2022半导体激光芯片行业研究报告

来源：海通证券

激光原理概述

激光原理：激光技术起源于 20 世纪 60 年代，与原子能、半导体、计算机并称 20 世纪新四大发明之一。激光英文全称是 Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation(LASER)，意为“通过受激辐射光扩大”，简称“激光”。激光的原理早在 1916 年就已被爱因斯坦发现：原子中的电子吸收能量后从低能级跃迁到高能级，再从高能级回落到低能级的时候，所释放的能量以光子的形式放出。被“引诱”(激发)出来的光子束 (激光)，其中的光子光学特性高度一致。相比由多种颜色、波长混合的自然光，激光有具有方向性好、亮度高、单色性好及高能量密度等特点，因此也被称为“最快的 刀”、“最准的尺”、 “最亮的光”。

激光发展历史：1916 年，爱因斯坦提出了光的受激发射理论，人类对激光开始有了认知。1958 年，美国科学家肖洛和汤斯发现了一种神奇的现象，当他们将内光灯泡所发 射的光照在一种稀土晶体上时，晶体的分子会发出鲜艳的、始终会聚在一起的强光。肖洛和汤斯的研究成果发表之后，各国科学家纷纷提出各种实验方案，但都未获成功。1960 年 5 月 15 日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长 为 0.6943 微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。1960 年 7 月 7 日，梅曼宣布了世界上第一台激光器的诞生，梅曼的方案的是，利用一个高强闪光灯管来刺激在红宝石色水晶里的铬原子，从而产生一条相当集中的纤细红色光柱，当它射向某一点时，可使其达到很高的温度。前苏联科学家尼古拉·巴索夫于 1960 年发明了半导体激光器。半导体激光器的结构通常由 P 层、N 层和形成双异质结的有源层构成，其特点是：尺寸小、耦合效率高、响应速度快、波长和尺寸与光纤尺寸适配、可直接调制、相干性好。

激光器结构

激光器一般包括增益介质、泵浦源和谐振腔三个部分。激光器是激光的发生装置，主要由激励源和具有亚稳态能级的工作介质组成。激励源为实现并维持粒子数反转产生跃迁辐射创造条件，激励方式有光学激励、电激励、化学激励和核能激励等。具有亚稳态能级的工作介质使受激辐射占主导地位，从而实现光放大。激光器中常见的组成 部分还有谐振腔，谐振腔为关键的组成部分，可使腔内的光子有一致的频率、相位和运行方向，从而使激光具有良好的方向性和相干性，而且谐振腔可以很好地缩短工作物质的长度，还能通过改变谐振腔长度来调节所产生激光的模式。简单来说：泵浦源为激光器提供光源，增益介质(也称为工作物质)吸收泵浦源提供的能量后将光放大，谐振腔为泵浦光源与增益介质之间的回路，振腔振荡选模输出激光。

1)激光工作介质:增益介质

用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系，也被称为激光增益媒质，常用的有红宝石、铍玻璃、氖气、半导体、有机染料等。在增益介质中可以实现粒子数反转(高能状态的电子增加到对低能量状态电子具有压倒性优势的密度)，以制造获得激光的必要条件。

2)激励源：泵浦源

为了使工作介质中出现粒子数反转，必须用一定的方法去激励原子体系，使处于上能级的粒子数增加。一般可以用电流注入或气体放电的办法驱使具有动能的电子激发介质原子，称为电激励；也可用脉冲光源来照射工作介质，称为光激励；还有热激励、化学激励等。各种激励方式被形象化地称为泵浦或抽运；为了不断得到激光输出，必须不断地“泵浦”以维持处于上能级的粒子数比下能级多。 

3)谐振腔

有了合适的工作物质和激励源后，可实现粒子数反转，但这样产生的受激辐射强度很弱，无法实际应用。人们就想到了用光学谐振腔进行放大。所谓光学谐振腔，实际是在激光器两端，面对面装上两块反射率很高的镜片：一块几乎全反射，一块使大分光反射、少量光透射出去，以使激光可透过这块镜子而射出。被反射回到工作介质的光，继续诱发新的受激辐射，光被放大。因此，光在谐振腔中来回振荡，造成连锁反应，雪崩似的获得放大，产生强烈的激光，从部分反射镜子一端输出。 

激光器分类 

激光器可按泵浦方式、增益介质、运转方式、输出功率和输出波长进行分类。 

从应用领域来看，根据《2021 年中国激光产业发展报告》，2020 年全球激光器销售额为 160.1 亿美元。结构上来看，材料加工与光刻、通讯与光存储、科研和军事、医疗和美容、仪器与传感器及娱乐、显示与打印占比分别为 39.6%、24.5%、13.8%、5.7%、12.6%及 3.8%。据报告预测，2021 年全球激光器的总市场规模为 185 亿美金， 市场增长率为15%，其中半导体激光器(作为固体激光器和光纤激光器等其他激光器的核心泵浦光源或作为直接激光器)，其市场规模预计为 79.5 亿美金(占比 43%)，市场增速为 18%。

我国激光器行业发展迅速、竞争优势明显，在全球激光器市场中所占的比重也持续提升，根据 Laser Focus World 发布的数据，2020 年，我国激光器市场规模为 109.1 亿美元，占全球激光器市场 66.12%的份额。 

近年来全球工业激光器市场规模呈波动走势，根据 Laser Focus World 测算，2020 全球工业激光器市场规模约为 51.57 亿美元，同比增长 2.4%。

从结构上，市场份额最大的是光纤激光器，2018 至 2020 年的销售占比均超过 50%，其中 2020 年全球光纤激光器销售额占比为 52.7%;固体激光器销售占比 16.7%;气体激光器销售占比 15.6%；直接半导体/准分子激光器销售占比 15.04%。 

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