1. Przegląd branży laserowej
(1) Wprowadzenie do lasera
Laser (ang. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, w skrócie LASER) to skolimowana, monochromatyczna, spójna, kierunkowa wiązka światła wytwarzana przez wzmocnienie promieniowania świetlnego o wąskiej częstotliwości poprzez wzbudzony rezonans sprzężenia zwrotnego i promieniowanie.
Technologia laserowa narodziła się na początku lat 60. XX wieku i ze względu na swoją odmienną naturę od zwykłego światła, lasery wkrótce znalazły szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach, wywierając ogromny 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, obejmującą zarówno optykę klasyczną, jak i nowoczesną fotonikę, wnosząc niezastąpiony wkład w rozwój gospodarki i społeczeństwa. Badania fizyki laserów przyczyniły się do rozwoju dwóch głównych gałęzi współczesnej fizyki fotonicznej: fotoniki energetycznej i fotoniki informacyjnej. Obejmują one optykę nieliniową, optykę kwantową, obliczenia kwantowe, czujniki laserowe i komunikację, fizykę plazmy laserowej, chemię laserów, biologię laserową, medycynę laserową, ultraprecyzyjną spektroskopię laserową i metrologię, fizykę atomową laserów, w tym chłodzenie laserowe i badania nad materią skondensowaną Bosego-Einsteina, materiały funkcjonalne laserów, wytwarzanie laserów, wytwarzanie laserowych mikro-optoelektronicznych układów scalonych, laserowy druk 3D oraz ponad 20 międzynarodowych, pionierskich dyscyplin i zastosowań technologicznych. Wydział Nauki i Technologii Laserowych (DSL) został utworzony w następujących obszarach:
W branży produkcji laserowej świat wkroczył w erę „produkcji lekkiej”. Według międzynarodowych statystyk dotyczących tego sektora, 50% rocznego PKB Stanów Zjednoczonych1 jest związane z szybką ekspansją rynku zastosowań laserów wysokiego poziomu. Kilka krajów rozwiniętych, reprezentowanych przez Stany Zjednoczone, Niemcy i Japonię, zasadniczo zakończyło proces zastępowania tradycyjnych procesów obróbką laserową w głównych gałęziach przemysłu, takich jak motoryzacja i lotnictwo. Laser w produkcji przemysłowej wykazał ogromny potencjał w zakresie tanich, wysokiej jakości, wysokowydajnych i specjalistycznych zastosowań produkcyjnych, niemożliwych do osiągnięcia w przypadku produkcji konwencjonalnej, i stał się ważnym motorem napędowym konkurencji i innowacji wśród czołowych krajów uprzemysłowionych świata. Kraje aktywnie wspierają technologię laserową jako jedną z najważniejszych, najnowocześniejszych technologii i opracowały krajowe plany rozwoju przemysłu laserowego.
(2)LaserŹródło Principle
Laser to urządzenie wykorzystujące promieniowanie wzbudzone do wytwarzania światła widzialnego lub niewidzialnego, o złożonej strukturze i wysokich barierach technicznych. Układ optyczny składa się głównie ze źródła pompującego (źródła wzbudzenia), ośrodka wzmocnienia (substancji roboczej) oraz wnęki rezonansowej i innych materiałów, z których zbudowane są urządzenia optyczne. Ośrodek wzmocnienia jest źródłem generacji fotonów, a absorbując energię generowaną przez źródło pompujące, ośrodek wzmocnienia przechodzi ze stanu podstawowego do wzbudzonego. Ponieważ stan wzbudzony jest niestabilny, w tym momencie ośrodek wzmocnienia uwalnia energię, aby powrócić do stanu stacjonarnego stanu podstawowego. W tym procesie uwalniania energii ośrodek wzmocnienia wytwarza fotony, które charakteryzują się dużą spójnością energii, długości fali i kierunku. Są one stale odbijane w optycznej wnęce rezonansowej, poruszając się wzajemnie, aby stale się wzmacniać i ostatecznie wystrzelić laser przez reflektor, tworząc wiązkę laserową. Jako rdzeń układu optycznego urządzenia końcowego, wydajność lasera często bezpośrednio decyduje o jakości i mocy wiązki wyjściowej urządzenia laserowego, co jest jego kluczowym elementem.
Źródło pompujące (źródło wzbudzenia) dostarcza energię do ośrodka wzmocnienia. Ośrodek wzmocnienia jest wzbudzany w celu wytworzenia fotonów, które generują i wzmacniają laser. Wnęka rezonansowa to miejsce, w którym charakterystyki fotonów (częstotliwość, faza i kierunek działania) są regulowane w celu uzyskania wysokiej jakości wyjściowego źródła światła poprzez kontrolowanie oscylacji fotonów we wnęce. Źródło pompujące (źródło wzbudzenia) dostarcza energię do ośrodka wzmocnienia. Ośrodek wzmocnienia jest wzbudzany w celu wytworzenia fotonów, które generują i wzmacniają laser. Wnęka rezonansowa to miejsce, w którym charakterystyki fotonów (częstotliwość, faza i kierunek działania) są regulowane w celu uzyskania wysokiej jakości wyjściowego źródła światła poprzez kontrolowanie oscylacji fotonów we wnęce.
(3)Klasyfikacja źródeł laserowych
Źródła laserowe można klasyfikować według ośrodka wzmocnienia, długości fali wyjściowej, trybu pracy i trybu pompowania w następujący sposób:
① Klasyfikacja według ośrodka wzmocnienia
Ze względu na rodzaj ośrodka wzmocnienia lasery można podzielić na lasery półprzewodnikowe (w tym lasery stałe, półprzewodnikowe, światłowodowe, hybrydowe), lasery cieczowe, lasery gazowe itd.
| LaserŹródłoTyp | Zdobądź media | Główne cechy |
| Źródło lasera półprzewodnikowego | Ciała stałe, półprzewodniki, światłowody, hybrydy | Dobra stabilność, duża moc, niskie koszty utrzymania, nadaje się do zastosowań przemysłowych |
| Źródło lasera ciekłego | Ciecze chemiczne | Opcjonalny zakres długości fali, ale duży rozmiar i wysokie koszty utrzymania |
| Źródło lasera gazowego | Gazy | Wysokiej jakości źródło światła laserowego, ale większe rozmiary i wyższe koszty konserwacji |
| Źródło lasera na swobodnych elektronach | Wiązka elektronów w określonym polu magnetycznym | Można uzyskać bardzo wysoką moc i jakość lasera, ale technologia produkcji i koszty produkcji są bardzo wysokie |
Ze względu na dobrą stabilność, dużą moc i niskie koszty konserwacji, zastosowanie laserów półprzewodnikowych jest absolutną zaletą.
Wśród laserów półprzewodnikowych lasery półprzewodnikowe charakteryzują się wysoką wydajnością, niewielkimi rozmiarami, długą żywotnością, niskim zużyciem energii itd. Z jednej strony mogą być bezpośrednio stosowane jako główne źródło światła i wsparcie dla przetwarzania laserowego, medycyny, komunikacji, czujników, wyświetlaczy, monitoringu i zastosowań obronnych, a także stały się ważną podstawą rozwoju nowoczesnej technologii laserowej o strategicznym znaczeniu rozwojowym.
Z drugiej strony, lasery półprzewodnikowe mogą być również wykorzystywane jako główne źródło światła pompującego dla innych laserów, takich jak lasery na ciele stałym i lasery światłowodowe, co znacząco stymuluje postęp technologiczny w całej dziedzinie laserów. Wszystkie główne kraje rozwinięte na świecie uwzględniły je w swoich krajowych planach rozwoju, udzielając im silnego wsparcia i zapewniając szybki rozwój.
② Zgodnie z metodą pompowania
Lasery można podzielić na lasery pompowane elektrycznie, optycznie, chemicznie itd., w zależności od metody pompowania.
Lasery pompowane elektrycznie to lasery wzbudzane prądem, lasery gazowe są wzbudzane głównie przez wyładowanie gazu, a lasery półprzewodnikowe są wzbudzane głównie przez wstrzykiwanie prądu.
Prawie wszystkie lasery na ciele stałym i lasery na cieczy są laserami pompującymi optycznie, a lasery półprzewodnikowe są wykorzystywane jako główne źródło pompujące w laserach pompujących optycznie.
Lasery pompowane chemicznie to lasery, które wykorzystują energię uwalnianą w wyniku reakcji chemicznych w celu wzbudzenia 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 energetycznym oraz pola promieniowania w komorze rezonansowej, a ich działanie charakteryzuje się wzbudzeniem materiału roboczego i odpowiadającym mu strumieniem lasera w sposób ciągły przez długi okres czasu. Lasery ciągłe mogą emitować światło laserowe w sposób ciągły przez dłuższy czas, ale efekt termiczny jest bardziej widoczny.
Określenie „lasery impulsowe” odnosi się do czasu, w którym moc lasera jest utrzymywana na określonym poziomie, a światło laserowe jest emitowane w sposób nieciągły. Głównymi cechami laserów impulsowych są niewielki efekt cieplny i dobra sterowalność.
④ Klasyfikacja według długości fali wyjściowej
Lasery można klasyfikować według długości fali na lasery podczerwone, lasery widzialne, lasery ultrafioletowe, lasery głębokiego ultrafioletu itd. Zakres długości fal światła, który może być absorbowany przez różne materiały strukturalne, jest różny, dlatego do precyzyjnej obróbki różnych materiałów lub w różnych scenariuszach zastosowań potrzebne są lasery o różnych długościach fal.Lasery podczerwone i lasery UV to dwa najszerzej stosowane lasery. Lasery podczerwone są wykorzystywane głównie w „obróbce termicznej”, gdzie materiał na powierzchni jest podgrzewany i odparowywany w celu usunięcia; w obróbce cienkich warstw materiałów niemetalicznych, cięciu płytek półprzewodnikowych, cięciu szkła organicznego, wierceniu, znakowaniu i innych dziedzinach, fotony UV o wysokiej energii bezpośrednio rozbijają wiązania molekularne na powierzchni materiałów niemetalicznych, umożliwiając oddzielenie cząsteczek od obiektu. Ta metoda nie generuje wysokiej temperatury reakcji, dlatego jest powszechnie nazywana „obróbką na zimno”.
Ze względu na wysoką energię fotonów UV trudno jest wygenerować ciągły laser UV o dużej mocy za pomocą zewnętrznego źródła wzbudzenia. Dlatego laser UV jest na ogół generowany przez zastosowanie metody konwersji częstotliwości nieliniowego efektu materiału krystalicznego. Z tego powodu obecnie szeroko stosowaną przemysłową dziedziną laserów UV są głównie lasery UV w ciele stałym.
(4) Łańcuch przemysłowy
Pierwszym etapem łańcucha przemysłowego jest wykorzystanie surowców półprzewodnikowych, wysokiej klasy sprzętu i powiązanych akcesoriów produkcyjnych do produkcji rdzeni laserowych i urządzeń optoelektronicznych, co stanowi fundament branży laserowej i charakteryzuje się wysokim progiem dostępu. Drugim etapem łańcucha przemysłowego jest wykorzystanie chipów laserowych i urządzeń optoelektronicznych, modułów, komponentów optycznych itp. jako źródeł pomp do produkcji i sprzedaży różnych laserów, w tym laserów półprzewodnikowych, laserów CO2, laserów na ciele stałym, laserów światłowodowych itp.; drugi etap odnosi się głównie do obszarów zastosowań różnych laserów, w tym urządzeń do przetwarzania przemysłowego, LIDAR-ów, komunikacji optycznej, medycyny estetycznej i innych branż.
①Dostawcy z górnego łańcucha dostaw
Surowce do produkcji półprzewodnikowych układów laserowych, urządzeń i modułów, to głównie różnorodne materiały na układy scalone, materiały światłowodowe oraz elementy obrabiane mechanicznie, w tym podłoża, radiatory, chemikalia i obudowy. Przetwarzanie układów scalonych wymaga wysokiej jakości i wydajności surowców, głównie od dostawców zagranicznych. Stopień ich dostępności stopniowo rośnie, a ich niezależna kontrola jest stopniowo osiągana. Wydajność głównych surowców ma bezpośredni wpływ na jakość półprzewodnikowych układów laserowych, a ciągłe doskonalenie wydajności różnych materiałów na układy scalone, przyczyniając się do poprawy wydajności produktów w branży, odgrywa pozytywną rolę w promocji.
②Łańcuch przemysłowy midstream
Półprzewodnikowy układ laserowy jest głównym źródłem światła w różnych typach laserów w środkowej części łańcucha przemysłowego i odgrywa pozytywną rolę w promowaniu rozwoju laserów w środkowej części łańcucha przemysłowego. W dziedzinie laserów w środkowej części łańcucha przemysłowego dominują Stany Zjednoczone, Niemcy i inne przedsiębiorstwa zagraniczne, ale po dynamicznym rozwoju krajowego przemysłu laserowego w ostatnich latach, rynek w środkowej części łańcucha przemysłowego szybko zastąpił ten segment.
③Łańcuch przemysłowy downstream
Przemysł downstream odgrywa coraz większą rolę w promowaniu rozwoju przemysłu, co bezpośrednio wpływa na jego przestrzeń rynkową. Ciągły wzrost chińskiej gospodarki i pojawienie się strategicznych możliwości transformacji gospodarczej stworzyły lepsze warunki rozwoju dla tego przemysłu. Chiny przekształcają się z kraju produkcyjnego w potęgę produkcyjną, a lasery i urządzenia laserowe downstream stanowią jeden z kluczowych elementów modernizacji przemysłu wytwórczego, co zapewnia korzystne środowisko popytowe dla długoterminowej poprawy tego sektora. Wymagania przemysłu downstream dotyczące wskaźnika wydajności półprzewodnikowych układów laserowych i ich urządzeń rosną, a przedsiębiorstwa krajowe stopniowo wkraczają na rynek laserów dużej mocy z rynku laserów małej mocy. Dlatego przemysł musi stale zwiększać inwestycje w badania i rozwój technologii oraz niezależne innowacje.
2. stan rozwoju przemysłu laserów półprzewodnikowych
Lasery półprzewodnikowe charakteryzują się najwyższą sprawnością konwersji energii spośród wszystkich rodzajów laserów. Z jednej strony mogą być wykorzystywane jako główne źródło pompujące w laserach światłowodowych, laserach na ciele stałym i innych laserach pompujących. Z drugiej strony, dzięki ciągłemu rozwojowi technologii laserów półprzewodnikowych pod względem sprawności energetycznej, jasności, żywotności, wielodługości fali, częstotliwości modulacji itp., lasery półprzewodnikowe są szeroko stosowane w obróbce materiałów, medycynie, komunikacji optycznej, czujnikach optycznych, obronności itp. Według Laser Focus World, całkowite globalne przychody z laserów diodowych, tj. laserów półprzewodnikowych i niediodowych, szacuje się na 18 480 milionów dolarów w 2021 roku, przy czym lasery półprzewodnikowe będą stanowić 43% tych przychodów.
Według Laser Focus World, globalny rynek laserów półprzewodnikowych osiągnie wartość 6724 mln USD w 2020 roku, co stanowi wzrost o 14,20% w porównaniu z rokiem poprzednim. Wraz z rozwojem globalnej inteligencji, rosnącym zapotrzebowaniem na lasery w urządzeniach inteligentnych, elektronice użytkowej, nowych źródłach energii i innych dziedzinach, a także ciągłą ekspansją w medycynie, sprzęcie kosmetycznym i innych nowych zastosowaniach, lasery półprzewodnikowe mogą być wykorzystywane jako źródła pompujące dla optycznych laserów pompujących, a ich wielkość rynku będzie nadal utrzymywać stabilny wzrost. Globalna wartość rynku laserów półprzewodnikowych w 2021 roku wyniosła 7,946 mld USD, a tempo wzrostu rynku wyniosło 18,18%.
Dzięki wspólnym wysiłkom ekspertów technicznych, przedsiębiorstw i praktyków, chiński przemysł laserów półprzewodnikowych osiągnął niezwykły rozwój, dzięki czemu chiński przemysł laserów półprzewodnikowych przeszedł cały proces od podstaw i zapoczątkował rozwój chińskiego przemysłu laserów półprzewodnikowych. W ostatnich latach Chiny zintensyfikowały rozwój przemysłu laserowego, a różne regiony zaangażowały się w badania naukowe, rozwój technologii, rozwój rynku oraz budowę parków przemysłowych laserowych pod kierownictwem rządu i przy współpracy przedsiębiorstw laserowych.
3. Przyszłe trendy rozwoju chińskiego przemysłu laserowego
W porównaniu z rozwiniętymi krajami Europy i Stanami Zjednoczonymi, chińska technologia laserowa nie jest zacofana, ale w zastosowaniu technologii laserowej i zaawansowanej technologii rdzeniowej nadal istnieje znaczna luka, zwłaszcza w przypadku półprzewodnikowych układów scalonych laserowych i innych podstawowych komponentów, które wciąż są uzależnione od importu.
Kraje rozwinięte, reprezentowane przez Stany Zjednoczone, Niemcy i Japonię, zasadniczo zakończyły proces zastępowania tradycyjnych technologii produkcyjnych w niektórych dużych sektorach przemysłu i weszły w erę „lekkiej produkcji”; chociaż rozwój zastosowań laserowych w Chinach jest szybki, wskaźnik penetracji rynku jest nadal stosunkowo niski. Jako kluczowa technologia modernizacji przemysłu, przemysł laserowy będzie nadal kluczowym obszarem wsparcia krajowego i będzie nadal rozszerzał zakres zastosowań, a ostatecznie wprowadzi chiński przemysł wytwórczy w erę „lekkiej produkcji”. Biorąc pod uwagę obecną sytuację, rozwój chińskiego przemysłu laserowego wykazuje następujące trendy.
(1) Układ laserowy półprzewodnikowy i inne główne komponenty stopniowo realizują lokalizację
Weźmy na przykład laser światłowodowy. Źródło pompujące laser światłowodowy dużej mocy to główny obszar zastosowań lasera półprzewodnikowego, a układ scalony i moduł lasera półprzewodnikowego dużej mocy to ważny element lasera światłowodowego. W ostatnich latach chiński przemysł laserów światłowodowych znajduje się w fazie dynamicznego wzrostu, a stopień ich lokalizacji rośnie z roku na rok.
Pod względem penetracji rynku, na rynku laserów światłowodowych małej mocy, udział laserów krajowych osiągnął 99,01% w 2019 roku; na rynku laserów światłowodowych średniej mocy, wskaźnik penetracji laserów krajowych utrzymywał się w ostatnich latach na poziomie ponad 50%. Proces lokalizacji laserów światłowodowych dużej mocy również stopniowo postępował, od 2013 do 2019 roku, w kierunku „produkcji od podstaw”. Proces lokalizacji laserów światłowodowych dużej mocy również stopniowo postępował, od 2013 do 2019 roku, osiągając wskaźnik penetracji na poziomie 55,56%. Oczekuje się, że krajowy wskaźnik penetracji laserów światłowodowych dużej mocy wyniesie 57,58% w 2020 roku.
Jednak kluczowe komponenty, takie jak półprzewodnikowe układy scalone laserów dużej mocy, są nadal uzależnione od importu, a komponenty wyjściowe laserów z półprzewodnikowymi układami scalonymi jako rdzeniem są stopniowo lokalizowane, co z jednej strony poprawia skalę rynku komponentów wyjściowych krajowych laserów, a z drugiej strony, wraz z lokalizacją kluczowych komponentów wyjściowych, może poprawić zdolność krajowych producentów laserów do uczestniczenia w międzynarodowej konkurencji.
(2) Zastosowania laserowe penetrują szybciej i szerzej
Dzięki stopniowej lokalizacji kluczowych komponentów optoelektronicznych i stopniowemu spadkowi kosztów stosowania laserów, lasery będą coraz głębiej wykorzystywane w wielu gałęziach przemysłu.
Z jednej strony, w Chinach, obróbka laserowa również wpisuje się w dziesięć najważniejszych obszarów zastosowań chińskiego przemysłu wytwórczego i oczekuje się, że w przyszłości obszary zastosowań obróbki laserowej będą się dalej rozszerzać, a skala rynku będzie się powiększać. Z drugiej strony, wraz z ciągłą popularyzacją i rozwojem technologii, takich jak autonomiczne systemy kierowania, zaawansowane systemy wspomagania jazdy, robotyka zorientowana na usługi, czujniki 3D itp., będzie ona coraz częściej stosowana w wielu dziedzinach, takich jak motoryzacja, sztuczna inteligencja, elektronika użytkowa, rozpoznawanie twarzy, komunikacja optyczna i badania nad obroną narodową. Jako kluczowe urządzenie lub komponent powyższych zastosowań laserowych, laser półprzewodnikowy również zyska szybko rosnącą przestrzeń rozwoju.
(3) Większa moc, lepsza jakość wiązki, krótsza długość fali i szybszy rozwój kierunku częstotliwości
W dziedzinie laserów przemysłowych, lasery światłowodowe poczyniły ogromne postępy pod względem mocy wyjściowej, jakości wiązki i jasności od momentu ich wprowadzenia. Jednak wyższa moc może zwiększyć prędkość przetwarzania, zoptymalizować jego jakość i rozszerzyć zakres zastosowania na przemysł ciężki, motoryzacyjny, lotniczy, energetyczny, maszynowy, metalurgiczny, kolejowy, badania naukowe i inne obszary zastosowań, takie jak cięcie, spawanie, obróbka powierzchni itp. Zapotrzebowanie na moc laserów światłowodowych stale rośnie. Producenci urządzeń muszą stale ulepszać wydajność podstawowych urządzeń (takich jak lasery półprzewodnikowe dużej mocy i światłowody wzmacniające). Wzrost mocy laserów światłowodowych wymaga również zaawansowanych technologii modulacji lasera, takich jak łączenie wiązki i synteza mocy, co stawia nowe wymagania i wyzwania przed producentami laserów półprzewodnikowych dużej mocy. Ponadto, krótsze długości fal, większa długość fal i szybsze (ultraszybkie) lasery to również ważny kierunek rozwoju, stosowany głównie w układach scalonych, wyświetlaczach, elektronice użytkowej, lotnictwie i innych precyzyjnych mikroprocesorach, a także w naukach przyrodniczych, medycynie, czujnikach i innych dziedzinach. Lasery półprzewodnikowe również stawiają nowe wymagania.
(4) w przypadku komponentów optoelektronicznych laserowych dużej mocy zapotrzebowanie na dalszy wzrost
Rozwój i industrializacja laserów światłowodowych dużej mocy jest wynikiem synergicznego postępu w łańcuchu przemysłowym, który wymaga wsparcia kluczowych komponentów optoelektronicznych, takich jak źródło pompujące, izolator, koncentrator wiązki itp. Komponenty optoelektroniczne stosowane w laserach światłowodowych dużej mocy stanowią podstawę i kluczowe elementy ich rozwoju i produkcji, a rozwijający się rynek laserów światłowodowych dużej mocy napędza również popyt rynkowy na kluczowe komponenty, takie jak półprzewodnikowe układy laserowe dużej mocy. Jednocześnie, wraz z ciągłym doskonaleniem krajowej technologii laserów światłowodowych, substytucja importu stała się nieuniknionym trendem, a udział laserów w światowym rynku będzie nadal rósł, co stwarza również ogromne możliwości dla lokalnych producentów komponentów optoelektronicznych.
Czas publikacji: 07-03-2023
