1. Visió general de la indústria del làser
(1) Introducció al làser
El làser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, abreujat com a LASER) és un feix de llum colimat, monocromàtic, coherent i direccional produït per l'amplificació de la radiació lumínica a una freqüència estreta mitjançant la ressonància i la radiació de retroalimentació excitada.
La tecnologia làser es va originar a principis de la dècada de 1960 i, a causa de la seva naturalesa completament diferent de la llum ordinària, aviat es va utilitzar àmpliament en diversos camps i va influir profundament en el desenvolupament i la transformació de la ciència, la tecnologia, l'economia i la societat.
El naixement del làser ha canviat dràsticament la cara de l'òptica antiga, ampliant la física òptica clàssica en una nova disciplina d'alta tecnologia que engloba tant l'òptica clàssica com la fotònica moderna, fent una contribució insubstituïble al desenvolupament de l'economia i la societat humanes. La investigació de la física làser ha contribuït al floriment de dues branques principals de la física fotònica moderna: la fotònica de l'energia i la fotònica de la informació. Cobreix òptica no lineal, òptica quàntica, informàtica quàntica, detecció i comunicació làser, física de plasma làser, química làser, biologia làser, medicina làser, espectroscòpia i metrologia làser ultraprecises, física atòmica làser inclosa el refredament làser i la investigació de la matèria condensada de Bose-Einstein. , materials funcionals làser, fabricació làser, fabricació de xips micro-optoelectrònics làser, impressió làser 3D i més de 20 disciplines i aplicacions tecnològiques de frontera internacional. El Departament de Ciència i Tecnologia Làser (DSL) s'ha establert en les àrees següents.
A la indústria de la fabricació de làser, el món ha entrat a l'era de la "fabricació lleugera", segons les estadístiques internacionals de la indústria làser, el 50% del PIB anual dels Estats Units1 està relacionat amb la ràpida expansió del mercat d'aplicacions làser d'alt nivell. Diversos països desenvolupats, representats pels Estats Units, Alemanya i Japó, bàsicament han completat la substitució dels processos tradicionals pel processament làser en les principals indústries manufactureres com l'automoció i l'aviació. El làser en la fabricació industrial ha mostrat un gran potencial per a aplicacions de fabricació especials, de baix cost, d'alta qualitat, d'alta eficiència i especials que no es poden aconseguir amb la fabricació convencional, i s'ha convertit en un important motor de competència i innovació entre els principals països industrials del món. Els països donen suport activament a la tecnologia làser com una de les seves tecnologies d'avantguarda més importants i han desenvolupat plans nacionals de desenvolupament de la indústria làser.
(2)LàserFont Príncipe
El làser és un dispositiu que utilitza radiació excitada per produir llum visible o invisible, d'estructura complexa i altes barreres tècniques. El sistema òptic es compon principalment de font de bomba (font d'excitació), mitjà de guany (substància de treball) i cavitat ressonant i altres materials del dispositiu òptic. El medi de guany és la font de generació de fotons i, en absorbir l'energia generada per la font de la bomba, el medi de guany salta de l'estat fonamental a l'estat excitat. Com que l'estat excitat és inestable, en aquest moment, el mitjà de guany alliberarà energia per tornar a l'estat estacionari de l'estat fonamental. En aquest procés d'alliberament d'energia, el medi de guany produeix fotons, i aquests fotons tenen un alt grau de consistència en energia, longitud d'ona i direcció, es reflecteixen constantment a la cavitat ressonant òptica, moviment recíproc, per tal d'amplificar contínuament i, finalment, dispara el làser a través del reflector per formar un raig làser. Com a sistema òptic bàsic de l'equip terminal, el rendiment del làser sovint determina directament la qualitat i la potència del feix de sortida de l'equip làser, és el component bàsic de l'equip làser terminal.
La font de bomba (font d'excitació) proporciona excitació d'energia al medi de guany. El medi de guany està excitat per produir fotons per generar i amplificar el làser. La cavitat ressonant és el lloc on es regulen les característiques dels fotons (freqüència, fase i direcció d'operació) per obtenir una font de llum de sortida d'alta qualitat controlant les oscil·lacions dels fotons a la cavitat. La font de bomba (font d'excitació) proporciona l'excitació d'energia per al medi de guany. El medi de guany està excitat per produir fotons per generar i amplificar el làser. La cavitat ressonant és el lloc on s'ajusten les característiques dels fotons (freqüència, fase i direcció d'operació) per obtenir una font de llum de sortida d'alta qualitat mitjançant el control de les oscil·lacions dels fotons a la cavitat.
(3)Classificació de la font làser
La font làser es pot classificar segons el mitjà de guany, la longitud d'ona de sortida, el mode de funcionament i el mode de bombeig, de la següent manera
① Classificació per mitjà de guany
Segons els diferents mitjans de guany, els làsers es poden dividir en estat sòlid (inclosos sòlids, semiconductors, fibra, híbrids), làsers líquids, làsers de gas, etc.
| LàserFontTipus | Guanyar mitjans | Característiques principals |
| Font làser d'estat sòlid | Sòlids, Semiconductors, Fibra Òptica, Híbrid | Bona estabilitat, alta potència, baix cost de manteniment, adequat per a la industrialització |
| Font làser líquid | Líquids químics | Interval de longitud d'ona opcional, però de gran mida i alt cost de manteniment |
| Font làser de gas | Gasos | Font de llum làser d'alta qualitat, però de mida més gran i costos de manteniment més elevats |
| Font làser d'electrons lliure | Feix d'electrons en un camp magnètic específic | Es pot aconseguir una potència ultra alta i una sortida làser d'alta qualitat, però la tecnologia de fabricació i els costos de producció són molt elevats |
A causa de la bona estabilitat, l'alta potència i el baix cost de manteniment, l'aplicació de làsers d'estat sòlid treu un avantatge absolut.
Entre els làsers d'estat sòlid, els làsers de semiconductors tenen els avantatges d'alta eficiència, mida petita, llarga vida, baix consum d'energia, etc. D'una banda, es poden aplicar directament com a font de llum bàsica i suport per al processament làser, mèdic, aplicacions de comunicació, detecció, visualització, monitorització i defensa, i s'han convertit en una base important per al desenvolupament de la tecnologia làser moderna amb una importància estratègica per al desenvolupament.
D'altra banda, els làsers semiconductors també es poden utilitzar com a font de llum de bombeig central per a altres làsers, com ara làsers d'estat sòlid i làsers de fibra, afavorint molt el progrés tecnològic de tot el camp làser. Tots els principals països desenvolupats del món l'han inclòs en els seus plans nacionals de desenvolupament, donant un fort suport i obtenint un desenvolupament ràpid.
② Segons el mètode de bombeig
Els làsers es poden dividir en làsers bombejats elèctricament, bombejats òpticament, bombejats químicament, etc. segons el mètode de bombeig.
Els làsers bombejats elèctricament es refereixen a làsers excitats pel corrent, els làsers de gas s'exciten majoritàriament per descàrrega de gas, mentre que els làsers semiconductors s'exciten majoritàriament per injecció de corrent.
Gairebé tots els làsers d'estat sòlid i làsers líquids són làsers de bomba òptica, i els làsers de semiconductors s'utilitzen com a font de bombeig central per als làsers de bomba òptica.
Els làsers de bombeig químic es refereixen a làsers que utilitzen l'energia alliberada de les reaccions químiques per excitar el material de treball.
③ Classificació per mode de funcionament
Els làsers es poden dividir en làsers continus i làsers polsats segons el seu mode de funcionament.
Els làsers continus tenen una distribució estable del nombre de partícules a cada nivell d'energia i el camp de radiació a la cavitat, i el seu funcionament es caracteritza per l'excitació del material de treball i la sortida làser corresponent de manera contínua durant un llarg període de temps. . Els làsers continus poden emetre llum làser contínuament durant un període de temps més llarg, però l'efecte tèrmic és més evident.
Els làsers polsats es refereixen a la durada del temps quan la potència del làser es manté en un valor determinat i emeten llum làser de manera discontínua, amb les característiques principals de petit efecte tèrmic i bona controlabilitat.
④ Classificació per longitud d'ona de sortida
Els làsers es poden classificar segons la longitud d'ona com a làsers infrarojos, làsers visibles, làsers ultraviolats, làsers ultraviolats profunds, etc. El rang de longituds d'ona de la llum que es pot absorbir per diferents materials estructurats és diferent, de manera que es necessiten làsers de diferents longituds d'ona per al processament fi de diferents materials o per a diferents escenaris d'aplicació.Els làsers infrarojos i UV són els dos làsers més utilitzats. Els làsers infrarojos s'utilitzen principalment en "processament tèrmic", on el material de la superfície del material s'escalfa i s'evapora (evapora) per eliminar el material; en el processament de material no metàl·lic de pel·lícula fina, tall d'hòsties de semiconductors, tall de vidre orgànic, perforació, marcatge i altres camps, alta energia En el camp del processament de material no metàl·lic de pel·lícula prima, tall d'hòsties de semiconductors, tall de vidre orgànic, perforació, marcatge, etc., els fotons UV d'alta energia trenquen directament els enllaços moleculars a la superfície dels materials no metàl·lics, de manera que les molècules es poden separar de l'objecte, i aquest mètode no produeix una reacció de calor elevada, per la qual cosa se sol anomenar "fred". processament".
A causa de l'alta energia dels fotons UV, és difícil generar un làser UV continu d'alta potència mitjançant una font d'excitació externa, de manera que el làser UV generalment es genera mitjançant l'aplicació del mètode de conversió de freqüència d'efecte no lineal de material de cristall, de manera que el corrent és àmpliament utilitzat. El camp industrial dels làsers UV són principalment làsers UV d'estat sòlid.
(4) Cadena industrial
L'amunt de la cadena de la indústria és l'ús de matèries primeres semiconductors, equips de gamma alta i accessoris de producció relacionats per fabricar nuclis làser i dispositius optoelectrònics, que és la pedra angular de la indústria del làser i té un llindar d'accés elevat. La part mitjana de la cadena de la indústria és l'ús de xips làser aigües amunt i dispositius optoelectrònics, mòduls, components òptics, etc. com a fonts de bomba per a la fabricació i venda de diversos làsers, inclosos làsers de semiconductors directes, làsers de diòxid de carboni, làsers d'estat sòlid, làsers de fibra, etc.; la indústria aigües avall es refereix principalment a les àrees d'aplicació de diversos làsers, inclosos equips de processament industrial, LIDAR, comunicacions òptiques, bellesa mèdica i altres indústries d'aplicacions.
①Proveïdors amunt
Les matèries primeres per a productes aigües amunt, com ara xips làser de semiconductors, dispositius i mòduls, són principalment diversos materials de xip, materials de fibra i peces mecanitzades, inclosos substrats, dissipadors de calor, productes químics i conjunts d'habitatge. El processament de xip requereix una alta qualitat i rendiment de les matèries primeres amunt, principalment de proveïdors estrangers, però el grau de localització augmenta gradualment i aconsegueix un control independent. El rendiment de les principals matèries primeres aigües amunt té un impacte directe en la qualitat dels xips làser de semiconductors, amb la millora contínua del rendiment de diversos materials de xip, per millorar el rendiment dels productes de la indústria juguen un paper positiu en la promoció.
② Cadena de la indústria mitjana
El xip làser de semiconductors és la font de llum de la bomba central de diversos tipus de làsers al mig de la cadena de la indústria i té un paper positiu en la promoció del desenvolupament de làsers de corrent mitjà. En el camp dels làsers midstream, els Estats Units, Alemanya i altres empreses estrangeres dominen, però després del ràpid desenvolupament de la indústria làser nacional en els darrers anys, el mercat mitjà de la cadena industrial ha aconseguit una ràpida substitució nacional.
③Cadena industrial aigües avall
La indústria aigües avall té un paper més important en la promoció del desenvolupament de la indústria, de manera que el desenvolupament de la indústria aigües avall afectarà directament l'espai de mercat de la indústria. El creixement continu de l'economia de la Xina i l'aparició d'oportunitats estratègiques per a la transformació econòmica han creat millors condicions de desenvolupament per al desenvolupament d'aquesta indústria. La Xina està passant d'un país de fabricació a una central de fabricació, i els làsers i els equips làser aigües avall són una de les claus per actualitzar la indústria manufacturera, que proporciona un bon entorn de demanda per a la millora a llarg termini d'aquesta indústria. Els requisits de la indústria aigües avall per a l'índex de rendiment dels xips làser semiconductors i els seus dispositius estan augmentant, i les empreses nacionals estan entrant gradualment al mercat làser d'alta potència des del mercat làser de baixa potència, de manera que la indústria ha d'augmentar contínuament la inversió en el camp de la investigació tecnològica. i desenvolupament i innovació independent.
2. estat de desenvolupament de la indústria làser de semiconductors
Els làsers semiconductors tenen la millor eficiència de conversió d'energia entre tot tipus de làsers, d'una banda, es poden utilitzar com a font central de bombes de làsers de fibra òptica, làsers d'estat sòlid i altres làsers de bombes òptiques. D'altra banda, amb l'avenç continu de la tecnologia làser de semiconductors en termes d'eficiència energètica, brillantor, vida útil, longitud d'ona múltiple, velocitat de modulació, etc., els làsers de semiconductors s'utilitzen àmpliament en el processament de materials, medicina, comunicació òptica, detecció òptica, defensa, etc. Segons Laser Focus World, els ingressos globals totals dels làsers de díode, és a dir, làsers semiconductors i làsers sense díode, s'estima en 18.480 milions de dòlars el 2021, i els làsers semiconductors representen el 43% dels ingressos totals.
Segons Laser Focus World, el mercat global de làser de semiconductors serà de 6.724 milions de dòlars el 2020, un 14,20% més que l'any anterior. Amb el desenvolupament de la intel·ligència global, la creixent demanda de làsers en dispositius intel·ligents, electrònica de consum, noves energies i altres camps, així com l'expansió contínua d'equips mèdics, de bellesa i altres aplicacions emergents, els làsers semiconductors es poden utilitzar com a font de bomba. per a làsers de bombes òptiques, i la seva mida del mercat continuarà mantenint un creixement estable. Mida del mercat global de làser de semiconductors de 2021 de 7.946 milions de dòlars, la taxa de creixement del mercat del 18,18%.
Mitjançant els esforços conjunts d'experts tècnics i empreses i professionals, la indústria làser de semiconductors de la Xina ha aconseguit un desenvolupament extraordinari, de manera que la indústria làser de semiconductors de la Xina ha experimentat el procés des de zero i l'inici del prototip de la indústria làser de semiconductors de la Xina. En els darrers anys, la Xina ha augmentat el desenvolupament de la indústria del làser i diverses regions s'han dedicat a la investigació científica, la millora tecnològica, el desenvolupament del mercat i la construcció de parcs industrials làser sota el lideratge del govern i la cooperació d'empreses làser.
3. Tendència de desenvolupament futura de la indústria làser de la Xina
En comparació amb els països desenvolupats d'Europa i els Estats Units, la tecnologia làser de la Xina no és tardana, però en l'aplicació de la tecnologia làser i la tecnologia bàsica d'alta gamma encara hi ha un buit considerable, especialment el xip làser de semiconductors i altres components bàsics encara són dependent de les importacions.
Els països desenvolupats representats pels Estats Units, Alemanya i el Japó, bàsicament, han completat la substitució de la tecnologia de fabricació tradicional en alguns grans camps industrials i han entrat en l'era de la "fabricació lleugera"; tot i que el desenvolupament d'aplicacions làser a la Xina és ràpid, però la taxa de penetració de l'aplicació encara és relativament baixa. Com a tecnologia bàsica de l'actualització industrial, la indústria del làser continuarà sent una àrea clau de suport nacional i continuarà ampliant l'àmbit d'aplicació i, finalment, promou la indústria manufacturera de la Xina a l'era de la "fabricació lleugera". A partir de la situació de desenvolupament actual, el desenvolupament de la indústria làser de la Xina mostra les següents tendències de desenvolupament.
(1) El xip làser de semiconductors i altres components bàsics es van localitzant gradualment
Prengui el làser de fibra com a exemple, la font de bomba làser de fibra d'alta potència és l'àrea d'aplicació principal del làser de semiconductors, el xip làser de semiconductors d'alta potència i el mòdul és un component important del làser de fibra. En els darrers anys, la indústria làser de fibra òptica de la Xina es troba en una fase de creixement ràpid i el grau de localització augmenta any rere any.
Pel que fa a la penetració del mercat, al mercat del làser de fibra de baixa potència, la quota de mercat dels làsers nacionals va assolir el 99,01% el 2019; al mercat del làser de fibra de potència mitjana, la taxa de penetració dels làsers domèstics s'ha mantingut en més del 50% en els últims anys; el procés de localització dels làsers de fibra d'alta potència també avança gradualment, del 2013 al 2019 per aconseguir "des de zero". El procés de localització dels làsers de fibra d'alta potència també avança gradualment, del 2013 al 2019, i ha assolit una taxa de penetració del 55,56% i s'espera que la taxa de penetració domèstica dels làsers de fibra d'alta potència sigui del 57,58% el 2020.
Tanmateix, els components bàsics, com ara els xips làser de semiconductors d'alta potència, encara depenen de les importacions, i els components aigües amunt dels làsers amb xips làser de semiconductors a mesura que el nucli s'estan localitzant gradualment, cosa que, d'una banda, millora l'escala del mercat dels components aigües amunt de làsers nacionals i, d'altra banda, amb la localització dels components bàsics aigües amunt, pot millorar la capacitat dels fabricants de làser nacionals de participar en la competència internacional.
(2) Les aplicacions làser penetren més ràpid i ample
Amb la localització gradual dels components optoelectrònics bàsics aigües amunt i la disminució gradual dels costos d'aplicació làser, els làsers penetraran més profundament en moltes indústries.
D'una banda, per a la Xina, el processament làser també s'adapta a les deu principals àrees d'aplicació de la indústria manufacturera de la Xina, i s'espera que les àrees d'aplicació del processament làser s'ampliïn encara més i l'escala del mercat s'ampliï encara més en el futur. D'altra banda, amb la contínua popularització i desenvolupament de tecnologies com ara el sistema de conducció assistida sense conductor, avançat, robot orientat al servei, detecció 3D, etc., s'aplicarà més en molts camps com l'automòbil, la intel·ligència artificial, l'electrònica de consum. , reconeixement facial, comunicació òptica i investigació de defensa nacional. Com a dispositiu bàsic o component de les aplicacions làser anteriors, el làser semiconductor també guanyarà un espai de desenvolupament ràpid.
(3) Més potència, millor qualitat del feix, longitud d'ona més curta i desenvolupament de la direcció de freqüència més ràpid
En el camp dels làsers industrials, els làsers de fibra han avançat molt en termes de potència de sortida, qualitat del feix i brillantor des de la seva introducció. Tanmateix, una potència més alta pot millorar la velocitat de processament, optimitzar la qualitat del processament i ampliar el camp de processament a la fabricació de la indústria pesada, en la fabricació d'automòbils, fabricació aeroespacial, energia, fabricació de maquinària, metal·lúrgia, construcció de transport ferroviari, investigació científica i altres camps d'aplicació en el tall. , soldadura, tractament de superfícies, etc., els requisits de potència del làser de fibra continuen augmentant. Els fabricants de dispositius corresponents han de millorar contínuament el rendiment dels dispositius bàsics (com ara el xip làser semiconductor d'alta potència i la fibra de guany), l'augment de la potència del làser de fibra també requereix una tecnologia de modulació làser avançada, com ara la combinació de feix i la síntesi de potència, que aportarà nous requisits. i reptes per als fabricants de xips làser de semiconductors d'alta potència. A més, les longituds d'ona més curtes, més longituds d'ona, el desenvolupament de làser més ràpid (ultraràpid) també és una direcció important, que s'utilitza principalment en xips de circuits integrats, pantalles, electrònica de consum, aeroespacial i altres microprocessament de precisió, així com ciències de la vida, medicina, detecció i altres camps, el xip làser de semiconductors també planteja nous requisits.
(4) per als components optoelectrònics làser d'alta potència, la demanda de més creixement
El desenvolupament i la industrialització del làser de fibra d'alta potència és el resultat del progrés sinèrgic de la cadena industrial, que requereix el suport de components optoelectrònics bàsics com font de bomba, aïllant, concentrador de feix, etc. Els components optoelectrònics utilitzats en alta potència. El làser de fibra és la base i els components clau del seu desenvolupament i producció, i el mercat en expansió del làser de fibra d'alta potència també impulsa la demanda del mercat de components bàsics com ara xips làser de semiconductors d'alta potència. Al mateix temps, amb la millora contínua de la tecnologia làser de fibra domèstica, la substitució d'importacions s'ha convertit en una tendència inevitable, la quota de mercat del làser al món continuarà millorant, la qual cosa també ofereix grans oportunitats per a la força local dels fabricants de components optoelectrònics.
Hora de publicació: Mar-07-2023
