1. Prezentare generală a industriei laserului
(1) Introducere cu laser
Laser (amplificarea luminii prin emisie stimulată de radiații, prescurtat ca LASER) este un fascicul de lumină colimat, monocromatic, coerent, direcțional, produs prin amplificarea radiației luminoase la o frecvență îngustă prin rezonanță și radiație cu feedback excitat.
Tehnologia laser a apărut la începutul anilor 1960 și, datorită naturii sale complet diferite de lumina obișnuită, laserul a fost în curând utilizat pe scară largă în diverse domenii și a influențat profund dezvoltarea și transformarea științei, tehnologiei, economiei și societății.
Nașterea laserului a schimbat dramatic fața opticii antice, extinzând fizica optică clasică într-o nouă disciplină de înaltă tehnologie care cuprinde atât optica clasică, cât și fotonica modernă, aducând o contribuție de neînlocuit la dezvoltarea economiei și societății umane. Cercetarea în fizica laserului a contribuit la înflorirea a două ramuri majore ale fizicii fotonice moderne: fotonica energetică și fotonica informațională. Acesta acoperă optica neliniară, optica cuantică, calculul cuantic, detectarea și comunicarea cu laser, fizica plasmei laser, chimia laserului, biologia laserului, medicina laserului, spectroscopia și metrologia laser ultra-precise, fizica atomică cu laser, inclusiv răcirea cu laser și cercetarea materiei condensate Bose-Einstein. , materiale funcționale cu laser, producție cu laser, fabricare de cip micro-optoelectronic cu laser, imprimare 3D cu laser și peste 20 de discipline și aplicații tehnologice de frontieră internațională. Departamentul de Știință și Tehnologie Laser (DSL) a fost înființat în următoarele domenii.
În industria producției de laser, lumea a intrat în era „producției ușoare”, conform statisticilor internaționale ale industriei laser, 50% din PIB-ul anual al Statelor Unite1 este legat de expansiunea rapidă a pieței aplicațiilor laser de nivel înalt. Mai multe țări dezvoltate, reprezentate de Statele Unite ale Americii, Germania și Japonia, au finalizat practic înlocuirea proceselor tradiționale cu prelucrarea cu laser în industriile manufacturiere majore, cum ar fi industria auto și aviația. Laserul în producția industrială a arătat un potențial mare pentru aplicații de producție speciale, de înaltă calitate, de înaltă eficiență și de producție speciale, care nu pot fi realizate prin producția convențională, și a devenit un motor important al concurenței și inovației în rândul principalelor țări industriale ale lumii. Țările susțin în mod activ tehnologia laser ca una dintre cele mai importante tehnologii de ultimă oră și au dezvoltat planuri naționale de dezvoltare a industriei laserului.
(2)LaserSursa Pprincipiu
Laserul este un dispozitiv care folosește radiația excitată pentru a produce lumină vizibilă sau invizibilă, cu structură complexă și bariere tehnice ridicate. Sistemul optic este compus în principal din sursă de pompă (sursă de excitație), mediu de câștig (substanță de lucru) și cavitate rezonantă și alte materiale pentru dispozitive optice. Mediul de câștig este sursa de generare a fotonilor, iar prin absorbția energiei generate de sursa pompei, mediul de câștig sare din starea fundamentală în starea excitată. Deoarece starea excitată este instabilă, în acest moment, mediul de câștig va elibera energie pentru a reveni la starea de echilibru a stării fundamentale. În acest proces de eliberare a energiei, mediul de câștig produce fotoni, iar acești fotoni au un grad ridicat de consistență în energie, lungime de undă și direcție, se reflectă constant în cavitatea rezonantă optică, mișcare reciprocă, astfel încât să se amplifice continuu și, în final, trage laserul prin reflector pentru a forma un fascicul laser. Fiind sistemul optic de bază al echipamentului terminal, performanța laserului determină adesea în mod direct calitatea și puterea fasciculului de ieșire al echipamentului laser, este componenta de bază a echipamentului laser terminal.
Sursa pompei (sursa de excitație) asigură excitarea energiei mediului de câștig. Mediul de câștig este excitat să producă fotoni pentru a genera și amplifica laserul. Cavitatea rezonantă este locul în care caracteristicile fotonului (frecvența, fază și direcția de funcționare) sunt reglate pentru a obține o sursă de lumină de ieșire de înaltă calitate prin controlul oscilațiilor fotonilor din cavitate. Sursa pompei (sursa de excitație) asigură excitația de energie pentru mediul de câștig. Mediul de câștig este excitat să producă fotoni pentru a genera și amplifica laserul. Cavitatea rezonantă este locul în care caracteristicile fotonului (frecvența, fază și direcția de funcționare) sunt ajustate pentru a obține o sursă de lumină de ieșire de înaltă calitate prin controlul oscilațiilor fotonilor din cavitate.
(3)Clasificarea sursei laser
Sursa laser poate fi clasificată în funcție de mediu de câștig, lungime de undă de ieșire, modul de funcționare și modul de pompare, după cum urmează
① Clasificare după mediu câștig
În funcție de diferitele medii de câștig, laserele pot fi împărțite în stare solidă (inclusiv solide, semiconductoare, fibre, hibride), lasere lichide, lasere cu gaz etc.
| LaserSursăTip | Câștigați media | Caracteristici principale |
| Sursă laser cu stare solidă | Solide, semiconductoare, fibră optică, hibride | Stabilitate plăcută, putere mare, cost redus de întreținere, potrivit pentru industrializare |
| Sursa de laser lichid | Lichide chimice | Gama opțională de lungimi de undă a lovit, dar dimensiuni mari și costuri de întreținere ridicate |
| Sursa laser cu gaz | Gaze | Sursă de lumină laser de înaltă calitate, dar dimensiuni mai mari și costuri de întreținere mai mari |
| Sursă laser cu electroni gratuit | Fascicul de electroni într-un câmp magnetic specific | Pot fi obținute o putere ultra-înaltă și o ieșire laser de înaltă calitate, dar tehnologia de producție și costurile de producție sunt foarte mari |
Datorită stabilității bune, puterii mari și costurilor reduse de întreținere, aplicarea laserelor cu stare solidă beneficiază absolut de avantaje.
Printre laserele cu stare solidă, laserele semiconductoare au avantajele unei eficiențe ridicate, dimensiuni mici, durată lungă de viață, consum redus de energie etc. Pe de o parte, pot fi aplicate direct ca sursă de lumină de bază și suport pentru procesarea laser, medical, aplicații de comunicare, detecție, afișare, monitorizare și apărare și au devenit o bază importantă pentru dezvoltarea tehnologiei laser moderne cu semnificație strategică de dezvoltare.
Pe de altă parte, laserele semiconductoare pot fi, de asemenea, utilizate ca sursă de lumină de pompare a miezului pentru alte lasere, cum ar fi laserele cu stare solidă și laserele cu fibră, promovând foarte mult progresul tehnologic al întregului câmp laser. Toate țările dezvoltate majore din lume l-au inclus în planurile lor naționale de dezvoltare, oferind un sprijin puternic și obținând o dezvoltare rapidă.
② Conform metodei de pompare
Laserele pot fi împărțite în lasere pompate electric, pompate optic, lasere pompate chimic etc. conform metodei de pompare.
Laserele pompate electric se referă la laserele excitate de curent, laserele cu gaz sunt în mare parte excitate de descărcarea de gaze, în timp ce laserele cu semiconductori sunt în mare parte excitate de injecția de curent.
Aproape toate laserele cu stare solidă și laserele lichide sunt lasere cu pompă optică, iar laserele semiconductoare sunt utilizate ca sursă de pompare de bază pentru laserele cu pompă optică.
Laserele pompate chimic se referă la laserele care utilizează energia eliberată din reacțiile chimice pentru a excita materialul de lucru.
③Clasificare după modul de funcționare
Laserele pot fi împărțite în lasere continue și lasere pulsate în funcție de modul lor de funcționare.
Laserele continue au o distribuție stabilă a numărului de particule la fiecare nivel de energie și a câmpului de radiație din cavitate, iar funcționarea lor se caracterizează prin excitarea materialului de lucru și a ieșirii laser corespunzătoare într-o manieră continuă pe o perioadă lungă de timp. . Laserele continue pot emite lumină laser în mod continuu pentru o perioadă mai lungă de timp, dar efectul termic este mai evident.
Laserele pulsate se referă la durata de timp în care puterea laserului este menținută la o anumită valoare și emit lumină laser într-o manieră discontinuă, având principalele caracteristici de efect termic mic și controlabilitate bună.
④ Clasificare după lungimea de undă de ieșire
Laserele pot fi clasificate în funcție de lungimea de undă ca lasere infraroșu, lasere vizibile, lasere ultraviolete, lasere ultraviolete profunde și așa mai departe. Gama de lungimi de undă a luminii care poate fi absorbită de diferite materiale structurate este diferită, astfel încât laserele de lungimi de undă diferite sunt necesare pentru prelucrarea fină a diferitelor materiale sau pentru diferite scenarii de aplicare.Laserele cu infraroșu și laserele UV sunt cele mai utilizate două lasere. Laserele cu infraroșu sunt folosite în principal în „prelucrarea termică”, unde materialul de pe suprafața materialului este încălzit și vaporizat (evaporat) pentru a îndepărta materialul; în prelucrarea materialelor nemetalice cu peliculă subțire, tăierea napolitanelor semiconductoare, tăierea sticlei organice, găurirea, marcarea și alte domenii, energie ridicată În domeniul prelucrării materialelor nemetalice cu peliculă subțire, tăierea napolitanelor semiconductoare, tăierea sticlei organice, găurirea, marcarea, etc., fotonii UV de înaltă energie rup direct legăturile moleculare de pe suprafața materialelor nemetalice, astfel încât moleculele pot fi separate de obiect, iar această metodă nu produce o reacție de căldură ridicată, deci este de obicei numită „rece”. prelucrare".
Din cauza energiei ridicate a fotonilor UV, este dificil să se genereze un anumit laser UV continuu de mare putere prin sursa externă de excitație, astfel încât laserul UV este în general generat prin aplicarea metodei de conversie a frecvenței cu efect neliniar din material cristalin, astfel încât curentul este utilizat pe scară largă. domeniul industrial al laserelor UV sunt în principal lasere UV cu stare solidă.
(4) Lanțul industrial
În amonte de lanțul industrial este utilizarea materiilor prime semiconductoare, a echipamentelor de ultimă generație și a accesoriilor de producție aferente pentru fabricarea miezurilor laser și a dispozitivelor optoelectronice, care este piatra de temelie a industriei laserului și are un prag de acces ridicat. Fluxul de mijloc al lanțului industrial este utilizarea cipurilor laser în amonte și a dispozitivelor optoelectronice, modulelor, componentelor optice etc. ca surse de pompă pentru fabricarea și vânzarea diferitelor lasere, inclusiv lasere cu semiconductor direct, lasere cu dioxid de carbon, lasere cu stare solidă, lasere cu fibră etc.; industria din aval se referă în principal la domeniile de aplicare ale diferitelor lasere, inclusiv echipamente de procesare industrială, LIDAR, comunicații optice, frumusețe medicală și alte industrii de aplicare
①Furnizorii din amonte
Materiile prime pentru produsele din amonte, cum ar fi cipurile laser cu semiconductori, dispozitivele și modulele, sunt în principal diverse materiale de cip, materiale din fibre și piese prelucrate, inclusiv substraturi, radiatoare, substanțe chimice și seturi de carcasă. Prelucrarea cipului necesită o înaltă calitate și performanță a materiilor prime din amonte, în principal de la furnizori străini, dar gradul de localizare crește treptat și se realizează treptat un control independent. Performanța materiilor prime principale din amonte are un impact direct asupra calității cipurilor laser semiconductoare, cu îmbunătățirea continuă a performanței diferitelor materiale de cip, pentru a îmbunătăți performanța produselor industriei joacă un rol pozitiv în promovare.
② Lanțul industriei Midstream
Cipul laser semiconductor este sursa de lumină a pompei de bază a diferitelor tipuri de lasere din mijlocul lanțului industrial și joacă un rol pozitiv în promovarea dezvoltării laserelor midstream. În domeniul laserelor midstream, Statele Unite, Germania și alte întreprinderi de peste mări domină, dar după dezvoltarea rapidă a industriei laser interne în ultimii ani, piața midstream a lanțului industrial a realizat o înlocuire rapidă internă.
③ Lanț industrial în aval
Industria din aval are un rol mai mare în promovarea dezvoltării industriei, astfel încât dezvoltarea industriei din aval va afecta direct spațiul de piață al industriei. Creșterea continuă a economiei Chinei și apariția unor oportunități strategice de transformare economică au creat condiții mai bune de dezvoltare pentru dezvoltarea acestei industrii. China trece de la o țară producătoare la o putere de producție, iar laserele și echipamentele laser din aval sunt una dintre cheile pentru modernizarea industriei de producție, care oferă un mediu de cerere bun pentru îmbunătățirea pe termen lung a acestei industrie. Cerințele industriei din aval pentru indicele de performanță al cipurilor laser semiconductoare și al dispozitivelor acestora sunt în creștere, iar întreprinderile interne intră treptat pe piața laserului de mare putere de pe piața laserului de putere redusă, astfel încât industria trebuie să crească continuu investițiile în domeniul cercetării tehnologice și dezvoltare și inovare independentă.
2. starea de dezvoltare a industriei laser semiconductoare
Laserele semiconductoare au cea mai bună eficiență de conversie a energiei dintre toate tipurile de lasere, pe de o parte, ele pot fi utilizate ca sursă centrală de pompă a laserelor cu fibră optică, laserelor cu stare solidă și altor lasere cu pompă optică. Pe de altă parte, odată cu dezvoltarea continuă a tehnologiei laser cu semiconductor în ceea ce privește eficiența energetică, luminozitatea, durata de viață, multi-lungimi de undă, rata de modulare etc., laserele cu semiconductori sunt utilizate pe scară largă în procesarea materialelor, medicale, comunicații optice, detecție optică, apărare etc. Potrivit Laser Focus World, veniturile globale totale ale laserelor cu diodă, adică laserele cu semiconductor și laserele fără diodă, sunt estimate la 18.480 milioane USD în 2021, laserele cu semiconductori reprezentând 43% din veniturile totale.
Potrivit Laser Focus World, piața globală a laserelor semiconductoare va fi de 6.724 milioane USD în 2020, în creștere cu 14,20% față de anul precedent. Odată cu dezvoltarea inteligenței globale, cererea tot mai mare de lasere în dispozitive inteligente, electronice de larg consum, energie nouă și alte domenii, precum și extinderea continuă a echipamentelor medicale, de înfrumusețare și a altor aplicații emergente, laserele cu semiconductori pot fi folosite ca sursă de pompă. pentru laserele cu pompe optice, iar dimensiunea pieței sale va continua să mențină o creștere stabilă. 2021 dimensiunea globală a pieței laser semiconductoare de 7.946 miliarde dolari, rata de creștere a pieței de 18,18%.
Prin eforturile comune ale experților tehnici și ale întreprinderilor și practicienilor, industria chineză a laserului semiconductor a atins o dezvoltare extraordinară, astfel încât industria chineză a laserului semiconductor a experimentat procesul de la zero și a început prototipul industriei laser semiconductoare din China. În ultimii ani, China a intensificat dezvoltarea industriei laserului, iar diferite regiuni au fost dedicate cercetării științifice, îmbunătățirii tehnologiei, dezvoltării pieței și construcției de parcuri industriale cu laser sub conducerea guvernului și cooperării întreprinderilor laser.
3. Tendința de dezvoltare viitoare a industriei laser din China
În comparație cu țările dezvoltate din Europa și Statele Unite, tehnologia laser a Chinei nu întârzie, dar în aplicarea tehnologiei laser și a tehnologiei de bază de vârf există încă un decalaj considerabil, în special cipul laser semiconductor din amonte și alte componente de bază sunt încă dependente de importuri.
Țările dezvoltate reprezentate de Statele Unite, Germania și Japonia au finalizat practic înlocuirea tehnologiei tradiționale de fabricație în unele mari domenii industriale și au intrat în era „producției ușoare”; deși dezvoltarea aplicațiilor laser în China este rapidă, dar rata de penetrare a aplicațiilor este încă relativ scăzută. Fiind tehnologia de bază a modernizării industriale, industria laserului va continua să fie un domeniu cheie de sprijin național și va continua să extindă domeniul de aplicare și, în cele din urmă, să promoveze industria prelucrătoare a Chinei în epoca „producției ușoare”. Din situația actuală de dezvoltare, dezvoltarea industriei laser din China arată următoarele tendințe de dezvoltare.
(1) Cipul laser semiconductor și alte componente de bază realizează treptat localizarea
Luați laserul cu fibră ca exemplu, sursa de pompă laser cu fibră de mare putere este principala zonă de aplicare a laserului cu semiconductor, chipul laser cu semiconductor de mare putere și modulul este o componentă importantă a laserului cu fibră. În ultimii ani, industria laserului cu fibră optică din China se află într-o etapă de creștere rapidă, iar gradul de localizare crește de la an la an.
În ceea ce privește penetrarea pe piață, pe piața laserelor cu fibră de putere redusă, cota de piață a laserelor autohtone a ajuns la 99,01% în 2019; pe piața laserelor cu fibră de putere medie, rata de penetrare a laserelor autohtone a fost menținută la peste 50% în ultimii ani; procesul de localizare a laserelor cu fibră de mare putere avansează, de asemenea, treptat, din 2013 până în 2019 pentru a obține „de la zero”. Procesul de localizare a laserelor cu fibră de mare putere avansează, de asemenea, treptat, din 2013 până în 2019, și a atins o rată de penetrare de 55,56%, iar rata de penetrare internă a laserelor cu fibră de mare putere este de așteptat să fie de 57,58% în 2020.
Cu toate acestea, componentele de bază, cum ar fi cipurile laser cu semiconductor de mare putere, sunt încă dependente de importuri, iar componentele din amonte ale laserelor cu cipuri laser cu semiconductori sunt localizate treptat, ceea ce, pe de o parte, îmbunătățește scara pieței componentelor din amonte ale lasere interne și, pe de altă parte, odată cu localizarea componentelor de bază din amonte, poate îmbunătăți capacitatea producătorilor autohtoni de laser de a participa la competiția internațională.
(2) Aplicațiile laser pătrund mai repede și mai larg
Odată cu localizarea treptată a componentelor optoelectronice de bază din amonte și scăderea treptată a costurilor de aplicare a laserului, laserele vor pătrunde mai adânc în multe industrii.
Pe de o parte, pentru China, procesarea cu laser se încadrează, de asemenea, în primele zece domenii de aplicare ale industriei manufacturiere din China și este de așteptat ca domeniile de aplicare ale prelucrării cu laser să fie extinse în continuare, iar scara pieței să fie extinsă în continuare în viitor. Pe de altă parte, odată cu popularizarea și dezvoltarea continuă a tehnologiilor precum sistemul de conducere fără șofer, avansat asistat, robot orientat spre servicii, detecție 3D etc., acesta va fi mai aplicat în multe domenii precum automobil, inteligență artificială, electronice de larg consum. , recunoașterea feței, comunicarea optică și cercetarea apărării naționale. Ca dispozitiv de bază sau componentă a aplicațiilor laser de mai sus, laserul semiconductor va câștiga, de asemenea, spațiu de dezvoltare rapidă.
(3) Putere mai mare, calitate mai bună a fasciculului, lungime de undă mai scurtă și dezvoltare mai rapidă a direcției de frecvență
În domeniul laserelor industriale, laserele cu fibră au făcut progrese mari în ceea ce privește puterea de ieșire, calitatea fasciculului și luminozitatea încă de la introducerea lor. Cu toate acestea, puterea mai mare poate îmbunătăți viteza de procesare, poate optimiza calitatea procesării și poate extinde domeniul de procesare la producția din industria grea, în producția de automobile, producția aerospațială, energie, fabricarea de mașini, metalurgie, construcții de transport feroviar, cercetare științifică și alte domenii de aplicare în tăiere. , sudura, tratarea suprafeței etc., cerințele de putere laser cu fibră continuă să crească. Producătorii de dispozitive corespunzători trebuie să îmbunătățească continuu performanța dispozitivelor de bază (cum ar fi cip laser semiconductor de mare putere și fibre de câștig), creșterea puterii laserului cu fibră necesită, de asemenea, tehnologie avansată de modulare laser, cum ar fi combinarea fasciculului și sinteza puterii, care va aduce noi cerințe și provocări pentru producătorii de cipuri laser cu semiconductori de mare putere. În plus, lungimi de undă mai scurte, lungimi de undă mai mari, dezvoltarea laser mai rapidă (ultrarapidă) este, de asemenea, o direcție importantă, utilizată în principal în cipuri de circuite integrate, afișaje, electronice de larg consum, microprocesare aerospațială și alte microprocesare de precizie, precum și științele vieții, medicale, senzori și altele. câmpuri, cipul laser semiconductor a prezentat și noi cerințe.
(4) pentru componentele optoelectronice laser de mare putere, cererea de creștere suplimentară
Dezvoltarea și industrializarea laserului cu fibră de mare putere este rezultatul progresului sinergic al lanțului industrial, care necesită suportul componentelor optoelectronice de bază, cum ar fi sursa pompei, izolatorul, concentratorul fasciculului etc. Componentele optoelectronice utilizate în industria de mare putere. laserul cu fibră reprezintă baza și componentele cheie ale dezvoltării și producției sale, iar piața în expansiune a laserului cu fibră de mare putere conduce și cererea pieței pentru componente de bază, cum ar fi cipurile laser cu semiconductor de mare putere. În același timp, odată cu îmbunătățirea continuă a tehnologiei laser cu fibră autohtonă, înlocuirea importurilor a devenit o tendință inevitabilă, cota de piață a laserului în lume va continua să se îmbunătățească, ceea ce aduce, de asemenea, oportunități mari pentru puterea locală a producătorilor de componente optoelectronice.
Ora postării: Mar-07-2023
