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激光行業報告基礎篇（一）
2021-10-14 18:02:22
我國是制造業大國，然而與世界制造業大國相比，我國激光在對制造業尤其是裝備制造業中的應用比例偏低，僅為30%。而美、日、德激光在裝備制造業中的應用比重均超過了40%，其中德國高達46.4%，高出我國16.4個百分點。這也是造成我國工業結構升級緩慢的一個原因。與此同時，激光在制造業的應用比例差距也可以看到我國激光產業的巨大市場潛力。在未來國家一系列產業結構調整及工業結構改造過程當中，激光產業擁有廣闊的市場前景。
國家政策以鼓勵和支持激光技術在制造業中的應用為主。目前，以激光技術為依托，支撐起了智能制造、航天科工、生物醫療、材料結構等眾多支柱產業。為此，源起基金聚焦激光產業，深挖行業潛力，對激光行業深入研究。
太陽是能量最強、天然穩定的自然輻射源，內部發生由氫轉換成氦的聚核反應。
太陽輻射的波長范圍覆蓋了從X射線到無線電波的整個電磁波譜。在地面上觀測（人眼或借助光學設備觀測）的太陽輻射的波長范圍大約介于0.295µm-2.5µm；波長＜0.295µm和波長＞2.5µm的太陽輻射，大部分會被大氣層（臭氧、水汽、其他大氣分子）強烈吸收，不能到達地面。其中，對流層不吸收短波吸收長波；平流層中，氧分子在紫外線作用下，形成臭氧層，臭氧層可以阻擋太陽紫外線及高能粒子。
可見光（人眼可以接收到的電磁波），波長介于0.38µm(0.39µm)-0.78µm。波長不同的電磁波，引起人眼的顏色感覺不同，經散射后的可見光、波長會被切分，當波長位于0.78µm-0.622µm范圍時人眼感受到的是紅色光、當波長位于0.622µm-0.597µm范圍時人眼感受到的是橙色光（其他范圍見上表），而將其混合起來則為白光。
紅外線（人眼不能接收到的電磁波），需借助光學設備才可以感受到（如紅外感光膠片/紅外成像儀），通常紅外線攝像機接收到紅外線后會將其轉化為可見的綠光。紅外線具有巨大的熱效應，太陽的熱量主要通過紅外線傳到地球。
紫外線（人眼不能接收到的電磁波），需借助光學設備才可以感受到（如熒光效應）。紫外線有明顯殺菌作用，但過強的紫外線會灼傷皮膚、還有可能誘發皮膚癌。
X射線、γ射線屬于高能電磁輻射，能夠直接破壞人體內分子的分子結構（蛋白質、DNA等的結構），從而引起機體發生病變和引起癌癥。
微波的基本性質通常呈現為穿透（穿透玻璃、塑料、瓷器）、反射（金屬類會反射微波，故而微波傳輸多在金屬波導和介質波導中）、吸收（水和食物等吸收微波使其發熱）三個特性。由于微波的性質，其在空氣中傳播損耗很大，傳輸距離短，但機動性好，工作頻寬大。
電磁波是能量的一種，凡是高于絕對零度的物體，都會釋放出電磁波。且溫度越高，放出的電磁波波長就越短。
電磁波是電磁場的一種運動形態。變化的電場會產生磁場（即電流會產生磁場），變化的磁場會產生電場。變化的電場和變化的磁場構成了一個不可分離的統一的場，這就是電磁場，而變化的電磁場在空間的傳播形成了電磁波（同向且互相垂直的電場與磁場在空間中衍生發射的震蕩粒子波）。即電磁波是以波動的形式傳播的電磁場，具有波粒二象性。
圖1：同向且互相垂直的電場與磁場
圖2：以波動形式傳播的電磁場－電磁波
舉例：無線電廣播中，發射端，先將聲音信號轉變為電信號，然后將電信號由高頻振蕩的電磁波帶著向周圍空間傳播；接收端，人們利用接收機接收到這些電磁波后，再將其中的電信號還原成聲音信號。
在電視中，發射端，聲音信號的處理與無線電廣播一致、同時將圖像的光信號轉變為電信號，然后將這兩種信號一起由高頻振蕩的電磁波帶著向周圍空間傳播；接收端，電視接收機接收到這些電磁波后將其中的電信號還原成聲音信號和光信號，從而顯示出畫面和聲音。
二、什么是激光
原子由原子核和繞核運動的電子組成，這些電子在特定的能級上運動，在同一能級上運動不帶有能量的轉換。而當電子在不同的能級之間運動時，會伴隨著能量的吸收和釋放，這種現象稱之為原子躍遷。光的產生來源于分子或原子的能級躍遷。
具體而言，當電子在低能級吸收能量，會跳躍至更高的一個能級（吸收躍遷/原子激發），之后從這個更高的能級回到基態的過程中（輻射躍遷/自發輻射），會釋放出能量，這種能量是以光子形式釋放的，也即是產生了光。不同能級之間的差距越大，則產生的光頻率越高。
激光是“受激輻射的光放大”（Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation——LASER）的縮寫，不同于光的自發輻射，激光束的產生來源于受激輻射。受激輻射的基本過程為：當一個具備特定的能量光子A打到激發態的原子時，會激發一個電子下降到低能級，從而輻射出另一個光子B，之后A、B兩個光子一起向前傳播。其中產生受激輻射的條件為：光子A的能量剛好等于產生光子B的電子躍遷之間的能級的能量差，因此其是一個共振過程。受激輻射后，一個光子變成了兩個，因此光被“放大”了，也即是產生了激光光束。
由于產生的新光子B和原來的光子A具備相同的頻率、相位、運動方向，因此激光束具備比普通光更加優良的性質，具體體現在以下四個方面：1高能量密度：受激輻射前可以將一個光子變為兩個，而這些新光子又可以引起新的受激輻射，因此進一步放大光束，最后得到的激光光束更加稠密，也因此具備了更高的能量密度。2單色性：激光束中的所有光子頻率、波長均是一致的。3相干性：激光束中的所有光子具備相同的相位，因此相互之間步調是一致的。所有有著相位一致關系的波列即構成了相干的激光。4單一方向：激光束中的所有光子運動方向相同并且相互平行，因此激光束較為緊密且發散很小，可以很容易地控制激光束并讓能量聚焦。
激光器是指激光的發生裝置，是激光加工設備的核心部件。
根據激光的形成原理，除自由電子激光器外，傳統激光器的基本組成主要包括三個部分：激光泵浦源、增益介質、諧振腔。
激光泵浦源（又叫激勵裝置/激勵抽運系統）為激光器的光源，在激光產生過程中提供能量。作用是對增益介質進行激勵，將激活粒子從基態抽運到高能級，以實現粒子數反轉。
目前常見的泵浦方法主要有光泵浦（又叫燈泵浦）、電泵浦、化學泵浦、氣動泵浦、激光器泵浦，其中光泵浦和電泵浦應用最為廣泛。光泵浦由氣體放電光源（如氙燈、氪燈）和聚光器組成；放電泵浦通常由氣體放電電極和放電電源組成；化學泵浦通常要求有適當的化學反應物和相應的引發措施；激光器泵浦是由某種激光器作為泵浦源的泵浦方式。
增益介質（又叫增益媒質/工作物質/工作介質）是指實現粒子數反轉并產生光的受激輻射放大作用的工作物質，許多氣體（原子氣體、離子氣體、分子氣體）、固體（晶體、玻璃）、液體、半導體都可以作為激光的增益介質。能作為增益介質的物質需要滿足的條件是具備粒子數反轉，具體來說就是增益介質中處于上能級的原子或分子的數目需要超過處于下層能級的原子或分子的數目，這樣產生輻射的可能性才大于被吸收的可能性，從而使激光束放大而不是激光束變弱。
諧振腔（又叫光學共振腔）是泵浦源和增益介質之間的回路，作用是產生高質量高能量的激光輸出。由于光子在增益介質中產生之后是以隨機的方向運動，如果不對其方向加以限制，得到的只是普通的光束，因此需要加上諧振腔來限制方向，保證輸出的激光具有定向性；對腔內往返振蕩光束的頻率進行限制，以保證輸出激光具有一定的單色性；諧振腔還能使光子來回反射，以形成相干的持續振蕩；使受激輻射連續進行并不斷給光子加速，從而產生高能量的能量輸出。同時，還能通過改變諧振腔長度來調節所產生激光的輸出模式（即選模：單模、多模），從而實現不同的應用。
諧振腔有許多種不同的設計，有的只有兩面鏡片構成的簡單腔、也有由數十面鏡片構成的復雜諧振腔。光纖激光器中則采用光纖光柵作為諧振器，光纖光柵作用是使得特定波長的光不能通過，而其余波長的光透過光柵繼續傳播，是一種無源濾波器件。
除了以上三個基本的組成組件以外，激光器還包括其他眾多光無源器件。以光纖激光器為例，其還包括傳輸激光的光纖、隔離器、合束器、分束器/耦合器、激光輸出頭QBH、準直鏡等：
隔離器：隔離器只允許光在一個方向通過，在相反方向中阻擋光通過。因此在光纖激光器中，隔離器可以用來避免光路中的回波對光源、泵浦源以及其他發光器件造成干擾或損傷。隔離器是激光器的重要組件，是用來處理高反的方案，防止高反激光損壞激光器。如果用激光設備切割或焊接的材料是高反材料，則隔離器至關重要。當激光被高反材料反射回來時，QBH里的小隔離器會將激光隔離，若QBH的隔離器不能完全隔離反射激光，則激光器里的大隔離器會再行隔離。
合束器：合束器是光纖與光纖之間進行可拆卸連接的器件，通過光纖精密搭接技術，使發射光纖輸出的光能量最大限度地耦合到接收光纖中去，并同時使得對系統造成的影響減到最小。
分束器/耦合器：將一根光纖內的信號按照波長、偏振等特性，將信號能量重新分配到不同光纖內。
在工作狀態下，增益介質通過吸收泵浦源提供的能量，經諧振腔振蕩選模輸出激光。
圖11：常見激光器結構（此結構諧振腔為兩面鏡片構成的簡單腔）
圖12：典型光纖激光器光學系統（光纖光柵即是光纖激光器的諧振腔）
以銳科激光的光纖激光器為例，成本結構中，光學系統占比最大約為65%，其中泵浦源、摻雜光纖合計成本占比超過50%。
按照增益介質的不同：液體激光器、氣體激光器、半導體激光器、固體激光器（光纖激光器屬于新一代固體激光器的一種，具有光電轉換效率高、結構簡單、光束質量好等特點）；
按照震蕩波長范圍不同：遠/中/近紅外激光器、可見激光器、近紫外激光器；
按照震蕩運轉方式不同：連續激光器、可調諧激光器、脈沖激光器（根據脈沖時間差異又分為：毫秒、微秒、納秒、皮秒、飛秒激光器）；
按照發射功率的不同：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）。
中國激光設備市場潛力巨大，國產替代將繼續深化，看好具備核心技術的行業龍頭。在中國制造2025 的大戰略背景下，我國傳統工業制造業面臨深度轉型，國內激光設備市場規模將保持較快增速，市場潛力巨大。源起基金積極布局，把目光投向未來產業集聚發展的新高地，發現真正具有創新價值的產品或服務。始終堅持以“引導基金牽頭+產業資源帶動+生態賦能支持”的路徑來激活市場現有雙創資產，創新開拓多元融合的產業版圖，助力企業成長，源起基金不斷踐行企業社會責任，為助力中國建設國內國際雙循環相互促進的新發展格局作出貢獻。
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