1. Oversikt over laserindustrien
(1) Introduksjon til laser
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, forkortet 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 forskjellige natur fra vanlig lys, ble laser snart mye brukt på ulike felt og påvirket utviklingen og transformasjonen av vitenskap, teknologi, økonomi og samfunn dyptgående.
Laserens fødsel har dramatisk endret den antikke optikkens ansikt, 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 innen moderne fotonisk fysikk: energifotonikk og informasjonsfotonikk. Den dekker ikke-lineær optikk, kvanteoptikk, kvantedatabehandling, lasersensing og kommunikasjon, laserplasmafysikk, laserkjemi, laserbiologi, lasermedisin, ultrapresis laserspektroskopi og metrologi, laseratomfysikk inkludert laserkjøling og Bose-Einstein-forskning på kondensert materie, laserfunksjonelle materialer, laserproduksjon, lasermikrooptoelektronisk chipfabrikasjon, laser 3D-printing og mer enn 20 internasjonale grensedisipliner og teknologiske anvendelser. Institutt for laservitenskap og -teknologi (DSL) er etablert innen følgende områder.
Innen laserproduksjonsindustrien har verden gått inn i en æra med «lett produksjon». Ifølge internasjonal statistikk for laserindustrien er 50 % av USAs årlige BNP1 knyttet til den raske markedsveksten for høynivålaserapplikasjoner. Flere utviklede land, representert av USA, Tyskland og Japan, har i hovedsak fullført erstatningen av tradisjonelle prosesser med laserprosessering i store produksjonsindustrier som bilindustri og luftfart. Laser i industriell produksjon har vist et stort potensial for rimelige, høykvalitets, høyeffektive og spesielle produksjonsapplikasjoner som ikke kan oppnås med konvensjonell produksjon, og har blitt en viktig driver for konkurranse og innovasjon blant verdens største industriland. Landene støtter aktivt laserteknologi som en av sine viktigste banebrytende teknologier og har utviklet nasjonale utviklingsplaner for laserindustrien.
(2)LaserKilde Pprinsipp
Laseren er en enhet som bruker eksitert stråling til å produsere synlig eller usynlig lys, med kompleks struktur og høye tekniske barrierer. Det optiske systemet består hovedsakelig av pumpekilde (eksitasjonskilde), forsterkningsmedium (arbeidsstoff) og resonanskavum og andre materialer i den optiske enheten. Forsterkningsmediet er kilden til fotongenerering, og ved å absorbere energien som genereres av pumpekilden, hopper forsterkningsmediet fra grunntilstand til eksitert tilstand. Siden den eksiterte tilstanden er ustabil, vil forsterkningsmediet på dette tidspunktet frigjøre energi for å gå tilbake til grunntilstandens stabile tilstand. 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 resonanskavumet, beveger seg frem og tilbake, slik at de kontinuerlig forsterkes, og til slutt skyter laseren ut gjennom reflektoren for å danne en laserstråle. Som det optiske kjernesystemet i terminalutstyret, bestemmer laserens ytelse ofte direkte kvaliteten og effekten til utgangsstrålen fra laserutstyret, og er kjernekomponenten i terminallaserutstyret.
Pumpekilden (eksitasjonskilden) gir energieksitasjon til forsterkningsmediet. Forsterkningsmediet eksiteres for å produsere fotoner for å generere og forsterke laseren. Resonanskaviteten er stedet der fotonegenskapene (frekvens, fase og driftsretning) reguleres for å oppnå en lyskilde av høy kvalitet ved å kontrollere fotonoscillasjonene i hulrommet. Pumpekilden (eksitasjonskilden) gir energieksitasjonen til forsterkningsmediet. Forsterkningsmediet eksiteres for å produsere fotoner for å generere og forsterke laseren. Resonanskaviteten er stedet der fotonegenskapene (frekvens, fase og driftsretning) justeres for å oppnå en lyskilde 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 faststofflasere (inkludert faststofflasere, halvlederlasere, fiberlasere, hybridlasere), flytende lasere og gasslasere.
| LaserKildeType | Gain Media | Hovedfunksjoner |
| Faststofflaserkilde | Faste stoffer, halvledere, fiberoptikk, hybrid | God stabilitet, høy effekt, lave vedlikeholdskostnader, egnet for industrialisering |
| Flytende laserkilde | Kjemiske væsker | Valgfritt bølgelengdeområde truffet, men stor størrelse og høye vedlikeholdskostnader |
| Gasslaserkilde | Gasser | Høykvalitets laserlyskilde, men større størrelse og høyere vedlikeholdskostnader |
| Fri elektronlaserkilde | Elektronstråle i et spesifikt magnetfelt | Ultrahøy effekt og laserutgang av høy kvalitet kan oppnås, men produksjonsteknologien og produksjonskostnadene er svært høye. |
På grunn av god stabilitet, høy effekt og lave vedlikeholdskostnader, utnytter bruken av faststofflasere absolutt fordel.
Blant faststofflasere har halvlederlasere fordelene med høy effektivitet, liten størrelse, lang levetid, lavt energiforbruk, etc. På den ene siden kan de brukes direkte som kjernelyskilde og støtte for laserbehandling, medisin, kommunikasjon, sensorer, display, overvåking og forsvarsapplikasjoner, og har blitt et viktig grunnlag for utviklingen av moderne laserteknologi med strategisk utviklingsbetydning.
På den annen side kan halvlederlasere også brukes som den viktigste pumpelyskilden for andre lasere som faststofflasere og fiberlasere, noe som i stor grad fremmer den teknologiske utviklingen innen hele laserfeltet. Alle større utviklede land i verden har inkludert det i sine nasjonale utviklingsplaner, noe som gir sterk støtte og gir rask utvikling.
② I henhold til pumpemetoden
Lasere kan deles inn i elektrisk pumpede, optisk pumpede, kjemisk pumpede lasere, etc. i henhold til pumpemetoden.
Elektrisk pumpede lasere refererer til lasere som eksiteres av strøm, gasslasere eksiteres for det meste av gassutladning, mens halvlederlasere for det meste eksiteres av strøminjeksjon.
Nesten alle faststofflasere og væskelasere 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 til å eksitere arbeidsmaterialet.
③Klassifisering etter driftsmodus
Lasere kan deles inn i kontinuerlige lasere og pulserte lasere i henhold til deres driftsmodus.
Kontinuerlige lasere har en stabil fordeling av antall partikler på hvert energinivå og strålingsfeltet i hulrommet, og driften deres kjennetegnes av eksitering av arbeidsmaterialet og den tilsvarende laserutgangen på en kontinuerlig måte over en lengre periode. Kontinuerlige lasere kan sende ut laserlys kontinuerlig over en lengre periode, men den termiske effekten er mer åpenbar.
Pulserte lasere refererer til tidsvarigheten når lasereffekten opprettholdes på en viss verdi, og sender ut laserlys på en diskontinuerlig måte, med hovedegenskapene liten termisk effekt og god kontrollerbarhet.
④ Klassifisering etter utgangsbølgelengde
Lasere kan klassifiseres etter bølgelengde som infrarøde lasere, synlige lasere, ultrafiolette lasere, dype ultrafiolette lasere og så videre. Bølgelengdeområdet til lys som kan absorberes av forskjellige strukturerte materialer er forskjellig, så lasere med forskjellige bølgelengder er nødvendige for finbearbeiding 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", der materialet på overflaten av materialet varmes opp og fordampes (evaporiseres) for å fjerne materialet. I tynnfilmbehandling av ikke-metalliske materialer, skjæring av halvlederskiver, skjæring av organisk glass, boring, merking og andre felt, bryter høyenergi-UV-fotoner direkte de molekylære bindingene på overflaten av ikke-metalliske materialer, slik at molekylene kan skilles fra objektet. Denne metoden produserer ikke høy varmereaksjon, så den kalles vanligvis "kaldbehandling".
På grunn av den høye energien til UV-fotoner er det vanskelig å generere en viss kontinuerlig UV-laser med høy effekt ved hjelp av en ekstern eksitasjonskilde. UV-lasere genereres vanligvis ved bruk av ikke-lineær effektfrekvenskonverteringsmetode med krystallmateriale. Derfor er det nåværende mye brukte industrielle feltet for UV-lasere hovedsakelig faststoff-UV-lasere.
(4) Industrikjede
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. Midtstrøms i industrikjeden er bruken av oppstrøms laserbrikker og optoelektroniske enheter, moduler, optiske komponenter, etc. som pumpekilder for produksjon og salg av ulike lasere, inkludert direkte halvlederlasere, karbondioksidlasere, faststofflasere, fiberlasere, etc.; nedstrømsindustrien refererer hovedsakelig til bruksområdene for ulike lasere, inkludert industrielt prosesseringsutstyr, LIDAR, optisk kommunikasjon, medisinsk skjønnhet og andre applikasjonsindustrier.
①Oppstrømsleverandører
Råmaterialene for oppstrømsprodukter som halvlederlaserbrikker, enheter og moduler er hovedsakelig forskjellige chipmaterialer, fibermaterialer og maskinerte deler, inkludert substrater, kjøleribber, kjemikalier og hussett. Chipbehandling krever høy kvalitet og ytelse fra oppstrøms råvarer, hovedsakelig fra utenlandske leverandører, men graden av lokalisering øker gradvis, og man oppnår gradvis uavhengig kontroll. Ytelsen til de viktigste oppstrøms råvarene har en direkte innvirkning på kvaliteten til halvlederlaserbrikker, og med kontinuerlig forbedring av ytelsen til ulike chipmaterialer spiller forbedring av ytelsen til industriens produkter en positiv rolle i å fremme.
②Midtstrøms industrikjede
Halvlederlaserbrikke er kjernepumpelyskilden for ulike typer lasere i mellomstrømskjeden, og spiller en positiv rolle i å fremme utviklingen av mellomstrømslasere. Innen mellomstrømslasere dominerer USA, Tyskland og andre utenlandske bedrifter, men etter den raske utviklingen av den innenlandske laserindustrien de siste årene har mellomstrømsmarkedet i industrikjeden oppnådd rask innenlandsk substitusjon.
③Industrikjede nedstrøms
Nedstrømsindustrien spiller en større rolle i å fremme utviklingen av industrien, så utviklingen av nedstrømsindustrien vil direkte påvirke industriens markedsplass. Den kontinuerlige veksten i Kinas økonomi og fremveksten av strategiske muligheter for økonomisk transformasjon har skapt bedre utviklingsforhold for utviklingen av denne industrien. Kina går fra å være et produksjonsland til et produksjonskraftverk, og nedstrømslasere 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 for halvlederlaserbrikker og deres enheter øker, og innenlandske bedrifter går gradvis inn i markedet for høyeffektslaserer fra markedet for laveffektslaserer, så industrien må kontinuerlig øke investeringene innen teknologiforskning og -utvikling og uavhengig innovasjon.
2. Utviklingsstatus for halvlederlaserindustrien
Halvlederlasere har den beste energiomdanningseffektiviteten blant alle typer lasere. På den ene siden kan de brukes som kjernepumpekilde for optiske fiberlasere, faststofflasere og andre optiske pumpelasere. På den annen side, med det kontinuerlige gjennombruddet innen halvlederlaserteknologi når det gjelder energieffektivitet, lysstyrke, levetid, multibølgelengde, modulasjonshastighet, etc., er halvlederlasere mye brukt i materialbehandling, medisin, optisk kommunikasjon, optisk sensorikk, forsvar, etc. Ifølge Laser Focus World er den totale globale inntekten fra diodelasere, dvs. halvlederlasere og ikke-diodelasere, anslått til å være 18 480 millioner dollar i 2021, hvorav halvlederlasere utgjør 43 % av den totale inntekten.
Ifølge Laser Focus World vil det globale markedet for halvlederlasere være på 6 724 millioner dollar i 2020, en økning på 14,20 % fra året før. Med utviklingen av global intelligens, den økende etterspørselen etter lasere innen smartenheter, forbrukerelektronikk, ny energi og andre felt, samt den fortsatte utvidelsen av medisinsk utstyr, skjønnhetsutstyr og andre nye applikasjoner, kan halvlederlasere brukes som pumpekilde for optiske pumpelasere, og markedsstørrelsen vil fortsette å opprettholde stabil vekst. Det globale markedet for halvlederlasere i 2021 var på 7,946 milliarder dollar, en markedsvekst på 18,18 %.
Gjennom felles innsats fra tekniske eksperter, bedrifter og praktikere har Kinas halvlederlaserindustri oppnådd en ekstraordinær utvikling, slik at Kinas halvlederlaserindustri har opplevd prosessen fra bunnen av og prototypen til Kinas halvlederlaserindustri. I de senere 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 myndighetene og i samarbeid med laserbedrifter.
3. Fremtidig utviklingstrend for Kinas laserindustri
Sammenlignet med utviklede land i Europa og USA er Kinas laserteknologi ikke forsinket, men det er fortsatt et betydelig gap i anvendelsen av laserteknologi og avansert kjerneteknologi, spesielt oppstrøms halvlederlaserbrikker og andre kjernekomponenter er fortsatt avhengige av import.
De utviklede landene representert ved USA, Tyskland og Japan har i hovedsak 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 penetrasjonsraten for applikasjoner 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 produksjon"-æraen. Fra den nåværende utviklingssituasjonen viser utviklingen av Kinas laserindustri følgende utviklingstrender.
(1) Halvlederlaserbrikke og andre kjernekomponenter realiserer gradvis lokalisering
Ta fiberlaser som et eksempel. Høyeffekts fiberlaserpumpekilde er hovedapplikasjonsområdet for halvlederlasere. Høyeffekts halvlederlaserbrikke og -modul er en viktig komponent i fiberlasere. I de senere årene har Kinas fiberoptiske laserindustri vært i en rask vekstfase, og graden av lokalisering øker år for år.
Når det gjelder markedspenetrasjon, nådde markedsandelen for innenlandske lasere 99,01 % i 2019 i markedet for fiberlasere med lav effekt. I markedet for fiberlasere med mellom effekt har penetrasjonsraten for innenlandske lasere blitt opprettholdt på over 50 % de siste årene. Lokaliseringsprosessen for fiberlasere med høy effekt går også gradvis fremover, fra 2013 til 2019 for å oppnå "fra bunnen av". Lokaliseringsprosessen for fiberlasere med høy effekt går også gradvis fremover, fra 2013 til 2019, og har nådd en penetrasjonsrate på 55,56 %, og den innenlandske penetrasjonsraten for fiberlasere med høy effekt forventes å være 57,58 % i 2020.
Kjernekomponenter som høyeffekts halvlederlaserbrikker er imidlertid 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 lokaliseringen av oppstrøms kjernekomponenter, kan det forbedre innenlandske laserprodusenters evne 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 av laserapplikasjonskostnader, vil lasere trenge dypere inn i mange bransjer.
På den ene siden, for Kina, passer laserbehandling også inn i de ti største bruksområdene innen 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 førerløs teknologi, avanserte assisterte kjøresystemer, tjenesteorienterte roboter, 3D-sensorer, etc., vil det bli mer anvendt på mange felt som bil, kunstig intelligens, forbrukerelektronikk, ansiktsgjenkjenning, optisk kommunikasjon og nasjonal forsvarsforskning. Som kjerneenhet eller komponent i de ovennevnte laserapplikasjonene, vil halvlederlaseren også få rask utviklingsplass.
(3) Høyere effekt, bedre strålekvalitet, kortere bølgelengde og raskere utvikling av frekvensretning
Innen industrielle lasere har fiberlasere gjort store fremskritt når det gjelder utgangseffekt, strålekvalitet og lysstyrke siden introduksjonen. Høyere effekt kan imidlertid forbedre prosesseringshastigheten, optimalisere prosesseringskvaliteten og utvide prosesseringsfeltet til tungindustriproduksjon. Innen bilproduksjon, luftfartsproduksjon, energi, maskinproduksjon, metallurgi, jernbanetransportkonstruksjon, vitenskapelig forskning og andre bruksområder innen skjæring, sveising, overflatebehandling osv. fortsetter fiberlaserens effektbehov å øke. De tilsvarende enhetsprodusentene må kontinuerlig forbedre ytelsen til kjerneenheter (som høyeffekts halvlederlaserbrikker og forsterkningsfiber). Økning av fiberlaserens effekt krever også avansert lasermoduleringsteknologi som strålekombinering og effektsyntese, noe som vil bringe nye krav og utfordringer for produsenter av høyeffekts halvlederlaserbrikker. I tillegg er kortere bølgelengder, flere bølgelengder og raskere (ultrasnabb) laserutvikling også en viktig retning, hovedsakelig brukt i integrerte kretsbrikker, skjermer, forbrukerelektronikk, luftfart og annen presisjonsmikroprosessering, samt biovitenskap, medisin, sensorer og andre felt. Halvlederlaserbrikker stiller også nye krav.
(4) ytterligere vekst i etterspørselen etter optoelektroniske komponenter med høy effekt på lasere
Utviklingen og industrialiseringen av høyeffektsfiberlasere er et resultat av den synergistiske fremgangen i industrikjeden, som krever støtte fra sentrale optoelektroniske komponenter som pumpekilde, isolator, strålekonsentrator, etc. De optoelektroniske komponentene som brukes i høyeffektsfiberlasere er grunnlaget og nøkkelkomponentene i utviklingen og produksjonen, og det voksende markedet for høyeffektsfiberlasere driver også markedets etterspørsel etter kjernekomponenter som høyeffekts halvlederlaserbrikker. Samtidig, med den kontinuerlige forbedringen av innenlandsk fiberlaserteknologi, har importsubstitusjon blitt en uunngåelig trend, og lasermarkedsandelen i verden vil fortsette å forbedre seg, noe som også gir store muligheter for lokal styrke for produsenter av optoelektroniske komponenter.
Publisert: 07. mars 2023
