1. Огляд лазерної галузі
(1) Введення в лазер
Лазер (посилення світла стимульованим випромінюванням, скорочено ЛАЗЕР) — це колімований, монохроматичний, когерентний, спрямований промінь світла, утворений підсиленням світлового випромінювання на вузькій частоті через збуджений резонанс зворотного зв’язку та випромінювання.
Лазерна технологія виникла на початку 1960-х років, і через свою природу, яка повністю відрізняється від звичайного світла, лазер незабаром широко використовувався в різних областях і глибоко вплинув на розвиток і трансформацію науки, техніки, економіки та суспільства.
Народження лазера різко змінило вигляд стародавньої оптики, розширивши класичну оптичну фізику в нову високотехнологічну дисципліну, яка охоплює як класичну оптику, так і сучасну фотоніку, зробивши незамінний внесок у розвиток людської економіки та суспільства. Дослідження лазерної фізики сприяли розквіту двох основних розділів сучасної фотонної фізики: фотоніки енергії та фотоніки інформації. Він охоплює нелінійну оптику, квантову оптику, квантові обчислення, лазерне зондування та комунікацію, лазерну фізику плазми, лазерну хімію, лазерну біологію, лазерну медицину, надточну лазерну спектроскопію та метрологію, лазерну атомну фізику, включаючи лазерне охолодження та дослідження конденсованих речовин Бозе-Ейнштейна , лазерні функціональні матеріали, лазерне виробництво, лазерне виготовлення мікро-оптоелектронних чіпів, лазерний 3D-друк і понад 20 міжнародних передових дисциплін і технологічних застосувань. Відділ лазерної науки та технологій (DSL) був створений у наступних областях.
У галузі лазерного виробництва світ вступив в епоху «легкого виробництва», згідно з міжнародною статистикою лазерної промисловості, 50% річного ВВП Сполучених Штатів1 пов’язано зі швидким розширенням ринку лазерних застосувань високого рівня. Кілька розвинених країн, зокрема Сполучені Штати, Німеччина та Японія, в основному завершили заміну традиційних процесів лазерною обробкою в основних галузях промисловості, таких як автомобільна та авіаційна. Лазер у промисловому виробництві продемонстрував великий потенціал для недорогих, високоякісних, високоефективних і спеціальних виробничих застосувань, яких неможливо досягти звичайним виробництвом, і став важливим рушієм конкуренції та інновацій серед найбільших індустріальних країн світу. Країни активно підтримують лазерні технології як одну з найважливіших передових технологій і розробили національні плани розвитку лазерної галузі.
(2)ЛазернийДжерело Ппринцип
Лазер — це пристрій, який використовує збуджене випромінювання для створення видимого або невидимого світла зі складною структурою та високими технічними бар’єрами. Оптична система в основному складається з джерела накачування (джерела збудження), середовища підсилення (робочої речовини) і резонансної порожнини та інших матеріалів оптичного пристрою. Середовище підсилення є джерелом генерації фотонів, і, поглинаючи енергію, що генерується джерелом накачування, середовище підсилення переходить з основного стану в збуджений стан. Оскільки збуджений стан є нестабільним, у цей час середовище посилення буде виділяти енергію, щоб повернутися до стійкого стану основного стану. У цьому процесі вивільнення енергії середовище посилення виробляє фотони, і ці фотони мають високий ступінь узгодженості в енергії, довжині хвилі та напрямку, вони постійно відбиваються в оптичній резонансній порожнині, зворотно-поступальному русі, щоб безперервно посилюватися, і, нарешті, стріляти лазером через рефлектор, щоб утворити лазерний промінь. Будучи основною оптичною системою термінального обладнання, продуктивність лазера часто безпосередньо визначає якість і потужність вихідного променя лазерного обладнання, є основним компонентом термінального лазерного обладнання.
Джерело накачування (джерело збудження) забезпечує енергетичне збудження середовища посилення. Середовище підсилення збуджується для створення фотонів для генерації та посилення лазера. Резонансна порожнина – це місце, де регулюються фотонні характеристики (частота, фаза та напрям роботи) для отримання високоякісного вихідного джерела світла шляхом керування коливаннями фотонів у порожнині. Джерело накачування (джерело збудження) забезпечує енергетичне збудження середовища посилення. Середовище підсилення збуджується для створення фотонів для генерації та посилення лазера. Резонансна порожнина є місцем, де фотонні характеристики (частота, фаза та напрям роботи) регулюються для отримання високоякісного вихідного джерела світла шляхом керування коливаннями фотонів у порожнині.
(3)Класифікація лазерного джерела
Джерело лазера можна класифікувати за середовищем посилення, довжиною хвилі виходу, режимом роботи та режимом накачування, як описано нижче.
① Класифікація за середовищем посилення
За різними середовищами посилення лазери можна розділити на твердотільні (включаючи твердотільні, напівпровідникові, волоконні, гібридні), рідинні лазери, газові лазери тощо.
| ЛазернийДжерелоТип | Прибуток ЗМІ | Основні характеристики |
| Джерело твердотільного лазера | Тверді тіла, напівпровідники, волоконна оптика, гібрид | Хороша стабільність, висока потужність, низька вартість обслуговування, підходить для індустріалізації |
| Рідке лазерне джерело | Хімічні рідини | Додатковий діапазон довжин хвиль, але великий розмір і висока вартість обслуговування |
| Газове лазерне джерело | Гази | Високоякісне лазерне джерело світла, але більшого розміру та вищих витрат на обслуговування |
| Лазерне джерело вільних електронів | Електронний промінь у певному магнітному полі | Можна досягти надвисокої потужності та високої якості лазерного виходу, але технологія виробництва та витрати на виробництво дуже високі |
Завдяки хорошій стабільності, високій потужності та низькій вартості обслуговування застосування твердотільних лазерів має абсолютну перевагу.
Серед твердотільних лазерів напівпровідникові лазери мають такі переваги, як висока ефективність, малий розмір, тривалий термін служби, низьке споживання енергії тощо. З одного боку, їх можна безпосередньо застосовувати як джерело основного світла та підтримку для лазерної обробки, медицини, зв'язку, зондування, відображення, моніторингу та захисту, і стали важливою основою для розвитку сучасних лазерних технологій зі стратегічним значенням розвитку.
З іншого боку, напівпровідникові лазери також можна використовувати як джерело світла для накачування ядра для інших лазерів, таких як твердотільні лазери та волоконні лазери, що значно сприяє технологічному прогресу всієї лазерної галузі. Усі великі розвинені країни світу включили його до своїх національних планів розвитку, надаючи потужну підтримку та стрімкий розвиток.
② За способом накачування
За способом накачування лазери можна розділити на лазери з електричною накачкою, з оптичною накачкою, з хімічною накачкою тощо.
Лазери з електричним накачуванням відносяться до лазерів, що збуджуються струмом, газові лазери збуджуються переважно газовим розрядом, тоді як напівпровідникові лазери збуджуються переважно струмом.
Майже всі твердотільні лазери та рідинні лазери є оптичними лазерами накачування, а напівпровідникові лазери використовуються як джерело основного накачування для оптичних лазерів накачування.
Лазери з хімічним накачуванням відносяться до лазерів, які використовують енергію, що виділяється в результаті хімічних реакцій, для збудження робочого матеріалу.
③Класифікація за режимом роботи
За режимом роботи лазери можна розділити на лазери безперервної дії та імпульсні лазери.
Лазери безперервної дії мають стабільний розподіл кількості частинок на кожному енергетичному рівні та поле випромінювання в резонаторі, а їхня робота характеризується збудженням робочого матеріалу та відповідним вихідним сигналом лазера безперервно протягом тривалого періоду часу. . Безперервні лазери можуть випромінювати лазерне світло безперервно протягом більш тривалого періоду часу, але тепловий ефект більш очевидний.
Імпульсні лазери відносяться до тривалості часу, коли потужність лазера підтримується на певному значенні, і випромінює лазерне світло уривчасто, з основними характеристиками невеликого теплового ефекту та хорошої керованості.
④ Класифікація за довжиною хвилі виходу
За довжиною хвилі лазери можна класифікувати як інфрачервоні лазери, видимі лазери, ультрафіолетові лазери, глибокі ультрафіолетові лазери тощо. Діапазон довжин хвиль світла, який може поглинатися різними структурованими матеріалами, різний, тому для тонкої обробки різних матеріалів або для різних сценаріїв застосування потрібні лазери з різними довжинами хвиль.Інфрачервоні лазери та УФ-лазери є двома найпоширенішими лазерами. Інфрачервоні лазери в основному використовуються в "термічній обробці", де матеріал на поверхні матеріалу нагрівається та випаровується (випаровується), щоб видалити матеріал; у обробці тонкоплівкових неметалевих матеріалів, різанні напівпровідникових пластин, різанні органічного скла, свердлінні, маркуванні та інших областях, висока енергія У сфері обробки тонких плівок неметалевих матеріалів, різанні напівпровідникових пластин, різанні органічного скла, свердлінні, маркуванні, тощо, високоенергетичні ультрафіолетові фотони безпосередньо розривають молекулярні зв’язки на поверхні неметалічних матеріалів, так що молекули можуть бути відокремлені від об’єкта, і цей метод не викликає високої теплової реакції, тому його зазвичай називають «холодним». обробка».
Через високу енергію УФ-фотонів важко створити певний безперервний УФ-лазер високої потужності за допомогою зовнішнього джерела збудження, тому УФ-лазер зазвичай генерується шляхом застосування методу перетворення частоти з нелінійним ефектом кристалічного матеріалу, тому нині широко використовується Промислова галузь УФ-лазерів - це в основному твердотільні УФ-лазери.
(4) Ланцюг промисловості
Вихідним етапом промислового ланцюга є використання напівпровідникової сировини, високоякісного обладнання та відповідних виробничих аксесуарів для виробництва лазерних сердечників і оптоелектронних пристроїв, що є наріжним каменем лазерної промисловості та має високий поріг доступу. Проміжною частиною промислового ланцюга є використання вихідних лазерних чіпів та оптоелектронних пристроїв, модулів, оптичних компонентів тощо як джерел накачування для виробництва та продажу різноманітних лазерів, включаючи прямі напівпровідникові лазери, лазери на вуглекислому газі, твердотільні лазери, волоконні лазери та ін.; наступна галузь в основному відноситься до областей застосування різних лазерів, включаючи промислове технологічне обладнання, LIDAR, оптичний зв'язок, медичну красу та інші прикладні галузі
①Постачальники вгору
Сировиною для таких продуктів, як напівпровідникові лазерні мікросхеми, пристрої та модулі, є переважно різні матеріали для мікросхем, волокнисті матеріали та оброблені деталі, включаючи підкладки, радіатори, хімікати та набори корпусів. Переробка мікросхем вимагає високої якості та продуктивності первинної сировини, в основному від іноземних постачальників, але ступінь локалізації поступово зростає, і поступово досягається незалежний контроль. Ефективність основної сировини безпосередньо впливає на якість напівпровідникових лазерних чіпів, з постійним покращенням продуктивності різних матеріалів чіпів, щоб покращити продуктивність галузевих продуктів, вони відіграють позитивну роль у просуванні.
②Промисловий ланцюг середньої ланки
Напівпровідниковий лазерний чіп є основним джерелом світла накачування для різних типів лазерів у середині промислового ланцюга та відіграє позитивну роль у сприянні розвитку лазерів середнього потоку. У сфері проміжних лазерів домінують Сполучені Штати, Німеччина та інші закордонні підприємства, але після швидкого розвитку внутрішньої лазерної промисловості в останні роки ринок проміжного потоку промислового ланцюга досяг швидкого внутрішнього заміщення.
③Промисловий ланцюг вниз за течією
Галузь переробки має більшу роль у сприянні розвитку галузі, тому розвиток галузі переробки безпосередньо вплине на ринковий простір галузі. Постійне зростання економіки Китаю та поява стратегічних можливостей для економічних перетворень створили кращі умови розвитку для розвитку цієї галузі. Китай рухається від країни-виробника до виробничої потужності, а лазери та лазерне обладнання, що перебувають на нижній ланці, є одним із ключових моментів для модернізації виробничої промисловості, що забезпечує хороше середовище попиту для довгострокового вдосконалення цієї галузі. Вимоги подальшої промисловості до індексу продуктивності напівпровідникових лазерних чіпів та їх пристроїв зростають, і вітчизняні підприємства поступово виходять на ринок лазерів високої потужності з ринку лазерів малої потужності, тому галузь повинна постійно збільшувати інвестиції в галузі технологічних досліджень. розвиток і незалежні інновації.
2. Стан розвитку промисловості напівпровідникових лазерів
Напівпровідникові лазери мають найкращу ефективність перетворення енергії серед усіх типів лазерів, з одного боку, їх можна використовувати як джерело основного накачування волоконно-оптичних лазерів, твердотільних лазерів та інших лазерів з оптичним накачуванням. З іншого боку, з безперервним проривом напівпровідникових лазерних технологій з точки зору енергоефективності, яскравості, терміну служби, багатохвильової довжини, швидкості модуляції тощо, напівпровідникові лазери широко використовуються в обробці матеріалів, медицині, оптичному зв’язку, оптичному зондуванні, оборона тощо. За даними Laser Focus World, загальний світовий дохід від діодних лазерів, тобто напівпровідникових лазерів і недіодних лазерів, оцінюється в 18 480 мільйонів доларів США в 2021 році, причому на напівпровідникові лазери припадає 43% загального доходу.
За даними Laser Focus World, світовий ринок напівпровідникових лазерів у 2020 році становитиме 6724 мільйони доларів, що на 14,20% більше, ніж у попередньому році. З розвитком глобального інтелекту, зростаючим попитом на лазери в інтелектуальних пристроях, споживчій електроніці, новій енергетиці та інших галузях, а також безперервним розширенням медичного, косметологічного обладнання та інших нових застосувань напівпровідникові лазери можна використовувати як джерело насоса. для лазерів з оптичною накачкою, і розмір його ринку продовжуватиме підтримувати стабільне зростання. Обсяг світового ринку напівпровідникових лазерів у 2021 році склав 7,946 мільярда доларів, темпи зростання ринку – 18,18%.
Завдяки спільним зусиллям технічних експертів, підприємств і практиків промисловість напівпровідникових лазерів Китаю досягла надзвичайного розвитку, так що індустрія напівпровідникових лазерів Китаю відчула процес з нуля, і початок прототипу китайської промисловості напівпровідникових лазерів. В останні роки Китай збільшив розвиток лазерної промисловості, і різні регіони були присвячені науковим дослідженням, вдосконаленню технологій, розвитку ринку та будівництву лазерних промислових парків під керівництвом уряду та співпраці лазерних підприємств.
3. Майбутня тенденція розвитку лазерної промисловості Китаю
Порівняно з розвиненими країнами Європи та Сполучених Штатів, лазерна технологія Китаю не запізнюється, але в застосуванні лазерної технології та високоякісної технології ядра все ще існує значний розрив, особливо напівпровідниковий лазерний чіп та інші основні компоненти все ще є значними. залежить від імпорту.
Розвинуті країни, представлені Сполученими Штатами, Німеччиною та Японією, в основному завершили заміну традиційної технології виробництва в деяких великих галузях промисловості та вступили в еру «легкого виробництва»; хоча розвиток лазерних додатків у Китаї є швидким, але рівень проникнення додатків все ще відносно низький. Будучи основною технологією промислової модернізації, лазерна промисловість і надалі залишатиметься ключовою сферою національної підтримки, продовжуватиме розширювати сферу застосування та, зрештою, просувати обробну промисловість Китаю до епохи «легкого виробництва». З поточної ситуації розвитку розвиток лазерної промисловості Китаю демонструє наступні тенденції розвитку.
(1) Напівпровідниковий лазерний чіп та інші основні компоненти поступово реалізують локалізацію
Візьмемо, наприклад, волоконний лазер. Джерело накачування волоконного лазера високої потужності є основною сферою застосування напівпровідникового лазера, мікросхема та модуль напівпровідникового лазера високої потужності є важливим компонентом волоконного лазера. В останні роки оптоволоконна лазерна промисловість Китаю перебуває на стадії швидкого зростання, і ступінь локалізації зростає з року в рік.
З точки зору проникнення на ринок, на ринку малопотужних волоконних лазерів частка вітчизняних лазерів досягла 99,01% у 2019 році; на ринку волоконних лазерів середньої потужності рівень проникнення вітчизняних лазерів протягом останніх років підтримується на рівні понад 50%; процес локалізації потужних волоконних лазерів також поступово просувається, з 2013 по 2019 рік, щоб досягти «з нуля». Процес локалізації потужних волоконних лазерів також поступово просувається, з 2013 по 2019 рік, і досяг рівня проникнення 55,56%, а рівень проникнення потужних волоконних лазерів усередині країни, як очікується, становитиме 57,58% у 2020 році.
Однак основні компоненти, такі як потужні напівпровідникові лазерні чіпи, все ще залежать від імпорту, а вихідні компоненти лазерів із напівпровідниковими лазерними чіпами як ядро поступово локалізуються, що, з одного боку, покращує масштаби ринку початкових компонентів вітчизняні лазери, а з іншого боку, з локалізацією базових компонентів вище за течією це може покращити здатність вітчизняних виробників лазерів брати участь у міжнародній конкуренції.
(2) Лазерне застосування проникає швидше та ширше
З поступовою локалізацією базових оптоелектронних компонентів і поступовим зниженням витрат на застосування лазерів лазери глибше проникнуть у багато галузей.
З одного боку, для Китаю лазерна обробка також вписується в десятку найкращих сфер застосування китайської обробної промисловості, і очікується, що сфери застосування лазерної обробки будуть ще більше розширені, а масштаби ринку будуть ще більше розширені в майбутньому. З іншого боку, завдяки безперервній популяризації та розвитку таких технологій, як безпілотне керування, розширена допоміжна система водіння, сервіс-орієнтований робот, 3D-зондування тощо, вони будуть ширше застосовуватися в багатьох галузях, таких як автомобілі, штучний інтелект, побутова електроніка. , розпізнавання облич, оптичний зв'язок і дослідження національної оборони. Будучи основним пристроєм або компонентом вищезазначених лазерних застосувань, напівпровідниковий лазер також швидко отримає простір для розвитку.
(3) Вища потужність, краща якість променя, коротша довжина хвилі та швидший розвиток напрямку частоти
У галузі промислових лазерів волоконні лазери досягли значного прогресу з точки зору вихідної потужності, якості променя та яскравості з моменту їх появи. Однак більш висока потужність може підвищити швидкість обробки, оптимізувати якість обробки та розширити сферу обробки до важкої промисловості, виробництва автомобілів, аерокосмічного виробництва, енергетики, машинобудування, металургії, будівництва залізничного транспорту, наукових досліджень та інших сфер застосування в різанні , зварювання, обробка поверхні тощо, вимоги до потужності волоконного лазера продовжують зростати. Відповідні виробники пристроїв повинні постійно покращувати продуктивність основних пристроїв (таких як високопотужний напівпровідниковий лазерний чіп і волокно посилення), збільшення потужності волоконного лазера також вимагає вдосконалених технологій лазерної модуляції, таких як об’єднання променів і синтез потужності, що принесе нові вимоги і виклики для виробників потужних напівпровідникових лазерних мікросхем. Крім того, більш короткі довжини хвилі, більше довжин хвиль, швидший (надшвидкий) розвиток лазерів також є важливим напрямком, який в основному використовується в мікросхемах інтегральних схем, дисплеях, споживчій електроніці, аерокосмічній та іншій точній мікрообробці, а також науках про життя, медицині, датчиках та інших поля, напівпровідниковий лазерний чіп також висуває нові вимоги.
(4) попит на високопотужні лазерні оптоелектронні компоненти для подальшого зростання
Розробка та індустріалізація волоконного лазера високої потужності є результатом синергічного прогресу промислового ланцюга, який вимагає підтримки основних оптоелектронних компонентів, таких як джерело накачування, ізолятор, концентратор променя тощо. Оптоелектронні компоненти, що використовуються у високопотужних волоконний лазер є основою та ключовими компонентами його розробки та виробництва, а розширення ринку потужних волоконних лазерів також стимулює ринковий попит на основні компоненти, такі як потужні напівпровідникові лазерні мікросхеми. У той же час, з постійним удосконаленням вітчизняної волоконної лазерної технології імпортозаміщення стало неминучою тенденцією, частка лазерного ринку у світі продовжуватиме покращуватися, що також приносить великі можливості для місцевої сили виробників оптоелектронних компонентів.
Час публікації: 07 березня 2023 р
