1. Visió general de la indústria làser
(1) Introducció al làser
El làser (ampliació de la llum per emissió estimulada de radiació, abreujat com a LÀSER) és un feix de llum colimat, monocromàtic, coherent i direccional produït per l'amplificació de la radiació lumínica a una freqüència estreta a través de la ressonància de retroalimentació excitada i la radiació.
La tecnologia làser es va originar a principis dels anys seixanta i, a causa de la seva naturalesa completament diferent de la llum ordinària, el làser 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, expandint la física òptica clàssica a una nova disciplina d'alta tecnologia que engloba tant l'òptica clàssica com la fotònica moderna, fent una contribució irreemplaçable al desenvolupament de l'economia i la societat humanes. La recerca en física del làser ha contribuït al floriment de dues branques principals de la física fotònica moderna: la fotònica energètica i la fotònica de la informació. Cobreix l'òptica no lineal, l'òptica quàntica, la computació quàntica, la detecció i comunicació làser, la física del plasma làser, la química làser, la biologia làser, la medicina làser, l'espectroscòpia i metrologia làser ultraprecises, la física atòmica làser, incloent-hi el refredament làser i la recerca de la matèria condensada de Bose-Einstein, els materials funcionals làser, la fabricació làser, la fabricació de xips microoptoelectrònics làser, la impressió 3D làser i més de 20 disciplines i aplicacions tecnològiques internacionals de frontera. El Departament de Ciència i Tecnologia Làser (DSL) s'ha establert en les àrees següents.
En la indústria de 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, han completat bàsicament 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 demostrat un gran potencial per a aplicacions de fabricació especials, de baix cost, alta qualitat, alta eficiència i de baix cost que no es poden aconseguir amb la fabricació convencional, i s'ha convertit en un important motor de la competència i la innovació entre els principals països industrialitzats 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 Pprincipi
El làser és un dispositiu que utilitza radiació excitada per produir llum visible o invisible, amb una estructura complexa i altes barreres tècniques. El sistema òptic es compon principalment d'una font de bombament (font d'excitació), un medi de guany (substància de treball) i una 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 bombament, el medi de guany salta de l'estat fonamental a l'estat excitat. Com que l'estat excitat és inestable, en aquest moment, el medi 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 disparar el làser a través del reflector per formar un feix làser. Com a sistema òptic central 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 central de l'equip làser terminal.
La font de bombament (font d'excitació) proporciona excitació d'energia al medi de guany. El medi de guany s'excita 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 de funcionament) per obtenir una font de llum de sortida d'alta qualitat controlant les oscil·lacions dels fotons a la cavitat. La font de bombament (font d'excitació) proporciona l'excitació d'energia per al medi de guany. El medi de guany s'excita 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 de funcionament) per obtenir una font de llum de sortida d'alta qualitat controlant les oscil·lacions dels fotons a la cavitat.
(3)Classificació de la font làser
La font làser es pot classificar segons el medi de guany, la longitud d'ona de sortida, el mode de funcionament i el mode de bombament, de la manera següent:
① Classificació per mitjà de guany
Segons els diferents medis de guany, els làsers es poden dividir en làsers d'estat sòlid (inclosos làsers sòlids, semiconductors, de 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 de làser líquid | líquids químics | Rang de longitud d'ona opcional assolit, 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 lliures | 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 és un avantatge absolut.
Entre els làsers d'estat sòlid, els làsers semiconductors tenen els avantatges d'una alta eficiència, mida petita, llarga vida útil, baix consum d'energia, etc. D'una banda, es poden aplicar directament com a font de llum principal i suport per a aplicacions de processament làser, medicina, 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 bombament central per a altres làsers com ara els làsers d'estat sòlid i els làsers de fibra, cosa que promou enormement el progrés tecnològic de tot el camp del làser. Tots els principals països desenvolupats del món l'han inclòs en els seus plans de desenvolupament nacional, donant-los un fort suport i aconseguint un desenvolupament ràpid.
② Segons el mètode de bombament
Els làsers es poden dividir en làsers bombats elèctricament, bombats òpticament, bombats químicament, etc. segons el mètode de bombament.
Els làsers bombats elèctricament es refereixen a làsers excitats per corrent, els làsers de gas s'exciten principalment per descàrrega de gas, mentre que els làsers de semiconductors s'exciten principalment per injecció de corrent.
Gairebé tots els làsers d'estat sòlid i els làsers líquids són làsers de bombament òptic, i els làsers semiconductors s'utilitzen com a font de bombament principal per als làsers de bombament òptic.
Els làsers bombats químicament es refereixen a làsers que utilitzen l'energia alliberada de les reaccions químiques per excitar el material de treball.
③Classificació per mode de funcionament
Els làsers es poden dividir en làsers continus i làsers pulsats segons el seu mode de funcionament.
Els làsers continus tenen una distribució estable del nombre de partícules a cada nivell d'energia i del 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 pulsats es refereixen a la durada del temps en què la potència del làser es manté a un valor determinat i emeten llum làser de manera discontínua, amb les principals característiques d'un petit efecte tèrmic i una 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 longitud d'ona de la llum que pot ser absorbida per diferents materials estructurats és diferent, per la qual cosa 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 els làsers UV són els dos làsers més utilitzats. Els làsers infrarojos s'utilitzen principalment en el "processament tèrmic", on el material de la superfície del material s'escalfa i es vaporitza (evapora) per eliminar el material; en el processament de materials no metàl·lics de pel·lícula fina, el tall de oblies semiconductores, el tall de vidre orgànic, la perforació, el marcatge i altres camps, 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 tèrmica elevada, per la qual cosa normalment s'anomena "processament en fred".
A causa de l'alta energia dels fotons UV, és difícil generar un cert làser UV continu d'alta potència mitjançant una font d'excitació externa, de manera que el làser UV es genera generalment mitjançant l'aplicació del mètode de conversió de freqüència d'efecte no lineal de material cristal·lí, de manera que el camp industrial actual àmpliament utilitzat dels làsers UV són principalment làsers UV d'estat sòlid.
(4) Cadena industrial
La part superior de la cadena industrial és l'ús de matèries primeres semiconductores, equips d'alta gamma i accessoris de producció relacionats per fabricar nuclis làser i dispositius optoelectrònics, que és la pedra angular de la indústria làser i té un alt llindar d'accés. La part mitjana de la cadena industrial és l'ús de xips làser superiors i dispositius optoelectrònics, mòduls, components òptics, etc. com a fonts de bombament per a la fabricació i venda de diversos làsers, inclosos làsers semiconductors directes, làsers de diòxid de carboni, làsers d'estat sòlid, làsers de fibra, etc.; la indústria inferior 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'aplicació.
①Proveïdors aigües amunt
Les matèries primeres per a productes de producció aigües amunt, com ara xips, dispositius i mòduls làser semiconductors, són principalment diversos materials de xip, materials de fibra i peces mecanitzades, incloent substrats, dissipadors de calor, productes químics i conjunts de carcasses. El processament de xips requereix una alta qualitat i rendiment de les matèries primeres de producció aigües amunt, principalment de proveïdors estrangers, però el grau de localització augmenta gradualment i s'aconsegueix gradualment un control independent. El rendiment de les principals matèries primeres de producció aigües amunt té un impacte directe en la qualitat dels xips làser semiconductors, i la millora contínua del rendiment de diversos materials de xip, per millorar el rendiment dels productes de la indústria, juga un paper positiu en la promoció.
②Cadena industrial de mitja gamma
El xip làser semiconductor és la font de llum de bombament central de diversos tipus de làsers a la cadena industrial intermèdia i juga un paper positiu en la promoció del desenvolupament de làsers intermedis. En el camp dels làsers intermedis, 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 intermedi de la cadena industrial ha aconseguit una ràpida substitució nacional.
③Cadena industrial aigües avall
La indústria de transformació té un paper més important en la promoció del desenvolupament de la indústria, de manera que el desenvolupament de la indústria de transformació afectarà directament l'espai de mercat de la indústria. El creixement continu de l'economia xinesa 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 de ser un país manufacturer a una potència manufacturera, i els làsers i els equips làser de transformació són una de les claus per millorar la indústria manufacturera, cosa que proporciona un bon entorn de demanda per a la millora a llarg termini d'aquesta indústria. Els requisits de la indústria de transformació 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 dels làsers d'alta potència des del mercat dels làsers de baixa potència, de manera que la indústria ha d'augmentar contínuament la inversió en el camp de la investigació i el desenvolupament tecnològic i la innovació independent.
2. Estat de desenvolupament de la indústria del làser semiconductor
Els làsers semiconductors tenen la millor eficiència de conversió d'energia entre tots els tipus de làsers. D'una banda, es poden utilitzar com a font principal de bombament de làsers de fibra òptica, làsers d'estat sòlid i altres làsers de bombament òptic. D'altra banda, amb l'avenç continu de la tecnologia dels làsers semiconductors pel que fa a l'eficiència energètica, la brillantor, la vida útil, la longitud d'ona múltiple, la velocitat de modulació, etc., els làsers semiconductors s'utilitzen àmpliament en el processament de materials, la medicina, la comunicació òptica, la detecció òptica, la defensa, etc. Segons Laser Focus World, els ingressos globals totals dels làsers de díode, és a dir, els làsers semiconductors i els làsers sense díode, s'estimen en 18.480 milions de dòlars el 2021, i els làsers semiconductors representen el 43% dels ingressos totals.
Segons Laser Focus World, el mercat mundial de làsers 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 dels equips mèdics i de bellesa i altres aplicacions emergents, els làsers semiconductors es poden utilitzar com a font de bombament per a làsers de bombament òptic, i la seva mida de mercat continuarà mantenint un creixement estable. La mida del mercat mundial de làsers semiconductors el 2021 va ser de 7.946 milions de dòlars, la taxa de creixement del mercat del 18,18%.
Gràcies als esforços conjunts d'experts tècnics, 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 ha començat el prototip de la indústria làser de semiconductors de la Xina. En els darrers anys, la Xina ha augmentat el desenvolupament de la indústria làser i diverses regions s'han dedicat a la investigació científica, la millora de la tecnologia, el desenvolupament del mercat i la construcció de parcs industrials làser sota el lideratge del govern i la cooperació de les empreses làser.
3. Tendència de desenvolupament futur 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 arriba tard, però encara hi ha una bretxa considerable en l'aplicació de la tecnologia làser i la tecnologia bàsica d'alta gamma, especialment el xip làser semiconductor aigües amunt i altres components bàsics encara depenen de les importacions.
Els països desenvolupats, representats pels Estats Units, Alemanya i Japó, han completat bàsicament la substitució de la tecnologia de fabricació tradicional en alguns grans camps industrials i han entrat a l'era de la "fabricació lleugera"; tot i que el desenvolupament d'aplicacions làser a la Xina és ràpid, la taxa de penetració d'aplicacions encara és relativament baixa. Com a tecnologia bàsica de la modernització industrial, la indústria làser continuarà sent una àrea clau de suport nacional i continuarà ampliant l'àmbit d'aplicació i, en última instància, promovent la indústria manufacturera xinesa cap a l'era de la "fabricació lleugera". A partir de la situació de desenvolupament actual, el desenvolupament de la indústria làser xinesa mostra les següents tendències de desenvolupament.
(1) El xip làser semiconductor i altres components bàsics es localitzen gradualment
Prenem com a exemple el làser de fibra, la font de bombament de làser de fibra d'alta potència és la principal àrea d'aplicació del làser semiconductor, el xip i mòdul làser de semiconductor d'alta potència 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 ràpid creixement i el grau de localització augmenta any rere any.
Pel que fa a la penetració del mercat, en el mercat dels làsers de fibra de baixa potència, la quota de mercat dels làsers domèstics va arribar al 99,01% el 2019; en el mercat dels làsers de fibra de mitjana potència, la taxa de penetració dels làsers domèstics s'ha mantingut en més del 50% en els darrers 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 semiconductors d'alta potència, encara depenen de les importacions, i els components aigües amunt dels làsers amb xips làser semiconductors com a nucli s'estan localitzant gradualment, cosa que, d'una banda, millora l'escala de mercat dels components aigües amunt dels làsers nacionals i, d'altra banda, amb la localització dels components bàsics aigües amunt, pot millorar la capacitat dels fabricants de làsers nacionals per participar en la competència internacional.
(2) Les aplicacions làser penetren més ràpidament i més àmpliament
Amb la localització gradual dels components optoelectrònics bàsics aigües amunt i la disminució gradual dels costos d'aplicació del làser, els làsers penetraran més profundament en moltes indústries.
D'una banda, per a la Xina, el processament làser també es troba entre les deu principals àrees d'aplicació de la indústria manufacturera xinesa, i s'espera que les àrees d'aplicació del processament làser s'ampliïn encara més i que l'escala del mercat s'ampliï encara més en el futur. D'altra banda, amb la popularització i el desenvolupament continus de tecnologies com ara sistemes de conducció assistida avançada sense conductor, robots orientats al servei, detecció 3D, etc., s'aplicarà més en molts camps com l'automòbil, la intel·ligència artificial, l'electrònica de consum, el reconeixement facial, la comunicació òptica i la investigació en defensa nacional. Com a dispositiu o component principal de les aplicacions làser esmentades, el làser semiconductor també guanyarà espai de desenvolupament ràpid.
(3) Major potència, millor qualitat del feix, longitud d'ona més curta i desenvolupament més ràpid de la direcció de freqüència
En el camp dels làsers industrials, els làsers de fibra han fet grans progressos pel que fa a la potència de sortida, la qualitat del feix i la 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, la fabricació aeroespacial, l'energia, la fabricació de maquinària, la metal·lúrgia, la construcció de transport ferroviari, la investigació científica i altres camps d'aplicació en tall, soldadura, tractament de superfícies, etc., els requisits de potència del làser de fibra continuen augmentant. Els fabricants de dispositius corresponents necessiten millorar contínuament el rendiment dels dispositius principals (com ara xips làser semiconductors d'alta potència i fibra de guany), l'augment de la potència del làser de fibra també requereix tecnologia avançada de modulació làser, com ara la combinació de feix i la síntesi de potència, cosa que comportarà nous requisits i reptes per als fabricants de xips làser semiconductors d'alta potència. A més, longituds d'ona més curtes, més longituds d'ona, el desenvolupament de làsers més ràpid (ultraràpid) també és una direcció important, principalment utilitzada en xips de circuits integrats, pantalles, electrònica de consum, aeroespacial i altres microprocessaments de precisió, així com ciències de la vida, medicina, detecció i altres camps, el xip làser semiconductor també planteja nous requisits.
(4) la demanda de components optoelectrònics làser d'alta potència continuarà creixent
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 ara la font de bombament, l'aïllant, el concentrador de feix, etc. Els components optoelectrònics utilitzats en el làser de fibra d'alta potència són la base i els components clau del seu desenvolupament i producció, i l'expansió del mercat del làser de fibra d'alta potència també impulsa la demanda del mercat de components bàsics com ara xips làser semiconductors d'alta potència. Al mateix temps, amb la millora contínua de la tecnologia làser de fibra nacional, la substitució d'importacions s'ha convertit en una tendència inevitable, la quota de mercat del làser al món continuarà millorant, cosa que també ofereix grans oportunitats per a la força local dels fabricants de components optoelectrònics.
Data de publicació: 07-03-2023
