1. Oversikt over laserindustrien
(1) Laserintroduksjon
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, forkortet til LASER) er en kollimert, monokromatisk, koherent, retningsbestemt lysstråle produsert ved forsterkning av lysstråling ved en smal frekvens gjennom eksitert tilbakekoblingsresonans og stråling.
Laserteknologi oppsto tidlig på 1960-tallet, og på grunn av sin helt annerledes natur enn vanlig lys, ble laser snart mye brukt på ulike felt og påvirket i stor grad utviklingen og transformasjonen av vitenskap, teknologi, økonomi og samfunn.
Laserens fødsel har dramatisk endret ansiktet til gammel optikk, og utvidet klassisk optisk fysikk til en ny høyteknologisk disiplin som omfatter både klassisk optikk og moderne fotonikk, og gir et uerstattelig bidrag til utviklingen av menneskelig økonomi og samfunn. Laserfysikkforskning har bidratt til blomstringen av to hovedgrener av moderne fotonisk fysikk: energifotonikk og informasjonsfotonikk. Den dekker ikke-lineær optikk, kvanteoptikk, kvanteberegning, lasersensing og kommunikasjon, laserplasmafysikk, laserkjemi, laserbiologi, lasermedisin, ultrapresis laserspektroskopi og metrologi, laseratomfysikk inkludert laserkjøling og forskning på kondensert materiale fra Bose-Einstein. , laserfunksjonelle materialer, laserproduksjon, laser mikro-optoelektronisk brikkefabrikasjon, laser 3D-utskrift og mer enn 20 internasjonale grensedisipliner og teknologiske applikasjoner. Institutt for laservitenskap og teknologi (DSL) er etablert på følgende områder.
I laserproduksjonsindustrien har verden gått inn i æraen med "lett produksjon", ifølge den internasjonale laserindustristatistikken er 50% av USAs årlige BNP1 relatert til den raske markedsutvidelsen av høynivålaserapplikasjoner. Flere utviklede land, representert ved USA, Tyskland og Japan, har i utgangspunktet fullført erstatningen av tradisjonelle prosesser med laserbehandling i store produksjonsindustrier som bil og luftfart. Laser i industriell produksjon har vist stort potensial for lavkost, høy kvalitet, høy effektivitet og spesielle produksjonsapplikasjoner som ikke kan oppnås ved konvensjonell produksjon, og har blitt en viktig driver for konkurranse og innovasjon blant verdens store industriland. Land støtter aktivt laserteknologi som en av deres viktigste banebrytende teknologier og har utviklet nasjonale utviklingsplaner for laserindustrien.
(2)LaserKilde Prinsipp
Laseren er en enhet som bruker eksitert stråling for å produsere synlig eller usynlig lys, med kompleks struktur og høye tekniske barrierer. Det optiske systemet består hovedsakelig av pumpekilde (eksitasjonskilde), forsterkningsmedium (arbeidsstoff) og resonanshulrom og andre materialer til optiske enheter. Forsterkningsmediet er kilden til fotongenerering, og ved å absorbere energien som genereres av pumpekilden, hopper forsterkningsmediet fra grunntilstanden til eksitert tilstand. Siden den eksiterte tilstanden er ustabil, vil forsterkningsmediet på dette tidspunktet frigjøre energi for å gå tilbake til den stabile tilstanden til grunntilstanden. I denne prosessen med energifrigjøring produserer forsterkningsmediet fotoner, og disse fotonene har en høy grad av konsistens i energi, bølgelengde og retning, de reflekteres konstant i det optiske resonanshulrommet, gjensidig bevegelse, for å kontinuerlig forsterke, og til slutt skyt ut laseren gjennom reflektoren for å danne en laserstråle. Som det optiske kjernesystemet til terminalutstyret, bestemmer ytelsen til laseren ofte direkte kvaliteten og kraften til utgangsstrålen til laserutstyret, og er kjernekomponenten i terminallaserutstyret.
Pumpekilden (eksitasjonskilde) gir energieksitasjon til forsterkningsmediet. Forsterkningsmediet er begeistret for å produsere fotoner for å generere og forsterke laseren. Resonanshulrommet er stedet hvor fotonkarakteristikkene (frekvens, fase og operasjonsretning) reguleres for å oppnå en lyskilde av høy kvalitet ved å kontrollere fotonoscillasjonene i hulrommet. Pumpekilden (eksitasjonskilde) gir energieksitasjonen for forsterkningsmediet. Forsterkningsmediet er begeistret for å produsere fotoner for å generere og forsterke laseren. Resonanshulrommet er stedet hvor fotonkarakteristikkene (frekvens, fase og operasjonsretning) justeres for å oppnå en utgangslyskilde av høy kvalitet ved å kontrollere fotonoscillasjonene i hulrommet.
(3)Klassifisering av laserkilde
Laserkilden kan klassifiseres i henhold til forsterkningsmedium, utgangsbølgelengde, driftsmodus og pumpemodus, som følger
① Klassifisering etter forsterkningsmedium
I henhold til de forskjellige forsterkningsmediene kan lasere deles inn i fast tilstand (inkludert solid, halvleder, fiber, hybrid), flytende lasere, gasslasere, etc.
| LaserKildeType | Få media | Hovedfunksjoner |
| Solid State-laserkilde | Faste stoffer, halvledere, fiberoptikk, hybrid | Fin stabilitet, høy effekt, lave vedlikeholdskostnader, egnet for industrialisering |
| Flytende laserkilde | Kjemiske væsker | Valgfritt bølgelengdeområde treffer, men stor størrelse og høye vedlikeholdskostnader |
| Gasslaserkilde | Gasser | Høykvalitets laserlyskilde, men større størrelse og høyere vedlikeholdskostnader |
| Gratis elektronlaserkilde | Elektronstråle i et spesifikt magnetfelt | Ultrahøy kraft og høykvalitets laserutgang kan oppnås, men produksjonsteknologi og produksjonskostnader er svært høye |
På grunn av god stabilitet, høy effekt og lave vedlikeholdskostnader, drar bruken av solid-state lasere absolutt fordel.
Blant solid-state lasere har halvlederlasere fordelene med høy effektivitet, liten størrelse, lang levetid, lavt energiforbruk osv. På den ene siden kan de brukes direkte som kjernelyskilde og støtte for laserbehandling, medisinsk, kommunikasjon, sansing, visning, overvåking og forsvarsapplikasjoner, og har blitt et viktig grunnlag for utvikling av moderne laserteknologi med strategisk utviklingsmessig betydning.
På den annen side kan halvlederlasere også brukes som kjernepumpende lyskilde for andre lasere som solid-state lasere og fiberlasere, noe som i stor grad fremmer den teknologiske fremgangen til hele laserfeltet. Alle store utviklede land i verden har inkludert det i sine nasjonale utviklingsplaner, og gir sterk støtte og får rask utvikling.
② I henhold til pumpemetoden
Lasere kan deles inn i elektrisk pumpede, optisk pumpede, kjemisk pumpede lasere osv. etter pumpemetoden.
Elektrisk pumpede lasere refererer til lasere eksitert av strøm, gasslasere er for det meste opphisset av gassutladning, mens halvlederlasere for det meste eksiteres av strøminjeksjon.
Nesten alle faststofflasere og flytende lasere er optiske pumpelasere, og halvlederlasere brukes som kjernepumpekilde for optiske pumpelasere.
Kjemisk pumpede lasere refererer til lasere som bruker energien som frigjøres fra kjemiske reaksjoner for å begeistre arbeidsmaterialet.
③Klassifisering etter driftsmodus
Lasere kan deles inn i kontinuerlige lasere og pulserende lasere i henhold til deres virkemåte.
Kontinuerlige lasere har en stabil fordeling av antall partikler på hvert energinivå og strålingsfeltet i hulrommet, og deres drift er preget av eksitering av arbeidsmaterialet og den tilsvarende lasereffekten på en kontinuerlig måte over lang tid . Kontinuerlige lasere kan sende ut laserlys kontinuerlig over lengre tid, men den termiske effekten er mer åpenbar.
Pulserende lasere refererer til varigheten når laserkraften opprettholdes på en viss verdi, og sender ut laserlys på en diskontinuerlig måte, med hovedkarakteristikkene liten termisk effekt og god kontrollerbarhet.
④ Klassifisering etter utgangsbølgelengde
Lasere kan klassifiseres i henhold til bølgelengde som infrarøde lasere, synlige lasere, ultrafiolette lasere, dype ultrafiolette lasere og så videre. Bølgelengdeområdet for lys som kan absorberes av forskjellige strukturerte materialer er forskjellig, så lasere med forskjellige bølgelengder er nødvendig for finbehandling av forskjellige materialer eller for forskjellige bruksscenarier.Infrarøde lasere og UV-lasere er de to mest brukte laserne. Infrarøde lasere brukes hovedsakelig i "termisk prosessering", hvor materialet på overflaten av materialet varmes opp og fordampes (fordampes) for å fjerne materialet; i tynnfilm ikke-metallisk materialebehandling, halvlederwaferskjæring, organisk glassskjæring, boring, merking og andre felt, høy energi Innenfor tynnfilm ikke-metallisk materialebehandling, halvlederwaferskjæring, organisk glassskjæring, boring, merking, osv., høyenergi UV-fotonene bryter direkte molekylbindingene på overflaten av ikke-metalliske materialer, slik at molekylene kan skilles fra objektet, og denne metoden produserer ikke høy varmereaksjon, så den kalles vanligvis "kald behandling".
På grunn av den høye energien til UV-fotoner, er det vanskelig å generere en viss høyeffekt kontinuerlig UV-laser ved hjelp av ekstern eksitasjonskilde, så UV-laseren genereres generelt ved bruk av krystallmateriale ikke-lineær effekt frekvenskonverteringsmetode, slik at den nåværende mye brukt industrielle feltet av UV-lasere er hovedsakelig solid-state UV-lasere.
(4) Bransjekjede
Oppstrøms i industrikjeden er bruken av halvlederråvarer, avansert utstyr og relatert produksjonstilbehør for å produsere laserkjerner og optoelektroniske enheter, som er hjørnesteinen i laserindustrien og har en høy tilgangsterskel. Midtstrømmen i industrikjeden er bruken av oppstrøms laserbrikker og optoelektroniske enheter, moduler, optiske komponenter osv. som pumpekilder for produksjon og salg av ulike lasere, inkludert direkte halvlederlasere, karbondioksidlasere, solid-state lasere, fiber lasere og så videre; nedstrømsindustrien refererer hovedsakelig til bruksområdene til forskjellige lasere, inkludert industrielt prosessutstyr, LIDAR, optisk kommunikasjon, medisinsk skjønnhet og andre applikasjonsindustrier
①Oppstrøms leverandører
Råvarene for oppstrømsprodukter som halvlederlaserbrikker, enheter og moduler er hovedsakelig ulike brikkematerialer, fibermaterialer og maskinerte deler, inkludert underlag, kjøleribber, kjemikalier og hussett. Brikkebehandlingen krever høy kvalitet og ytelse av oppstrøms råvarer, hovedsakelig fra utenlandske leverandører, men graden av lokalisering øker gradvis, og oppnår gradvis uavhengig kontroll. Ytelsen til de viktigste oppstrøms råvarene har en direkte innvirkning på kvaliteten på halvlederlaserbrikker, med kontinuerlig forbedring av ytelsen til ulike brikkematerialer, for å forbedre ytelsen til industriens produkter spiller en positiv rolle i å fremme.
② Midtstrøms industrikjede
Halvlederlaserbrikke er kjernepumpens lyskilde for ulike typer lasere midt i industrikjeden, og spiller en positiv rolle i å fremme utviklingen av midtstrømslasere. Innen midstream-lasere dominerer USA, Tyskland og andre utenlandske foretak, men etter den raske utviklingen av den innenlandske laserindustrien de siste årene, har midtstrømsmarkedet i industrikjeden oppnådd rask innenlandsk substitusjon.
③ Industriell kjede nedstrøms
Nedstrømsindustrien har en større rolle i å fremme utviklingen av industrien, så utviklingen av nedstrømsindustrien vil direkte påvirke markedsrommet til industrien. Den kontinuerlige veksten av Kinas økonomi og fremveksten av strategiske muligheter for økonomisk transformasjon har skapt bedre utviklingsbetingelser for utviklingen av denne industrien. Kina går fra et produksjonsland til et produksjonskraftverk, og nedstrøms lasere og laserutstyr er en av nøklene til å oppgradere produksjonsindustrien, noe som gir et godt etterspørselsmiljø for langsiktig forbedring av denne industrien. Nedstrømsindustriens krav til ytelsesindeksen til halvlederlaserbrikker og deres enheter øker, og innenlandske bedrifter går gradvis inn i høyeffektlasermarkedet fra laveffektlasermarkedet, så industrien må kontinuerlig øke investeringene innen teknologiforskning og utvikling og uavhengig innovasjon.
2. Halvleder laser industri utvikling status
Halvlederlasere har den beste energikonverteringseffektiviteten blant alle typer lasere, på den ene siden kan de brukes som kjernepumpekilde for optiske fiberlasere, solid-state lasere og andre optiske pumpelasere. På den annen side, med det kontinuerlige gjennombruddet av halvlederlaserteknologi når det gjelder strømeffektivitet, lysstyrke, levetid, multibølgelengde, modulasjonshastighet, etc., er halvlederlasere mye brukt i materialbehandling, medisinsk, optisk kommunikasjon, optisk sensing, forsvar, etc. Ifølge Laser Focus World er den totale globale omsetningen for diodelasere, dvs. halvlederlasere og ikke-diodelasere, beregnet til å være 18 480 millioner dollar i 2021, med halvlederlasere som utgjør 43 % av den totale inntekten.
I følge Laser Focus World vil det globale halvlederlasermarkedet være 6 724 millioner dollar i 2020, opp 14,20 % fra året før. Med utviklingen av global intelligens, den økende etterspørselen etter lasere innen smarte enheter, forbrukerelektronikk, ny energi og andre felt, samt den fortsatte utvidelsen av medisinsk utstyr, skjønnhetsutstyr og andre nye applikasjoner, kan halvlederlasere brukes som en pumpekilde for optiske pumpelasere, og markedsstørrelsen vil fortsette å opprettholde stabil vekst. 2021 globale halvlederlasermarkedsstørrelse på 7,946 milliarder dollar, markedsvekst på 18,18%.
Gjennom felles innsats fra tekniske eksperter og bedrifter og utøvere har Kinas halvlederlaserindustri oppnådd ekstraordinær utvikling, slik at Kinas halvlederlaserindustri har opplevd prosessen fra bunnen av, og begynnelsen på prototypen til Kinas halvlederlaserindustri. De siste årene har Kina økt utviklingen av laserindustrien, og ulike regioner har vært viet til vitenskapelig forskning, teknologiforbedring, markedsutvikling og bygging av laserindustriparker under ledelse av regjeringen og samarbeid med laserbedrifter.
3. Fremtidig utviklingstrend for Kinas laserindustri
Sammenlignet med utviklede land i Europa og USA er Kinas laserteknologi ikke sen, men i anvendelsen av laserteknologi og avansert kjerneteknologi er det fortsatt et betydelig gap, spesielt oppstrøms halvlederlaserbrikken og andre kjernekomponenter er fortsatt avhengig av import.
De utviklede landene representert ved USA, Tyskland og Japan har i utgangspunktet fullført utskiftingen av tradisjonell produksjonsteknologi i noen store industrifelt og gått inn i æraen med "lett produksjon"; Selv om utviklingen av laserapplikasjoner i Kina er rask, er applikasjonens penetrasjonshastighet fortsatt relativt lav. Som kjerneteknologi for industriell oppgradering, vil laserindustrien fortsette å være et sentralt område for nasjonal støtte, og fortsette å utvide anvendelsesområdet, og til slutt fremme Kinas produksjonsindustri til "lett produksjons"-æra. Fra den nåværende utviklingssituasjonen viser utviklingen av Kinas laserindustri følgende utviklingstrender.
(1) Halvlederlaserbrikke og andre kjernekomponenter realiserer gradvis lokalisering
Ta fiberlaser som et eksempel, høyeffektfiberlaserpumpekilde er det viktigste bruksområdet for halvlederlaser, høyeffekthalvlederlaserbrikke og modul er en viktig komponent i fiberlaser. De siste årene har Kinas optiske fiberlaserindustri vært i et raskt vekststadium, og graden av lokalisering øker år for år.
Når det gjelder markedspenetrasjon, i fiberlasermarkedet med lav effekt nådde markedsandelen til innenlandske lasere 99,01% i 2019; i fiberlasermarkedet med middels kraft har penetrasjonshastigheten til innenlandske lasere blitt opprettholdt på mer enn 50% de siste årene; Lokaliseringsprosessen for høyeffektfiberlasere går også gradvis videre, fra 2013 til 2019 for å oppnå "fra bunnen av". Lokaliseringsprosessen for høyeffektfiberlasere går også gradvis videre, fra 2013 til 2019, og har nådd en penetrasjonsrate på 55,56%, og den innenlandske penetrasjonshastigheten for høyeffektfiberlasere forventes å være 57,58% i 2020.
Imidlertid er kjernekomponenter som høyeffekts halvlederlaserbrikker fortsatt avhengige av import, og oppstrømskomponentene til lasere med halvlederlaserbrikker som kjerne blir gradvis lokalisert, noe som på den ene siden forbedrer markedsskalaen til oppstrømskomponentene til innenlandske lasere, og på den annen side, med lokalisering av oppstrøms kjernekomponenter, kan det forbedre muligheten for innenlandske laserprodusenter til å delta i internasjonal konkurranse.
(2) Laserapplikasjoner trenger inn raskere og bredere
Med den gradvise lokaliseringen av oppstrøms optoelektroniske kjernekomponenter og den gradvise reduksjonen i laserapplikasjonskostnader, vil lasere trenge dypere inn i mange bransjer.
På den ene siden, for Kina, passer laserbehandling også inn i de ti beste bruksområdene til Kinas produksjonsindustri, og det forventes at bruksområdene for laserbehandling vil bli ytterligere utvidet og markedsskalaen vil bli ytterligere utvidet i fremtiden. På den annen side, med den kontinuerlige populariseringen og utviklingen av teknologier som førerløst, avansert assistert kjøresystem, serviceorientert robot, 3D-sensing, etc., vil det bli mer brukt på mange felt som bil, kunstig intelligens, forbrukerelektronikk , ansiktsgjenkjenning, optisk kommunikasjon og nasjonal forsvarsforskning. Som kjerneenheten eller komponenten i de ovennevnte laserapplikasjonene, vil halvlederlaseren også få hurtig utviklingsplass.
(3) Høyere effekt, bedre strålekvalitet, kortere bølgelengde og raskere frekvensretningsutvikling
Innen industrilasere har fiberlasere gjort store fremskritt når det gjelder utgangseffekt, strålekvalitet og lysstyrke siden introduksjonen. Imidlertid kan høyere kraft forbedre prosesseringshastigheten, optimalisere prosesskvaliteten og utvide prosessfeltet til tungindustriproduksjon, innen bilproduksjon, romfartsproduksjon, energi, maskinproduksjon, metallurgi, jernbanetransportkonstruksjon, vitenskapelig forskning og andre bruksområder innen skjæring , sveising, overflatebehandling, etc., fiberlaserkraftbehovet fortsetter å øke. De tilsvarende enhetsprodusentene må kontinuerlig forbedre ytelsen til kjerneenheter (som høyeffekts halvlederlaserbrikke og forsterkningsfiber), fiberlasereffektøkning krever også avansert lasermodulasjonsteknologi som strålekombinering og kraftsyntese, noe som vil bringe nye krav og utfordringer til produsenter av høyeffekts halvlederlaserbrikke. I tillegg er kortere bølgelengder, flere bølgelengder, raskere (ultrarask) laserutvikling også en viktig retning, hovedsakelig brukt i integrerte kretsbrikker, skjermer, forbrukerelektronikk, romfart og annen presisjonsmikroprosessering, samt biovitenskap, medisin, sansing og annet felt, stilte halvlederlaserbrikken også nye krav.
(4) for høy effekt laser optoelektroniske komponenter etterspørsel etter ytterligere vekst
Utviklingen og industrialiseringen av høyeffektfiberlaser er resultatet av den synergistiske fremgangen i industrikjeden, som krever støtte fra optoelektroniske kjernekomponenter som pumpekilde, isolator, strålekonsentrator osv. De optoelektroniske komponentene som brukes i høyeffektskomponenter fiberlaser er grunnlaget og nøkkelkomponentene i utviklingen og produksjonen, og det voksende markedet for høyeffektfiberlaser driver også markedsetterspørselen etter kjernekomponenter som høyeffekts halvlederlaserbrikker. Samtidig, med den kontinuerlige forbedringen av innenlandsk fiberlaserteknologi, har importsubstitusjon blitt en uunngåelig trend, lasermarkedsandelen i verden vil fortsette å forbedre seg, noe som også gir store muligheter for lokal styrke til produsenter av optoelektroniske komponenter.
Innleggstid: Mar-07-2023
