国际光电子产品发展知识

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　　摘要:2000年过度投资和炒作的信息市场泡沫涨到极大前后，激光光电子市场的状况表明，大起大落的项目主要与信息产品有关，其他方面的市场在稳步中发展，而且，预计2004年将有更好的复苏，文章指出激光、光电子产品的亮点之所在。国际同行已注意到中国的激光光电子市场很有潜力，国内同行们能否把握良机发展起来呢?作者对一些市场现象做了简单的评释。作者期望同仁们能克服浮躁思想，集中精英怀着艰苦踏实开发高端产品的精神去实现国内有关产品配套，并逐步去获得自主的技术专利。关键词：激光、光电子Ⅰ、历史背景


　　作为20世纪60年代初有幸加入激光光电子学科研队伍的成员，我们经历了一场由微波受激发射介质从低压气体-晶体-非晶体-液体-高压气体、准分子-半导体-等离子体和磁性介质等；受激光振荡波长逐日地填补着电磁波频谱的每一个空隙(参见图1)；激光功率从nw(10-9瓦)-1015w以上，其瞬间功率超过全人类发电功率的总和；激光脉冲能量从nJ(10-19焦耳)-MJ(106焦耳)；激光脉冲宽度自连续波被压缩到ns(10-9秒)--ps(10-12)-近fs(10-15秒)，前所未有的接近于光子的波动周期，达到任何自然现象所不能提供的时间分辨尺度。光学领域如此之大的革命直接带给人类能力的扩展可想而知。它导致人类能够使用光通信，光通信使信息的传输速率从普通电线的64kb/s(千比特/秒)飞跃至1.0Gb/s(千兆比特/秒)-40Gb/s以上。这一飞跃，跳升了近百万倍，但还不是最后的记录，理论上，还会有几个数量级的跃升空间。这一飞跃使人类一下子跨进了信息时代。当然，由于经济规律与人类特性等诸因素密切相关，迄今人类还不能实现只升不降的“新经济”曲线。尽管如此，信息时代带给人类的好处却是实实在在的。信息时代可把在不同角落活动的人类更紧密的联系在一起，让人类真正共享公有的信息资源，它推动了许多行业的发展。激光的诞生和发展不仅使人类跨入通信时代，而且溶进了许多产业，例如计算机(主要是数据存储器与输入/输出设备)、影视、制造业、航天/航空、材料处理、医疗、娱乐、科研、安全防护、军事/反恐、工艺品、显示和印刷等等。激光器作为上述应用领域相关产品中的革新性核心部件促使上述产业得以新的面目发展。激光产品所涉及的领域很广，据不完全统计，其年交易额已达到近百亿美元。据该杂志2003年初报道，国内2002年的激光产品销售额为28亿人民币。显然，许多专用产品零部件和中间试制品未必被列进去，上述数据都是偏低的，因为与激光产品相关的光电子产品和精密技术产品等非常分散和丰富，做比较完整的统计难度较大。总之，激光光电子产品无论在研制和产品方面都仍处在发展过程中。机会已经和正在等待着同仁们去把握。Ⅱ.激光光电子市场状况1.激光产品分类


　　依不同分类方法，激光器可分为多种类型：如电(纵向与横向)激励、化学微波、光、激光、放射性和射频等激励激光器；气体、固体、液体、半导体(LD)和等离子体激光器；x射线、紫外、可见、红外激光器；高、中、低功率激光器(脉冲和连续)；高、中、低能量激光器(脉冲)等等。近年来由于LD的发展迅速，而且与光信息产业联系密切,故常用LD和非LD二类激光产品为市场代表。显然，2000年激光产品销售额达到高峰的88亿美元之后，便明显的收缩，二年后已降剩一半左右，随后的二年又出现复苏的势头。然而，从表1中不难看出，泡沫的吹涨和破灭仅仅集中在LD之中与信息产业相关的产品。其中，非LD部分销售额是比较稳定的，相反，在信息市场气泡涨到最大的2000年，非LD销售额较低，那很可能是许多激光产品供应商都争着去切通信产业的大蛋糕了。


　　据Laser Focus World杂志的分析，美国仍然是当今全球最主要的激光和光电子生产和消费大国，所以，本文所引用数据主要来源于美国。显然，对该市场在2004年的乐观估计得到复苏中的美国经济所支持。刚刚过去的2-3年中，对于欧洲而言，仍然处于黑暗之中，这不仅仅表现在通信方面，非通信方面的激光市场也同样受较大的打击。2003年欧洲三大通信公司：British Telecom, Deutsche Telekom和Telefoma都报道了预期财务状况会有所改善，这表明欧洲通信业正在度过低谷。最近来自世界各主要激光市场的信息均表明激光市场正在复苏，更重要的还在于激光产品的开发商们已经和正在进行调整和布置新的投资，他们把注意力移向更多的应用新领域。这一点已得到Coherent公司执行总裁John Ambroseo的证实，他们在开发新项目、新市场。举例说，用红外激光照明目标，并用光子元件对信号进行捕捉等系列设备。又如，紫外LED和LD项目，与细胞学、癌诊断学、生物学、基因学和药物相关的激光测试仪器、室外荧屏、高速公路信号显示等诸多方面的市场正在发展壮大之中。美欧等国在反恐战争活动的激光设备也还在升温之中。正如同行者的预言一样，激光市场正在扩展，经过数年整顿之后的激光通信市场也会有新的亮点出现，例如在快速通信方面有明显的发展。在日本，经济已显示复苏。东京股指在上升，2003年7月在东京举行的Interphoto透露了在日本，光纤到户的预订户已有30-40万户，这方面的市场潜力将有助于日本在光通信市场的复苏。2. LD


　　LD的市场以较大的比例集中于与光纤通信有关的信息传输单元，含发射、接收光电单元，波长有850nm的垂直面发射器件(VCSELS)和1300nm Fabry-Perot(法一泊)激光器，采用何种波长与光传输距离有关。这方面的市场已由于2000年通信市场(传输信息速度在1Gb/s附近)的泡沫破灭而在近几年连续大幅跳水，其中，一方面需求大减，另一方面存货太多。有关产品销售额在2002年降到底谷。作为一个典型例子，表2列出了该年世界五家主要光通信元件供应商的2002年销售额与2001年相比较的下降比例。光通信元件供应商年销售额下降比例(%)Alcated Optronics -84；Corning Photomics -83；JDS Uniphase -73 Agere opticalComponents -83；Nortel Optical Components -85


　　又如，美国Coherent公司报导03年总销售额4.062亿美元，亏损4千6百50万美元，02年售3.973亿美元7千零80万美元。该公司指出，其主要亏损源于Coherent附属的Lambda Physik (Go〃ttingeen,Germany)分公司，该部主要销售与LD有关的产品，但LD的销售额已下降了29%，年亏1千8百40万美元。其中也表明主要亏损源于LD市场。当然，上述例子也表明03年的市况已比02年有所改善。据预期，今年LD市场销售额可回到34亿美元，占整个激光市场的63%，显然这一比例与4年前的75%只下降了12%，但其年销售额下降了近半。进一步的调查不难看出，LD市场的下降主要是与光通信相关的产品。从表3中可以看到，与通信直接相关的LD产品销售额在2000年突破到50.5亿美元之后，到2002年下降到6.65亿美元，几乎下降了8倍。尽管如此，用于光通信的LD市场并不是一片漆黑，目前在快速通信方面传输速度已达到40Gbit/s以上，与此相关的产品是通信市场的亮点。用于光通信的LD功率通常在100mW以下，发射波长主要着重于1330-1550nm。表3列出与通信有关的LD产品销售额作为其他应用的LD受信息市场泡沫效应年份1999 2000 2001 2002 2003销量(百万单元)2.1 5.4 5.5 1.8 2.5销售额(亿美元)21.8 50.5 25.2 6.7 8.8的影响并不太大，这方面的市场相对较为稳定，而且，随着科技人员和产业界的多方努力，非通信应用方面的LD市场逐步得到扩展，其主要应用领域依销售额大小依次为：光存储、泵浦源(主要作为高电能转换效率和小体积的固体激光器中取代灯的光源)、医疗、图象记录、娱乐、条码扫描、检测与控制、敏感、材料处理、科研和教育等。


　　以LD为关键单元的光存储设备虽然可用于光通信中的数据存取，但它更广阔的天地在于千家万户和公司商家选用的设备：如CD-AUDIO/VIDEO/ROM/RAM/PLAYER，CD-RW和DVD-RW等。该市场既庞大又有相当大的发展势头。从表4可见，该类产品年销售量未受到任何信息泡沫的影响，2003年销售额达到16亿美元已超过2000年11亿美元的45%，而且，预计2004年会有更多的跃升。该类LD的发射波长主要集中在750-980nm，发射功率较低，一般在100mW以下。然而，发展短波长LD的光存储已努力多年，其市场价值将会逐步显现出来。年份1999 2000 2001 2002 2003销量(亿件) 3.0 3.5 3.6 4.8 4.9销售额(亿美元) 7.0 11.0 7.7 14.0 16.0


　　用作固体激光器的泵浦光源(DPSSLS)的市场列于表5。LD泵浦的固体激光器具有体积小、电能转换效率高和光束质量高等优点，但是，价格仍然太高，所以它的应用范围仍受到限制,目前主要用于对体积转换效率和光束质量要求较高的项目。一旦泵浦用LD价格下跌明显，这方面的LD市场潜力很大，年份1999 2000 2001 2002 2003销量(千单元) 51.8 71.4 88.8 122.81 144.1销售额(百万美元) 53.6 85.0 100.0 118.6 135.1


　　几乎绝大多数的固体激光器都可以用LD作泵浦源。该方面的LD参数要求每单元光功率5-20W或更高，运转波长在750-980nm范围，.该类LD常与光纤一起使用，通过光纤进行耦合。目前，在军用，尤其是在美国反恐战争中装备武器的激光设备要求可在55-70°C的环境中使用，并且，选用高高功率的脉冲LD。


　　激光医疗方面的市场包含了所有眼科(含折射外科和光凝结)，普通外科，激光治疗，整美容等项目。激光除毛(不归为美容方面)使用了由50W的LD条块组成的千瓦激光装置。由于美国FDA仍未批准该机在国内使用，故该机是销往美国之外的市场。然而，进一步的实验表明，该机的LD可能被非激光光源所取代。激光眼科方面的市场相对比较稳定，因为激光眼科医疗效果看来不错，既快又无明显副作用。LD在娱乐方面的市场包含了显示，激光教鞭(Laser Pointer),全息显示投影,条码扫描,测量水平仪和瞄准仪等项目。几乎世界市场上的教鞭均在中国生产,至少在中国封装。尽管有报道称这类产品销售量近年来正在跳水,但实际的年产量均达到4千万只(单元)。当然,由于单元价格在下降,年销售额为2千5百万美元。激光水平仪和瞄准仪方面的年销售额达8百万美元。


　　在图像记录方面的市场则包含了印刷,色彩分离器,CT和雷达等设备中的输出设备。在印刷业(CTP)方面使用的LD为1W的列阵，其市场在2002年有明显增长，达到410万，年销售额达到2千9百万美元。其中，紫外(UV)LD在印刷业市场中正被看好，成为LD市场的一个新亮点。表6中所列的其他方面主要是指航天、航空、军用、测距、卫星、局域网络等方面的市场。此外，LD在下述各应用领域也有市场，如铂焊，塑料焊接，热处理和焊接等等。值得指出的是下述各方面的LD市场正在扩展之中，如垂直面辐射(VCSELS)LD在光电控制，鼠标笔和光学编码等方面，脉冲高功率LD在机器人产业、测试仪器和测距仪等方面。3.非LD


　　据Laser Focus World杂志报道中所预期，2004年非LD市场的最大项目仍然是材料处理，年销售额可达到13亿美元左右，比2003年增加近1亿美元，第一应用大户为医疗方面，约为4亿美元，它和其余项目(依年销售额排列)为科学研究、仪器制造、图像记录、敏感探测、娱乐、监测、条码扫描、光学存储等的预期销售额与2003年相差无几。


　　就非LD的品种方面统计资料分析，近年来仍以灯泵浦的激光器为主流，2004年预期销售额近6.1亿美元。激光同行们明白，采用LD泵浦的固体激光器的主要优点是电能--激光的转换效率可高达20%-40%,而灯泵的固体激光的效率要低一个数量级以上，该特点所带来的一系列好处实在诱人，这些优点是：散热问题大大减少，电源变得十分简单，体积大为缩小、激光束的光学质量可大为提高....。既然如此，为什么仍以灯泵为主呢？关键在于LD的价格仍然太高。改变这种状态的有效途径是进一步发展泵浦用的LD,降低造价。有理由相信这种趋势是必然的。显然随着LD的降价，LD泵浦激光器的市场会更大。非LD的第二大类品种是流动型CO2激光器含横向放电，即TE型、纵向放电型、高气压和低气压型，年销售额近5亿美元：其次是准分子、LD泵浦固体、封离型CO2(含射频、直流/脉冲激励)、低气压和TEA等不同结构、染料和其它(含离子、He-Ne、He-Cd)激光器。在激光器品种方面值得指出的是，由于固体激光器和非线性光学技术的成熟，使得全固态的激光器集中了输出近红外、可见和紫外波长的能力，它挤掉了许多离子激光器和准分子激光器市场；射频激励的封离型CO2激光器因其寿命长达数万小时，光束质量几乎为高斯光束，即M2=1。因而挤掉了传统的封离型、低气压CO2激光市场，但是，迄今射频激励CO2激光器的销售价格仍然太高，故使得封离型低气压CO2激光器仍以其低廉的价格(为10000元/50W)以年产数千根的产量活跃于激光市场。显然，这方面的市场正在翘首盼望价格远低于射频管，而仅仅稍高于传统型，性能近乎射频型的TECO2激光器的诞生；众所周知LD已挤掉了许多He-Ne激光器市场，然而，低廉的短波He-Ne激光器又开辟出新的市场空间；全固态白光激光器(含OPO可调谐激光器)已经和正在取代许多染料和He-Cd激光器的市场；全固态激光器短波激光的能力是它可能挤向造价昂贵、光束质量不太好的准分子激光器的市场；此外，研究了很多年的x激光和自由电子激光方面还未见到其市场分量。


　　作为非LD三大市场的年销售情况列于表7。在材料处理方面的市场包含了各种类型的金属处理，例如，焊接、切割、淬火、钻孔；半导体和微电子制造，如，制版、检测、控制、缺点分析、修补、打微孔；各种材料(塑料、金属、硅等)的标刻；其他类型材料处理，如快速制模、小件制作、微孔板、浮雕全息和光栅制作。科研方面包含基础研究和发展研究，例如，激光核聚变，强光或强场物理、超短脉冲和激光光谱学等范围广泛的应用市场。医疗方面的市场还包含激光细胞学和激光生物医学等方面，但这些也可被划入科学研究方面的市场。其他几方面的非LD市场年销售情况归列于表8。根据国际战略方向指导(SDI)顾问MICHACL TICE所提到的信息称，激光在仪器制造方面的市场主要在于生命科学仪器，例如：流动细胞仪、DNA序列仪、微小列阵扫描仪等等。在与激光相关的仪器方面Ar+激光器已逐步为固体蓝色激光器所取代。蓝激光是生物仪器中常用的荧光激发光源，荧光是DNA、蛋白质或其他生物分子的重要标识。在检测和控制方面的市场中，激光能够满足微电子和光电子电路制造中所提出的高精度要求，正是这一亮点推动了激光的销售额。其典型项目如：共焦激光正好适合于标测制造印刷电路的半导体晶片的刻线和蒙版，该项目中的激光波长为266mm或Ar+激光的谐波257mm。如上文指出过，短波激光在这方面的需求还在增长之中。图象记录方面的激光产品主要有：桌面打印机、FAX机、图象记录仪、商用色彩分离仪、MRI/CT/雷达/卫星观测仪等的转出设备。这方面的激光辐射波长含有830nm和400nm，2003年富士公司推出使用30mW作为光源的光敏片，紫外激光在新闻报纸上的市场也很好。2003年商业印刷方面对激光(含LD和LED)的要求增加了73%。在娱乐和显示方面的市场，较为成功的公司LASERIST称激光主要用于互补色技术的广告业，如激光多媒体技术设备。其他应用方面的市场还有很多项目，举例说，民航飞机上安装的激光仪器可以通过自废除探测器以驱离突然袭来的导弹。在安全防护和环保方面更多的投资已倾注于陆海空的光敏器，例如光雷达等项目。Ⅲ.国际行家看中国的激光光电子市场


　　LASER FOCUS WORLD报导称亚洲的激光光电子市场的热点在中国，基于中国经济在近年来的迅速增长，1989-2002年间平均GDP增长值为9.3%，2002年达到近8万亿人民币；2002年美国在中国的投资增加到527亿美元。该报导认为，目前，中国是激光和光电子产品最有潜力的市场。SEVERAK元件公司已把其大部分的制造和装配业务迁往中国。SPECTRA-PHYSICS公司已于1984年在北京设立了代表处处理该公司的销售和售后服务工作，并在上海开设了分部专门负责激光工业方面的市场，此外，还在深圳建立制造工厂以求降低元件制造费用。又据报导，用作LASER POINTER等低端可见光LD产品，几乎集中在中国制造。中国市场上正在大力发展LD泵浦的固体激光器，主要应用于娱乐和显示技术设备以满足俱乐部、迪斯科舞厅和公园等场所的需求。全固态红、绿、蓝激光正在发展RGB影视市场。据本杂志2003年初报导，2002年国内激光产品年销售额近人民币28亿元。其实，这个数字并不完全。总而言之，以中国新生的经济背景、众多的技术人员作后盾、结合适当的引进、努力发展自立技术和增强配套产品，中国的激光光电子产业将会更受世人的瞩目。Ⅳ.激光市场中的一些现象评释1.计划经济模式影响下的市场现象.


　　众所周知，中国的激光光电子行业一直是在计划经济模式下发展起来的，即使在开放后，计划模式的影响仍然是主流。这种状况下伴随有典型的市场现象就必然存在。例如，大投入少产品；1个单位就像一只小麻雀五脏俱全，光机电等一应配套，其实这是狭义的小配套，不是大的社会配套，效率极低的配套；垄断性极强，离市场化的要求很远。中国在加入WTO前后，已有许多先躯者深深认识到在当今全球化的市场里，为了求得发展就必须努力挖掘技术潜力，培育技术队伍发展自主技术，发展高效率的社会配套。生产适销产品，从市场回报中去获得发展的真正动力。2.过度炒作


　　作为具有高度垄断性和极低效率的完全计划经济模式的另一个极端现象就是过度市场化炒作。近年来科技队伍中的许多人士，心情十分浮躁，社会上很多人被引导到这样的一个概念，即“科学”是最能赚钱的工具，往往看中的是消费科学而不是科学本身，他们想的是赚钱的技巧，而不是需要付出长期艰苦努力的去“发现”、“创造”、“设计”和“制造”…一开课题就巴不得很快市场化，于是乎掀起了高科技市场风：高科技股。甚至那些风马牛不相关的上


　　市公司也得挂上什么“高科技概念”，有了“概念”就能圈钱，其风把许多科技工作者的头脑吹得更加飘飘然，哪还有心去开发真正的高科产品。记忆忧新的鉴定和评级风，一评就写上达到国际先进水平、国内领先；一评级就有人忙着搞关系，弄得级别主要源于人事关系，让这种风在科技界中吹所造成的破坏性很大。只要心平气和地想想，哪种高科技产品不是经过艰苦的智慧投入、甚至是长期孜孜不倦的投入得来的，高科技产品在成为产品之前几乎都会经历漫长的原理概念-原型设计-试验和改进-中试产品阶段之后再转为寻找扩大产量，低成本而且易于操作的生产流程。3.买技术


　　浮躁之后，又会走向的一个极端就是纯粹的买技术。其行为是不自己开发，看准了有市场价值的产品就去购买。虽然，适当的购买或引进技术专利不失为市场活动中的一个正常的行为。但主流以买技术为主就是另一回事了，因为众所周知的缘故，这种路线很容易造成买了又买，不断的买和引进。而且大家都买会造成投资还未收回，同档产品市场很快饱和，高端市场又都缺货。集中些力量发展技术产权，发展自己的品种才是出路。4.非标准产品


　　在参与科研的岁月里，科技工作者求人是最常见的事，由于开设课题总是新的，要用的设备零件通常是非标准产品，常常因此到有能力提供的公司求助，但购货量少，常常不受公司们的供销科、技术科或中试室的欢迎。其实，国际上许多高科技单位对这类非标准产品的需求十分重视，因为这个市场确实不小，而且利润率相当高，其收益不可忽视，甚至于可以部分地资助本单位开发新品的能力。常有许多国际高科公司在产品目录中罗列某些产品可以按客户要求供货的，而且价格和供货期也相当合理。5.一竿子到底的开发


　　浮躁思想指导的一种开发产品现象会表现为一揽子开发现象，即从开题研究、试制、生产都包揽在自己手中。国际上常见的开发路子是分工合作的。因为一项高科技产品的开始构思、设计和原型实验往往出现于有相关专业的高等学府，公司往往投资购买有价值的原型试验思路、专利数据和资料，进而在自设的开发和发展试验室内加以培植发展再推向试制和投产。国际上，有些高科技单位很重视高科技的中间产品及其衍生品，常有高科技公司把在研制或供货过程中附带生产的部件作为存货列入可供选购目录，这既利人又利己，然而，这种情况在中国市场上并不多见。6.短命的市场热点


　　如上文所述，浮躁的心理可以让某高科技产品很快炒到人人皆知，就像激光笔和紫外LED一样，本是很有价值的高科技产品，由于过快的炒作使每只价格从数百元降到数元。降价当然让使用者高兴，然而，这样的市场寿命也就大大缩短了。也许，许多开发者未收回投资之前就要倒闭了，这对发展高科技产品是喜是忧呢？7.挂名


　　一些单位往往热衷于拉某些人挂上一个名，以为这样可以增加产品知名度。其实，同行们清楚，搞高科技产品更应当具有一支优秀的富有实践经验、踏实能干的人才队伍才能出真货。


　　参考文献1. F.Norris,“Bloom is on the Economy,”The New York Times (Nov.8,2003)2.“A flood of red ink,”The Economist (Nov.6,2003).3. W.New,“Some homland security activities remain unfounded.”Government Executive Magazine (Nov. 10, 2003)4. K. Kincade,“Bookham to buy New Focus, Ignis,: Optoelectronics Report (Oct. 1, 2003).5. C. Holton, Laser Focus World 39(9) 55 (September 2003).6. K. Kincade, Laser Focus World 39(6) 91 (June 2003).7. D. Zhuang Laser E-oproducts in China ,International workshop on opto-Electronis, Hanoi,Dec.26-28,2003.8.Kathy Kincade, Stephen Anderson, laser Focus world 40(1) (January 2004)


　　*第一作者庄斗南，教授


　　1964年毕业于中山大学物理系物理专业光学专门化进入中科院上海光机所。先后参加过的主要科研项目：激光工作物质光谱参数测量、10 GWCO2激光系统、1-4TW钕玻璃激光系统和自补偿高功率卡计等；主持过的科研项目:中国首台TEA、电子束CO2激光器、色心晶体锁模激光器、CLUSTER UV激、多种混合激光器、高次谐波激光、DN电极结构TE激光器和OPO等等。1986年起，先后参加了加拿大滑铁卢大学、美国普林斯顿大学、德国凯萨斯劳滕大学、曼谷KMUTT、越南国家高科技中心等多项激光光谱和激光的国际合作项目。




文章关键词： 脉冲