1. Pregled laserske industrije
(1) Predstavitev laserja
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, skrajšano LASER) je koliniran, monokromatski, koherenten, usmerjen žarek svetlobe, ki nastane z ojačanjem svetlobnega sevanja pri ozki frekvenci z vzbujeno povratno resonanco in sevanjem.
Laserska tehnologija izvira iz zgodnjih 60. let prejšnjega stoletja in zaradi svoje popolnoma drugačne narave od običajne svetlobe se je kmalu široko uporabljal na različnih področjih in je močno vplival na razvoj in transformacijo znanosti, tehnologije, gospodarstva in družbe.
Rojstvo laserja je dramatično spremenilo podobo starodavne optike in klasično optično fiziko razširilo v novo visokotehnološko disciplino, ki zajema tako klasično optiko kot sodobno fotoniko, kar je nenadomestljiv prispevek k razvoju človeškega gospodarstva in družbe. Raziskave laserske fizike so prispevale k razcvetu dveh glavnih vej sodobne fotonske fizike: energijske fotonike in informacijske fotonike. Zajema nelinearno optiko, kvantno optiko, kvantno računalništvo, lasersko zaznavanje in komunikacijo, lasersko fiziko plazme, lasersko kemijo, lasersko biologijo, lasersko medicino, ultra-natančno lasersko spektroskopijo in meroslovje, lasersko atomsko fiziko, vključno z laserskim hlajenjem, in raziskovanje kondenzirane snovi Bose-Einstein , laserski funkcionalni materiali, laserska proizvodnja, laserska izdelava mikro-optoelektronskih čipov, lasersko 3D tiskanje in več kot 20 mednarodnih disciplin in tehnoloških aplikacij. Oddelek za lasersko znanost in tehnologijo (DSL) je bil ustanovljen na naslednjih področjih.
V laserski proizvodni industriji je svet vstopil v dobo "lahke proizvodnje", po mednarodni statistiki laserske industrije je 50 % letnega BDP Združenih držav1 povezanih s hitro širitvijo trga visokokakovostnih laserskih aplikacij. Več razvitih držav, ki jih predstavljajo Združene države, Nemčija in Japonska, je v bistvu zaključilo zamenjavo tradicionalnih procesov z lasersko obdelavo v večjih proizvodnih panogah, kot sta avtomobilska in letalska. Laser v industrijski proizvodnji je pokazal velik potencial za nizkocenovne, visokokakovostne, visoko učinkovite in posebne proizvodne aplikacije, ki jih ni mogoče doseči s konvencionalno proizvodnjo, in je postal pomembno gonilo konkurence in inovacij med velikimi industrijskimi državami na svetu. Države dejavno podpirajo lasersko tehnologijo kot eno svojih najpomembnejših vrhunskih tehnologij in so razvile nacionalne razvojne načrte laserske industrije.
(2)LaserVir Pprincip
Laser je naprava, ki uporablja vzbujeno sevanje za proizvodnjo vidne ali nevidne svetlobe s kompleksno strukturo in visokimi tehničnimi ovirami. Optični sistem je v glavnem sestavljen iz vira črpalke (vir vzbujanja), ojačevalnega medija (delovna snov) in resonančne votline ter drugih materialov optične naprave. Ojačevalni medij je vir generiranja fotonov in z absorbiranjem energije, ki jo ustvari vir črpalke, ojačevalni medij preskoči iz osnovnega stanja v vzbujeno stanje. Ker je vzbujeno stanje nestabilno, bo ojačitveni medij v tem času sprostil energijo, da se vrne v stabilno stanje osnovnega stanja. V tem procesu sproščanja energije ojačitveni medij proizvaja fotone, ti fotoni pa imajo visoko stopnjo doslednosti v energiji, valovni dolžini in smeri, nenehno se odbijajo v optični resonančni votlini, vzajemnem gibanju, tako da se nenehno ojačajo in končno izstrelite laser skozi reflektor, da nastane laserski žarek. Ker je osrednji optični sistem terminalske opreme, delovanje laserja pogosto neposredno določa kakovost in moč izhodnega žarka laserske opreme, je osrednja komponenta terminalske laserske opreme.
Vir črpalke (vir vzbujanja) zagotavlja energijsko vzbujanje ojačevalnega medija. Ojačevalni medij je vznemirjen za proizvodnjo fotonov za ustvarjanje in ojačanje laserja. Resonančna votlina je kraj, kjer se regulirajo fotonske karakteristike (frekvenca, faza in smer delovanja), da se pridobi visokokakovosten izhodni vir svetlobe z nadzorovanjem fotonskih nihanj v votlini. Vir črpalke (vir vzbujanja) zagotavlja vzbujanje energije za ojačevalni medij. Ojačevalni medij je vznemirjen za proizvodnjo fotonov za ustvarjanje in ojačanje laserja. Resonančna votlina je kraj, kjer se fotonske karakteristike (frekvenca, faza in smer delovanja) prilagajajo, da se pridobi visokokakovosten izhodni vir svetlobe z nadzorovanjem fotonskih nihanj v votlini.
(3)Razvrstitev laserskega vira
Vir laserja je mogoče razvrstiti glede na medij ojačanja, izhodno valovno dolžino, način delovanja in način črpanja, kot sledi
① Razvrstitev glede na medij ojačitve
Glede na različne nosilne medije lahko laserje razdelimo na trdne (vključno s trdnimi, polprevodniškimi, vlaknenimi, hibridnimi), tekoče laserje, plinske laserje itd.
| LaserVirVrsta | Pridobite medije | Glavne značilnosti |
| Polprevodniški laserski vir | Trdne snovi, polprevodniki, optična vlakna, hibrid | Dobra stabilnost, visoka moč, nizki stroški vzdrževanja, primerno za industrializacijo |
| Tekoči laserski vir | Kemične tekočine | Izbirni obseg valovne dolžine, vendar velika velikost in visoki stroški vzdrževanja |
| Plinski laserski vir | Plini | Visokokakovosten laserski svetlobni vir, vendar večja velikost in višji stroški vzdrževanja |
| Laserski vir prostih elektronov | Elektronski žarek v določenem magnetnem polju | Doseči je mogoče ultra visoko moč in visokokakovosten laserski izhod, vendar so proizvodna tehnologija in proizvodni stroški zelo visoki |
Zaradi dobre stabilnosti, velike moči in nizkih stroškov vzdrževanja ima uporaba polprevodniških laserjev absolutno prednost.
Med polprevodniškimi laserji imajo polprevodniški laserji prednosti visoke učinkovitosti, majhnosti, dolge življenjske dobe, nizke porabe energije itd. Po eni strani jih je mogoče neposredno uporabiti kot osnovni vir svetlobe in podporo za lasersko obdelavo, medicinsko, komunikacijske, zaznavne, prikazovalne, nadzorne in obrambne aplikacije ter so postale pomembna osnova za razvoj sodobne laserske tehnologije s strateškim razvojnim pomenom.
Po drugi strani pa se lahko polprevodniški laserji uporabljajo tudi kot vir črpalne svetlobe za druge laserje, kot so polprevodniški laserji in laserji z vlakni, kar močno spodbuja tehnološki napredek celotnega laserskega področja. Vse pomembnejše razvite države sveta so ga vključile v svoje nacionalne razvojne načrte, ga močno podprle in dobile hiter razvoj.
② Glede na metodo črpanja
Laserje lahko glede na način črpanja delimo na laserje z električnim črpanjem, laserje z optičnim črpanjem, laserje s kemičnim črpanjem itd.
Laserji z električnim črpanjem se nanašajo na laserje, ki jih vzbuja tok, plinske laserje večinoma vzbuja plinska razelektritev, medtem ko se polprevodniški laserji večinoma vzbujajo z vbrizgavanjem toka.
Skoraj vsi polprevodniški laserji in tekočinski laserji so laserji z optično črpalko, polprevodniški laserji pa se uporabljajo kot osnovni vir črpanja za laserje z optično črpalko.
Laserji s kemičnim črpanjem se nanašajo na laserje, ki uporabljajo energijo, sproščeno pri kemičnih reakcijah, za vzbujanje delovnega materiala.
③Razvrstitev po načinu delovanja
Laserje lahko glede na način delovanja razdelimo na zvezne laserje in pulzne laserje.
Kontinuirani laserji imajo stabilno porazdelitev števila delcev na vsaki energijski ravni in polje sevanja v votlini, za njihovo delovanje pa je značilno vzbujanje delovnega materiala in ustrezen laserski izhod na neprekinjen način v daljšem časovnem obdobju . Kontinuirani laserji lahko neprekinjeno oddajajo lasersko svetlobo dlje časa, vendar je toplotni učinek bolj očiten.
Impulzni laserji se nanašajo na časovno trajanje, ko se moč laserja vzdržuje na določeni vrednosti in oddajajo lasersko svetlobo na nekontinuiran način, z glavnimi značilnostmi majhnega toplotnega učinka in dobrega nadzora.
④ Razvrstitev po izhodni valovni dolžini
Laserje lahko glede na valovno dolžino razdelimo na infrardeče laserje, vidne laserje, ultravijolične laserje, globoke ultravijolične laserje itd. Razpon valovnih dolžin svetlobe, ki jo lahko absorbirajo različni strukturirani materiali, je različen, zato so za fino obdelavo različnih materialov ali za različne scenarije uporabe potrebni laserji različnih valovnih dolžin.Infrardeči laserji in UV laserji so dva najpogosteje uporabljena laserja. Infrardeči laserji se večinoma uporabljajo pri "toplotni obdelavi", kjer se material na površini materiala segreje in upari (upari), da se material odstrani; pri obdelavi tankoslojnih nekovinskih materialov, rezanje polprevodniških rezin, rezanje organskega stekla, vrtanje, označevanje in druga področja, visoka energija Na področju obdelave tankoslojnih nekovinskih materialov, rezanje polprevodniških rezin, rezanje organskega stekla, vrtanje, označevanje, itd., visokoenergijski UV-fotoni neposredno prekinejo molekularne vezi na površini nekovinskih materialov, tako da se molekule lahko ločijo od predmeta, ta metoda pa ne povzroči visoke toplotne reakcije, zato jo običajno imenujemo "hladna". obdelava«.
Zaradi visoke energije UV-fotonov je težko ustvariti določen neprekinjen UV-laser visoke moči z zunanjim virom vzbujanja, zato se UV-laser na splošno ustvari z uporabo metode pretvorbe frekvence nelinearnega učinka kristalnega materiala, tako da se trenutno široko uporablja industrijsko področje UV laserjev so predvsem polprevodniški UV laserji.
(4) Industrijska veriga
Navzgor v industrijski verigi je uporaba polprevodniških surovin, vrhunske opreme in povezanih proizvodnih dodatkov za proizvodnjo laserskih jeder in optoelektronskih naprav, ki je temelj laserske industrije in ima visok dostopni prag. Sredina industrijske verige je uporaba predhodnih laserskih čipov in optoelektronskih naprav, modulov, optičnih komponent itd. kot virov črpanja za proizvodnjo in prodajo različnih laserjev, vključno z direktnimi polprevodniškimi laserji, laserji z ogljikovim dioksidom, polprevodniškimi laserji, vlakneni laserji itd.; nadaljnja industrija se v glavnem nanaša na področja uporabe različnih laserjev, vključno z industrijsko procesno opremo, LIDAR, optičnimi komunikacijami, medicinsko lepoto in drugimi uporabnimi industrijami
①Najprejšnji dobavitelji
Surovine za predhodne izdelke, kot so polprevodniški laserski čipi, naprave in moduli, so predvsem različni materiali za čipe, vlaknati materiali in strojno obdelani deli, vključno s substrati, hladilnimi odvodi, kemikalijami in kompleti ohišij. Predelava sekancev zahteva visoko kakovost in zmogljivost predhodnih surovin, predvsem od tujih dobaviteljev, vendar se stopnja lokalizacije postopoma povečuje in postopoma doseže neodvisen nadzor. Učinkovitost glavnih surovin na zgornjem delu verige ima neposreden vpliv na kakovost polprevodniških laserskih čipov, z nenehnim izboljševanjem učinkovitosti različnih materialov čipov, za izboljšanje učinkovitosti izdelkov v industriji igrajo pozitivno vlogo pri promociji.
②Veriga srednje točne industrije
Polprevodniški laserski čip je glavni vir svetlobe črpalke različnih vrst laserjev v sredini industrijske verige in ima pozitivno vlogo pri spodbujanju razvoja laserjev srednjega toka. Na področju laserjev srednjega toka prevladujejo Združene države, Nemčija in druga čezmorska podjetja, toda po hitrem razvoju domače laserske industrije v zadnjih letih je srednji trg industrijske verige dosegel hitro domačo zamenjavo.
③Industrijska veriga navzdol
Industrija na koncu proizvodne verige ima večjo vlogo pri spodbujanju razvoja industrije, zato bo razvoj industrije na koncu proizvodne verige neposredno vplival na tržni prostor industrije. Stalna rast kitajskega gospodarstva in pojav strateških priložnosti za gospodarsko preobrazbo sta ustvarila boljše razvojne pogoje za razvoj te industrije. Kitajska se premika iz proizvodne države v proizvodno elektrarno, nadaljnji laserji in laserska oprema pa so eden od ključev za nadgradnjo proizvodne industrije, ki zagotavlja dobro okolje povpraševanja za dolgoročno izboljšanje te industrije. Zahteve nadaljnje industrije za indeks zmogljivosti polprevodniških laserskih čipov in njihovih naprav naraščajo, domača podjetja pa postopoma vstopajo na trg laserjev z visoko močjo s trga laserjev z nizko močjo, zato mora industrija nenehno povečevati naložbe na področju tehnoloških raziskav. ter razvoj in neodvisne inovacije.
2. stanje razvoja industrije polprevodniških laserjev
Polprevodniški laserji imajo najboljšo učinkovitost pretvorbe energije med vsemi vrstami laserjev, po eni strani pa se lahko uporabljajo kot osnovni vir črpalke laserjev z optičnimi vlakni, polprevodniških laserjev in drugih laserjev z optično črpalko. Po drugi strani pa se z nenehnim prebojem polprevodniške laserske tehnologije v smislu energetske učinkovitosti, svetlosti, življenjske dobe, večvalovnih dolžin, stopnje modulacije itd. polprevodniški laserji pogosto uporabljajo pri obdelavi materialov, medicini, optični komunikaciji, optičnem zaznavanju, obrambo itd. Po podatkih Laser Focus World je skupni svetovni prihodek diodnih laserjev, tj. polprevodniških laserjev in nediodnih laserjev, leta 2021 ocenjen na 18.480 milijonov USD, pri čemer polprevodniški laserji predstavljajo 43 % celotnega prihodka.
Po podatkih Laser Focus World bo svetovni trg polprevodniških laserjev leta 2020 znašal 6.724 milijonov dolarjev, kar je 14,20 % več kot prejšnje leto. Z razvojem globalne inteligence, naraščajočim povpraševanjem po laserjih v pametnih napravah, potrošniški elektroniki, novi energiji in drugih področjih, pa tudi z nenehnim širjenjem medicinske, kozmetične opreme in drugih nastajajočih aplikacij, se lahko polprevodniški laserji uporabljajo kot vir črpalke. za laserje z optično črpalko, njegova tržna velikost pa bo še naprej ohranjala stabilno rast. 2021 svetovni trg polprevodniških laserjev znaša 7,946 milijarde USD, stopnja rasti trga 18,18 %.
S skupnimi prizadevanji tehničnih strokovnjakov, podjetij in praktikov je kitajska industrija polprevodniških laserjev dosegla izjemen razvoj, tako da je kitajska industrija polprevodniških laserjev izkusila proces iz nič in začetek prototipa kitajske industrije polprevodniških laserjev. V zadnjih letih je Kitajska povečala razvoj laserske industrije in različne regije so bile posvečene znanstvenim raziskavam, izboljšanju tehnologije, razvoju trga in gradnji laserskih industrijskih parkov pod vodstvom vlade in sodelovanja laserskih podjetij.
3. Prihodnji razvojni trend kitajske laserske industrije
V primerjavi z razvitimi državami v Evropi in Združenih državah, kitajska laserska tehnologija ne zamuja, vendar je pri uporabi laserske tehnologije in vrhunske jedrne tehnologije še vedno precejšnja vrzel, zlasti navzgornji polprevodniški laserski čip in druge jedrne komponente so še vedno odvisno od uvoza.
Razvite države, ki jih predstavljajo ZDA, Nemčija in Japonska, so v bistvu dokončale zamenjavo tradicionalne proizvodne tehnologije na nekaterih velikih industrijskih področjih in vstopile v dobo "lahke proizvodnje"; Čeprav je razvoj laserskih aplikacij na Kitajskem hiter, je stopnja prodora aplikacij še vedno relativno nizka. Laserska industrija bo kot osrednja tehnologija industrijske nadgradnje še naprej ključno področje nacionalne podpore in bo še naprej širila obseg uporabe ter na koncu spodbujala kitajsko proizvodno industrijo v dobo "lahke proizvodnje". Glede na trenutne razvojne razmere razvoj kitajske laserske industrije kaže naslednje razvojne trende.
(1) Polprevodniški laserski čip in druge osnovne komponente postopoma uresničujejo lokalizacijo
Vzemimo za primer optični laser, visoko zmogljiv vir optične laserske črpalke je glavno področje uporabe polprevodniškega laserja, visoko zmogljiv polprevodniški laserski čip in modul sta pomembna komponenta optičnega laserja. V zadnjih letih je kitajska laserska industrija optičnih vlaken v fazi hitre rasti, stopnja lokalizacije pa se iz leta v leto povečuje.
Kar zadeva prodor na trg, je na trgu laserskih vlaken z nizko močjo tržni delež domačih laserjev leta 2019 dosegel 99,01 %; na trgu optičnih laserjev srednje moči je bila stopnja prodora domačih laserjev v zadnjih letih več kot 50-odstotna; postopoma napreduje tudi proces lokalizacije visokozmogljivih laserjev z vlakni, od leta 2013 do 2019, da bi dosegli "iz nič". Tudi proces lokalizacije zmogljivih optičnih laserjev postopoma napreduje, od leta 2013 do 2019, in je dosegel stopnjo prodora 55,56 %, domača stopnja prodora visokozmogljivih optičnih laserjev pa naj bi leta 2020 znašala 57,58 %.
Vendar so glavne komponente, kot so visokozmogljivi polprevodniški laserski čipi, še vedno odvisne od uvoza, komponente laserjev s polprevodniškimi laserskimi čipi kot jedrom pa se postopoma lokalizirajo, kar po eni strani izboljšuje tržni obseg zgornjih komponent laserjev. domače laserje, po drugi strani pa lahko z lokalizacijo zgornjih jedrnih komponent izboljša sposobnost domačih proizvajalcev laserjev za sodelovanje v mednarodni konkurenci.
(2) Laserske aplikacije prodrejo hitreje in širše
S postopno lokalizacijo optoelektronskih komponent gornjega jedra in postopnim zniževanjem stroškov uporabe laserjev bodo laserji globlje prodrli v številne industrije.
Po eni strani se za Kitajsko laserska obdelava prilega tudi med deset najboljših področij uporabe kitajske predelovalne industrije in pričakuje se, da se bodo področja uporabe laserske obdelave še razširila, tržni obseg pa se bo v prihodnosti še razširil. Po drugi strani pa se bo z nenehnim populariziranjem in razvojem tehnologij, kot so sistem brez voznika, napredni sistem za pomoč pri vožnji, storitveno usmerjen robot, 3D zaznavanje itd., bolj uporabljal na številnih področjih, kot so avtomobili, umetna inteligenca, potrošniška elektronika. , prepoznavanje obrazov, optična komunikacija in raziskave nacionalne obrambe. Kot osrednja naprava ali komponenta zgornjih laserskih aplikacij bo polprevodniški laser pridobil tudi hiter razvojni prostor.
(3) Večja moč, boljša kakovost žarka, krajša valovna dolžina in hitrejši razvoj frekvenčne smeri
Na področju industrijskih laserjev so laserji z vlakni od njihove uvedbe močno napredovali glede izhodne moči, kakovosti žarka in svetlosti. Vendar pa lahko večja moč izboljša hitrost obdelave, optimizira kakovost obdelave in razširi področje obdelave na proizvodnjo težke industrije, v avtomobilsko proizvodnjo, vesoljsko proizvodnjo, energetiko, proizvodnjo strojev, metalurgijo, gradnjo železniškega transporta, znanstvene raziskave in druga področja uporabe pri rezanju , varjenje, površinska obdelava itd., zahteve po moči optičnega laserja še naprej naraščajo. Proizvajalci ustreznih naprav morajo nenehno izboljševati delovanje jedrnih naprav (kot so visoko zmogljivi polprevodniški laserski čip in ojačana vlakna), povečanje moči optičnega laserja zahteva tudi napredno tehnologijo laserske modulacije, kot sta združevanje žarkov in sinteza moči, kar bo prineslo nove zahteve in izzivi za proizvajalce visokozmogljivih polprevodniških laserskih čipov. Poleg tega so krajše valovne dolžine, več valovnih dolžin, hitrejši (ultra hiter) razvoj laserjev prav tako pomembna smer, ki se večinoma uporablja v čipih integriranih vezij, zaslonih, potrošniški elektroniki, vesoljski in drugi natančni mikroprocesiji, pa tudi znanosti o življenju, medicini, zaznavanju in drugih polprevodniški laserski čip je postavil tudi nove zahteve.
(4) povpraševanje po laserskih optoelektronskih komponentah visoke moči za nadaljnjo rast
Razvoj in industrializacija visokozmogljivega optičnega laserja sta rezultat sinergističnega napredka industrijske verige, ki zahteva podporo osrednjih optoelektronskih komponent, kot so vir črpalke, izolator, koncentrator žarka itd. Optoelektronske komponente, ki se uporabljajo v visokozmogljivih optični laser sta osnova in ključni sestavni del njegovega razvoja in proizvodnje, rastoči trg zmogljivih optičnih laserjev pa spodbuja tudi tržno povpraševanje po ključnih komponentah, kot so visoko zmogljivi polprevodniški laserski čipi. Hkrati je z nenehnim izboljševanjem domače laserske tehnologije z vlakni zamenjava uvoza postala neizogiben trend, tržni delež laserjev v svetu se bo še naprej izboljševal, kar prinaša tudi velike priložnosti za lokalno moč proizvajalcev optoelektronskih komponent.
Čas objave: mar-07-2023
