中国的激光,就是江苏的模样

来源:36氪g    关键词:激光雷达, 激光技术, 激光产业,    发布时间:2019-11-06

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齐聚一堂,讨论“激光雷达到底有没有用”足以让他们打起来。

曾经有人打过比方,如果说二战后的第三次科技革命史是一部小说,那么在某种意义上,这部小说的男主角就是芯片,而女主角是激光。缺少其中任何一个,那么便没有现在这样缤纷多彩的信息时代。

激光产业如此重要,但是为什么在公众印象中一直以神秘而遥远的形象示人,从没有芯片那样引发全民关注的话题度与热度呢?这个当然有诸多原因,但是其中一个最直接的原因是:相对于材料,芯片,乃至于汽车,中国的激光产业的发展水平与外国差距很小,技术成熟,产业链完整,上中下游很少有会被其他国家拿捏的领域。

激光产业不仅不会被外国卡脖子,而且还出过“美国研究者多年艰苦奋斗,终于打破中国垄断”的反方向新闻,善战者无赫赫之功,既然不能演出力保国产的悲情戏码,自然也就无法得到大众的关注。

外行看热闹,内行看门道,尽管没有多少可供炒作的噱头,但是作为一个国产化非常成功的领域,激光的产业发展自有其过人之处。江苏作为中国激光重镇,研究其技术发展的历程和现状,将对其他领域的产业发展有重要的借鉴和参考意义。

说到激光,就不得不提爱因斯坦,1917年,爱因斯坦便提出了“受激辐射”学说,为激光做了科学理论上的准备。只不过知易行难,一直到他去世后,才由美国科学家汤斯和肖洛制造出微波激射器,为激光的出现创造了条件。1960年,年轻科学家梅曼制造出了世界上第一台天庄国际登录,宣告了激光的正式诞生。

因为促进了激光诞生的功绩,汤斯1964年获得了诺贝尔物理学奖,与其一同获奖的还有两位苏联物理学家,尼古拉·巴索夫和亚历山大·普罗霍罗夫。巴索夫制造的天庄国际登录核心材料并非是红宝石,而是半导体,这就是最早的半导体天庄国际登录,进而发展出了后来的光纤天庄国际登录。2017年全球工业天庄国际登录销售额20亿美元,其中48%是光纤天庄国际登录。

一般来讲,一项技术从发明到应用,会有漫长的周期,比如2008年一名土耳其教授提出5G极化码的设想,一直到2019年5G才被大规模部署。而与之相对的,激光1960年被发明,1961年便进入实用阶段,用于在外科手术中杀灭视网膜肿瘤。1965年,在工业领域,激光打孔机成功用于拉丝模打孔生产;医疗领域,激光视网膜焊接器进行动物临床试验;1975年,IBM投放第一台商用激光打印机;1988年,北美和欧洲间架设了第一根光纤,用光脉冲来传输数据……

总而言之,激光作为一种性能突出的特种光束,用处多到了无法一一列举的地步,它既可以切割、又可以焊接、还可以测量、打标,在通信、工业加工、医疗、美容等无数个行业都极具实用价值。为了占领这片技术高地,发达国家纷纷加紧实施半导体激光产业发展计划,如美国的“半导体激光核聚变计划”、德国的“半导体激光2001行动计划”、英国的“阿维尔计划”和日本的“半导体激光研究五年计划”等,国外以美、德、日为代表的发展国家半导体激光产业迅速发展,就在它们你追我赶的时候,中国的激光产业也站上了舞台。

中国的激光产业几乎与国外同时起步,后来的武汉物理研究所王天眷是汤斯和肖洛研发激光的核心团队成员之一,在激光发明的第二年,中国第一台天庄国际登录便诞生于王大珩领导的长春光机所,1964年,钱学森亲自为激光命名。

在后来的产业竞争时代里,激光也是国家十分重视的产业领域,在2005年发布的《中国中长期科学和技术发展规划纲要(2006-2020年)》中,将激光技术列为2006-2020期间重点发展的前沿技术之一。而且中国的广阔的市场需求也为国内激光产业的发展打下了良好基础。

中国激光产业技术的发展路径,可以以在工业上用来打标和处理材料的主要激光发生设备——光纤天庄国际登录为例,光纤天庄国际登录发明于上个世纪九十年代,综合了CO2和YAG天庄国际登录和半导体天庄国际登录两方面的优势,因此很快便成为推广开来,诞生了IPG,SPI等光纤天庄国际登录巨头。

最开始光纤天庄国际登录的生产和应用都是在欧美工业领域。我国光纤天庄国际登录产业化则起步比较晚,然后很快中国市场份额占比越来越高,这也属于正常趋势,毕竟中国的工业产值占到整个世界的30%,理所当然有更多的设备需求。到2018年2季度,业界最知名的光纤天庄国际登录企业IPG的销售额49%靠的是中国市场。

这是一个可怕的市场份额,当初西门子、川崎和庞巴迪等高铁企业来到中国,以清仓处理的态度把技术卖给中国,是因为他们相信,中国的高铁市场会占据世界的一半以上,能决定他们每一个人的命运。

光纤天庄国际登录在中国的发展过程中,诞生了大族激光、锐科激光、江苏中科四象和天元等国内光纤天庄国际登录厂家,虽然刚开始起步技术比不上国外厂家(实际上一直到现在,IPG在高功率天庄国际登录上仍然有很大优势),但是中国本土市场大,在销售走量情况下,研发的费用可以摊薄,而且因为中国产业链齐全,也能有效降低生产成本和周期,让中国的光纤天庄国际登录企业有了巨大的价格战空间,2010年,IPG一台20瓦光纤天庄国际登录可以卖到15万以上,现在锐科的报价是8800,让IPG在发布会上怒斥:“这样的竞争是破坏市场!”

如果用网上的流行语,IPG这样的态度就是“无能狂怒”,因为它无论怎样,也无法阻止中国企业不仅征服国内市场,而且还把产品卖到越南,印度,占领了低功率市场。

通过上面这样的发展路径,我国光纤天庄国际登录行业充分利用后发优势,部分国产激光设备和光源技术已达国际先进水平,到现在我国光纤激光产业已初具规模。目前在LD外延材料、芯片制造、期间装封等方面均已掌握自主知识产品的单元技术,且部分核心技术具有原创性,能够生产光纤天庄国际登录的企业也大大增加,目前主要有武汉锐科,深圳大族、创鑫,苏州华必达,江苏天元等。

到目前为止,中国已初步形成完整、成熟的激光产业链分布。上游主要包括激光材料及配套元器件,中游为天庄国际登录制造,下游则以激光装备、应用产品、消费产品为主。当前,国内激光市场主要分为激光加工设备、光通信器件与设备、激光测量设备、天庄国际登录、激光医疗设备、激光元器件等,其产品主要应用于工业加工和光通信市场,两者占据了近七成的市场空间。

中国激光行业的另外一个杀手锏,是产业集群化。一大批相关企业集聚在一起,有效的利用产业链,争取政策扶持,形成规模优势,进而降低生产成本,促进技术发展,目前,中国已形成以北京、江苏、湖北、广东等经济发达省市为主体的环渤海、长江三角洲、华中地区和珠江三角洲四大激光产业群。

在这四大产业集群中,江苏是长三角产业集群的重要组成部分,激光产业链已经完善,有着一批高科技术企业引领地区的激光产业发展。近年来,江苏激光产业迎来高速发展时刻。2019年,江苏的激光纯装备产值预计将达到200亿元,位列全国第三,市场占比为18%,与去年相比增长幅度为27%。已成为继广东、湖北之后全国第三个激光产业聚集地和中国最大的两个运用市场之一。

江苏目前的激光产业主要分布于苏州、南京、无锡、常州等地,领军企业有南京的辉锐光电、亚威机床,苏州的天弘激光、迅镭激光、亨通光纤、华辰光电、中科院苏州纳米所、长光华芯,镇江的中科四象,泰州的江苏华芯,常州的江苏天元等企业。在激光金属天庄国际注册,激光熔覆及强化,光线传感器,VCSEL芯片等领域等先进激光产业都有比较先进的技术水平。

目前激光产业最火热的前沿应用,首推激光天庄国际注册。天庄国际注册,又称增材制造,是一种先进的制造技术,其中金属天庄国际注册主要应用于工业领域,目前多应用于航空、航天,这几年也逐渐在细分领域展现出来了越来越清晰的应用方向,在许多行业都有渗透,还有大量的市场空间尚未开发。

保守估计,2019年全球天庄国际注册行业市场规模90亿美元左右;其中40%为相关设备销售;60%为零部件打印;零部件打印中,有35%左右为金属零部件,其余为树脂等非金属打印。

2010-2019年全球范围内行业增速约为30%,中国金属天庄国际注册行业起步较晚,市场规模约为全球市场10%左右。近几年随着技术进步,预计中国市场将维持快速增长势头。

在这个领域,苏州天弘激光和南京辉锐光电均具有比较高的技术水平,而在金属天庄国际注册之外,这两家企业在激光熔覆方面也有比较高的市场占有率。与传统火焰淬火相比,通过3D激光熔覆的产品淬火层硬度高、边缘陡、软带区域小、表面熔融纹路小、变形小,是国内众多大型汽车模具行业模具淬火强化的优选装备,对传统制造业的加工工艺提升和创新具有很大的帮助。特别是高功率天庄国际登录在材料表面处理和改性中的应用,大大提升了我国热处理技术水平和工业零部件的耐磨、耐腐蚀水平。

除了传统的激光熔覆,辉锐光电最新研发成熟的超高速激光熔覆技术,效率比传统熔覆高出两个数量级。成功应用于电力、轨交、石化、冶金等行业,也用事实证明了中国激光技术已可比肩世界水平。保守计算,这种新工艺就可以拥有20亿欧元的年市场容量。

另外值得一提的是,辉锐光电中科四象一样还有激光清洗业务,与增材制造技术原理不同,激光清洗是把高能量密度的光束打在待清洗物体表面的较小区域,利用基底材料与附着物对激光吸收能力的差异,使物体表面“藏污纳垢”的附着物或涂层瞬间“蒸发”或剥离。可部分取代化学清洗、干冰清洗、超声波清洗、机械打磨等传统清洗方式,市场规模稳步增长,潜力较大,但目前规模较小,估计2019年国内总市场规模不超过5亿元。

垂直腔面发射天庄国际登录(VCSEL)是一项久经验证但直到最近才被挖掘的利基技术,由于智能手机及其它移动设备中引入的3D人脸识别应用,而突然变得非常热门。而且目前业界认为,采用VCSEL阵列的激光雷达(LiDAR)将是自动驾驶所必需的关键技术。此外,VCSEL已经在服务器集群中用于机架到机架的通信。

江苏华芯成立于2015年底,是国内最早能够自主完成VCSEL和蓝光半导体天庄国际登录芯片外延及芯片工艺制造,并实现量产的公司。2017年11月,10G VCSEL芯片量产并批量出货。2018年3月,940nm 100mW VCSEL产品定型。目前年产能为5000万颗单管光通讯VCSEL芯片、2500万颗VCSEL面列阵芯片、500万颗蓝光芯片。预计到2018年底,将形成5000万颗3D传感VCSEL芯片的年产能。

除了天庄国际注册之外,激光产业的另外一个应用是光纤传感器。在这个时代里,已经不需要详述传感器的重要性,随着万物互联的发展,传感器越来越朝着灵敏、精确、适应性强、小巧和智能化的方向发展。在这一过程中,光纤传感器逐渐受到了市场的青睐。在机械、电子仪器仪表、航天航空、石油、化工、食品安全等领域的生产过程自动控制、在线检测、故障诊断等方面,得到了发展和推广。从2012年到2017年间,全球光纤传感器(包括点分式和分布式)消费值的平均年增幅高达20.3%。

全球光纤传感技术发展始于1977年,美国光纤传感器研究起步早,光纤传感技术在世界上最为先进,代表着全球最大的光纤传感器区域市场。而近年来,中国成为亚太地区最主要的光纤传感产品应用市场。就光纤传感技术而言,中国学者所取得的成就已经很接近世界先进水平,差距在不断缩小中。过去几年,包括南京大学,无锡联河,珠海光辰在内,许多学校和企业都拥有了全套的光纤传感解调方案。以往光纤传感系统里比较前沿的OFDR,BOTDR也有江苏昂德,暨南大学等国内机构可以开发。

激光的前沿应用,不止上述所说几种,一直到现在,激光技术仍然在与其它学科结合,不断拓展激光化学、激光医疗等新兴应用领域,尤其是发展精密和微细加工技术,在电子、半导体、通讯、光存储、微机械制造、生物、环境等行业进一步推广和应用的激光高精密加工技术,正在为传统加工方式创造前所未有的可能性。

在中国四大产业集群中,江苏可以说见证了中国激光产业从无到有、从弱到强的整个历程,是中国激光产业发展的缩影。尽管还有应用研究落后,高端人才不足,配套产业链滞后等问题,但是相信这些问题都会随着产业的发展逐渐改善。在未来的发展中,江苏激光产业的自动化、集成化和智能化水平持续提高,最终引领中国进入“光智造”时代。

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