直接二極管激光器：技術進步打開新市場,銅3D打印更經(jīng)濟

      隨著二極管激光器價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，技術咨詢公司 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(yè)制造領域的新應用成為可能。

         本文中的討論基于近期發(fā)布的一份報告：《激光二極管與直接二極管激光器，2019-2029 年：技術、市場與預測》對該市場進行了詳細分析。在該報告中，IDTechEx 分析師 Nilushi Wijeyasinghe 博士對二極管激光技術、價值鏈、主要參與方的活動和全球市場進行了全面回顧。通過案例研究著重強調(diào)了材料加工方面的最新進展，Wijeyasinghe 博士利用自己在激光物理學和半導體物理學方面的研究背景，解釋了案例研究中的新技術概念。在廣泛分析原始數(shù)據(jù)和二手數(shù)據(jù)的基礎上，仔細考慮市場驅(qū)動因素和限制因素，提出了細分的 10 年市場預測和技術路線圖。

    指數(shù)級價格下降與技術創(chuàng)新打開更多應用領域，帶來上升空間

激光二極管和二極管 bar 條的發(fā)展

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

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

       單個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；一個標準 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(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市場中企業(yè)的當務之急。二極管激光器技術的持續(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用成為可能。二極管激光器技術的持續(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

      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)、控制電路和一個冷卻單元相結合。技術進步使 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€小點上，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(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 條進行光泵浦(能量輸入)。

      DDL 的單價明顯低于連續(xù)波輸出功率達 1 千瓦的光纖激光器。按照 IDTechEx 采訪的主要廠商的報價，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)正在進行戰(zhàn)略性收購，并投入資金用于擴大產(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。該技術能通過擁有專利的光學工藝產(chǎn)生高質(zhì)量的光束。

       總的來說，上述技術進步帶來了良好的業(yè)務增長機會。DTechEx 預測，到 2029 年，全球激光二極管和直接二極管激光器的市場規(guī)模將達到 140 億美元，其中直接二極管激光器的市場規(guī)模將達到 20 億美元。IDTechEx 的報告《激光二極管與直接二極管激光器，2019-2029 年：技術、市場與預測》對該市場進行了詳細分析。

來源：IDTechEx

激光二極管市場材料加工細分市場的技術圖黑色輪廓表示正在興起或快速發(fā)展的技術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、塑料和復合材料。最近的 IDTechEx 報告《激光二極管與直接二極管激光器，2019-2029 年：》對這些材料處理技術與市場進行了分析。

用高亮度藍光二極管激光器進行焊接和銅材料的3D 打印

      一個特別重要的趨勢是開發(fā)用于焊接和銅材料 3D 打印等應用的藍光直接二極管激光器。2019 年，Laserline 推出了一款1 kW 的產(chǎn)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(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）實現(xiàn)了其 BLUE IMPACT 藍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合作開發(fā)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（日本）的許多氮化鎵(GaN)藍色激光二極管，自 2006 年以來效率提高了一倍，輸出功率提高了一個數(shù)量級。島津 450 納米藍色二極管激光器的一個關鍵應用是銅材料的 3D 打印。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(tǒng)的紅外激光器是一個嚴峻的挑戰(zhàn)。新研發(fā)的 3D 打印機可以用純銅粉高效打印物體。現(xiàn)有的 3D 打印機技術一般采用 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 打印一個純銅物體(左)。該物體的下半部分埋在銅粉中。IDTechEx Research 預計，隨著更多產(chǎn)品的商業(yè)化，從 2019 年起，藍光 DDL 將會很快應用于銅加工領域。IDTechEx Research 的報告《激光二極管與直接二極管激光器，2019-2029 年：技術、市場與預測》就本課題展開了進一步論述。該報告評估了采用激光技術的優(yōu)勢和挑戰(zhàn)，提供了一個平衡的市場機會展望。

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