1. Pregled laserske industrije
(1) Uvod v laser
Laser (ojačanje svetlobe s stimulirano emisijo sevanja, skrajšano LASER) je kolimiran, monokromatski, koherenten, usmerjen svetlobni žarek, ki nastane z ojačitvijo svetlobnega sevanja z ozko frekvenco zaradi vzbujene povratne resonance in sevanja.
Laserska tehnologija je nastala v zgodnjih šestdesetih letih prejšnjega stoletja in zaradi svoje popolnoma drugačne narave od navadne svetlobe se je laser kmalu široko uporabljal na različnih področjih ter močno vplival na razvoj in preobrazbo znanosti, tehnologije, gospodarstva in družbe.
Rojstvo laserja je dramatično spremenilo podobo starodavne optike, saj je klasično optično fiziko razširilo v novo visokotehnološko disciplino, ki zajema tako klasično optiko kot sodobno fotoniko ter tako nenadomestljivo prispeva k razvoju človeškega gospodarstva in družbe. Raziskave laserske fizike so prispevale k razcvetu dveh glavnih vej sodobne fotonske fizike: energijske fotonike in informacijske fotonike. Zajemajo nelinearno optiko, kvantno optiko, kvantno računalništvo, lasersko zaznavanje in komunikacijo, fiziko laserske plazme, lasersko kemijo, lasersko biologijo, lasersko medicino, ultra precizno lasersko spektroskopijo in meroslovje, lasersko atomsko fiziko, vključno z laserskim hlajenjem in raziskavami kondenzirane snovi Bose-Einstein, laserske funkcionalne materiale, lasersko izdelavo, izdelavo laserskih mikro-optoelektronskih čipov, lasersko 3D-tiskanje in več kot 20 mednarodnih pionirskih disciplin in tehnoloških aplikacij. Oddelek za lasersko znanost in tehnologijo (DSL) je bil ustanovljen na naslednjih področjih.
V industriji laserske proizvodnje je svet vstopil v obdobje "lahke proizvodnje". Glede na mednarodno statistiko laserske industrije je 50 % letnega BDP Združenih držav Amerike1 povezanih s hitro širitvijo trga visokonivojskih laserskih aplikacij. Več razvitih držav, ki jih zastopajo Združene države Amerike, Nemčija in Japonska, je v bistvu dokončalo zamenjavo tradicionalnih procesov z lasersko obdelavo v večjih predelovalnih panogah, kot sta avtomobilska in letalska industrija. Laser v industrijski proizvodnji je pokazal velik potencial za nizkocenovne, visokokakovostne, visoko učinkovite in posebne proizvodne aplikacije, ki jih s konvencionalno proizvodnjo ni mogoče doseči, in je postal pomembno gonilo konkurence in inovacij med največjimi industrijskimi državami na svetu. Države aktivno podpirajo lasersko tehnologijo kot eno svojih najpomembnejših vrhunskih tehnologij in so razvile nacionalne načrte za razvoj laserske industrije.
(2)LaserVir Pnačelo
Laser je naprava, ki uporablja vzbujeno sevanje za proizvodnjo vidne ali nevidne svetlobe, s kompleksno strukturo in visokimi tehničnimi ovirami. Optični sistem je sestavljen predvsem iz črpalnega vira (vir vzbujanja), ojačevalnega medija (delovna snov) in resonančne votline ter drugih materialov optične naprave. Ojačevalni medij je vir generiranja fotonov in z absorpcijo energije, ki jo ustvari črpalni vir, ojačevalni medij preskoči iz osnovnega stanja v vzbujeno stanje. Ker je vzbujeno stanje nestabilno, ojačevalni medij v tem času sprosti energijo in se vrne v ustaljeno stanje osnovnega stanja. V tem procesu sproščanja energije ojačevalni medij proizvaja fotone, ki imajo visoko stopnjo doslednosti glede energije, valovne dolžine in smeri. Nenehno se odbijajo v optični resonančni votlini, se recipročno gibljejo, tako da se nenehno ojačajo in na koncu izstreljujejo laser skozi reflektor, da tvorijo laserski žarek. Kot osrednji optični sistem terminalne opreme delovanje laserja pogosto neposredno določa kakovost in moč izhodnega žarka laserske opreme, kar je osrednja komponenta terminalne laserske opreme.
Črpalni vir (vir vzbujanja) zagotavlja energijsko vzbujanje ojačevalnemu mediju. Ojačevalni medij se vzbuja, da proizvaja fotone za generiranje in ojačanje laserja. Resonančna votlina je mesto, kjer se uravnavajo karakteristike fotonov (frekvenca, faza in smer delovanja), da se z nadzorom nihanj fotonov v votlini doseže visokokakovosten izhodni svetlobni vir. Črpalni vir (vir vzbujanja) zagotavlja energijsko vzbujanje za ojačevalni medij. Ojačevalni medij se vzbuja, da proizvaja fotone za generiranje in ojačanje laserja. Resonančna votlina je mesto, kjer se prilagajajo karakteristike fotonov (frekvenca, faza in smer delovanja), da se z nadzorom nihanj fotonov v votlini doseže visokokakovosten izhodni svetlobni vir.
(3)Klasifikacija laserskega vira
Laserski vir lahko razvrstimo glede na ojačanje medija, izhodno valovno dolžino, način delovanja in način črpanja, kot sledi
① Razvrstitev po ojačanju medija
Glede na različne medije za ojačanje lahko laserje razdelimo na trdne (vključno s trdnimi, polprevodniškimi, vlaknenimi, hibridnimi), tekoče laserje, plinske laserje itd.
| LaserVirVrsta | Gain Media | Glavne značilnosti |
| Trdni laserski vir | Trdne snovi, polprevodniki, optična vlakna, hibridi | Lepa stabilnost, visoka moč, nizki stroški vzdrževanja, primerno za industrializacijo |
| Tekoči laserski vir | Kemične tekočine | Izbirno valovno območje doseženo, vendar velika velikost in visoki stroški vzdrževanja |
| Vir plinskega laserja | Plini | Visokokakovosten laserski vir svetlobe, vendar večja velikost in višji stroški vzdrževanja |
| Vir prostega elektronskega laserja | Elektronski žarek v specifičnem magnetnem polju | Doseči je mogoče ultra visoko moč in visokokakovosten laserski izhod, vendar so proizvodna tehnologija in proizvodni stroški zelo visoki. |
Zaradi dobre stabilnosti, visoke moči in nizkih stroškov vzdrževanja je uporaba trdnih laserjev absolutna prednost.
Med trdnimi laserji imajo polprevodniški laserji prednosti visoke učinkovitosti, majhnosti, dolge življenjske dobe, nizke porabe energije itd. Po eni strani jih je mogoče neposredno uporabiti kot osrednji vir svetlobe in podporo za lasersko obdelavo, medicino, komunikacijo, zaznavanje, prikazovanje, spremljanje in obrambne aplikacije ter so postali pomembna osnova za razvoj sodobne laserske tehnologije s strateškim razvojnim pomenom.
Po drugi strani pa se lahko polprevodniški laserji uporabljajo tudi kot osrednji črpalni vir svetlobe za druge laserje, kot so trdnostni laserji in vlakenski laserji, kar močno spodbuja tehnološki napredek celotnega laserskega področja. Vse večje razvite države sveta so ga vključile v svoje nacionalne razvojne načrte, kar mu daje močno podporo in mu omogoča hiter razvoj.
② Glede na način črpanja
Laserje lahko glede na način črpanja razdelimo na električno črpane, optično črpane, kemično črpane laserje itd.
Električno črpani laserji se nanašajo na laserje, ki jih vzbuja tok, plinski laserji se večinoma vzbujajo s plinskim praznjenjem, polprevodniški laserji pa se večinoma vzbujajo z vbrizgavanjem toka.
Skoraj vsi trdno-tekoči laserji in tekočinski laserji so optični črpalni laserji, polprevodniški laserji pa se uporabljajo kot osrednji črpalni vir za optične črpalne laserje.
Kemično črpani laserji 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 neprekinjene laserje in pulzne laserje.
Kontinuirni laserji imajo stabilno porazdelitev števila delcev na vsaki energijski ravni in sevalnega polja v votlini, njihovo delovanje pa je značilno po vzbujanju delovnega materiala in ustreznem laserskem izhodu na neprekinjen način v daljšem časovnem obdobju. Kontinuirni laserji lahko oddajajo lasersko svetlobo neprekinjeno dlje časa, vendar je toplotni učinek bolj očiten.
Impulzni laserji se nanašajo na časovno trajanje, ko se laserska moč vzdržuje na določeni vrednosti, in oddajajo lasersko svetlobo neprekinjeno, z glavnima značilnostma 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. Valovni razpon 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 in UV laserji sta dva najpogosteje uporabljena laserja. Infrardeči laserji se uporabljajo predvsem pri "termični obdelavi", kjer se material na površini materiala segreje in upari (izhlapi), da se material odstrani; pri obdelavi tankih nekovinskih materialov, rezanju polprevodniških rezin, rezanju organskega stekla, vrtanju, označevanju in drugih področjih, visokoenergijski. Na področju obdelave tankih nekovinskih materialov, rezanja polprevodniških rezin, rezanja organskega stekla, vrtanja, označevanja itd. visokoenergijski UV fotoni neposredno prekinejo molekularne vezi na površini nekovinskih materialov, tako da se molekule lahko ločijo od predmeta, in ta metoda ne povzroča visoke toplotne reakcije, zato se običajno imenuje "hladna obdelava".
Zaradi visoke energije UV fotonov je težko ustvariti določen visokozmogljiv neprekinjen UV laser z zunanjim vzbujevalnim virom, zato se UV laser običajno ustvarja z uporabo metode pretvorbe frekvence z nelinearnim učinkom kristalnega materiala, zato se trenutno široko uporablja industrijsko področje UV laserjev predvsem trdno-snovni UV laserji.
(4) Industrijska veriga
Zgornji tok industrijske verige predstavlja uporaba polprevodniških surovin, vrhunske opreme in sorodnih proizvodnih dodatkov za izdelavo laserskih jeder in optoelektronskih naprav, kar je temelj laserske industrije in ima visok prag dostopa. Srednji tok industrijske verige predstavlja uporaba zgornjega toka 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, trdnostnimi laserji, vlaknastimi laserji itd.; spodnja industrija se nanaša predvsem na področja uporabe različnih laserjev, vključno z industrijsko procesno opremo, LIDAR-jem, optičnimi komunikacijami, medicinsko-lepotilno in drugimi aplikacijami.
①Dobavitelji višje v verigi
Surovine za izdelke v proizvodnji, kot so polprevodniški laserski čipi, naprave in moduli, so predvsem različni materiali za čipe, vlaknasti materiali in strojno obdelani deli, vključno s substrati, hladilnimi telesi, kemikalijami in ohišji. Obdelava čipov zahteva visoko kakovost in zmogljivost surovin v proizvodnji, predvsem od tujih dobaviteljev, vendar se stopnja lokalizacije postopoma povečuje in postopoma se dosega neodvisen nadzor. Zmogljivost glavnih surovin v proizvodnji neposredno vpliva na kakovost polprevodniških laserskih čipov, pri čemer se nenehno izboljšuje zmogljivost različnih materialov za čipe, kar pozitivno vpliva na izboljšanje zmogljivosti izdelkov v industriji.
②Veriga srednjetokovne industrije
Polprevodniški laserski čip je osrednji vir svetlobne črpalke različnih vrst laserjev v srednjem toku industrijske verige in igra pozitivno vlogo pri spodbujanju razvoja srednjetokovnih laserjev. Na področju srednjetokovnih laserjev prevladujejo ameriška, nemška in druga tuja podjetja, vendar je po hitrem razvoju domače laserske industrije v zadnjih letih srednjetokovni trg industrijske verige dosegel hitro domačo nadomestitev.
③Industrijska veriga nižje v verigi
Industrija nižje v prodajni verigi ima večjo vlogo pri spodbujanju razvoja industrije, zato bo razvoj industrije nižje v prodajni verigi neposredno vplival na tržni prostor industrije. Nenehna rast kitajskega gospodarstva in pojav strateških priložnosti za gospodarsko preobrazbo sta ustvarila boljše razvojne pogoje za razvoj te industrije. Kitajska se iz proizvodne države premika v proizvodno velesilo, laserji in laserska oprema nižje v prodajni verigi pa so eden od ključev za nadgradnjo predelovalne industrije, kar zagotavlja dobro povpraševanje za dolgoročno izboljšanje te industrije. Zahteve industrije nižje v prodajni verigi glede indeksa zmogljivosti polprevodniških laserskih čipov in njihovih naprav se povečujejo, domača podjetja pa postopoma vstopajo na trg laserjev z visoko močjo iz trga laserjev z nizko močjo, zato mora industrija nenehno povečevati naložbe v področje tehnoloških raziskav in razvoja ter neodvisnih inovacij.
2. stanje razvoja industrije polprevodniških laserjev
Polprevodniški laserji imajo med vsemi vrstami laserjev najboljšo učinkovitost pretvorbe energije, saj se lahko uporabljajo kot vir črpanja v optičnih vlakenskih laserjih, trdnih laserjih in drugih optičnih črpalnih laserjih. Po drugi strani pa se polprevodniški laserji z nenehnim prebojem tehnologije polprevodniških laserjev v smislu energijske učinkovitosti, svetlosti, življenjske dobe, večvalovnih dolžin, stopnje modulacije itd. pogosto uporabljajo v obdelavi materialov, medicini, optični komunikaciji, optičnem zaznavanju, obrambi itd. Po podatkih Laser Focus World je skupni svetovni prihodek diodnih laserjev, tj. polprevodniških in nediodnih laserjev, v letu 2021 ocenjen na 18.480 milijonov dolarjev, pri čemer polprevodniški laserji predstavljajo 43 % celotnih prihodkov.
Po podatkih Laser Focus World bo svetovni trg polprevodniških laserjev v letu 2020 znašal 6.724 milijonov dolarjev, kar je 14,20 % več kot v prejšnjem letu. Z razvojem globalne inteligence, naraščajočim povpraševanjem po laserjih v pametnih napravah, potrošniški elektroniki, novi energiji in drugih področjih ter nadaljnjo širitvijo medicinske, lepotne opreme in drugih novih aplikacij se lahko polprevodniški laserji uporabljajo kot vir črpalnega napajanja za optične črpalne laserje, njihova velikost trga pa bo še naprej stabilno rasla. Velikost svetovnega trga polprevodniških laserjev v letu 2021 je znašala 7,946 milijarde dolarjev, stopnja rasti trga pa 18,18 %.
Kitajska industrija polprevodniških laserjev je s skupnimi prizadevanji tehničnih strokovnjakov, podjetij in strokovnjakov dosegla izjemen razvoj, tako da je kitajska industrija polprevodniških laserjev doživela proces iz nič in začetek prototipa kitajske industrije polprevodniških laserjev. V zadnjih letih je Kitajska povečala razvoj laserske industrije, različne regije pa so bile pod vodstvom vlade in v sodelovanju z laserskimi podjetji namenjene znanstvenim raziskavam, izboljšanju tehnologije, razvoju trga in izgradnji laserskih industrijskih parkov.
3. Trend prihodnjega razvoja kitajske laserske industrije
V primerjavi z razvitimi državami v Evropi in Združenih državah Amerike kitajska laserska tehnologija ne zamuja, vendar pri uporabi laserske tehnologije in vrhunske jedrne tehnologije še vedno obstaja precejšnja vrzel, zlasti pri polprevodniških laserskih čipih in drugih jedrnih komponentah, ki so še vedno odvisne od uvoza.
Razvite države, ki jih predstavljajo Združene države Amerike, Nemčija in Japonska, so v nekaterih velikih industrijskih panogah v bistvu zaključile zamenjavo tradicionalne proizvodne tehnologije in vstopile v dobo "lahke proizvodnje"; čeprav je razvoj laserskih aplikacij na Kitajskem hiter, je stopnja penetracije aplikacij še vedno relativno nizka. Kot osrednja tehnologija industrijske nadgradnje bo laserska industrija še naprej ključno področje nacionalne podpore in bo še naprej širila obseg uporabe ter na koncu spodbujala kitajsko predelovalno industrijo v dobo "lahke proizvodnje". Glede na trenutne razvojne razmere razvoj kitajske laserske industrije kaže naslednje razvojne trende.
(1) Polprevodniški laserski čip in druge osrednje komponente postopoma uresničujejo lokalizacijo
Vzemimo za primer vlakenski laser. Glavno področje uporabe polprevodniškega laserja je visokozmogljiv vlakenski laserski vir, čip in modul visokozmogljivega polprevodniškega laserja pa sta pomembna komponenta vlakenskega laserja. V zadnjih letih je kitajska industrija optičnih vlakenskih laserjev v fazi hitre rasti, stopnja lokalizacije pa se iz leta v leto povečuje.
Kar zadeva prodor na trg, je tržni delež domačih laserjev na trgu nizkoenergijskih vlakenskih laserjev v letu 2019 dosegel 99,01 %; na trgu srednjeenergijskih vlakenskih laserjev se je stopnja prodora domačih laserjev v zadnjih letih ohranila na več kot 50 %; proces lokalizacije visokoenergijskih vlakenskih laserjev prav tako postopoma napreduje in je od leta 2013 do 2019 dosegel "iz nič". Tudi proces lokalizacije visokoenergijskih vlakenskih laserjev postopoma napreduje in je od leta 2013 do 2019 dosegel stopnjo prodora 55,56 %, domača stopnja prodora visokoenergijskih vlakenskih laserjev pa naj bi leta 2020 znašala 57,58 %.
Vendar pa so osrednje komponente, kot so visokozmogljivi polprevodniški laserski čipi, še vedno odvisne od uvoza, zgornje komponente laserjev s polprevodniškimi laserskimi čipi kot jedrom pa se postopoma lokalizirajo, kar po eni strani izboljšuje tržni obseg zgornjih komponent domačih laserjev, po drugi strani pa lahko z lokalizacijo zgornjih osnovnih komponent izboljša sposobnost domačih proizvajalcev laserjev za sodelovanje v mednarodni konkurenci.
(2) Laserske aplikacije prodirajo hitreje in širše
S postopno lokalizacijo optoelektronskih komponent v zgornjem delu verige in postopnim zniževanjem stroškov uporabe laserjev bodo laserji prodrli globlje v številne panoge.
Po eni strani se laserska obdelava za Kitajsko uvršča tudi med deset najpomembnejših področij uporabe v kitajski predelovalni industriji in pričakuje se, da se bodo področja uporabe laserske obdelave v prihodnosti še razširila in obseg trga še povečal. Po drugi strani pa se bo z nenehno popularizacijo in razvojem tehnologij, kot so avtonomna vožnja, napredni sistemi za pomoč pri vožnji, storitveno usmerjeni roboti, 3D-senzorji itd., vse bolj uporabljala na številnih področjih, kot so avtomobili, umetna inteligenca, potrošniška elektronika, prepoznavanje obrazov, optična komunikacija in raziskave nacionalne obrambe. Kot osrednja naprava ali komponenta zgoraj omenjenih laserskih aplikacij bo polprevodniški laser prav tako pridobil prostor za hiter razvoj.
(3) Večja moč, boljša kakovost žarka, krajša valovna dolžina in hitrejši razvoj frekvenčne smeri
Na področju industrijskih laserjev so vlakenski laserji od svoje uvedbe dosegli velik napredek glede izhodne moči, kakovosti žarka in svetlosti. Vendar pa lahko večja moč izboljša hitrost obdelave, optimizira kakovost obdelave in razširi področje obdelave na težko industrijo. V avtomobilski industriji, letalski in vesoljski industriji, energetiki, strojni industriji, metalurgiji, železniškem prometu, znanstvenih raziskavah in drugih področjih uporabe pri rezanju, varjenju, površinski obdelavi itd. se zahteve po moči vlakenskih laserjev še naprej povečujejo. Proizvajalci ustreznih naprav morajo nenehno izboljševati delovanje osnovnih naprav (kot so visokozmogljivi polprevodniški laserski čipi in ojačana vlakna). Povečanje moči vlakenskih laserjev zahteva tudi napredno tehnologijo laserske modulacije, kot sta združevanje žarkov in sinteza moči, kar bo proizvajalcem visokozmogljivih polprevodniških laserskih čipov prineslo nove zahteve in izzive. Poleg tega so krajše valovne dolžine, več valovnih dolžin in hitrejši (ultra hitri) laserji pomembna smer razvoja, ki se uporablja predvsem v integriranih vezjih, zaslonih, potrošniški elektroniki, letalstvu in drugih preciznih mikroprocesorskih procesih, pa tudi v znanosti o življenju, medicini, senzorjih in drugih področjih. Polprevodniški laserski čipi prav tako postavljajo nove zahteve.
(4) povpraševanje po visokozmogljivih laserskih optoelektronskih komponentah bo še naprej raslo
Razvoj in industrializacija visokozmogljivih vlakenskih laserjev sta rezultat sinergijskega napredka industrijske verige, ki zahteva podporo osrednjih optoelektronskih komponent, kot so vir črpalke, izolator, koncentrator žarka itd. Optoelektronske komponente, ki se uporabljajo v visokozmogljivih vlakenskih laserjih, so osnova in ključne komponente njihovega razvoja in proizvodnje, rastoči trg visokozmogljivih vlakenskih laserjev pa spodbuja tudi povpraševanje po osrednjih komponentah, kot so visokozmogljivi polprevodniški laserski čipi. Hkrati je z nenehnim izboljševanjem domače tehnologije vlakenskih laserjev nadomeščanje uvoza postalo neizogiben trend, delež laserskega trga na svetovnem trgu se bo še naprej povečeval, kar prinaša tudi velike priložnosti za lokalno moč proizvajalcev optoelektronskih komponent.
Čas objave: 7. marec 2023
