1. Prezentare generală a industriei laserelor
(1) Introducere în laser
Laserul (Amplificarea Luminii prin Emisie Stimulată de Radiații, prescurtat LASER) este un fascicul de lumină colimat, monocromatic, coerent și direcțional, produs prin amplificarea radiației luminoase la o frecvență îngustă prin rezonanță de feedback excitată și radiație.
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 laserelor a contribuit la înflorirea a două ramuri majore ale fizicii fotonice moderne: fotonica energetică și fotonica informațională. Aceasta acoperă optica neliniară, optica cuantică, calculul cuantic, detectarea și comunicarea cu laser, fizica plasmei laser, chimia laserelor, biologia laserelor, medicina laserelor, spectroscopia și metrologia laser ultra-precise, fizica atomică cu laser, inclusiv răcirea cu laser și cercetarea materiei condensate Bose-Einstein, materialele funcționale cu laser, fabricarea cu laser, fabricarea de cipuri micro-optoelectronice cu laser, imprimarea 3D cu laser și peste 20 de discipline și aplicații tehnologice internaționale de frontieră. Departamentul de Știință și Tehnologie Laserelor (DSL) a fost înființat în următoarele domenii.
În industria de fabricație a laserelor, lumea a intrat în era „fabricației ușoare”. Conform statisticilor internaționale privind industria laserelor, 50% din PIB-ul anual al Statelor Unite1 este legat de extinderea rapidă a pieței aplicațiilor laser de nivel înalt. Mai multe țări dezvoltate, reprezentate de Statele Unite, Germania și Japonia, au finalizat practic înlocuirea proceselor tradiționale cu prelucrarea cu laser în industriile majore de producție, cum ar fi industria auto și aviația. Laserul în producția industrială a demonstrat un mare potențial pentru aplicații de fabricație cu costuri reduse, de înaltă calitate, de înaltă eficiență și speciale, care nu pot fi realizate prin fabricația convențională și a devenit un factor important al concurenței și inovării în rândul principalelor țări industrializate ale lumii. Țările susțin activ tehnologia laser ca una dintre cele mai importante tehnologii de vârf ale lor și au elaborat planuri naționale de dezvoltare a industriei laserelor.
(2)LaserSursa Pprincipiu
Laserul este un dispozitiv care utilizează radiații excitate pentru a produce lumină vizibilă sau invizibilă, cu o structură complexă și bariere tehnice ridicate. Sistemul optic este compus în principal dintr-o sursă de pompă (sursă de excitație), un mediu de amplificare (substanță de lucru) și o cavitate rezonantă, precum și alte materiale ale dispozitivului optic. Mediul de amplificare este sursa de generare a fotonilor și, prin absorbția energiei generate de sursa de pompă, mediul de amplificare trece de la starea fundamentală la starea excitată. Deoarece starea excitată este instabilă, în acest moment, mediul de amplificare va elibera energie pentru a reveni la starea staționară a stării fundamentale. În acest proces de eliberare a energiei, mediul de amplificare produce fotoni, iar acești fotoni au un grad ridicat de consistență în energie, lungime de undă și direcție, fiind reflectați constant în cavitatea rezonantă optică, mișcându-se reciproc, astfel încât să se amplifice continuu și, în final, să emită laserul prin reflector pentru a forma un fascicul laser. Fiind sistemul optic central al echipamentului terminal, performanța laserului determină adesea direct calitatea și puterea fasciculului de ieșire al echipamentului laser, fiind componenta centrală a echipamentului laser terminal.
Sursa de pompare (sursă de excitație) furnizează excitație energetică mediului de amplificare. Mediul de amplificare este excitat pentru a produce fotoni pentru a genera și amplifica laserul. Cavitatea rezonantă este locul unde caracteristicile fotonilor (frecvența, faza și direcția de funcționare) sunt reglate pentru a obține o sursă de lumină de ieșire de înaltă calitate prin controlul oscilațiilor fotonice din cavitate. Sursa de pompare (sursă de excitație) furnizează excitația energetică pentru mediul de amplificare. Mediul de amplificare este excitat pentru a produce fotoni pentru a genera și amplifica laserul. Cavitatea rezonantă este locul unde caracteristicile fotonilor (frecvența, faza și direcția de funcționare) sunt ajustate pentru a obține o sursă de lumină de ieșire de înaltă calitate prin controlul oscilațiilor fotonice din cavitate.
(3)Clasificarea sursei laser
Sursa laser poate fi clasificată în funcție de mediul de amplificare, lungimea de undă de ieșire, modul de funcționare și modul de pompare, după cum urmează
① Clasificare după mediul de amplificare
În funcție de diferitele medii de amplificare, laserele pot fi împărțite în lasere în stare solidă (inclusiv lasere solide, semiconductoare, cu fibră, hibride), lasere lichide, lasere cu gaz etc.
| LaserSursăTip | Câștig media | Caracteristici principale |
| Sursă laser în stare solidă | Solide, Semiconductori, Fibră optică, Hibrid | Stabilitate bună, putere mare, costuri reduse de întreținere, potrivit pentru industrializare |
| Sursă laser lichidă | Lichide chimice | Gama de lungimi de undă opțională atinsă, dar dimensiune mare și costuri ridicate de întreținere |
| Sursă 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 liberi | Fascicul de electroni într-un câmp magnetic specific | Se poate obține un randament laser de înaltă putere și calitate, dar tehnologia de fabricație și costurile de producție sunt foarte mari. |
Datorită stabilității bune, puterii mari și costurilor reduse de întreținere, aplicarea laserelor în stare solidă este absolut avantajoasă.
Printre laserele în stare solidă, laserele semiconductoare au avantajele eficienței ridicate, dimensiunilor reduse, duratei lungi de viață, consumului redus de energie etc. Pe de o parte, acestea pot fi aplicate direct ca sursă principală de lumină și suport pentru aplicații de procesare cu laser, medicale, de comunicare, de detectare, afișare, monitorizare și apărare și au devenit o bază importantă pentru dezvoltarea tehnologiei laser moderne cu semnificație strategică pentru dezvoltare.
Pe de altă parte, laserele semiconductoare pot fi utilizate și ca sursă de lumină de pompare centrală pentru alte lasere, cum ar fi laserele în stare solidă și laserele cu fibră, promovând considerabil progresul tehnologic al întregului domeniu laser. Toate țările dezvoltate majore din lume le-au inclus în planurile lor naționale de dezvoltare, oferind un sprijin puternic și beneficiind de o dezvoltare rapidă.
② Conform metodei de pompare
Laserele pot fi împărțite în lasere pompate electric, pompate optic, pompate chimic etc., în funcție de metoda de pompare.
Laserele pompate electric se referă la lasere excitate de curent, laserele cu gaz sunt excitate în mare parte prin descărcare de gaz, în timp ce laserele semiconductoare sunt excitate în mare parte prin injecție de curent.
Aproape toate laserele în stare solidă și laserele lichide sunt lasere cu pompă optică, iar laserele semiconductoare sunt utilizate ca sursă principală de pompare pentru laserele cu pompă optică.
Laserele pompate chimic se referă la lasere 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 este caracterizată 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 continuu pentru o perioadă mai lungă de timp, dar efectul termic este mai evident.
Laserele pulsate se referă la durata în care puterea laserului este menținută la o anumită valoare și emit lumină laser discontinuă, având ca caracteristici principale efectul termic redus și o bună controlabilitate.
④ Clasificare după lungimea de undă de ieșire
Laserele pot fi clasificate în funcție de lungimea de undă ca lasere cu 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, așadar, lasere cu 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 două lasere cele mai utilizate pe scară largă. Laserele cu infraroșu sunt utilizate în principal în „procesarea termică”, unde materialul de pe suprafața materialului este încălzit și vaporizat (evaporat) pentru a-l îndepărta; în prelucrarea materialelor nemetalice cu peliculă subțire, tăierea plachetelor semiconductoare, tăierea sticlei organice, găurirea, marcarea și alte domenii, 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 termică ridicată, de aceea este denumită de obicei „procesare la rece”.
Din cauza energiei ridicate a fotonilor UV, este dificil să se genereze un anumit laser UV continuu de mare putere printr-o sursă de excitație externă, așa că laserul UV este generat în general prin aplicarea metodei de conversie a frecvenței cu efect neliniar al materialului cristalin, astfel încât domeniul industrial actual pe scară largă al laserelor UV este în principal laserele UV în stare solidă.
(4) Lanțul industrial
În amonte, lanțul industrial se utilizează materii prime semiconductoare, echipamente de înaltă performanță și accesorii de producție aferente pentru fabricarea miezurilor laser și a dispozitivelor optoelectronice, aceasta fiind piatra de temelie a industriei laserelor și având un prag de acces ridicat. În aval, se utilizează cipuri laser din amonte și dispozitive optoelectronice, module, componente optice etc. ca surse de pompare pentru fabricarea și vânzarea diverselor lasere, inclusiv lasere semiconductoare directe, lasere cu dioxid de carbon, lasere în 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, produse cosmetice medicale și alte industrii de aplicații.
①Furnizori din amonte
Materiile prime pentru produsele din amonte, cum ar fi cipurile, dispozitivele și modulele laser semiconductoare, sunt în principal diverse materiale pentru cipuri, materiale fibroase și piese prelucrate, inclusiv substraturi, radiatoare, substanțe chimice și seturi de carcase. Prelucrarea cipurilor necesită materii prime din amonte de înaltă calitate și performanță, în principal de la furnizori străini, însă gradul de localizare crește treptat și se realizează treptat un control independent. Performanța principalelor materii prime din amonte are un impact direct asupra calității cipurilor laser semiconductoare, iar îmbunătățirea continuă a performanței diferitelor materiale pentru cipuri joacă un rol pozitiv în promovarea performanței produselor din industrie.
②Lanțul industrial de mijloc
Cipul laser semiconductor este sursa de lumină principală a pompei pentru diferite tipuri de lasere în lanțul industrial intermediar și joacă un rol pozitiv în promovarea dezvoltării laserelor intermediare. În domeniul laserelor intermediare, Statele Unite, Germania și alte întreprinderi de peste hotare domină, dar după dezvoltarea rapidă a industriei laser interne din ultimii ani, piața intermediară a lanțului industrial a realizat o substituire internă rapidă.
③Lanț industrial în aval
Industria downstream are un rol mai important în promovarea dezvoltării industriei, astfel încât dezvoltarea industriei downstream va afecta direct spațiul de piață al industriei. Creșterea continuă a economiei Chinei și apariția oportunităților strategice pentru transformarea economică au creat condiții mai bune pentru dezvoltarea acestei industrii. China se transformă dintr-o țară producătoare într-o putere producătoare, iar laserele și echipamentele laser downstream sunt una dintre cheile modernizării industriei prelucrătoare, ceea ce oferă un mediu bun al cererii pentru îmbunătățirea pe termen lung a acestei industrii. Cerințele industriei downstream privind indicele de performanță al cipurilor laser semiconductoare și al dispozitivelor acestora sunt în creștere, iar întreprinderile autohtone intră treptat pe piața laserelor de mare putere de pe piața laserelor de mică putere, astfel încât industria trebuie să crească continuu investițiile în domeniul cercetării și dezvoltării tehnologice și al inovării independente.
2. Starea de dezvoltare a industriei laserelor semiconductoare
Laserele semiconductoare au cea mai bună eficiență de conversie a energiei dintre toate tipurile de lasere, pe de o parte, putând fi utilizate ca sursă principală de pompare pentru laserele cu fibră optică, laserele în stare solidă și alte lasere cu pompă optică. Pe de altă parte, odată cu progresul continuu al tehnologiei laserelor semiconductoare în ceea ce privește eficiența energetică, luminozitatea, durata de viață, lungimile de undă multiple, rata de modulație etc., laserele semiconductoare sunt utilizate pe scară largă în prelucrarea materialelor, medicină, comunicații optice, detectare optică, apărare etc. Potrivit Laser Focus World, veniturile globale totale ale laserelor cu diode, adică laserele semiconductoare și laserele fără diode, sunt estimate la 18.480 milioane de dolari în 2021, laserele semiconductoare reprezentând 43% din veniturile totale.
Conform Laser Focus World, piața globală a laserelor cu semiconductori va ajunge la 6.724 milioane de dolari în 2020, în creștere cu 14,20% față de anul precedent. Odată cu dezvoltarea inteligenței globale, cererea tot mai mare de lasere în dispozitivele inteligente, electronica de larg consum, noile energii și alte domenii, precum și extinderea continuă a echipamentelor medicale, de înfrumusețare și a altor aplicații emergente, laserele cu semiconductori pot fi utilizate ca sursă de pompare pentru laserele cu pompă optică, iar dimensiunea pieței lor va continua să mențină o creștere stabilă. Dimensiunea globală a pieței laserelor cu semiconductori în 2021 a fost de 7,946 miliarde de dolari, o rată de creștere a pieței de 18,18%.
Prin eforturile comune ale experților tehnici, întreprinderilor și practicienilor, industria laserelor cu semiconductori din China a atins o dezvoltare extraordinară, astfel încât industria laserelor cu semiconductori din China a experimentat procesul de la zero și a început prototipul industriei laserelor cu semiconductori din China. În ultimii ani, China a intensificat dezvoltarea industriei laserelor, iar diverse regiuni s-au dedicat cercetării științifice, îmbunătățirii tehnologiei, dezvoltării pieței și construcției de parcuri industriale laser sub conducerea guvernului și în cooperarea întreprinderilor laser.
3. Tendința viitoare de dezvoltare a industriei laser din China
Comparativ cu țările dezvoltate din Europa și Statele Unite, tehnologia laser din China nu este întârziată, dar în aplicarea tehnologiei laser și a tehnologiei de bază de ultimă generație există încă un decalaj considerabil, în special cipul laser semiconductor din amonte și alte componente de bază fiind încă dependente de importuri.
Țările dezvoltate, reprezentate de Statele Unite, Germania și Japonia, au finalizat practic înlocuirea tehnologiei tradiționale de fabricație în unele domenii industriale mari și au intrat în era „fabricației ușoare”; deși dezvoltarea aplicațiilor laser în China este rapidă, rata de penetrare a aplicațiilor este încă relativ scăzută. Fiind tehnologia de bază a modernizării industriale, industria laserelor 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 către era „fabricației ușoare”. Având în vedere situația actuală de dezvoltare, dezvoltarea industriei laserelor din China prezintă următoarele tendințe de dezvoltare.
(1) Cipul laser semiconductor și alte componente de bază realizează treptat localizarea
Luăm ca exemplu laserul cu fibră optică, sursa de pompă laser cu fibră de mare putere este principala zonă de aplicare a laserului semiconductor, cipul și modulul laserului semiconductor de mare putere fiind o componentă importantă a laserului cu fibră. În ultimii ani, industria laserelor 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 pieței, pe piața laserelor cu fibră de putere mică, cota de piață a laserelor autohtone a atins 99,01% în 2019; pe piața laserelor cu fibră de putere medie, rata de penetrare a laserelor autohtone s-a menținut 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 realiza „de la zero”. Procesul de localizare a laserelor cu fibră de mare putere avansează, de asemenea, treptat, din 2013 până în 2019, atingând o rată de penetrare de 55,56%, iar rata de penetrare internă a laserelor cu fibră de mare putere este estimată să fie de 57,58% în 2020.
Cu toate acestea, componentele de bază, cum ar fi cipurile laser semiconductoare de mare putere, sunt încă dependente de importuri, iar componentele din amonte ale laserelor cu cipuri laser semiconductoare ca miez sunt localizate treptat, ceea ce, pe de o parte, îmbunătățește scara pieței componentelor din amonte ale laserelor autohtone, iar, pe de altă parte, odată cu localizarea componentelor de bază din amonte, poate îmbunătăți capacitatea producătorilor autohtoni de lasere de a participa la concurența internațională.
(2) Aplicațiile laser pătrund mai rapid și mai larg
Odată cu localizarea treptată a componentelor optoelectronice de bază din amonte și scăderea treptată a costurilor de aplicare a laserelor, laserele vor pătrunde mai profund în multe industrii.
Pe de o parte, pentru China, procesarea cu laser se încadrează, de asemenea, în primele zece domenii de aplicare ale industriei prelucrătoare din China și se așteaptă ca domeniile de aplicare ale procesării cu laser să fie extinse în continuare, iar scara pieței să se extindă și mai mult în viitor. Pe de altă parte, odată cu popularizarea și dezvoltarea continuă a tehnologiilor precum sistemele avansate de conducere asistată, roboții orientați spre servicii, detectarea 3D etc., acestea vor fi aplicate din ce în ce mai mult în multe domenii, cum ar fi industria automobilelor, inteligența artificială, electronica de larg consum, recunoașterea facială, comunicațiile optice și cercetarea în domeniul apărării naționale. Fiind dispozitivul sau componenta principală a aplicațiilor laser menționate mai sus, laserul semiconductor va câștiga, de asemenea, un spațiu de dezvoltare rapidă.
(3) Putere mai mare, calitate mai bună a fasciculului, lungime de undă mai scurtă și dezvoltare mai rapidă a direcției frecvenței
În domeniul laserelor industriale, laserele cu fibră au înregistrat progrese semnificative de la introducerea lor. Cu toate acestea, o putere mai mare poate îmbunătăți viteza de procesare, optimiza calitatea procesării și extinde domeniul de procesare la industria grea. În industria auto, industria aerospațială, energie, fabricarea de mașini, metalurgie, construcția de transport feroviar, cercetare științifică și alte domenii de aplicare în tăiere, sudare, tratarea suprafețelor etc., cerințele de putere ale laserelor cu fibră continuă să crească. Producătorii de dispozitive corespunzătoare trebuie să îmbunătățească continuu performanța dispozitivelor de bază (cum ar fi cipul laser semiconductor de mare putere și fibra cu câștig). Creșterea puterii laserelor cu fibră necesită, de asemenea, tehnologii avansate de modulație laser, cum ar fi combinarea fasciculului și sinteza puterii, ceea ce va aduce noi cerințe și provocări producătorilor de cipuri laser semiconductor de mare putere. În plus, lungimile de undă mai scurte, lungimile de undă mai mari și dezvoltarea laserelor mai rapidă (ultrarapidă) reprezintă, de asemenea, o direcție importantă, utilizată în principal în cipuri cu circuite integrate, afișaje, electronică de larg consum, industria aerospațială și alte microprocesare de precizie, precum și în științe biologice, medicină, senzori și alte domenii, cipul laser semiconductor impunând, de asemenea, noi cerințe.
(4) cererea de componente optoelectronice cu laser de mare putere va continua să crească
Dezvoltarea și industrializarea laserelor cu fibră de mare putere este rezultatul progresului sinergic al lanțului industrial, care necesită sprijinul unor componente optoelectronice de bază, cum ar fi sursa de pompă, izolatorul, concentratorul de fascicul etc. Componentele optoelectronice utilizate în laserele cu fibră de mare putere sunt baza și componentele cheie ale dezvoltării și producției acestora, iar piața în expansiune a laserelor cu fibră de mare putere stimulează, de asemenea, cererea de pe piață pentru componente de bază, cum ar fi cipurile laserelor semiconductoare de mare putere. În același timp, odată cu îmbunătățirea continuă a tehnologiei interne a laserelor cu fibră, substituirea importurilor a devenit o tendință inevitabilă, iar cota de piață a laserelor la nivel mondial va continua să se îmbunătățească, ceea ce aduce, de asemenea, oportunități excelente pentru puterea producătorilor locali de componente optoelectronice.
Data publicării: 07 martie 2023
