1. Przegląd branży laserowej
(1) Wprowadzenie do lasera
Laser (wzmocnienie światła przez wymuszoną emisję promieniowania, w skrócie LASER) to skolimowana, monochromatyczna, spójna, kierunkowa wiązka światła wytwarzana przez wzmocnienie promieniowania świetlnego o wąskiej częstotliwości poprzez rezonans i promieniowanie ze wzbudzonym sprzężeniem zwrotnym.
Technologia laserowa powstała na początku lat 60. XX wieku, a ze względu na swój zupełnie odmienny charakter od zwykłego światła, laser wkrótce stał się szeroko stosowany w różnych dziedzinach i wywarł głęboki wpływ na rozwój i transformację nauki, technologii, gospodarki i społeczeństwa.
Narodziny lasera radykalnie zmieniły oblicze starożytnej optyki, rozszerzając klasyczną fizykę optyczną w nową, zaawansowaną technologicznie dyscyplinę, która obejmuje zarówno klasyczną optykę, jak i nowoczesną fotonikę, wnosząc niezastąpiony wkład w rozwój ludzkiej gospodarki i społeczeństwa. Badania nad fizyką laserów przyczyniły się do rozkwitu dwóch głównych gałęzi współczesnej fizyki fotonicznej: fotoniki energetycznej i fotoniki informacyjnej. Obejmuje optykę nieliniową, optykę kwantową, informatykę kwantową, wykrywanie i komunikację laserową, fizykę plazmy laserowej, chemię laserów, biologię laserową, medycynę laserową, ultraprecyzyjną spektroskopię laserową i metrologię, laserową fizykę atomową, w tym chłodzenie laserowe i badania materii skondensowanej Bosego-Einsteina , laserowe materiały funkcjonalne, produkcja laserowa, laserowa produkcja mikrooptoelektronicznych chipów, laserowy druk 3D i ponad 20 międzynarodowych pionierskich dyscyplin i zastosowań technologicznych. Wydział Nauki i Technologii Laserowej (DSL) został utworzony w następujących obszarach.
W branży produkcji laserów świat wkroczył w erę „produkcji lekkiej”. Według międzynarodowych statystyk branży laserowej 50% rocznego PKB Stanów Zjednoczonych1 jest związane z szybką ekspansją rynku zaawansowanych zastosowań laserowych. Kilka krajów rozwiniętych, reprezentowanych przez Stany Zjednoczone, Niemcy i Japonię, zasadniczo zakończyło proces zastępowania tradycyjnych procesów obróbką laserową w głównych gałęziach przemysłu wytwórczego, takich jak motoryzacja i lotnictwo. Laser w produkcji przemysłowej wykazał ogromny potencjał w zakresie tanich, wysokiej jakości, wysokowydajnych i specjalnych zastosowań produkcyjnych, których nie można osiągnąć w przypadku konwencjonalnej produkcji, i stał się ważnym czynnikiem napędzającym konkurencję i innowacje wśród głównych krajów uprzemysłowionych na świecie. Kraje aktywnie wspierają technologię laserową jako jedną z najważniejszych, najnowocześniejszych technologii i opracowały krajowe plany rozwoju branży laserowej.
(2)LaserŹródło Pzasada
Laser to urządzenie wykorzystujące promieniowanie wzbudzone do wytwarzania światła widzialnego lub niewidzialnego, o złożonej budowie i wysokich barierach technicznych. Układ optyczny składa się głównie ze źródła pompy (źródła wzbudzenia), ośrodka wzmacniającego (substancji roboczej) i wnęki rezonansowej oraz innych materiałów na urządzenia optyczne. Ośrodek wzmacniający jest źródłem generacji fotonów i absorbując energię generowaną przez źródło pompy, ośrodek wzmacniający przeskakuje ze stanu podstawowego do stanu wzbudzonego. Ponieważ stan wzbudzony jest niestabilny, w tym momencie ośrodek wzmacniający uwolni energię, aby powrócić do stanu ustalonego stanu podstawowego. W tym procesie uwalniania energii ośrodek wzmacniający wytwarza fotony, a fotony te mają wysoki stopień spójności pod względem energii, długości fali i kierunku, są stale odbijane w optycznej wnęce rezonansowej, ruchu posuwisto-zwrotnym, aby w sposób ciągły wzmacniać i ostatecznie wystrzelić laser przez reflektor, aby utworzyć wiązkę laserową. Jako podstawowy układ optyczny urządzenia końcowego, wydajność lasera często bezpośrednio determinuje jakość i moc wiązki wyjściowej urządzenia laserowego, jest podstawowym elementem końcowego urządzenia laserowego.
Źródło pompy (źródło wzbudzenia) zapewnia wzbudzenie energii ośrodka wzmacniającego. Ośrodek wzmacniający jest wzbudzany w celu wytworzenia fotonów generujących i wzmacniających laser. Wnęka rezonansowa to miejsce, w którym reguluje się charakterystykę fotonu (częstotliwość, fazę i kierunek działania) w celu uzyskania wysokiej jakości wyjściowego źródła światła poprzez kontrolowanie oscylacji fotonów we wnęce. Źródło pompy (źródło wzbudzenia) zapewnia wzbudzenie energii dla ośrodka wzmacniającego. Ośrodek wzmacniający jest wzbudzany w celu wytworzenia fotonów generujących i wzmacniających laser. Wnęka rezonansowa to miejsce, w którym dostosowuje się charakterystykę fotonu (częstotliwość, fazę i kierunek działania) w celu uzyskania wysokiej jakości wyjściowego źródła światła poprzez kontrolowanie oscylacji fotonów we wnęce.
(3)Klasyfikacja źródła laserowego
Źródło lasera można sklasyfikować według ośrodka wzmacniającego, długości fali wyjściowej, trybu pracy i trybu pompowania w następujący sposób
① Klasyfikacja według medium wzmacniającego
Według różnych mediów wzmacniających, lasery można podzielić na półprzewodnikowe (w tym ciała stałe, półprzewodnikowe, światłowodowe, hybrydowe), lasery cieczowe, lasery gazowe itp.
| LaserŹródłoTyp | Zdobądź multimedia | Główne cechy |
| Źródło lasera półprzewodnikowego | Ciało stałe, półprzewodniki, światłowód, hybryda | Niezła stabilność, duża moc, niskie koszty utrzymania, odpowiednie do industrializacji |
| Ciekłe źródło laserowe | Płyny chemiczne | Opcjonalny hit w zakresie długości fal, ale duży rozmiar i wysokie koszty utrzymania |
| Źródło lasera gazowego | Gazy | Wysokiej jakości źródło światła laserowego, ale o większym rozmiarze i wyższych kosztach konserwacji |
| Źródło lasera na swobodnych elektronach | Wiązka elektronów w określonym polu magnetycznym | Można osiągnąć bardzo wysoką moc i wysoką jakość wyjścia laserowego, ale technologia produkcji i koszty produkcji są bardzo wysokie |
Ze względu na dobrą stabilność, dużą moc i niskie koszty konserwacji, zastosowanie laserów na ciele stałym jest absolutną zaletą.
Wśród laserów na ciele stałym zalety laserów półprzewodnikowych to wysoka wydajność, małe rozmiary, długa żywotność, niskie zużycie energii itp. Z jednej strony mogą być bezpośrednio stosowane jako podstawowe źródło światła i wsparcie w obróbce laserowej, medycynie, komunikacji, wykrywania, wyświetlania, monitorowania i obronności i stały się ważną podstawą rozwoju nowoczesnej technologii laserowej o strategicznym znaczeniu rozwojowym.
Z drugiej strony, lasery półprzewodnikowe mogą być również wykorzystywane jako rdzeń pompujący źródło światła dla innych laserów, takich jak lasery na ciele stałym i lasery światłowodowe, znacznie promując postęp technologiczny całej dziedziny laserów. Wszystkie główne kraje rozwinięte na świecie uwzględniły go w swoich narodowych planach rozwoju, udzielając silnego wsparcia i uzyskując szybki rozwój.
② Zgodnie z metodą pompowania
Lasery można podzielić na pompowane elektrycznie, pompowane optycznie, lasery pompowane chemicznie itp. w zależności od metody pompowania.
Lasery pompowane elektrycznie odnoszą się do laserów wzbudzanych prądem, lasery gazowe są głównie wzbudzane przez wyładowanie gazowe, natomiast lasery półprzewodnikowe są głównie wzbudzane przez wtrysk prądu.
Prawie wszystkie lasery na ciele stałym i lasery cieczowe to lasery z pompą optyczną, a lasery półprzewodnikowe są wykorzystywane jako źródło pompowania rdzenia w laserach z pompą optyczną.
Lasery pompowane chemicznie to lasery, które wykorzystują energię uwalnianą w wyniku reakcji chemicznych do wzbudzania materiału roboczego.
③Klasyfikacja według trybu pracy
Ze względu na sposób działania lasery można podzielić na lasery ciągłe i lasery impulsowe.
Lasery ciągłe charakteryzują się stabilnym rozkładem liczby cząstek na każdym poziomie energii i pola promieniowania we wnęce, a ich działanie charakteryzuje się wzbudzeniem materiału roboczego i odpowiednią mocą lasera w sposób ciągły w długim okresie czasu . Lasery ciągłe mogą emitować światło laserowe w sposób ciągły przez dłuższy czas, ale efekt termiczny jest bardziej oczywisty.
Lasery impulsowe odnoszą się do czasu, w którym moc lasera utrzymuje się na określonej wartości, a światło lasera jest emitowane w sposób nieciągły, a główną cechą charakterystyczną jest mały efekt termiczny i dobra sterowalność.
④ Klasyfikacja według długości fali wyjściowej
Lasery można sklasyfikować według długości fali jako lasery podczerwone, lasery widzialne, lasery ultrafioletowe, lasery głębokiego ultrafioletu i tak dalej. Zakres długości fali światła, które może zostać pochłonięte przez różne materiały strukturalne, jest inny, dlatego do dokładnej obróbki różnych materiałów lub do różnych scenariuszy zastosowań potrzebne są lasery o różnych długościach fal.Lasery na podczerwień i lasery UV to dwa najczęściej stosowane lasery. Lasery na podczerwień są stosowane głównie w „obróbce termicznej”, podczas której materiał na powierzchni materiału jest podgrzewany i odparowywany (odparowywany) w celu usunięcia materiału; w obróbce cienkowarstwowych materiałów niemetalowych, cięciu płytek półprzewodnikowych, cięciu szkła organicznego, wierceniu, znakowaniu i innych dziedzinach, wysoka energia W zakresie obróbki cienkowarstwowych materiałów niemetalowych, cięciu płytek półprzewodnikowych, cięciu szkła organicznego, wierceniu, znakowaniu, itp., fotony UV o wysokiej energii bezpośrednio rozrywają wiązania molekularne na powierzchni materiałów niemetalicznych, dzięki czemu cząsteczki można oddzielić od obiektu, a ta metoda nie powoduje reakcji wysokiej temperatury, dlatego zwykle nazywa się ją „zimną” przetwarzanie".
Ze względu na wysoką energię fotonów UV trudno jest wygenerować pewien ciągły laser UV o dużej mocy za pomocą zewnętrznego źródła wzbudzenia, dlatego laser UV jest zazwyczaj generowany przez zastosowanie metody konwersji częstotliwości z efektem nieliniowym materiału krystalicznego, dlatego prąd jest szeroko stosowany Przemysłową dziedziną laserów UV są głównie lasery UV na ciele stałym.
(4) Łańcuch branżowy
Początkiem łańcucha przemysłowego jest wykorzystanie surowców półprzewodnikowych, wysokiej klasy sprzętu i powiązanych akcesoriów produkcyjnych do produkcji rdzeni laserowych i urządzeń optoelektronicznych, co jest kamieniem węgielnym przemysłu laserowego i ma wysoki próg dostępu. Środkowym nurtem łańcucha przemysłowego jest wykorzystanie wcześniejszych chipów laserowych i urządzeń optoelektronicznych, modułów, komponentów optycznych itp. jako źródeł pomp do produkcji i sprzedaży różnych laserów, w tym bezpośrednich laserów półprzewodnikowych, laserów na dwutlenku węgla, laserów na ciele stałym, lasery światłowodowe itp.; przemysł downstream odnosi się głównie do obszarów zastosowań różnych laserów, w tym przemysłowych urządzeń do przetwarzania, LIDAR, komunikacji optycznej, medycyny kosmetycznej i innych branż zastosowań
①Dostawcy wyższego szczebla
Surowcami do produktów wyższego szczebla, takich jak półprzewodnikowe chipy, urządzenia i moduły laserowe, są głównie różne materiały chipowe, materiały włókniste i części obrabiane, w tym podłoża, radiatory, chemikalia i zestawy obudów. Przetwarzanie chipów wymaga wysokiej jakości i wydajności surowców wyjściowych, głównie od dostawców zagranicznych, ale stopień lokalizacji stopniowo wzrasta i stopniowo osiąga niezależną kontrolę. Wydajność głównych surowców wyższego szczebla ma bezpośredni wpływ na jakość półprzewodnikowych chipów laserowych, przy ciągłej poprawie wydajności różnych materiałów chipowych, aby poprawić wydajność produktów branżowych, odgrywają one pozytywną rolę w promowaniu.
②Łańcuch przemysłu średniego szczebla
Półprzewodnikowy chip laserowy jest źródłem światła pompy rdzeniowej różnych typów laserów w środkowym łańcuchu przemysłowym i odgrywa pozytywną rolę w promowaniu rozwoju laserów średniego strumienia. W dziedzinie laserów średniego strumienia dominują Stany Zjednoczone, Niemcy i inne przedsiębiorstwa zagraniczne, ale po szybkim rozwoju krajowego przemysłu laserowego w ostatnich latach, rynek średniego łańcucha przemysłu osiągnął szybką substytucję krajową.
③Łańcuch przemysłowy na niższym szczeblu łańcucha dostaw
Przemysł niższego szczebla odgrywa większą rolę w promowaniu rozwoju przemysłu, więc rozwój przemysłu niższego szczebla będzie miał bezpośredni wpływ na przestrzeń rynkową tego przemysłu. Ciągły rozwój gospodarki Chin oraz pojawienie się strategicznych możliwości transformacji gospodarczej stworzyły lepsze warunki rozwojowe dla rozwoju tej branży. Chiny przechodzą z kraju produkcyjnego do potęgi produkcyjnej, a lasery i sprzęt laserowy na dalszych etapach łańcucha dostaw są jednym z kluczy do unowocześnienia przemysłu produkcyjnego, który zapewnia dobre warunki popytowe dla długoterminowego doskonalenia tej branży. Wymagania przemysłu downstream dotyczące wskaźnika wydajności półprzewodnikowych chipów laserowych i ich urządzeń rosną, a krajowe przedsiębiorstwa stopniowo wkraczają na rynek laserów dużej mocy z rynku laserów małej mocy, dlatego przemysł musi stale zwiększać inwestycje w dziedzinie badań technologicznych i rozwoju oraz niezależnych innowacji.
2. Stan rozwoju branży laserów półprzewodnikowych
Lasery półprzewodnikowe charakteryzują się najlepszą wydajnością konwersji energii spośród wszystkich rodzajów laserów, z jednej strony mogą być stosowane jako źródło pompy rdzeniowej w laserach światłowodowych, laserach na ciele stałym i innych laserach z pompą optyczną. Z drugiej strony, wraz z ciągłym przełomem w technologii laserów półprzewodnikowych pod względem wydajności energetycznej, jasności, żywotności, wielu długości fali, szybkości modulacji itp., lasery półprzewodnikowe są szeroko stosowane w obróbce materiałów, medycynie, komunikacji optycznej, wykrywaniu optycznym, obronność itp. Według Laser Focus World całkowite globalne przychody z laserów diodowych, tj. laserów półprzewodnikowych i laserów niediodowych, szacuje się na 18 480 mln dolarów w 2021 r., przy czym lasery półprzewodnikowe będą stanowić 43% całkowitych przychodów.
Według Laser Focus World światowy rynek laserów półprzewodnikowych w 2020 r. osiągnie wartość 6 724 mln dolarów, co oznacza wzrost o 14,20% w porównaniu z rokiem poprzednim. Wraz z rozwojem globalnej inteligencji, rosnącym zapotrzebowaniem na lasery w inteligentnych urządzeniach, elektronice użytkowej, nowej energii i innych dziedzinach, a także ciągłym rozwojem sprzętu medycznego, kosmetycznego i innych pojawiających się zastosowań, lasery półprzewodnikowe mogą być wykorzystywane jako źródło pompy dla laserów z pompą optyczną, a wielkość rynku będzie w dalszym ciągu utrzymywać stabilny wzrost. Wielkość globalnego rynku laserów półprzewodnikowych w 2021 r. wyniesie 7,946 miliarda dolarów, tempo wzrostu rynku wyniesie 18,18%.
Dzięki wspólnym wysiłkom ekspertów technicznych oraz przedsiębiorstw i praktyków chiński przemysł laserów półprzewodnikowych osiągnął niezwykły rozwój, dzięki czemu chiński przemysł laserów półprzewodnikowych doświadczył tego procesu od podstaw i dał początek prototypowi chińskiego przemysłu laserów półprzewodnikowych. W ostatnich latach Chiny zwiększyły rozwój przemysłu laserowego, a różne regiony poświęcono badaniom naukowym, ulepszaniu technologii, rozwojowi rynku i budowie laserowych parków przemysłowych pod przewodnictwem rządu i współpracy przedsiębiorstw laserowych.
3. Przyszły trend rozwojowy chińskiego przemysłu laserowego
W porównaniu z krajami rozwiniętymi w Europie i Stanach Zjednoczonych, chińska technologia laserowa nie jest spóźniona, ale w stosowaniu technologii laserowej i wysokiej klasy technologii rdzeniowej nadal istnieje znaczna luka, zwłaszcza układ lasera półprzewodnikowego wyższego szczebla i inne podstawowe komponenty są nadal uzależniona od importu.
Kraje rozwinięte, reprezentowane przez Stany Zjednoczone, Niemcy i Japonię, w zasadzie zakończyły wymianę tradycyjnych technologii produkcyjnych w niektórych dużych dziedzinach przemysłu i weszły w erę „produkcji lekkiej”; chociaż rozwój zastosowań laserowych w Chinach jest szybki, ale stopień penetracji zastosowań jest nadal stosunkowo niski. Jako podstawowa technologia modernizacji przemysłowej, przemysł laserowy pozostanie kluczowym obszarem wsparcia krajowego i będzie nadal rozszerzać zakres zastosowania, a ostatecznie promować chiński przemysł produkcyjny do ery „produkcji lekkiej”. Z obecnej sytuacji rozwojowej rozwój chińskiego przemysłu laserowego wykazuje następujące trendy rozwojowe.
(1) Półprzewodnikowy chip laserowy i inne podstawowe komponenty stopniowo realizują lokalizację
Weźmy na przykład laser światłowodowy. Źródło pompy lasera światłowodowego o dużej mocy jest głównym obszarem zastosowania lasera półprzewodnikowego, chip i moduł lasera półprzewodnikowego dużej mocy jest ważnym elementem lasera światłowodowego. W ostatnich latach chińska branża laserów światłowodowych znajduje się w fazie szybkiego wzrostu, a stopień lokalizacji rośnie z roku na rok.
Pod względem penetracji rynku, na rynku laserów światłowodowych małej mocy, udział w rynku laserów krajowych w 2019 roku osiągnął poziom 99,01%; na rynku laserów światłowodowych średniej mocy wskaźnik penetracji laserów krajowych utrzymuje się w ostatnich latach na poziomie ponad 50%; Proces lokalizacji laserów światłowodowych dużej mocy również stopniowo postępuje, od 2013 do 2019 roku, aby osiągnąć „od zera”. Proces lokalizacji laserów światłowodowych dużej mocy również stopniowo postępuje, od 2013 do 2019 roku i osiągnął wskaźnik penetracji na poziomie 55,56%, a oczekuje się, że krajowy wskaźnik penetracji laserów światłowodowych dużej mocy wyniesie 57,58% w 2020 roku.
Jednak podstawowe komponenty, takie jak półprzewodnikowe chipy laserowe dużej mocy, są w dalszym ciągu zależne od importu, a komponenty wyższego szczebla laserów z półprzewodnikowymi chipami laserowymi jako rdzeniem są stopniowo lokalizowane, co z jednej strony poprawia skalę rynkową komponentów wyższego szczebla z drugiej strony, dzięki lokalizacji głównych komponentów wydobywczych, może poprawić zdolność krajowych producentów laserów do udziału w międzynarodowej konkurencji.
(2) Aplikacje laserowe penetrują szybciej i szerzej
Wraz ze stopniową lokalizacją głównych komponentów optoelektronicznych i stopniowym spadkiem kosztów stosowania laserów, lasery będą penetrować głębiej w wielu gałęziach przemysłu.
Z jednej strony w przypadku Chin obróbka laserowa mieści się również w dziesięciu najważniejszych obszarach zastosowań chińskiego przemysłu produkcyjnego i oczekuje się, że w przyszłości obszary zastosowań obróbki laserowej będą dalej rozszerzane, a skala rynku będzie jeszcze większa. Z drugiej strony, wraz z ciągłą popularyzacją i rozwojem technologii, takich jak autonomiczny system jazdy, zaawansowany system wspomagania jazdy, robot zorientowany na usługi, wykrywanie 3D itp., będzie on częściej stosowany w wielu dziedzinach, takich jak motoryzacja, sztuczna inteligencja, elektronika użytkowa , rozpoznawanie twarzy, komunikacja optyczna i badania nad obronnością narodową. Jako podstawowe urządzenie lub element powyższych zastosowań laserowych, laser półprzewodnikowy również zyska przestrzeń szybkiego rozwoju.
(3) Większa moc, lepsza jakość wiązki, krótsza długość fali i szybszy rozwój kierunku częstotliwości
W dziedzinie laserów przemysłowych, od czasu ich wprowadzenia, lasery światłowodowe poczyniły ogromny postęp pod względem mocy wyjściowej, jakości wiązki i jasności. Jednakże wyższa moc może poprawić prędkość przetwarzania, zoptymalizować jakość przetwarzania i rozszerzyć pole przetwarzania na produkcję przemysłu ciężkiego, produkcję samochodów, produkcję lotniczą, energię, produkcję maszyn, metalurgię, budownictwo transportu kolejowego, badania naukowe i inne obszary zastosowań w cięciu , spawanie, obróbka powierzchni itp., wymagania dotyczące mocy lasera światłowodowego stale rosną. Odpowiedni producenci urządzeń muszą stale poprawiać wydajność podstawowych urządzeń (takich jak półprzewodnikowy układ laserowy dużej mocy i włókno wzmacniające), zwiększenie mocy lasera światłowodowego wymaga również zaawansowanej technologii modulacji laserowej, takiej jak łączenie wiązek i synteza mocy, co przyniesie nowe wymagania oraz wyzwania stojące przed producentami półprzewodnikowych chipów laserowych dużej mocy. Ponadto krótsze długości fal, więcej długości fal, szybszy (ultraszybki) rozwój laserów to także ważny kierunek, stosowany głównie w chipach obwodów scalonych, wyświetlaczach, elektronice użytkowej, przemyśle lotniczym i innych precyzyjnych mikroprocesorach, a także w naukach przyrodniczych, medycynie, wykrywaniu i innych pól, półprzewodnikowy chip laserowy również stawia nowe wymagania.
(4) zapotrzebowanie na laserowe komponenty optoelektroniczne dużej mocy wymaga dalszego wzrostu
Rozwój i industrializacja lasera światłowodowego dużej mocy jest wynikiem synergistycznego postępu łańcucha przemysłowego, który wymaga wsparcia podstawowych komponentów optoelektronicznych, takich jak źródło pompy, izolator, koncentrator wiązki itp. Komponenty optoelektroniczne stosowane w urządzeniach dużej mocy Laser światłowodowy stanowi podstawę i kluczowe elementy jego rozwoju i produkcji, a rozwijający się rynek laserów światłowodowych dużej mocy napędza również zapotrzebowanie rynku na podstawowe komponenty, takie jak chipy lasera półprzewodnikowego dużej mocy. Jednocześnie, wraz z ciągłym doskonaleniem krajowej technologii laserów światłowodowych, substytucja importu stała się nieuniknionym trendem, udział laserów w rynku na świecie będzie w dalszym ciągu wzrastał, co również stwarza ogromne możliwości dla lokalnej siły producentów komponentów optoelektronicznych.
Czas publikacji: 07 marca 2023 r
