加拿大拉瓦爾大學(xué)科學(xué)家開(kāi)發(fā)出了第一臺(tái)可在電磁光譜的可見(jiàn)光范圍內(nèi)產(chǎn)生飛秒脈沖的光纖激光器，這種能產(chǎn)生超短、明亮可見(jiàn)波長(zhǎng)脈沖的激光器可廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、材料加工等領(lǐng)域。

通常產(chǎn)生可見(jiàn)光飛秒脈沖的設(shè)備復(fù)雜且低效，光纖激光器則擁有穩(wěn)定可靠、占地面積小、效率高、成本低、亮度高等優(yōu)點(diǎn)，是一種非常有前途的替代方案。但迄今為止，這種激光器還無(wú)法直接產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間在飛秒（10-15秒）范圍內(nèi)的可見(jiàn)光脈沖。

研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人睿爾·瓦雷表示，他們研制出了首臺(tái)能在可見(jiàn)光范圍內(nèi)工作的飛秒光纖激光器。該激光器基于鑭系元素?fù)诫s的氟化物光纖，能發(fā)射635納米的紅光，實(shí)現(xiàn)了持續(xù)時(shí)間為168飛秒、峰值功率為0.73千瓦、重復(fù)頻率為137兆赫茲的壓縮脈沖。而且，他們?cè)谠O(shè)備中使用商用藍(lán)色激光二極管作為能量光源，使整體設(shè)計(jì)更加堅(jiān)固、緊湊且具有成本效益。

研究團(tuán)隊(duì)指出，如果在不久的將來(lái)能夠獲得更高的能量和功率，可廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。潛在應(yīng)用包括高精度、高質(zhì)量的生物組織消融和雙光子激發(fā)顯微鏡。此外，飛秒激光脈沖還可在材料加工過(guò)程中對(duì)其進(jìn)行冷消融，鑒于這一過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)，因此在進(jìn)行切割時(shí)比用更長(zhǎng)的脈沖更加清潔。

接下來(lái)，研究人員計(jì)劃改進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)，使裝置完全單片化，這意味著各個(gè)光纖光學(xué)組件都將直接互連，將減少裝置的光學(xué)損耗，提高效率，進(jìn)一步提高激光器的可靠、緊湊和堅(jiān)固性。他們還在研究提高激光脈沖能量、脈沖持續(xù)時(shí)間和平均功率的不同途徑。


什么是光纖激光器？

光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器。

光纖激光器的工作原理和其他激光器一樣，它是由能產(chǎn)生光子的增益介質(zhì)(摻雜光纖)，使光子得到反饋并在增益介質(zhì)中進(jìn)行諧振放大的光學(xué)諧振腔和激勵(lì)光子躍遷的泵浦源三部分組成。由泵浦源發(fā)出的泵浦光通過(guò)一面反射鏡耦合進(jìn)入增益介質(zhì)中，由于增益介質(zhì)為摻稀土元素光纖，因此泵浦光被吸收，吸收了光子能量的稀土離子發(fā)生能級(jí)躍遷并實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)后的粒子經(jīng)過(guò)諧振腔，由激發(fā)態(tài)躍遷回基態(tài)，釋放能量，并形成穩(wěn)定的激光輸出。

光纖具有很高的“表面積/體積”比，散熱效果好，能在不加強(qiáng)制冷卻的情況下連續(xù)工作。

光纖作為導(dǎo)波介質(zhì)，纖芯直徑小，纖內(nèi)易形成高功率密度，因此光纖激光器具有較高的轉(zhuǎn)換效率、較低的闕值、較高的增益、較窄的線寬，與光纖耦合損耗小。

由于光纖具有很好的柔韌性，因此光纖激光器具有小巧靈活，結(jié)構(gòu)緊湊，性?xún)r(jià)比較高，且易于系統(tǒng)集成的特點(diǎn)。

光纖還具有相當(dāng)多的可調(diào)諧參數(shù)和選擇性，能獲得相當(dāng)寬的調(diào)諧范圍、好的色散性和穩(wěn)定性。

工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用仍為主流，非工業(yè)領(lǐng)域市場(chǎng)存在巨大潛力

我國(guó)光纖激光器市場(chǎng)增長(zhǎng)迅速，工業(yè)領(lǐng)域?yàn)楣饫w激光器下游主要應(yīng)用領(lǐng)域，占比高達(dá)62%。相較于其它類(lèi)型的激光器，光纖激光器具有使用成本較低、精密加工能力強(qiáng)、停機(jī)修整時(shí)間短等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用在大規(guī)模增長(zhǎng)的激光切割、打標(biāo)、焊接等工業(yè)精細(xì)加工領(lǐng)域作業(yè)可謂是再合適不過(guò)的了。近年來(lái)，工業(yè)應(yīng)用中光纖激光器占比逐步提升，已經(jīng)成為工業(yè)應(yīng)用首選激光器，其次為信息領(lǐng)域激光設(shè)備市場(chǎng)，占比達(dá)22%；商業(yè)領(lǐng)域占比7%，醫(yī)學(xué)領(lǐng)域占比4%，科研領(lǐng)域占比5%。

除此之外，光纖激光器在非工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用市場(chǎng)也存在巨大潛力。以醫(yī)療方面為例，大功率光纖激光器的引進(jìn)，使組織脫落和光致凝結(jié)手術(shù)的時(shí)間大大縮短。在眼科手術(shù)中，連續(xù)摻銩光纖激光器能使角膜成形手術(shù)成功率更高，同時(shí)還可以治療遠(yuǎn)視、近視等眼科疾病。在心血管手術(shù)中，利用光纖的柔韌性和光纖激光器光束質(zhì)量好，可以使光纖進(jìn)入人體內(nèi)排除腫瘤。在整形美容手術(shù)中，2m波長(zhǎng)光纖激光器在治療皮膚癌和去紋身方面已取得了良好效果。另外，功率超過(guò)幾瓦的摻銩光纖激光器則在顯微外科手術(shù)中扮演了十分重要的角色，它能為外科手術(shù)提供較大的高能輻射，同時(shí)在紅外保健方面也有著應(yīng)用空間。預(yù)計(jì)未來(lái)非工業(yè)激光設(shè)備應(yīng)用規(guī)模將有望超過(guò)工業(yè)設(shè)備應(yīng)用，占比較大且增長(zhǎng)較快的非工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域主要包括醫(yī)療、傳感器與儀器、微電子加工等下游領(lǐng)域。

與傳統(tǒng)工業(yè)加工制造領(lǐng)域相比，這類(lèi)非工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用市場(chǎng)細(xì)分領(lǐng)域眾多，沒(méi)有通用的產(chǎn)品，功率也不再是唯一的關(guān)鍵指標(biāo)，必須根據(jù)具體應(yīng)用場(chǎng)景開(kāi)發(fā)與之匹配的產(chǎn)品，因此定制化的產(chǎn)品研發(fā)必然成為企業(yè)發(fā)展方向。


國(guó)產(chǎn)化滲透率快速增長(zhǎng)

中低功率光纖激光器已基本實(shí)現(xiàn)全面國(guó)產(chǎn)化

光纖激光器是指用摻稀土元素玻璃光纖作為增益介質(zhì)的激光器。隨著中國(guó)制造業(yè)逐步向高端化、智能化轉(zhuǎn)型升級(jí)，光纖激光器在工業(yè)領(lǐng)域生產(chǎn)制造的各個(gè)環(huán)節(jié)滲透率不斷攀升。2022年中國(guó)光纖激光器市場(chǎng)銷(xiāo)售數(shù)量持續(xù)攀升，但整體經(jīng)濟(jì)面臨需求收縮、供給沖擊、預(yù)期轉(zhuǎn)弱的三重壓力，我國(guó)光纖激光器市場(chǎng)規(guī)模下降至122.6億元，同比下降1.8%。隨著新賽道的打開(kāi)和多款新產(chǎn)品投產(chǎn)，中商產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測(cè)，2023年整個(gè)市場(chǎng)將恢復(fù)正增長(zhǎng)，市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)135.5億元，同比增長(zhǎng)超過(guò)10%。

從光纖激光器國(guó)產(chǎn)化滲透率來(lái)看，我國(guó)小功率光纖激光器國(guó)產(chǎn)化水平較高，中、大功率光纖激光器國(guó)產(chǎn)化滲透率有望進(jìn)一步增長(zhǎng)。

由于中低功率激光器技術(shù)壁壘相對(duì)較低，一直以來(lái)，國(guó)產(chǎn)光纖激光器都更多地集中在中低功率領(lǐng)域。低功率光纖激光器主要用于3C產(chǎn)品打標(biāo)、微雕等精細(xì)加工領(lǐng)域，其中，激光打標(biāo)市場(chǎng)是工業(yè)光纖激光器在中國(guó)的突破口，2017 年，低功率領(lǐng)域（100W 以下）國(guó)產(chǎn)比例已高達(dá)90%。目前，已有以銳科和創(chuàng)鑫為代表的約15家廠商，在50W以下的打標(biāo)及其他市場(chǎng)占有一席之地。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，這些廠商占有約40%的國(guó)內(nèi)光纖打標(biāo)市場(chǎng)。

中功率市場(chǎng)國(guó)產(chǎn)化率也已于2020年突破60%，有望實(shí)現(xiàn)完全替代。據(jù)報(bào)道，國(guó)內(nèi)有四家廠商現(xiàn)已推出500W的產(chǎn)品：武漢銳科、西安梅曼、北京國(guó)科世紀(jì)和紐敦光電。中功率光纖激光器廣泛應(yīng)用于金屬薄板切割和焊接，還有三維切割領(lǐng)域等，伴隨著相關(guān)技術(shù)逐漸成熟同時(shí)關(guān)鍵激光元器件可以從國(guó)內(nèi)采購(gòu)或自產(chǎn)，中功率光纖激光器國(guó)產(chǎn)化占比將繼續(xù)提升。

數(shù)據(jù)顯示，2018-2022年，大功率光纖激光器國(guó)產(chǎn)化滲透率由34.48%增長(zhǎng)至83.55%，中功率光纖激光器國(guó)產(chǎn)化滲透率由54.90%增長(zhǎng)至60.33%，小功率光纖激光器國(guó)產(chǎn)化滲透率由98.21增長(zhǎng)至99.86%。其中，大功率光纖激光器國(guó)產(chǎn)化滲透率增長(zhǎng)速度最快，表明我國(guó)大功率光纖激光器自主生產(chǎn)能力獲得快速提高。中商產(chǎn)業(yè)研究院預(yù)測(cè)，2023年我國(guó)大功率光纖激光器國(guó)產(chǎn)化滲透率將達(dá)85.37%。