的产生来源于受激辐射。受激辐射的基本过程为：当一个具备特定的能量光子A打到激发态的原子时，会激发一个电子下降到低能级，从而辐射出另一个光子B，之后A、B两个光子一起向前传播。其中产生受激辐射的条件为：光子A的能量刚好等于产生光子B的电子跃迁之间的能级的能量差，因此其是一个共振过程。受激辐射后，一个光子变成了两个，因此光被“放大”了，也即是产生了激光光束。
由于产生的新光子B和原来的光子A具备相同的频率、相位、运动方向，因此激光束具备比普通光更加优良的性质，具体体现在以下四个方面：1高能量密度：受激辐射前可以将一个光子变为两个，而这些新光子又可以引起新的受激辐射，因此进一步放大光束，最后得到的激光光束更加稠密，也因此具备了更高的能量密度。2单色性：激光束中的所有光子频率、波长均是一致的。3相干性：激光束中的所有光子具备相同的相位，因此相互之间步调是一致的。所有有着相位一致关系的波列即构成了相干的激光。4单一方向：激光束中的所有光子运动方向相同并且相互平行，因此激光束较为紧密且发散很小，可以很容易地控制激光束并让能量聚焦。
激光器是指激光的发生装置，是激光加工设备的核心部件。
根据激光的形成原理，除自由电子激光器外，传统激光器的基本组成主要包括三个部分：激光泵浦源、增益介质、谐振腔。
激光泵浦源（又叫激励装置/激励抽运系统）为激光器的光源，在激光产生过程中提供能量。作用是对增益介质进行激励，将激活粒子从基态抽运到高能级，以实现粒子数反转。
目前常见的泵浦方法主要有光泵浦（又叫灯泵浦）、电泵浦、化学泵浦、气动泵浦、激光器泵浦，其中光泵浦和电泵浦应用最为广泛。光泵浦由气体放电光源（如氙灯、氪灯）和聚光器组成；放电泵浦通常由气体放电电极和放电电源组成；化学泵浦通常要求有适当的化学反应物和相应的引发措施；激光器泵浦是由某种激光器作为泵浦源的泵浦方式。
增益介质（又叫增益媒质/工作物质/工作介质）是指实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的工作物质，许多气体（原子气体、离子气体、分子气体）、固体（晶体、玻璃）、液体、半导体都可以作为激光的增益介质。能作为增益介质的物质需要满足的条件是具备粒子数反转，具体来说就是增益介质中处于上能级的原子或分子的数目需要超过处于下层能级的原子或分子的数目，这样产生辐射的可能性才大于被吸收的可能性，从而使激光束放大而不是激光束变弱。
谐振腔（又叫光学共振腔）是泵浦源和增益介质之间的回路，作用是产生高质量高能量的激光输出。由于光子在增益介质中产生之后是以随机的方向运动，如果不对其方向加以限制，得到的只是普通的光束，因此需要加上谐振腔来限制方向，保证输出的激光具有定向性；对腔内往返振荡光束的频率进行限制，以保证输出激光具有一定的单色性；谐振腔还能使光子来回反射，以形成相干的持续振荡；使受激辐射连续进行并不断给光子加速，从而产生高能量的能量输出。同时，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的输出模式（即选模：单模、多模），从而实现不同的应用。
谐振腔有许多种不同的设计，有的只有两面镜片构成的简单腔、也有由数十面镜片构成的复杂谐振腔。光纤激光器中则采用光纤光栅作为谐振器，光纤光栅作用是使得特定波长的光不能通过，而其余波长的光透过光栅继续传播，是一种无源滤波器件。
除了以上三个基本的组成组件以外，激光器还包括其他众多光无源器件。以光纤激光器为例，其还包括传输激光的光纤、隔离器、合束器、分束器/耦合器、激光输出头QBH、准直镜等：
隔离器：隔离器只允许光在一个方向通过，在相反方向中阻挡光通过。因此在光纤激光器中，隔离器可以用来避免光路中的回波对光源、泵浦源以及其他发光器件造成干扰或损伤。隔离器是激光器的重要组件，是用来处理高反的方案，防止高反激光损坏激光器。如果用激光设备切割或焊接的材料是高反材料，则隔离器至关重要。当激光被高反材料反射回来时，QBH里的小隔离器会将激光隔离，若QBH的隔离器不能完全隔离反射激光，则激光器里的大隔离器会再行隔离。
合束器：合束器是光纤与光纤之间进行可拆卸连接的器件，通过光纤精密搭接技术，使发射光纤输出的光能量最大限度地耦合到接收光纤中去，并同时使得对系统造成的影响减到最小。
分束器/耦合器：将一根光纤内的信号按照波长、偏振等特性，将信号能量重新分配到不同光纤内。
在工作状态下，增益介质通过吸收泵浦源提供的能量，经谐振腔振荡选模输出激光。
图11：常见激光器结构（此结构谐振腔为两面镜片构成的简单腔）
图12：典型光纤激光器光学系统（光纤光栅即是光纤激光器的谐振腔）
以锐科激光的光纤激光器为例，成本结构中，光学系统占比最大约为65%，其中泵浦源、掺杂光纤合计成本占比超过50%。
按照增益介质的不同：液体激光器、气体激光器、半导体激光器、固体激光器（光纤激光器属于新一代固体激光器的一种，具有光电转换效率高、结构简单、光束质量好等特点）；
按照震荡波长范围不同：远/中/近红外激光器、可见激光器、近紫外激光器；
按照震荡运转方式不同：连续激光器、可调谐激光器、脉冲激光器（根据脉冲时间差异又分为：毫秒、微秒、纳秒、皮秒、飞秒激光器）；
按照发射功率的不同：高功率激光器（平均功率大于1000w）、中功率（平均功率在100w-1000w）、低功率激光器（平均功率100w以下）。
中国激光设备市场潜力巨大，国产替代将继续深化，看好具备核心技术的行业龙头。在中国制造2025 的大战略背景下，我国传统工业制造业面临深度转型，国内激光设备市场规模将保持较快增速，市场潜力巨大。源起基金积极布局，把目光投向未来产业集聚发展的新高地，发现真正具有创新价值的产品或服务。始终坚持以“引导基金牵头+产业资源带动+生态赋能支持”的路径来激活市场现有双创资产，创新开拓多元融合的产业版图，助力企业成长，源起基金不断践行企业社会责任，为助力中国建设国内国际双循环相互促进的新发展格局作出贡献。
