根據(jù)《激光集錦》1997年報(bào)導(dǎo),世界激光器市場(chǎng)可劃分為三大區(qū)域:美國(包括北美)占55% ,歐州占22%,日本及太平洋地區(qū)占23%。在世界激光市場(chǎng)上日本在光電子技術(shù)方面占首位,美國占第二位;在激光醫(yī)療及激光檢測(cè)方面則美國占首位;而在激光材料加工設(shè)備方面則是德國占首位。因此我們選擇美國、日本、德國三個(gè)國家,介紹他們激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況,也就反映了世界激光市場(chǎng)的基本情況及其發(fā)展趨勢(shì)。
一、美國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
目前尚未見到全面介紹美國激光——光電子產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀的完整資料,現(xiàn)只能根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行綜述。
1994年美國光電子工業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)對(duì)1993年世界激光——光電子市場(chǎng)作了統(tǒng)計(jì),總產(chǎn)值為750億美元;美國光電子工業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)把顯示器、光存貯、光通訊及硬拷貝稱之為光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè),并認(rèn)為這個(gè)領(lǐng)域目前是日本占主導(dǎo)地位,在750億美元產(chǎn)值中日本約占50%,因此美國認(rèn)為當(dāng)前應(yīng)注意發(fā)展光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè),使美國在這個(gè)領(lǐng)域能占有較大的份額。下面主要介紹美國激光加工和激光醫(yī)療方面的發(fā)展情況。
根據(jù)1996年《工業(yè)激光評(píng)論》雜志報(bào)導(dǎo),1995年世界范圍銷售的激光加工系統(tǒng)約11億美元,美國占31%、歐州32%、日本35%,其它2%。在美國比較著名的激光公司有:相干公司、光譜物理公司、聯(lián)合工藝(URTC)公司、PRC公司、燃燒工程公司、Lumonics公司、Synrad公司、M arted Lasers公司、Electrox公司和ESI公司等。相干公司和光譜物理公司是美國******的兩個(gè)激光公司,占美國激光公司總銷售額的40%以上。光譜物理公司的工業(yè)激光部的高功率CO2激光器股權(quán)已為德國Rofin-Sinar公司所收購,主要生產(chǎn)1.5kW-6kW橫流CO2激光器。聯(lián)合工藝公司主要生產(chǎn)5kW-30kW高功率橫流CO2激光器,并且和德國一公司合資在德國制造這類設(shè)備;PRC公司主要生產(chǎn)0.5-3.5kW軸快流CO2激光器,現(xiàn)已累計(jì)銷售了1000臺(tái)高功率CO2激光器;燃燒工程公司生產(chǎn)1kW、5kW和10kW的高功率橫流CO2激光器(以色列MLI公司的專利)。Synrad公司主要生產(chǎn)200W以下封離型射頻激勵(lì)CO2激光器。
根據(jù)《世界激光集錦》雜志報(bào)導(dǎo),1995年美國激光—光電子生產(chǎn)者委員會(huì)成員公司,前半年的訂貨率比1994年同期增長了24%。在金融市場(chǎng)上,1995年激光公司原始股票的價(jià)格達(dá)到了有史以來的最高值,使這些公司獲得了巨額的利潤。1996年世界激光器市場(chǎng)的銷售分布狀態(tài)也有了變化,美國占55%,歐洲占22%,日本和太平洋地區(qū)占23%。
美國是世界上最早建立激光加工站的國家,許多加工站建立于70年代中期,1996年的統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,美國激光加工站的年收入已逾60-80億美元,在美國激光加工站已超過1765家,這對(duì)于在美國推廣激光加工技術(shù)起著重要的作用。美國也是最早將高功率激光器引入汽車工業(yè)的,例如在美國汽車工業(yè)中心——底特律地區(qū)就有40余家激光加工站,用于汽車板金件的切割和齒輪的焊接,使汽車改型的周期從5年縮短至2年。美國通用汽車公司已采用22條激光加工生產(chǎn)線;美國輻特汽車公司采用Nd:YAG激光器結(jié)合工業(yè)機(jī)械人焊接轎車車體,極大地降低了制造成本。據(jù)報(bào)導(dǎo),到2000年美國三大汽車公司50%的電阻點(diǎn)焊生產(chǎn)線將被激光焊生產(chǎn)線所取代。1995年世界銷售的激光加工系統(tǒng)予計(jì)為1950臺(tái),其中美國640臺(tái),占34%。在激光加工中主要使用CO2激光器和Nd:YAG激光器。在美國CO2激光器58%用于切割、12% 用于焊接、11%用于標(biāo)記、1%用于熱處理、其它為18%;Nd:YAG激光器24%用于焊接,39%用于標(biāo)記,7%用于切割,18%用于微電子加工,3%用于打孔,其它9%。
在激光醫(yī)療方面,美國處于************地位。激光醫(yī)療設(shè)備不僅在美國獲得廣泛應(yīng)用,而且大量出口,美國的激光醫(yī)療設(shè)備由美國食品藥物管理局(FDA)統(tǒng)一管理,只有經(jīng)過批準(zhǔn)注冊(cè)方可使用和生產(chǎn),這樣就保證了激光醫(yī)療設(shè)備的產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性與安全性。據(jù)統(tǒng)計(jì),1986年美國醫(yī)院進(jìn)行的2100萬例手術(shù)中已有250萬例使用CO2激光手術(shù)刀,占總手術(shù)的12%,美國全國2/3的門診機(jī)構(gòu)已擁有激光醫(yī)療設(shè)備。在美國新的激光醫(yī)療儀器和醫(yī)療技術(shù)不斷出現(xiàn),例如,美國每年有20-25萬椎間盤突出病人,其中1, 0-20%可以用激光進(jìn)行切除;美國有1400萬人希望除去身上的紋身,美國每年診斷有45萬例患者有腎結(jié)石,其中1/3用內(nèi)窺鏡技術(shù)或激光碎石術(shù)治療,用準(zhǔn)分子激光作角膜刻劃來矯正視力已作了2萬多例,1995年已為美國FDA批準(zhǔn)使用,預(yù)計(jì)1996年可能有200-300臺(tái)準(zhǔn)分子激光器在美國銷售,用于治療近視眼,產(chǎn)值約8000-12000萬美元;1995年又推廣了CO2激光美容手術(shù),特別是去掉皮膚皺紋的手術(shù)受到歡迎,這兩項(xiàng)手術(shù)的推廣導(dǎo)致1995年醫(yī)用激光器的收入增加。這種去掉皮膚皺紋的方法稱為皮膚再光滑激光療法,在美國每次治療的價(jià)格從800美元到4500美元(不包括保險(xiǎn)費(fèi)),由此估算出皮膚再光滑的市場(chǎng)規(guī)模可達(dá)15億美元,因而吸引了至少8家公司為皮膚饣す飭品ㄍ瞥鯟O2激光系統(tǒng)。據(jù)預(yù)測(cè)第一代軟組織的激光牙科機(jī)在九十年代初期銷售可達(dá)幾千臺(tái),銷售額0.9億美元,第二代硬組織激光牙科機(jī)可能替代大部分的機(jī)械牙鉆市場(chǎng)。
二、日本激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
1994年初日本光電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)振興協(xié)會(huì)公布了日本激光—光電子產(chǎn)業(yè)1992-1993年的產(chǎn)值,這里只介紹1993年的情況。1993年日本光電產(chǎn)業(yè)預(yù)測(cè)產(chǎn)值為37850億日元(若以110日本:1美元計(jì)算,則應(yīng)為344億美元),比1992年的35066億日元增長7.9%。
光電子產(chǎn)業(yè)包括光電子設(shè)備和光電子元件兩部分,其中光電子設(shè)備為28086億日元(約255億元),光電子元件為9764億日元(約89億美元)。
從光電子設(shè)備的細(xì)目來看,光盤為14897億日元(占53%),光輸入輸出設(shè)備8462億日元(30%),光傳輸設(shè)備2446億日元(9%),光傳感器1005億日元(4%),激光加工設(shè)備420億日元(2%)。
從光電子元件細(xì)目來看,顯示元件4787億日元(占49%),發(fā)光元件1387日元(包括激光器,占14%),光纖1269億日元(13%),光敏元件(光接近元件)1115億日元(11%),復(fù)合光元件572億日元(6%),光傳輸網(wǎng)絡(luò)163億日元(2%),太陽能電池157億日元(2%)。
按美國光電子工業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì)的看法,日本在顯示器、光存儲(chǔ)、光通訊及硬拷貝組成的光電子產(chǎn)業(yè)中已超過了美國和歐洲,在世界上占主導(dǎo)地位。從上面的數(shù)字也可以看出日本的激光加工設(shè)備及醫(yī)療設(shè)備則占比例極小。在80年代初激光加工設(shè)備曾占日本光電產(chǎn)業(yè)總產(chǎn)值的37%,后來由于光存儲(chǔ)、光通訊、顯示器及半導(dǎo)體激光器的迅速發(fā)展,十多年來已發(fā)生了很大的變化。
八十年代初,日本產(chǎn)業(yè)界積極采用激光加工,并逐步擴(kuò)大到焊接、釬焊。統(tǒng)計(jì)表明,日本占當(dāng)今世界上工業(yè)用激光設(shè)備的30%左右,激光加工是日本重要的基礎(chǔ)制造技術(shù)之一。日本現(xiàn)用于材料加工的是大功率二氧化碳激光器和Nd:YAG激光器,少量準(zhǔn)分子激光器也已使用,而新開發(fā)的氣體激光器有波長10.6微米二氧化碳激光器、波長5微米一氧化碳激光器、波長1.3 微米的碘激光器及二極管激勵(lì)固體激光器的紫外準(zhǔn)分子激光器等?,F(xiàn)在的二氧化碳激光器功率多為500W,而理論上可高達(dá)100KW,近期報(bào)導(dǎo)已達(dá)到20kW。且其功率越大,效果越好,故日本對(duì)二氧化碳激光器開發(fā)研究寄以期望。
大功率一氧化碳激光器是日本業(yè)創(chuàng)造研究所和三菱重工聯(lián)合研制的,89年實(shí)現(xiàn)了連續(xù)4小時(shí)5kW,短時(shí)間達(dá)7kW振蕩輸出。93年其輸出功率已達(dá)到20kW,它在切割焊接中正嶄露頭角,而高功率的碘激光器是日本產(chǎn)業(yè)創(chuàng)造研究和川崎重工一起開發(fā)的,1989年實(shí)現(xiàn)了近紅外的振蕩,它是化學(xué)激光器,特征是振蕩效率極高,5kW一氧化碳激光器、1kW碘激光器裝置已設(shè)立在92年4月成立的激光應(yīng)用工學(xué)中心。
此外,弧光燈激勵(lì)固體激光器放大都為3kW,因其存在功率增大導(dǎo)致光束發(fā)散角偏大和脈沖振蕩重復(fù)頻率低的缺點(diǎn),日本正努力研制半導(dǎo)體激勵(lì)YAG激光器來取而代之。據(jù)報(bào)導(dǎo),1kW二極管激勵(lì)YAG激光器由正由日本國立研究所制成。
目前,大功率準(zhǔn)分子激光器及其在材料加工中的應(yīng)用開發(fā)研究引起人們極大興趣。它可利用短波長高能光子不產(chǎn)生熱量的分子水平的加工。86年日本通產(chǎn)省工業(yè)技術(shù)院提出的18家民間企業(yè)與3所國制成2kW級(jí)Xecl準(zhǔn)分子激光設(shè)備。
激光加工切割的靈活性、高精度、高速度、高可靠性、高效率等優(yōu)點(diǎn),不僅在薄板工業(yè)上,而且在金屬、塑料、陶瓷業(yè)中也廣為使用。最近5軸或6軸三維激光切割機(jī)器人已在日本汽車、機(jī)械、電機(jī)重工中大顯身手。
同時(shí),激光焊接在日本電子、電機(jī)、汽車、車輛零部件,OA機(jī)器等小件、大批量生產(chǎn)中得到迅速發(fā)展。是本產(chǎn)業(yè)界生產(chǎn)線上成功應(yīng)用激光焊為世界所矚目。如在汽車車體制造中日本大膽采用有坯料時(shí)就將薄鋼板實(shí)施激光焊接后沖壓成型的新方法(Tailorcd Blank Welding),現(xiàn)已為世界上絕大多數(shù)汽車廠家所仿效。
日本以5kW及10kW二氧化碳激光焊代替了閃光對(duì)焊進(jìn)行制鋼業(yè)軋鋼卷材的連接。在薄、中厚板鋼管、高級(jí)薄型不銹鋼制造時(shí),與高頻電焊、TIG焊相結(jié)合,保證了質(zhì)量的穩(wěn)定性。
日本致力于激光超薄板焊接的研究,如板厚100微米以下的箔片,無法熔焊,但通過有特殊輸出功率波形的YAG激光焊得以成功,顯示了激光焊的廣闊前途。日本引以為自豪的是在世界上首次成功開發(fā)了將YAG激光焊用于核反應(yīng)堆中蒸氣發(fā)生器細(xì)管的維修,這是日本******限度地利用YAG激光(波長1.06微米)能以石英光纖遙控傳輸和集周邊設(shè)備之大成的尖端技術(shù)。隨著今后3kW以上的高功率、高亮度且控制維修性皆佳的YAG激光器和新一代二極管激光激勵(lì)大功率固體激光器的誕生,軟硬件的配套,預(yù)計(jì)這一領(lǐng)域的激光技術(shù)還會(huì)有新的突破。
據(jù)1992年東京大學(xué)研究與發(fā)展研究所T·Fujioka報(bào)道,日本CO<SUB< SUB>激光加工機(jī)年銷售額為558 億日元,YAG激光加工機(jī)年銷售額為177億日元,總計(jì)為735億元日。CO2激光加工機(jī)主要應(yīng)用于切割和打孔(占總臺(tái)數(shù)的94.8%),焊接(2.8%);而YAG激光加工機(jī)主要應(yīng)用于標(biāo)記(34.5% ),焊接(27.7%),微調(diào)(10%)和切割、打孔(8.9%)。日本生產(chǎn)CO2激光器的廠商有60家,生產(chǎn)CO2激光加工機(jī)的主要制造廠商為三菱電氣、松下電氣、Amada和Mazak等公司,占日本激光加工市場(chǎng)70%左右。另外德國Rofin-Sinar激光公司和日本Marubeni及Nippei Toyama公司合資經(jīng)營;德國的Trumpf激光技術(shù)公司和日本石川島播磨重工合資經(jīng)營,這表明德國的CO2激光加工機(jī)已進(jìn)入了日本激光加工市場(chǎng)。日本生產(chǎn)YAG激光器的有日本電氣、富士電視、東芝等30家生產(chǎn)廠家。約70-80%的CO2激光器用于切割,約有70%的YAG激光器用于電子工業(yè)。另外,據(jù)統(tǒng)計(jì),到1995年為止日本已建立了1500家激光加工站。近來年,以每年新建200-300家的速度在遞增。
日本激光醫(yī)療始于Ar激光眼底凝固、外科二氧化碳激光刀、內(nèi)科Nd:YAG激光內(nèi)窺鏡等迎來了光能熱利用激光醫(yī)療第一代。隨著激光技術(shù)的進(jìn)步,激光化學(xué)效益治療法誕生,開辟了激光醫(yī)療的康莊大道,現(xiàn)今,日本所有醫(yī)療領(lǐng)域中都應(yīng)用了激光。
日本利用Nd:YAG倍頻激光(532nm)的醫(yī)用激光器,其基波功率為60W,調(diào)諧波功率約20W,通過KTP變換波長,已在醫(yī)療上廣泛使用。
Er:YAG激光的2.94微米光較之二氧化碳激光的10.6微米更易被水、Ca、P等所吸收,多用于切開、切除多水份的身體軟組織及骨切開術(shù),性能大大優(yōu)于二氧化碳激光刀。由于可以光纖傳導(dǎo),今后,若3微米帶的穩(wěn)定光功率纖維開發(fā)成功,將用于體腔內(nèi)患部的非切開、切除手術(shù)。此外,稀土類元素Ho:YAG激光器也已開始使用。
日本利用激光治療癌癥十分積極,主要是Ar激光激勵(lì)、閃光燈激勵(lì)、準(zhǔn)分子激勵(lì)的染料激光器。隨著光纖技術(shù)的發(fā)展,它們是非切開治療體腔內(nèi)癌的劃時(shí)代的新手段,還能治療血管狹窄、閉塞、給心臟外科帶來革命。光纖腹腔鏡已順利走上應(yīng)用軌道,不動(dòng)手術(shù)的腹腔內(nèi)疾患激光治療法,對(duì)高齡人口結(jié)構(gòu)的日本具有重要的、現(xiàn)實(shí)的意義。
準(zhǔn)分子的紫外光束有良好的光化學(xué)效應(yīng),適宜于非熱性切開、切除、并能抑止紅外光束所常見的切立研究所參與的“超尖端加工系統(tǒng)”,就是以準(zhǔn)分子激光和離子束為中心工具,其目標(biāo)是在93年研開部的熱變性和炭化,一部分ArF激光器(角臘在193nm附近有吸收帶)適用于角膜切開,進(jìn)行眼科近視治療的角膜手術(shù),但能否保持治療效果仍有疑問。ArF激光有優(yōu)秀的骨切開功能,在整形外科中大有用武之地。日本防衛(wèi)醫(yī)科大學(xué)最近在臨床試用準(zhǔn)分子激光清除嚴(yán)重?zé)齻ㄋ溃┢つw組織,時(shí)間短、痛苦少,并能有選擇地控制照射,無紫外線過量而致癌之憂的新技術(shù)。
波長780-830nm,功率10-1200mW的GaAlAs激光器用眼科白內(nèi)障、眼瞼異常治療、外科皮膚肌肉切開、神經(jīng)科神經(jīng)纖維伸長抑制、循環(huán)系的血流、皮膚溫度控制、減輕疼痛等。不久的將來,半導(dǎo)體激光激勵(lì)小型激光器一旦實(shí)現(xiàn),激光醫(yī)療應(yīng)用將會(huì)出現(xiàn)飛躍。自由電子激光器將是今后醫(yī)療領(lǐng)域的臺(tái)柱,是未來醫(yī)用激光設(shè)備的代表。激光醫(yī)療的主要課題是治癌,并為治療艾滋病、疑難怪癥帶來福音。
日本激光醫(yī)學(xué)研究雖然比較活躍,但是從日本光電子產(chǎn)業(yè)技術(shù)振興協(xié)會(huì)1994年初發(fā)表的統(tǒng)計(jì)數(shù)字來看,日本1993年醫(yī)用激光裝置的總產(chǎn)值約30億日元,按目前美元對(duì)日元的比價(jià)不足3000萬美元,在日本光電子設(shè)備中所占份額是最小的。
三、德國激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
在歐洲地區(qū)激光產(chǎn)業(yè)發(fā)展最快的是德國,特別是激光材料加工方面處于************的地位。1986年德國提出了1987-1992年《激光研究與激光技術(shù)》資助重點(diǎn)的BMFT資助計(jì)劃,在這五年期間實(shí)際投資為2億6千2百萬馬克,資助重點(diǎn)與經(jīng)費(fèi)分配為:激光器與元件36%,應(yīng)用技術(shù)與系統(tǒng)集成48.9%,激光測(cè)量與激光分析12.2%,其它2.3%;也就是說約72%的經(jīng)費(fèi)用于激光材料加工的課題(光源、元件、系統(tǒng)和方法)。承擔(dān)課題的有科研集團(tuán)(FHG、MPG、GFE)6個(gè)科研所,9個(gè)大的激光中心,高校研究所中的30個(gè)科研組,共約900名科研人員參加。在這期間建立的比較著名的研究所和中心有:夫朗和費(fèi)激光技術(shù)研究所、柏林固體激光研究所、漢諾威激光中心、斯圖加特光束應(yīng)用研究中心等。
根據(jù)德國機(jī)械制造協(xié)會(huì)——激光材料加工工作聯(lián)盟1994年的統(tǒng)計(jì),用于材料加工的光源(CO2)和YAG激光器)總共生產(chǎn)了1364臺(tái),產(chǎn)值1.65億馬克,比1993年增長13%;激光器件臺(tái)數(shù)增長了39%。特別是用于標(biāo)記和牙科方面的小功率激光器即YAG激光器出現(xiàn)了超比例的增長率。因此德國用于加工技術(shù)的激光器,高于以前任何時(shí)期。用于材料加工的光源,德國企業(yè)(主要是Rofin-sinar激光公司、Trumpf激光技術(shù)公司、Haas固體激光公司、Lambda Physik公司等)幾乎占了世界市場(chǎng)的40%,處于領(lǐng)先地位。與此同進(jìn) 還簽訂了1544臺(tái)激光器的訂貨合同,價(jià)值1.77億馬克。1994年激光系統(tǒng)的營業(yè)額也蠓鵲腦齔ぃ瓿閃?860個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)額,價(jià)值為2.35億馬克,臺(tái)數(shù)增長率為51%,銷售額增長率為17%。與此同時(shí),還簽訂了937個(gè)系統(tǒng)合同,價(jià)值2.49億馬克(臺(tái)數(shù)增長率58%,產(chǎn)值增長率18%),這些合同與1995年預(yù)測(cè)的生產(chǎn)額接近。
在激光光源方面CO2占42%,Nd:YAG占35%;在激光系統(tǒng)方面CO2激光加工系統(tǒng)占56%,YAG 激光加工系統(tǒng)占40%,CO2激光加工系統(tǒng)Trumpf公司是自行配套,而Rofin-Sinar公司則與格瑞斯海姆有限公司合作配套,已形成Lascontur系列激光加工機(jī)。出口部分的增長表明,在國際上德國企業(yè)有強(qiáng)大的競(jìng)爭(zhēng)能力,德國激光工業(yè)目前仍處于上升階段。
在完成1987-1992年BMFT“激光研究與激光技術(shù)”資助計(jì)劃后,1993年德國又提出了“激光2000”新的資助計(jì)劃。