中國的激光,就是江蘇的模樣

來源:36氪g    關鍵詞:激光雷達, 激光技術, 激光產業,    發布時間:2019-11-06

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齊聚一堂,討論“激光雷達到底有沒有用”足以讓他們打起來。

曾經有人打過比方,如果說二戰后的第三次科技革命史是一部小說,那么在某種意義上,這部小說的男主角就是芯片,而女主角是激光。缺少其中任何一個,那么便沒有現在這樣繽紛多彩的信息時代。

激光產業如此重要,但是為什么在公眾印象中一直以神秘而遙遠的形象示人,從沒有芯片那樣引發全民關注的話題度與熱度呢?這個當然有諸多原因,但是其中一個最直接的原因是:相對于材料,芯片,乃至于汽車,中國的激光產業的發展水平與外國差距很小,技術成熟,產業鏈完整,上中下游很少有會被其他國家拿捏的領域。

激光產業不僅不會被外國卡脖子,而且還出過“美國研究者多年艱苦奮斗,終于打破中國壟斷”的反方向新聞,善戰者無赫赫之功,既然不能演出力保國產的悲情戲碼,自然也就無法得到大眾的關注。

外行看熱鬧,內行看門道,盡管沒有多少可供炒作的噱頭,但是作為一個國產化非常成功的領域,激光的產業發展自有其過人之處。江蘇作為中國激光重鎮,研究其技術發展的歷程和現狀,將對其他領域的產業發展有重要的借鑒和參考意義。

說到激光,就不得不提愛因斯坦,1917年,愛因斯坦便提出了“受激輻射”學說,為激光做了科學理論上的準備。只不過知易行難,一直到他去世后,才由美國科學家湯斯和肖洛制造出微波激射器,為激光的出現創造了條件。1960年,年輕科學家梅曼制造出了世界上第一臺激光器,宣告了激光的正式誕生。

因為促進了激光誕生的功績,湯斯1964年獲得了諾貝爾物理學獎,與其一同獲獎的還有兩位蘇聯物理學家,尼古拉·巴索夫和亞歷山大·普羅霍羅夫。巴索夫制造的激光器核心材料并非是紅寶石,而是半導體,這就是最早的半導體激光器,進而發展出了后來的光纖激光器。2017年全球工業激光器銷售額20億美元,其中48%是光纖激光器。

一般來講,一項技術從發明到應用,會有漫長的周期,比如2008年一名土耳其教授提出5G極化碼的設想,一直到2019年5G才被大規模部署。而與之相對的,激光1960年被發明,1961年便進入實用階段,用于在外科手術中殺滅視網膜腫瘤。1965年,在工業領域,激光打孔機成功用于拉絲模打孔生產;醫療領域,激光視網膜焊接器進行動物臨床試驗;1975年,IBM投放第一臺商用激光打印機;1988年,北美和歐洲間架設了第一根光纖,用光脈沖來傳輸數據……

總而言之,激光作為一種性能突出的特種光束,用處多到了無法一一列舉的地步,它既可以切割、又可以焊接、還可以測量、打標,在通信、工業加工、醫療、美容等無數個行業都極具實用價值。為了占領這片技術高地,發達國家紛紛加緊實施半導體激光產業發展計劃,如美國的“半導體激光核聚變計劃”、德國的“半導體激光2001行動計劃”、英國的“阿維爾計劃”和日本的“半導體激光研究五年計劃”等,國外以美、德、日為代表的發展國家半導體激光產業迅速發展,就在它們你追我趕的時候,中國的激光產業也站上了舞臺。

中國的激光產業幾乎與國外同時起步,后來的武漢物理研究所王天眷是湯斯和肖洛研發激光的核心團隊成員之一,在激光發明的第二年,中國第一臺激光器便誕生于王大珩領導的長春光機所,1964年,錢學森親自為激光命名。

在后來的產業競爭時代里,激光也是國家十分重視的產業領域,在2005年發布的《中國中長期科學和技術發展規劃綱要(2006-2020年)》中,將激光技術列為2006-2020期間重點發展的前沿技術之一。而且中國的廣闊的市場需求也為國內激光產業的發展打下了良好基礎。

中國激光產業技術的發展路徑,可以以在工業上用來打標和處理材料的主要激光發生設備——光纖激光器為例,光纖激光器發明于上個世紀九十年代,綜合了CO2和YAG激光器和半導體激光器兩方面的優勢,因此很快便成為推廣開來,誕生了IPG,SPI等光纖激光器巨頭。

最開始光纖激光器的生產和應用都是在歐美工業領域。我國光纖激光器產業化則起步比較晚,然后很快中國市場份額占比越來越高,這也屬于正常趨勢,畢竟中國的工業產值占到整個世界的30%,理所當然有更多的設備需求。到2018年2季度,業界最知名的光纖激光器企業IPG的銷售額49%靠的是中國市場。

這是一個可怕的市場份額,當初西門子、川崎和龐巴迪等高鐵企業來到中國,以清倉處理的態度把技術賣給中國,是因為他們相信,中國的高鐵市場會占據世界的一半以上,能決定他們每一個人的命運。

光纖激光器在中國的發展過程中,誕生了大族激光、銳科激光、江蘇中科四象和天元等國內光纖激光器廠家,雖然剛開始起步技術比不上國外廠家(實際上一直到現在,IPG在高功率激光器上仍然有很大優勢),但是中國本土市場大,在銷售走量情況下,研發的費用可以攤薄,而且因為中國產業鏈齊全,也能有效降低生產成本和周期,讓中國的光纖激光器企業有了巨大的價格戰空間,2010年,IPG一臺20瓦光纖激光器可以賣到15萬以上,現在銳科的報價是8800,讓IPG在發布會上怒斥:“這樣的競爭是破壞市場!”

如果用網上的流行語,IPG這樣的態度就是“無能狂怒”,因為它無論怎樣,也無法阻止中國企業不僅征服國內市場,而且還把產品賣到越南,印度,占領了低功率市場。

通過上面這樣的發展路徑,我國光纖激光器行業充分利用后發優勢,部分國產激光設備和光源技術已達國際先進水平,到現在我國光纖激光產業已初具規模。目前在LD外延材料、芯片制造、期間裝封等方面均已掌握自主知識產品的單元技術,且部分核心技術具有原創性,能夠生產光纖激光器的企業也大大增加,目前主要有武漢銳科,深圳大族、創鑫,蘇州華必達,江蘇天元等。

到目前為止,中國已初步形成完整、成熟的激光產業鏈分布。上游主要包括激光材料及配套元器件,中游為激光器制造,下游則以激光裝備、應用產品、消費產品為主。當前,國內激光市場主要分為激光加工設備、光通信器件與設備、激光測量設備、激光器、激光醫療設備、激光元器件等,其產品主要應用于工業加工和光通信市場,兩者占據了近七成的市場空間。

中國激光行業的另外一個殺手锏,是產業集群化。一大批相關企業集聚在一起,有效的利用產業鏈,爭取政策扶持,形成規模優勢,進而降低生產成本,促進技術發展,目前,中國已形成以北京、江蘇、湖北、廣東等經濟發達省市為主體的環渤海、長江三角洲、華中地區和珠江三角洲四大激光產業群。

在這四大產業集群中,江蘇是長三角產業集群的重要組成部分,激光產業鏈已經完善,有著一批高科技術企業引領地區的激光產業發展。近年來,江蘇激光產業迎來高速發展時刻。2019年,江蘇的激光純裝備產值預計將達到200億元,位列全國第三,市場占比為18%,與去年相比增長幅度為27%。已成為繼廣東、湖北之后全國第三個激光產業聚集地和中國最大的兩個運用市場之一。

江蘇目前的激光產業主要分布于蘇州、南京、無錫、常州等地,領軍企業有南京的輝銳光電、亞威機床,蘇州的天弘激光、迅鐳激光、亨通光纖、華辰光電、中科院蘇州納米所、長光華芯,鎮江的中科四象,泰州的江蘇華芯,常州的江蘇天元等企業。在激光金屬3D打印,激光熔覆及強化,光線傳感器,VCSEL芯片等領域等先進激光產業都有比較先進的技術水平。

目前激光產業最火熱的前沿應用,首推激光3D打印。3D打印,又稱增材制造,是一種先進的制造技術,其中金屬3D打印主要應用于工業領域,目前多應用于航空、航天,這幾年也逐漸在細分領域展現出來了越來越清晰的應用方向,在許多行業都有滲透,還有大量的市場空間尚未開發。

保守估計,2019年全球3D打印行業市場規模90億美元左右;其中40%為相關設備銷售;60%為零部件打印;零部件打印中,有35%左右為金屬零部件,其余為樹脂等非金屬打印。

2010-2019年全球范圍內行業增速約為30%,中國金屬3D打印行業起步較晚,市場規模約為全球市場10%左右。近幾年隨著技術進步,預計中國市場將維持快速增長勢頭。

在這個領域,蘇州天弘激光和南京輝銳光電均具有比較高的技術水平,而在金屬3D打印之外,這兩家企業在激光熔覆方面也有比較高的市場占有率。與傳統火焰淬火相比,通過3D激光熔覆的產品淬火層硬度高、邊緣陡、軟帶區域小、表面熔融紋路小、變形小,是國內眾多大型汽車模具行業模具淬火強化的優選裝備,對傳統制造業的加工工藝提升和創新具有很大的幫助。特別是高功率激光器在材料表面處理和改性中的應用,大大提升了我國熱處理技術水平和工業零部件的耐磨、耐腐蝕水平。

除了傳統的激光熔覆,輝銳光電最新研發成熟的超高速激光熔覆技術,效率比傳統熔覆高出兩個數量級。成功應用于電力、軌交、石化、冶金等行業,也用事實證明了中國激光技術已可比肩世界水平。保守計算,這種新工藝就可以擁有20億歐元的年市場容量。

另外值得一提的是,輝銳光電中科四象一樣還有激光清洗業務,與增材制造技術原理不同,激光清洗是把高能量密度的光束打在待清洗物體表面的較小區域,利用基底材料與附著物對激光吸收能力的差異,使物體表面“藏污納垢”的附著物或涂層瞬間“蒸發”或剝離。可部分取代化學清洗、干冰清洗、超聲波清洗、機械打磨等傳統清洗方式,市場規模穩步增長,潛力較大,但目前規模較小,估計2019年國內總市場規模不超過5億元。

垂直腔面發射激光器(VCSEL)是一項久經驗證但直到最近才被挖掘的利基技術,由于智能手機及其它移動設備中引入的3D人臉識別應用,而突然變得非常熱門。而且目前業界認為,采用VCSEL陣列的激光雷達(LiDAR)將是自動駕駛所必需的關鍵技術。此外,VCSEL已經在服務器集群中用于機架到機架的通信。

江蘇華芯成立于2015年底,是國內最早能夠自主完成VCSEL和藍光半導體激光器芯片外延及芯片工藝制造,并實現量產的公司。2017年11月,10G VCSEL芯片量產并批量出貨。2018年3月,940nm 100mW VCSEL產品定型。目前年產能為5000萬顆單管光通訊VCSEL芯片、2500萬顆VCSEL面列陣芯片、500萬顆藍光芯片。預計到2018年底,將形成5000萬顆3D傳感VCSEL芯片的年產能。

除了3D打印之外,激光產業的另外一個應用是光纖傳感器。在這個時代里,已經不需要詳述傳感器的重要性,隨著萬物互聯的發展,傳感器越來越朝著靈敏、精確、適應性強、小巧和智能化的方向發展。在這一過程中,光纖傳感器逐漸受到了市場的青睞。在機械、電子儀器儀表、航天航空、石油、化工、食品安全等領域的生產過程自動控制、在線檢測、故障診斷等方面,得到了發展和推廣。從2012年到2017年間,全球光纖傳感器(包括點分式和分布式)消費值的平均年增幅高達20.3%。

全球光纖傳感技術發展始于1977年,美國光纖傳感器研究起步早,光纖傳感技術在世界上最為先進,代表著全球最大的光纖傳感器區域市場。而近年來,中國成為亞太地區最主要的光纖傳感產品應用市場。就光纖傳感技術而言,中國學者所取得的成就已經很接近世界先進水平,差距在不斷縮小中。過去幾年,包括南京大學,無錫聯河,珠海光辰在內,許多學校和企業都擁有了全套的光纖傳感解調方案。以往光纖傳感系統里比較前沿的OFDR,BOTDR也有江蘇昂德,暨南大學等國內機構可以開發。

激光的前沿應用,不止上述所說幾種,一直到現在,激光技術仍然在與其它學科結合,不斷拓展激光化學、激光醫療等新興應用領域,尤其是發展精密和微細加工技術,在電子、半導體、通訊、光存儲、微機械制造、生物、環境等行業進一步推廣和應用的激光高精密加工技術,正在為傳統加工方式創造前所未有的可能性。

在中國四大產業集群中,江蘇可以說見證了中國激光產業從無到有、從弱到強的整個歷程,是中國激光產業發展的縮影。盡管還有應用研究落后,高端人才不足,配套產業鏈滯后等問題,但是相信這些問題都會隨著產業的發展逐漸改善。在未來的發展中,江蘇激光產業的自動化、集成化和智能化水平持續提高,最終引領中國進入“光智造”時代。

來自:36氪g

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