1. Pregled laserske industrije
(1) Uvod lasera
Laser (pojačanje svjetlosti stimuliranom emisijom zračenja, skraćeno LASER) je kolimirani, monokromatski, koherentni, usmjereni snop svjetlosti proizveden pojačavanjem svjetlosnog zračenja na uskoj frekvenciji kroz pobuđenu povratnu rezonancu i zračenje.
Laserska tehnologija nastala je ranih 1960-ih, a zbog svoje potpuno drugačije prirode od obične svjetlosti, laser je ubrzo dobio široku primjenu u raznim oblastima i duboko utjecao na razvoj i transformaciju nauke, tehnologije, ekonomije i društva.
Rođenje lasera dramatično je promijenilo lice drevne optike, proširivši klasičnu optičku fiziku u novu visokotehnološku disciplinu koja obuhvata i klasičnu optiku i modernu fotoniku, dajući nezamjenjiv doprinos razvoju ljudske ekonomije i društva. Istraživanje laserske fizike doprinijelo je procvatu dvije glavne grane moderne fotonske fizike: fotonike energije i fotonike informacija. Pokriva nelinearnu optiku, kvantnu optiku, kvantno računanje, lasersko sensiranje i komunikaciju, fiziku laserske plazme, lasersku hemiju, lasersku biologiju, lasersku medicinu, ultrapreciznu lasersku spektroskopiju i metrologiju, lasersku atomsku fiziku uključujući lasersko hlađenje i istraživanje Bose-Einstein kondenzirane materije , laserski funkcionalni materijali, proizvodnja lasera, proizvodnja laserskih mikro-optoelektronskih čipova, lasersko 3D štampanje i više od 20 međunarodnih graničnih disciplina i tehnoloških aplikacija. Odsjek za lasersku nauku i tehnologiju (DSL) je osnovan u sljedećim oblastima.
U industriji proizvodnje lasera, svijet je ušao u eru "lake proizvodnje", prema međunarodnoj statistici laserske industrije, 50% godišnjeg BDP-a Sjedinjenih Država1 odnosi se na brzo širenje tržišta laserskih aplikacija visokog nivoa. Nekoliko razvijenih zemalja, koje predstavljaju Sjedinjene Američke Države, Njemačka i Japan, u osnovi su završile zamjenu tradicionalnih procesa laserskom obradom u glavnim proizvodnim industrijama kao što su automobilska i avijacija. Laser u industrijskoj proizvodnji pokazao je veliki potencijal za jeftine, visokokvalitetne, visokoefikasne i posebne proizvodne aplikacije koje se ne mogu postići konvencionalnom proizvodnjom, te je postao važan pokretač konkurencije i inovacija među najvećim industrijskim zemljama svijeta. Zemlje aktivno podržavaju lasersku tehnologiju kao jednu od svojih najvažnijih najnovijih tehnologija i razvile su nacionalne planove razvoja laserske industrije.
(2)LaserIzvor Principle
Laser je uređaj koji koristi pobuđeno zračenje za proizvodnju vidljive ili nevidljive svjetlosti, složene strukture i visokih tehničkih barijera. Optički sistem se uglavnom sastoji od izvora pumpe (izvor pobude), medija za pojačanje (radna supstanca) i rezonantne šupljine i drugih materijala optičkih uređaja. Medijum pojačanja je izvor generisanja fotona, a apsorbovanjem energije koju generiše izvor pumpe, medij pojačanja skače iz osnovnog stanja u pobuđeno stanje. Pošto je pobuđeno stanje nestabilno, u ovom trenutku medij za pojačanje će osloboditi energiju da se vrati u stabilno stanje osnovnog stanja. U ovom procesu oslobađanja energije, medij za pojačavanje proizvodi fotone, a ti fotoni imaju visok stepen konzistentnosti u energiji, talasnoj dužini i pravcu, stalno se reflektuju u optičkoj rezonantnoj šupljini, recipročnim kretanjem, tako da se kontinuirano pojačavaju, i konačno ispaliti laser kroz reflektor da bi se formirao laserski snop. Kao osnovni optički sistem terminalne opreme, performanse lasera često direktno određuju kvalitet i snagu izlaznog snopa laserske opreme, je osnovna komponenta terminalne laserske opreme.
Izvor pumpe (izvor pobude) daje energetsku pobudu mediju pojačanja. Pojačavajući medij je pobuđen da proizvodi fotone za generiranje i pojačavanje lasera. Rezonantna šupljina je mjesto gdje se regulišu karakteristike fotona (frekvencija, faza i smjer rada) kako bi se dobio visokokvalitetan izlazni izvor svjetlosti kontroliranjem oscilacija fotona u šupljini. Izvor pumpe (izvor pobude) daje energetsku pobudu za medijum pojačanja. Pojačavajući medij je pobuđen da proizvodi fotone za generiranje i pojačavanje lasera. Rezonantna šupljina je mjesto gdje se fotonske karakteristike (frekvencija, faza i smjer rada) prilagođavaju kako bi se dobio visokokvalitetan izlazni izvor svjetlosti kontroliranjem oscilacija fotona u šupljini.
(3)Klasifikacija izvora lasera
Laserski izvor se može klasificirati prema mediju pojačanja, izlaznoj talasnoj dužini, načinu rada i načinu pumpanja, kako slijedi
① Klasifikacija po mediju pojačanja
Prema različitim pojačanjima, laseri se mogu podijeliti na čvrsto stanje (uključujući čvrste, poluvodičke, vlaknaste, hibridne), tečne lasere, gasne lasere itd.
| LaserIzvorTip | Gain Media | Glavne karakteristike |
| Solid State Laser Source | Čvrsta tijela, poluvodiči, optička vlakna, hibridi | Dobra stabilnost, velika snaga, niski troškovi održavanja, pogodan za industrijalizaciju |
| Izvor tečnog lasera | Hemijske tečnosti | Opcioni opseg talasnih dužina je pogodan, ali velika veličina i visoki troškovi održavanja |
| Izvor gasnog lasera | Gasovi | Visokokvalitetni laserski izvor svjetlosti, ali veće veličine i veći troškovi održavanja |
| Besplatni laserski izvor elektrona | Elektronski snop u specifičnom magnetnom polju | Mogu se postići ultra-velika snaga i visok kvalitet laserskog izlaza, ali proizvodna tehnologija i troškovi proizvodnje su vrlo visoki |
Zbog dobre stabilnosti, velike snage i niskih troškova održavanja, primjena solid-state lasera ima apsolutnu prednost.
Među solid-state laserima, poluprovodnički laseri imaju prednosti visoke efikasnosti, male veličine, dugog veka trajanja, niske potrošnje energije itd. S jedne strane, mogu se direktno primeniti kao osnovni izvor svetlosti i podrška za lasersku obradu, medicinsku, komunikacionih, senzorskih, displejskih, nadzornih i odbrambenih aplikacija, i postali su važna osnova za razvoj moderne laserske tehnologije sa strateškim razvojnim značajem.
S druge strane, poluvodički laseri se također mogu koristiti kao izvor svjetla za pumpanje jezgra za druge lasere kao što su laseri u čvrstom stanju i laseri s vlaknima, uvelike promovirajući tehnološki napredak cijelog laserskog polja. Sve veće razvijene zemlje u svijetu su ga uvrstile u svoje nacionalne razvojne planove, dajući snažnu podršku i ubrzano se razvijaju.
② Prema metodi pumpanja
Laseri se prema metodi pumpanja mogu podijeliti na lasere sa električnom pumpom, optički pumpane, hemijski pumpane, itd.
Laseri sa električnom pumpom se odnose na lasere koji se pobuđuju strujom, gasni laseri se uglavnom pobuđuju gasnim pražnjenjem, dok se poluvodički laseri uglavnom pobuđuju ubrizgavanjem struje.
Gotovo svi laseri u čvrstom stanju i tekući laseri su laseri s optičkom pumpom, a poluvodički laseri se koriste kao izvor pumpe jezgra za lasere s optičkom pumpom.
Laseri s kemijskom pumpom odnose se na lasere koji koriste energiju oslobođenu kemijskih reakcija za pobuđivanje radnog materijala.
③Klasifikacija prema načinu rada
Laseri se prema načinu rada mogu podijeliti na kontinuirane i impulsne lasere.
Kontinuirani laseri imaju stabilnu raspodjelu broja čestica na svakom energetskom nivou i polju zračenja u šupljini, a njihov rad karakterizira pobuđivanje radnog materijala i odgovarajući laserski izlaz na kontinuiran način u dužem vremenskom periodu. . Kontinuirani laseri mogu kontinuirano emitovati lasersko svjetlo u dužem vremenskom periodu, ali je termalni efekat očigledniji.
Impulsni laseri se odnose na vremensko trajanje kada se snaga lasera održava na određenoj vrednosti, a ispušta lasersko svetlo na diskontinualni način, sa glavnim karakteristikama malog toplotnog efekta i dobre kontrole.
④ Klasifikacija prema izlaznoj talasnoj dužini
Laseri se prema talasnoj dužini mogu klasifikovati na infracrvene lasere, vidljive lasere, ultraljubičaste lasere, duboke ultraljubičaste lasere itd. Opseg talasnih dužina svetlosti koji mogu da apsorbuju različiti strukturirani materijali je različit, tako da su laseri različitih talasnih dužina potrebni za finu obradu različitih materijala ili za različite scenarije primene.Infracrveni laseri i UV laseri su dva najčešće korištena lasera. Infracrveni laseri se uglavnom koriste u "termalnoj obradi", gdje se materijal na površini materijala zagrijava i isparava (isparava) kako bi se materijal uklonio; u obradi tankoslojnih nemetalnih materijala, rezanju poluprovodničkih pločica, organskom rezanju stakla, bušenju, označavanju i drugim poljima, visoka energija U oblasti obrade tankoslojnih nemetalnih materijala, rezanju poluprovodničkih pločica, organskom rezanju stakla, bušenju, označavanju, itd., UV fotoni visoke energije direktno razbijaju molekularne veze na površini nemetalnih materijala, tako da se molekule mogu odvojiti od objekta, a ova metoda ne proizvodi reakciju visoke topline, pa se obično naziva "hladna". obrada".
Zbog visoke energije UV fotona, teško je generirati kontinuirani UV laser velike snage vanjskim izvorom pobude, tako da se UV laser općenito generiše primjenom metode konverzije frekvencije nelinearnog efekta kristalnog materijala, tako da se struja široko koristi industrijska oblast UV lasera su uglavnom UV laseri u čvrstom stanju.
(4) Industrijski lanac
Uzvodno u industrijskom lancu je upotreba poluvodičkih sirovina, vrhunske opreme i pratećeg proizvodnog pribora za proizvodnju laserskih jezgara i optoelektronskih uređaja, što je kamen temeljac laserske industrije i ima visok pristupni prag. Srednji tok industrijskog lanca je upotreba uzvodnih laserskih čipova i optoelektronskih uređaja, modula, optičkih komponenti, itd. kao izvora pumpe za proizvodnju i prodaju različitih lasera, uključujući direktne poluvodičke lasere, lasere s ugljičnim dioksidom, lasere u čvrstom stanju, fiber laseri, itd.; daljnja industrija uglavnom se odnosi na područja primjene različitih lasera, uključujući industrijsku opremu za obradu, LIDAR, optičke komunikacije, medicinsku ljepotu i druge industrije primjene
①Uzvodni dobavljači
Sirovi materijali za proizvodne proizvode kao što su poluvodički laserski čipovi, uređaji i moduli su uglavnom različiti materijali za čipove, materijali od vlakana i obrađeni dijelovi, uključujući podloge, hladnjake, kemikalije i komplete kućišta. Prerada čipsa zahteva visok kvalitet i performanse nabavnih sirovina, uglavnom od stranih dobavljača, ali se stepen lokalizacije postepeno povećava, i postepeno se postiže samostalna kontrola. Učinak glavnih sirovina za proizvodnju ima direktan utjecaj na kvalitetu poluvodičkih laserskih čipova, uz kontinuirano poboljšanje performansi različitih materijala čipova, kako bi se poboljšale performanse industrijskih proizvoda, igraju pozitivnu ulogu u promicanju.
②Midstream industrijski lanac
Poluprovodnički laserski čip je osnovni izvor svjetlosti pumpe za različite vrste lasera u srednjem toku industrijskog lanca i igra pozitivnu ulogu u promoviranju razvoja lasera srednjeg toka. U području srednjih lasera dominiraju Sjedinjene Američke Države, Njemačka i druga prekomorska poduzeća, ali nakon brzog razvoja domaće laserske industrije posljednjih godina, srednje tržište industrijskog lanca postiglo je brzu domaću supstituciju.
③Industrijski lanac nizvodno
Daljnja industrija ima veću ulogu u promicanju razvoja industrije, pa će razvoj downstream industrije direktno uticati na tržišni prostor industrije. Kontinuirani rast kineske privrede i pojavljivanje strateških prilika za ekonomsku transformaciju stvorili su bolje razvojne uslove za razvoj ove industrije. Kina se iz zemlje proizvodnje seli u proizvodnu elektranu, a nizvodni laseri i laserska oprema jedan su od ključeva za nadogradnju proizvodne industrije, koja pruža dobro okruženje potražnje za dugoročno poboljšanje ove industrije. Zahtjevi niže industrije za indeksom performansi poluvodičkih laserskih čipova i njihovih uređaja se povećavaju, a domaća poduzeća postupno ulaze na tržište lasera velike snage sa tržišta lasera male snage, tako da industrija mora kontinuirano povećavati ulaganja u području tehnološkog istraživanja. i razvoj i nezavisne inovacije.
2. status razvoja industrije poluvodičkih lasera
Poluprovodnički laseri imaju najbolju efikasnost konverzije energije među svim vrstama lasera, s jedne strane, mogu se koristiti kao izvor pumpe za jezgro lasera sa optičkim vlaknima, lasera na čvrstom stanju i drugih lasera sa optičkom pumpom. S druge strane, uz kontinuirani napredak tehnologije poluvodičkih lasera u smislu energetske efikasnosti, svjetline, vijeka trajanja, viševalne dužine, brzine modulacije, itd., poluvodički laseri se široko koriste u obradi materijala, medicini, optičkoj komunikaciji, optičkom senzoru, odbrana, itd. Prema Laser Focus Worldu, ukupan globalni prihod od diodnih lasera, odnosno poluvodičkih lasera i nediodnih lasera, procjenjuje se na 18.480 miliona dolara u 2021. godini, pri čemu poluvodički laseri čine 43% ukupnog prihoda.
Prema Laser Focus World, globalno tržište poluvodičkih lasera iznosit će 6,724 miliona dolara u 2020., što je povećanje od 14,20% u odnosu na prethodnu godinu. S razvojem globalne inteligencije, rastućom potražnjom za laserima u pametnim uređajima, potrošačkoj elektronici, novoj energiji i drugim poljima, kao i kontinuiranom ekspanzijom medicinske, kozmetičke opreme i drugih novih aplikacija, poluvodički laseri se mogu koristiti kao izvor pumpe. za lasere sa optičkom pumpom, a veličina tržišta će nastaviti da održava stabilan rast. Globalno tržište poluvodičkih lasera u 2021. godini iznosi 7,946 milijardi dolara, stopa rasta tržišta od 18,18%.
Zajedničkim naporima tehničkih stručnjaka i preduzeća i praktičara, kineska industrija poluvodičkih lasera postigla je izvanredan razvoj, tako da je kineska industrija poluvodičkih lasera iskusila proces od nule, i početak prototipa kineske industrije poluvodičkih lasera. Posljednjih godina Kina je povećala razvoj laserske industrije, a različiti regioni su posvećeni naučnim istraživanjima, unapređenju tehnologije, razvoju tržišta i izgradnji laserskih industrijskih parkova pod vodstvom vlade i saradnjom laserskih preduzeća.
3. Trend budućeg razvoja kineske laserske industrije
U usporedbi s razvijenim zemljama u Europi i Sjedinjenim Državama, kineska laserska tehnologija ne kasni, ali u primjeni laserske tehnologije i high-end tehnologije jezgre još uvijek postoji značajan jaz, posebno uzvodni poluvodički laserski čip i druge osnovne komponente još uvijek zavisi od uvoza.
Razvijene zemlje koje predstavljaju Sjedinjene Američke Države, Njemačka i Japan su u osnovi završile zamjenu tradicionalne proizvodne tehnologije u nekim velikim industrijskim oblastima i ušle u eru "lake proizvodnje"; iako je razvoj laserskih aplikacija u Kini brz, ali stopa penetracije aplikacija je još uvijek relativno niska. Kao osnovna tehnologija industrijske nadogradnje, laserska industrija će i dalje biti ključna oblast nacionalne podrške, i dalje će širiti opseg primjene i na kraju promovirati kinesku proizvodnu industriju u eru "lake proizvodnje". Iz trenutne razvojne situacije, razvoj kineske laserske industrije pokazuje sljedeće trendove razvoja.
(1) Poluvodički laserski čip i druge komponente jezgre postupno ostvaruju lokalizaciju
Uzmimo fiber laser kao primjer, izvor laserske pumpe velike snage je glavna oblast primjene poluvodičkog lasera, a čip i modul poluvodičkog lasera velike snage je važna komponenta laserskog vlakna. Posljednjih godina kineska laserska industrija optičkih vlakana je u fazi brzog rasta, a stepen lokalizacije raste iz godine u godinu.
Što se tiče prodora na tržište, na tržištu fiber lasera male snage, tržišni udio domaćih lasera dosegao je 99,01% u 2019.; na tržištu fiber lasera srednje snage stopa penetracije domaćih lasera održava se na više od 50% posljednjih godina; proces lokalizacije vlaknastih lasera velike snage također postepeno napreduje, od 2013. do 2019. kako bi se postigao "od nule". Proces lokalizacije vlaknastih lasera velike snage također postepeno napreduje, od 2013. do 2019. godine, i dostigao je stopu penetracije od 55,56%, a očekuje se da će domaća stopa penetracije vlaknastih lasera velike snage biti 57,58% u 2020. godini.
Međutim, komponente jezgre kao što su poluvodički laserski čipovi velike snage još uvijek ovise o uvozu, a uzvodne komponente lasera s poluvodičkim laserskim čipovima kao jezgro se postupno lokalizuju, što s jedne strane poboljšava tržišnu skalu komponenti uzvodno od domaće lasere, a s druge strane, lokalizacijom uzvodnih komponenti jezgre može poboljšati sposobnost domaćih proizvođača lasera da učestvuju u međunarodnoj konkurenciji.
(2) Laserske aplikacije prodiru brže i šire
Uz postepenu lokalizaciju uzvodnih optoelektronskih komponenti i postupno smanjenje troškova primjene lasera, laseri će dublje prodrijeti u mnoge industrije.
S jedne strane, za Kinu, laserska obrada se također uklapa u prvih deset područja primjene kineske proizvodne industrije, te se očekuje da će se područja primjene laserske obrade dodatno proširiti, a tržišna skala dodatno proširiti u budućnosti. S druge strane, uz kontinuiranu popularizaciju i razvoj tehnologija kao što su bez vozača, napredni sistem asistirane vožnje, servisno orijentirani robot, 3D sensing, itd., sve će se više primjenjivati u mnogim poljima kao što su automobili, umjetna inteligencija, potrošačka elektronika , prepoznavanje lica, optička komunikacija i istraživanje nacionalne odbrane. Kao osnovni uređaj ili komponenta gore navedenih laserskih aplikacija, poluvodički laser će također dobiti prostor za brzi razvoj.
(3) Veća snaga, bolji kvalitet zraka, kraća talasna dužina i brži razvoj pravca frekvencije
Na polju industrijskih lasera, laseri sa vlaknima su napravili veliki napredak u pogledu izlazne snage, kvaliteta zraka i svjetline od njihovog uvođenja. Međutim, veća snaga može poboljšati brzinu obrade, optimizirati kvalitetu obrade i proširiti polje obrade na proizvodnju teške industrije, u proizvodnji automobila, proizvodnji svemira, energiji, proizvodnji strojeva, metalurgiji, izgradnji željezničkog transporta, naučnim istraživanjima i drugim poljima primjene u rezanju. , zavarivanje, površinska obrada, itd., zahtjevi za snagom lasera s vlaknima i dalje rastu. Odgovarajući proizvođači uređaja moraju kontinuirano poboljšavati performanse osnovnih uređaja (kao što su poluvodički laserski čip velike snage i vlakna za pojačanje), povećanje snage laserskog vlakna također zahtijeva naprednu tehnologiju laserske modulacije kao što je kombiniranje zraka i sinteza snage, što će donijeti nove zahtjeve i izazovi za proizvođače poluvodičkih laserskih čipova velike snage. Osim toga, kraće valne dužine, više valnih dužina, brži (ultrabrzi) razvoj lasera je također važan smjer, koji se uglavnom koristi u čipovima integriranih kola, displejima, potrošačkoj elektronici, zrakoplovstvu i drugim preciznim mikroprocesiranjem, kao i u znanostima o životu, medicini, senzorima i drugim polja, poluprovodnički laserski čip je takođe postavio nove zahteve.
(4) za velike snage laserske optoelektronske komponente zahtijevaju daljnji rast
Razvoj i industrijalizacija vlaknastog lasera velike snage rezultat je sinergističkog napretka industrijskog lanca, koji zahtijeva podršku osnovnih optoelektronskih komponenti kao što su izvor pumpe, izolator, koncentrator zraka, itd. Optoelektronske komponente koje se koriste u visokoj snazi vlaknasti laser su osnova i ključne komponente njegovog razvoja i proizvodnje, a rastuće tržište vlaknastih lasera velike snage također pokreće potražnju tržišta za osnovnim komponentama kao što su poluvodički laserski čipovi velike snage. Istovremeno, uz kontinuirano unapređenje domaće tehnologije fiber lasera, supstitucija uvoza postala je neizbježan trend, udio laserskog tržišta u svijetu će se nastaviti poboljšavati, što također donosi velike mogućnosti za lokalne snage proizvođača optoelektronskih komponenti.
Vrijeme objave: Mar-07-2023
