1. Огляд лазерної галузі
(1) Вступ до лазера
Лазер (скорочено ЛАЗЕР) — це колімований, монохроматичний, когерентний, спрямований промінь світла, що утворюється шляхом посилення світлового випромінювання на вузькій частоті за допомогою збудженого резонансу зворотного зв'язку та випромінювання.
Лазерна технологія виникла на початку 1960-х років, і завдяки своїй абсолютно відмінній від звичайного світла природі, лазер незабаром широко використовувався в різних галузях і глибоко вплинув на розвиток і трансформацію науки, техніки, економіки та суспільства.
Народження лазера кардинально змінило обличчя стародавньої оптики, розширивши класичну оптичну фізику до нової високотехнологічної дисципліни, яка охоплює як класичну оптику, так і сучасну фотоніку, роблячи незамінний внесок у розвиток людської економіки та суспільства. Дослідження в галузі лазерної фізики сприяли розквіту двох основних галузей сучасної фотонної фізики: енергетичної фотоніки та інформаційної фотоніки. Вона охоплює нелінійну оптику, квантову оптику, квантові обчислення, лазерне зондування та зв'язок, фізику лазерної плазми, лазерну хімію, лазерну біологію, лазерну медицину, надточну лазерну спектроскопію та метрологію, лазерну атомну фізику, включаючи лазерне охолодження та дослідження конденсованої системи Бозе-Ейнштейна, лазерні функціональні матеріали, лазерне виробництво, виготовлення лазерних мікрооптоелектронних чіпів, лазерний 3D-друк та понад 20 міжнародних передових дисциплін та технологічних застосувань. Кафедра лазерної науки і техніки (DSL) була створена в наступних областях.
У галузі лазерного виробництва світ вступив в еру «легкого виробництва». Згідно з міжнародною статистикою лазерної галузі, 50% річного ВВП Сполучених Штатів1 пов'язано зі швидким розширенням ринку високоякісних лазерних застосувань. Кілька розвинених країн, представлених Сполученими Штатами, Німеччиною та Японією, в основному завершили заміну традиційних процесів лазерною обробкою в основних галузях виробництва, таких як автомобільна та авіаційна. Лазер у промисловому виробництві продемонстрував великий потенціал для низьковитратних, високоякісних, високоефективних та спеціальних виробничих застосувань, яких неможливо досягти за допомогою традиційного виробництва, і став важливим рушієм конкуренції та інновацій серед провідних промислових країн світу. Країни активно підтримують лазерні технології як одну з найважливіших передових технологій та розробили національні плани розвитку лазерної галузі.
(2)ЛазерДжерело Ппринцип
Лазер - це пристрій, який використовує збуджене випромінювання для отримання 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) та резонаторного отвору, а також інших матеріалів оптичного пристрою. Середовище підсилення є джерелом генерації фотонів, і, поглинаючи енергію, що генерується джерелом накачування, середовище підсилення переходить з основного стану у збуджений. Оскільки збуджений стан нестабільний, у цей час середовище підсилення вивільняє енергію, щоб повернутися до стаціонарного стану основного стану. У цьому процесі вивільнення енергії середовище підсилення генерує фотони, і ці фотони мають високий ступінь сталості за енергією, довжиною хвилі та напрямком, вони постійно відбиваються в оптичному резонаторному отворі, рухаючись у зворотно-поступальний рух, таким чином безперервно посилюючись, і, нарешті, вистрілюють лазер через відбивач, формуючи лазерний промінь. Як основна оптична система термінального обладнання, продуктивність лазера часто безпосередньо визначає якість та потужність вихідного променя лазерного обладнання, що є основним компонентом термінального лазерного обладнання.
Джерело накачування (джерело збудження) забезпечує енергетичне збудження для середовища підсилення. Середовище підсилення збуджується для утворення фотонів для генерації та підсилення лазера. Резонансний резонатор - це місце, де характеристики фотонів (частота, фаза та напрямок роботи) регулюються для отримання високоякісного вихідного джерела світла шляхом керування коливаннями фотонів у резонаторі. Джерело накачування (джерело збудження) забезпечує енергетичне збудження для середовища підсилення. Середовище підсилення збуджується для утворення фотонів для генерації та підсилення лазера. Резонансний резонатор - це місце, де характеристики фотонів (частота, фаза та напрямок роботи) регулюються для отримання високоякісного вихідного джерела світла шляхом керування коливаннями фотонів у резонаторі.
(3)Класифікація лазерного джерела
Лазерне джерело можна класифікувати за середовищем підсилення, довжиною хвилі виходу, режимом роботи та режимом накачування наступним чином
① Класифікація за середовищем підсилення
Залежно від різних середовищ посилення, лазери можна розділити на твердотільні (включаючи твердотільні, напівпровідникові, волоконні, гібридні), рідинні лазери, газові лазери тощо.
| ЛазерДжерелоТип | Gain Media | Основні характеристики |
| Джерело твердотільного лазера | Тверді тіла, напівпровідники, волоконна оптика, гібридні | Гарна стабільність, висока потужність, низькі витрати на обслуговування, підходить для індустріалізації |
| Рідке лазерне джерело | Хімічні рідини | Додатковий діапазон довжин хвиль досягнутий, але великий розмір та висока вартість обслуговування |
| Джерело газового лазера | Гази | Високоякісне лазерне джерело світла, але більший розмір та вищі витрати на обслуговування |
| Джерело вільного електронного лазера | Електронний пучок у певному магнітному полі | Можна досягти надвисокої потужності та високої якості лазерного випромінювання, але технологія виробництва та виробничі витрати дуже високі. |
Завдяки добрій стабільності, високій потужності та низьким витратам на обслуговування, застосування твердотільних лазерів має абсолютну перевагу.
Серед твердотільних лазерів напівпровідникові лазери мають переваги високої ефективності, малих розмірів, тривалого терміну служби, низького енергоспоживання тощо. З одного боку, вони можуть бути безпосередньо застосовані як основне джерело світла та допоміжні засоби для лазерної обробки, медицини, зв'язку, сенсорних систем, дисплеїв, моніторингу та оборонних застосувань, і стали важливою основою для розвитку сучасних лазерних технологій зі стратегічним значенням для розвитку.
З іншого боку, напівпровідникові лазери також можуть використовуватися як основне джерело світла накачування для інших лазерів, таких як твердотільні лазери та волоконні лазери, що значно сприяє технологічному прогресу всієї лазерної галузі. Усі основні розвинені країни світу включили їх до своїх національних планів розвитку, надаючи їм потужну підтримку та забезпечуючи швидкий розвиток.
② Відповідно до методу відкачування
За методом накачування лазери можна розділити на електрично накачувані, оптично накачувані, хімічно накачувані лазери тощо.
Лазери з електричним накачуванням відносяться до лазерів, що збуджуються струмом, газові лазери здебільшого збуджуються газовим розрядом, тоді як напівпровідникові лазери здебільшого збуджуються інжекцією струму.
Майже всі твердотільні лазери та рідинні лазери є лазерами оптичної накачування, а напівпровідникові лазери використовуються як основне джерело накачування для оптичних лазерів накачування.
Лазери з хімічним накачуванням – це лазери, які використовують енергію, що вивільняється в результаті хімічних реакцій, для збудження робочого матеріалу.
③Класифікація за режимом роботи
Залежно від режиму роботи лазери можна розділити на лазери безперервної дії та імпульсні лазери.
Безперервні лазери мають стабільний розподіл кількості частинок на кожному енергетичному рівні та поля випромінювання в резонаторі, а їхня робота характеризується збудженням робочого матеріалу та відповідним лазерним випромінюванням безперервно протягом тривалого періоду часу. Безперервні лазери можуть випромінювати лазерне світло безперервно протягом тривалішого періоду часу, але тепловий ефект більш очевидний.
Імпульсні лазери відносяться до тих, що випромінюють лазерне випромінювання протягом певного часу, протягом якого потужність лазера підтримується на певному рівні, і випромінюють лазерне світло переривчасто, що характеризується невеликим тепловим ефектом і хорошою керованістю.
④ Класифікація за довжиною хвилі виходу
Лазери можна класифікувати за довжиною хвилі як інфрачервоні лазери, лазери видимого діапазону, ультрафіолетові лазери, лазери глибокого ультрафіолету 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 різною довжиною хвилі.Інфрачервоні лазери та ультрафіолетові лазери є двома найбільш широко використовуваними лазерами. Інфрачервоні лазери в основному використовуються в "термічній обробці", де матеріал на поверхні матеріалу нагрівається та випаровується (випаровується) для видалення матеріалу; в обробці тонкоплівкових неметалевих матеріалів, різанні напівпровідникових пластин, різанні органічного скла, свердлінні, маркуванні та інших галузях високоенергетичні. У галузі обробки тонкоплівкових неметалевих матеріалів, різанні напівпровідникових пластин, різанні органічного скла, свердлінні, маркуванні тощо високоенергетичні ультрафіолетові фотони безпосередньо розривають молекулярні зв'язки на поверхні неметалевих матеріалів, так що молекули можна відокремити від об'єкта, і цей метод не викликає високої теплової реакції, тому його зазвичай називають "холодною обробкою".
Через високу енергію УФ-фотонів важко генерувати певний потужний безперервний УФ-лазер за допомогою зовнішнього джерела збудження, тому УФ-лазер зазвичай генерується за допомогою методу нелінійного перетворення частоти на основі кристалічного матеріалу, тому в даний час широко використовуваною промисловою галуззю УФ-лазерів є переважно твердотільні УФ-лазери.
(4) Галузевий ланцюг
Вихідним етапом промислового ланцюга є використання напівпровідникової сировини, високоякісного обладнання та супутніх виробничих аксесуарів для виробництва лазерних сердечників та оптоелектронних пристроїв, що є основою лазерної промисловості та має високий поріг доступу. Середнім етапом промислового ланцюга є використання вихідних лазерних чіпів та оптоелектронних пристроїв, модулів, оптичних компонентів тощо як джерел накачування для виробництва та продажу різних лазерів, включаючи прямі напівпровідникові лазери, вуглекислотні лазери, твердотільні лазери, волоконні лазери тощо; нижча галузь в основному стосується галузей застосування різних лазерів, включаючи промислове технологічне обладнання, LIDAR, оптичний зв'язок, медичну косметику та інші прикладні галузі.
①Постачальники видобутку
Сировиною для первинних продуктів, таких як напівпровідникові лазерні чіпи, пристрої та модулі, є переважно різні матеріали для чіпів, волокнисті матеріали та оброблені деталі, включаючи підкладки, радіатори, хімікати та корпуси. Обробка чіпів вимагає високої якості та продуктивності первинної сировини, переважно від іноземних постачальників, але ступінь локалізації поступово зростає, і поступово досягається незалежний контроль. Продуктивність основної первинної сировини безпосередньо впливає на якість напівпровідникових лазерних чіпів, а постійне вдосконалення характеристик різних матеріалів для чіпів позитивно впливає на покращення характеристик продукції галузі.
②Ланцюг промисловості Midstream
Напівпровідниковий лазерний чіп є основним джерелом світла накачування різних типів лазерів у середній частині промислового ланцюга та відіграє позитивну роль у сприянні розвитку середніх потокових лазерів. У галузі середніх потокових лазерів домінують підприємства Сполучених Штатів, Німеччини та інших зарубіжних країн, але після швидкого розвитку вітчизняної лазерної промисловості в останні роки, ринок середніх потоків промислового ланцюга досяг швидкого заміщення на внутрішньому ринку.
③Промисловий ланцюг нижче за течією
Переробна промисловість відіграє більшу роль у сприянні розвитку галузі, тому розвиток переробної промисловості безпосередньо впливатиме на її ринковий простір. Постійне зростання економіки Китаю та поява стратегічних можливостей для економічної трансформації створили кращі умови для розвитку цієї галузі. Китай переходить з країни-виробника на виробничу державу, а переробні лазери та лазерне обладнання є одним із ключів до модернізації обробної промисловості, що забезпечує сприятливе середовище попиту для довгострокового вдосконалення цієї галузі. Вимоги переробної промисловості до показника продуктивності напівпровідникових лазерних чіпів та їх пристроїв зростають, і вітчизняні підприємства поступово виходять на ринок високопотужних лазерів з ринку низькопотужних лазерів, тому галузь повинна постійно збільшувати інвестиції в сферу технологічних досліджень та розробок, а також незалежних інновацій.
2. Стан розвитку галузі напівпровідникових лазерів
Напівпровідникові лазери мають найкращу ефективність перетворення енергії серед усіх видів лазерів, з одного боку, вони можуть використовуватися як основне джерело накачування оптичних волоконних лазерів, твердотільних лазерів та інших оптичних лазерів накачування. З іншого боку, завдяки постійному прориву технології напівпровідникових лазерів з точки зору енергоефективності, яскравості, терміну служби, багатохвильової довжини хвилі, швидкості модуляції тощо, напівпровідникові лазери широко використовуються в обробці матеріалів, медицині, оптичному зв'язку, оптичному зондуванні, обороні тощо. За даними Laser Focus World, загальний світовий дохід від діодних лазерів, тобто напівпровідникових лазерів та недіодних лазерів, оцінюється в 18 480 мільйонів доларів у 2021 році, причому на напівпровідникові лазери припадає 43% від загального доходу.
За даними Laser Focus World, світовий ринок напівпровідникових лазерів у 2020 році становитиме 6 724 мільйони доларів, що на 14,20% більше, ніж у попередньому році. З розвитком глобального інтелекту, зростаючим попитом на лазери в інтелектуальних пристроях, побутовій електроніці, новій енергетиці та інших галузях, а також постійним розширенням медичного, косметичного обладнання та інших нових застосувань, напівпровідникові лазери можуть використовуватися як джерело накачування для оптичних лазерів накачування, і розмір їхнього ринку продовжуватиме стабільно зростати. Розмір світового ринку напівпровідникових лазерів у 2021 році склав 7,946 мільярда доларів, темпи зростання ринку склали 18,18%.
Завдяки спільним зусиллям технічних експертів, підприємств і практиків, китайська напівпровідникова лазерна промисловість досягла надзвичайного розвитку, завдяки чому вона пройшла процес з нуля та стала прототипом китайської напівпровідникової лазерної промисловості. В останні роки Китай прискорив розвиток лазерної промисловості, і різні регіони під керівництвом уряду та у співпраці з лазерними підприємствами присвятили себе науковим дослідженням, вдосконаленню технологій, розвитку ринку та будівництву лазерних промислових парків.
3. Майбутні тенденції розвитку лазерної промисловості Китаю
Порівняно з розвиненими країнами Європи та Сполучених Штатів, лазерні технології Китаю не запізнюються, але у застосуванні лазерних технологій та високоякісних основних технологій все ще існує значний розрив, особливо напівпровідникові лазерні чіпи та інші основні компоненти все ще залежать від імпорту.
Розвинені країни, представлені Сполученими Штатами, Німеччиною та Японією, в основному завершили заміну традиційних виробничих технологій у деяких великих промислових галузях та вступили в еру «легкого виробництва»; хоча розвиток лазерних застосувань у Китаї відбувається швидкими темпами, рівень проникнення застосувань все ще відносно низький. Як основна технологія промислової модернізації, лазерна промисловість продовжуватиме залишатися ключовою сферою національної підтримки та продовжуватиме розширювати сферу застосування, що зрештою сприятиме переходу обробної промисловості Китаю до ери «легкого виробництва». З огляду на поточну ситуацію, розвиток лазерної промисловості Китаю демонструє такі тенденції.
(1) Напівпровідниковий лазерний чіп та інші основні компоненти поступово реалізують локалізацію
Візьмемо, наприклад, волоконний лазер. Джерело накачування потужного волоконного лазера є основною областю застосування напівпровідникового лазера, а чіп та модуль потужного напівпровідникового лазера є важливим компонентом волоконного лазера. В останні роки китайська промисловість волоконно-оптичних лазерів переживає стадію швидкого зростання, а ступінь локалізації зростає з року в рік.
Що стосується проникнення на ринок, то на ринку волоконних лазерів низької потужності частка вітчизняних лазерів досягла 99,01% у 2019 році; на ринку волоконних лазерів середньої потужності рівень проникнення вітчизняних лазерів протягом останніх років тримався на рівні понад 50%; процес локалізації потужних волоконних лазерів також поступово просувається, з 2013 по 2019 рік досягаючи рівня проникнення «з нуля». Процес локалізації потужних волоконних лазерів також поступово просувається, з 2013 по 2019 рік досяг рівня проникнення 55,56%, а очікується, що рівень проникнення потужних волоконних лазерів на внутрішньому ринку у 2020 році становитиме 57,58%.
Однак основні компоненти, такі як потужні напівпровідникові лазерні чіпи, все ще залежать від імпорту, а компоненти вихідного виробництва лазерів з напівпровідниковими лазерними чіпами як ядром поступово локалізуються, що, з одного боку, покращує масштаб ринку вихідних компонентів вітчизняних лазерів, а з іншого боку, завдяки локалізації основних компонентів вихідного виробництва, це може покращити здатність вітчизняних виробників лазерів брати участь у міжнародній конкуренції.
(2) Лазерні застосування проникають швидше та ширше
З поступовою локалізацією основних оптоелектронних компонентів та поступовим зниженням вартості лазерного застосування, лазери глибше проникнуть у багато галузей промисловості.
З одного боку, для Китаю лазерна обробка також входить до десятки провідних галузей застосування китайської обробної промисловості, і очікується, що області застосування лазерної обробки будуть ще більше розширюватися, а масштаб ринку - ще більше розширюватися в майбутньому. З іншого боку, з постійною популяризацією та розвитком таких технологій, як безпілотні системи, вдосконалені системи допомоги водінню, сервісно-орієнтовані роботи, 3D-зондування тощо, вона буде ширше застосовуватися в багатьох галузях, таких як автомобілебудування, штучний інтелект, побутова електроніка, розпізнавання облич, оптичний зв'язок та дослідження національної оборони. Як основний пристрій або компонент вищезазначених лазерних застосувань, напівпровідниковий лазер також отримає простір для швидкого 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, вища потужність може покращити швидкість обробки, оптимізувати якість обробки та розширити сферу обробки на важку промисловість, в автомобілебудуванні, аерокосмічній промисловості, енергетиці, машинобудуванні, металургії, будівництві залізничного транспорту, наукових дослідженнях та інших галузях застосування в різанні, зварюванні, обробці поверхонь тощо, вимоги до потужності волоконних лазерів продовжують зростати. Виробникам відповідних пристроїв необхідно постійно покращувати продуктивність основних пристроїв (таких як потужні напівпровідникові лазерні чіпи та волоконні коефіцієнти підсилення). Збільшення потужності волоконних лазерів також вимагає передових технологій лазерної модуляції, таких як об'єднання променя та синтез потужності, що створює нові вимоги та виклики для виробників потужних напівпровідникових лазерних чіпів. Крім того, важливим напрямком є розвиток коротших та більших довжин хвиль, швидших (надшвидких) лазерів, які в основному використовуються в інтегральних схемах, дисплеях, побутовій електроніці, аерокосмічній та інших прецизійних мікропроцесорних системах, а також у науках про життя, медицині, сенсориці та інших галузях. Напівпровідникові лазерні чіпи також висувають нові вимоги.
(4) подальше зростання попиту на оптоелектронні компоненти лазерів високої потужності
Розвиток та індустріалізація потужних волоконних лазерів є результатом синергетичного прогресу галузевого ланцюга, який вимагає підтримки основних оптоелектронних компонентів, таких як джерело накачування, ізолятор, концентратор променя тощо. Оптоелектронні компоненти, що використовуються у потужних волоконних лазерах, є основою та ключовими компонентами їх розробки та виробництва, а розширення ринку потужних волоконних лазерів також стимулює ринковий попит на основні компоненти, такі як потужні напівпровідникові лазерні чіпи. Водночас, з постійним удосконаленням вітчизняної технології волоконних лазерів, імпортозаміщення стало неминучою тенденцією, частка лазерного ринку у світі продовжуватиме зростати, що також створює великі можливості для місцевих виробників оптоелектронних компонентів.
Час публікації: 07 березня 2023 р.
