1. Oversigt over laserindustrien
(1) Laser introduktion
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, forkortet som LASER) er en kollimeret, monokromatisk, sammenhængende, retningsbestemt lysstråle frembragt ved forstærkning af lysstråling ved en smal frekvens gennem exciteret feedbackresonans og stråling.
Laserteknologi opstod i begyndelsen af 1960'erne, og på grund af dens helt anderledes karakter end almindeligt lys, blev laser hurtigt udbredt på forskellige områder og havde dybt indflydelse på udviklingen og transformationen af videnskab, teknologi, økonomi og samfund.
Laserens fødsel har dramatisk ændret den antikke optiks ansigt og udvidet klassisk optisk fysik til en ny højteknologisk disciplin, der omfatter både klassisk optik og moderne fotonik, hvilket yder et uerstatteligt bidrag til udviklingen af den menneskelige økonomi og samfund. Laserfysikforskning har bidraget til opblomstringen af to hovedgrene af moderne fotonisk fysik: energifotonik og informationsfotonik. Det dækker ikke-lineær optik, kvanteoptik, kvanteberegning, lasersensing og kommunikation, laserplasmafysik, laserkemi, laserbiologi, lasermedicin, ultrapræcis laserspektroskopi og metrologi, laseratomfysik inklusive laserkøling og forskning i kondenseret stof fra Bose-Einstein. , laserfunktionelle materialer, laserfremstilling, lasermikrooptoelektronisk chipfremstilling, laser 3D-print og mere end 20 internationale grænsediscipliner og teknologiske applikationer. Institut for Laservidenskab og -teknologi (DSL) er etableret inden for følgende områder.
I laserfremstillingsindustrien er verden gået ind i æraen med "let fremstilling", ifølge den internationale laserindustristatistikker er 50% af USA's årlige BNP1 relateret til den hurtige markedsudvidelse af laserapplikationer på højt niveau. Adskillige udviklede lande, repræsenteret ved USA, Tyskland og Japan, har stort set gennemført udskiftningen af traditionelle processer med laserbehandling i større fremstillingsindustrier som bilindustrien og luftfarten. Laser i industriel fremstilling har vist et stort potentiale for lavpris, høj kvalitet, høj effektivitet og specielle fremstillingsapplikationer, som ikke kan opnås ved konventionel fremstilling, og er blevet en vigtig drivkraft for konkurrence og innovation blandt verdens store industrilande. Lande støtter aktivt laserteknologi som en af deres vigtigste banebrydende teknologier og har udviklet nationale laserindustriudviklingsplaner.
(2)LaserKilde Principle
Laseren er en enhed, der bruger exciteret stråling til at producere synligt eller usynligt lys, med kompleks struktur og høje tekniske barrierer. Det optiske system er hovedsageligt sammensat af pumpekilde (excitationskilde), forstærkningsmedium (arbejdsstof) og resonanshulrum og andre optiske anordningsmaterialer. Forstærkningsmediet er kilden til fotongenerering, og ved at absorbere den energi, der genereres af pumpekilden, hopper forstærkningsmediet fra grundtilstanden til den exciterede tilstand. Da den exciterede tilstand er ustabil, vil forstærkningsmediet på dette tidspunkt frigive energi for at vende tilbage til den stabile tilstand af grundtilstanden. I denne energifrigivelsesproces producerer forstærkningsmediet fotoner, og disse fotoner har en høj grad af konsistens i energi, bølgelængde og retning, de reflekteres konstant i det optiske resonanshulrum, reciprok bevægelse, så de kontinuerligt forstærkes og til sidst skyde laseren ud gennem reflektoren for at danne en laserstråle. Som det optiske kernesystem i terminaludstyret, bestemmer laserens ydeevne ofte direkte kvaliteten og effekten af laserudstyrets udgangsstråle, og er kernekomponenten i terminallaserudstyret.
Pumpekilden (excitationskilden) giver energiexcitation til forstærkningsmediet. Forstærkningsmediet exciteres til at producere fotoner for at generere og forstærke laseren. Resonanshulrummet er det sted, hvor fotonegenskaberne (frekvens, fase og driftsretning) reguleres for at opnå en udgangslyskilde af høj kvalitet ved at styre fotonoscillationerne i hulrummet. Pumpekilden (excitationskilden) giver energiexcitationen til forstærkningsmediet. Forstærkningsmediet exciteres til at producere fotoner for at generere og forstærke laseren. Resonanshulrummet er stedet, hvor fotonegenskaberne (frekvens, fase og driftsretning) justeres for at opnå en udgangslyskilde af høj kvalitet ved at kontrollere fotonoscillationerne i hulrummet.
(3)Klassificering af laserkilde
Laserkilden kan klassificeres efter forstærkningsmedium, outputbølgelængde, driftstilstand og pumpetilstand som følger
① Klassificering efter forstærkningsmedium
Ifølge de forskellige forstærkningsmedier kan lasere opdeles i fast tilstand (inklusive faststof, halvleder, fiber, hybrid), flydende lasere, gaslasere osv.
| LaserKildeType | Få medier | Hovedtræk |
| Solid State-laserkilde | Faste stoffer, halvledere, fiberoptik, hybrid | God stabilitet, høj effekt, lave vedligeholdelsesomkostninger, velegnet til industrialisering |
| Flydende laserkilde | Kemiske væsker | Valgfrit bølgelængdeområde hit, men stor størrelse og høje vedligeholdelsesomkostninger |
| Gaslaserkilde | Gasser | Højkvalitets laserlyskilde, men større størrelse og højere vedligeholdelsesomkostninger |
| Gratis elektronlaserkilde | Elektronstråle i et bestemt magnetfelt | Ultrahøj effekt og højkvalitets laseroutput kan opnås, men produktionsteknologi og produktionsomkostninger er meget høje |
På grund af den gode stabilitet, høje effekt og lave vedligeholdelsesomkostninger tager anvendelsen af solid-state lasere absolut fordel.
Blandt solid-state lasere har halvlederlasere fordelene ved høj effektivitet, lille størrelse, lang levetid, lavt energiforbrug osv. På den ene side kan de direkte anvendes som kernelyskilde og støtte til laserbehandling, medicinsk, kommunikation, sansning, visning, overvågning og forsvarsapplikationer, og er blevet et vigtigt grundlag for udviklingen af moderne laserteknologi med strategisk udviklingsmæssig betydning.
På den anden side kan halvlederlasere også bruges som kernepumpende lyskilde til andre lasere såsom solid-state lasere og fiberlasere, hvilket i høj grad fremmer den teknologiske udvikling af hele laserfeltet. Alle større udviklede lande i verden har inkluderet det i deres nationale udviklingsplaner, hvilket giver stærk støtte og får hurtig udvikling.
② I henhold til pumpemetoden
Lasere kan opdeles i elektrisk pumpede, optisk pumpede, kemisk pumpede lasere osv. efter pumpemetoden.
Elektrisk pumpede lasere refererer til lasere exciteret af strøm, gaslasere exciteres for det meste af gasudladning, mens halvlederlasere for det meste exciteres af strøminjektion.
Næsten alle faststoflasere og flydende lasere er optiske pumpelasere, og halvlederlasere bruges som kernepumpekilde for optiske pumpelasere.
Kemisk pumpede lasere refererer til lasere, der bruger den energi, der frigives fra kemiske reaktioner, til at excitere arbejdsmaterialet.
③Klassificering efter driftstilstand
Lasere kan opdeles i kontinuerlige lasere og pulserende lasere i henhold til deres funktionsmåde.
Kontinuerlige lasere har en stabil fordeling af antallet af partikler på hvert energiniveau og strålingsfeltet i hulrummet, og deres funktion er kendetegnet ved excitation af arbejdsmaterialet og det tilsvarende laseroutput på en kontinuerlig måde over en længere periode . Kontinuerlige lasere kan udsende laserlys kontinuerligt i længere tid, men den termiske effekt er mere indlysende.
Pulserende lasere refererer til varigheden, hvor lasereffekten holdes på en vis værdi, og udsender laserlys på en diskontinuerlig måde, med hovedkarakteristikaene lille termisk effekt og god kontrollerbarhed.
④ Klassificering efter udgangsbølgelængde
Lasere kan klassificeres efter bølgelængde som infrarøde lasere, synlige lasere, ultraviolette lasere, dybe ultraviolette lasere og så videre. Bølgelængdeområdet for lys, der kan absorberes af forskellige strukturerede materialer, er forskelligt, så lasere med forskellige bølgelængder er nødvendige til finbehandling af forskellige materialer eller til forskellige anvendelsesscenarier.Infrarøde lasere og UV-lasere er de to mest udbredte lasere. Infrarøde lasere bruges hovedsageligt i "termisk behandling", hvor materialet på overfladen af materialet opvarmes og fordampes (fordampes) for at fjerne materialet; i tyndfilm ikke-metallisk materialebehandling, halvlederwaferskæring, organisk glasskæring, boring, mærkning og andre områder, høj energi Inden for tyndfilm ikke-metallisk materialebehandling, halvlederwaferskæring, organisk glasskæring, boring, mærkning, osv., bryder højenergi-UV-fotoner direkte de molekylære bindinger på overfladen af ikke-metalliske materialer, så molekylerne kan adskilles fra objektet, og denne metode producerer ikke høj varmereaktion, så den kaldes normalt "kold" forarbejdning".
På grund af den høje energi af UV-fotoner er det vanskeligt at generere en bestemt højeffekt kontinuerlig UV-laser ved ekstern excitationskilde, så UV-laseren genereres generelt ved anvendelse af krystalmateriale ikke-lineær effekt frekvenskonverteringsmetode, så den nuværende meget brugte industrielle område af UV-lasere er hovedsageligt solid-state UV-lasere.
(4) Industrikæde
Opstrøms i industrikæden er brugen af halvlederråmaterialer, avanceret udstyr og relateret produktionstilbehør til fremstilling af laserkerner og optoelektroniske enheder, som er hjørnestenen i laserindustrien og har en høj adgangstærskel. Midtstrømmen i industrikæden er brugen af opstrøms laserchips og optoelektroniske enheder, moduler, optiske komponenter osv. som pumpekilder til fremstilling og salg af forskellige lasere, herunder direkte halvlederlasere, kuldioxidlasere, solid-state lasere, fiber lasere og så videre; downstream-industrien refererer hovedsageligt til anvendelsesområderne for forskellige lasere, herunder industrielt behandlingsudstyr, LIDAR, optisk kommunikation, medicinsk skønhed og andre applikationsindustrier
①Upstream leverandører
Råmaterialerne til opstrømsprodukter såsom halvlederlaserchips, enheder og moduler er hovedsageligt forskellige chipmaterialer, fibermaterialer og bearbejdede dele, herunder substrater, køleplader, kemikalier og hussæt. Chipbehandlingen kræver høj kvalitet og ydeevne af opstrøms råvarer, hovedsageligt fra udenlandske leverandører, men graden af lokalisering er gradvist stigende, og gradvist opnå uafhængig kontrol. Ydeevnen af de vigtigste opstrøms råvarer har en direkte indvirkning på kvaliteten af halvlederlaserchips, med den løbende forbedring af ydeevnen af forskellige chipmaterialer, for at forbedre ydeevnen af industriens produkter spiller en positiv rolle i at fremme.
②Midstream industrikæde
Halvlederlaserchip er kernepumpens lyskilde for forskellige typer lasere i midten af industrikæden og spiller en positiv rolle i at fremme udviklingen af midtstrømslasere. Inden for midstream-lasere dominerer USA, Tyskland og andre oversøiske virksomheder, men efter den hurtige udvikling af den indenlandske laserindustri i de seneste år har industrikædens midtstrømsmarked opnået hurtig indenlandsk substitution.
③ Industriel kæde nedstrøms
Downstream-industrien har en større rolle i at fremme udviklingen af industrien, så udviklingen af downstream-industrien vil direkte påvirke industriens markedsrum. Den fortsatte vækst i Kinas økonomi og fremkomsten af strategiske muligheder for økonomisk transformation har skabt bedre udviklingsbetingelser for udviklingen af denne industri. Kina bevæger sig fra et produktionsland til et produktionskraftcenter, og downstream-lasere og laserudstyr er en af nøglerne til at opgradere fremstillingsindustrien, hvilket giver et godt efterspørgselsmiljø for den langsigtede forbedring af denne industri. Nedstrømsindustriens krav til ydeevneindekset for halvlederlaserchips og deres enheder stiger, og indenlandske virksomheder går gradvist ind på højeffektlasermarkedet fra laveffektlasermarkedet, så industrien skal løbende øge investeringen inden for teknologiforskning og udvikling og selvstændig innovation.
2. Halvlederlaserindustriens udviklingsstatus
Halvlederlasere har den bedste energikonverteringseffektivitet blandt alle slags lasere, på den ene side kan de bruges som kernepumpekilden til optiske fiberlasere, solid-state lasere og andre optiske pumpelasere. På den anden side, med det kontinuerlige gennembrud af halvlederlaserteknologi med hensyn til strømeffektivitet, lysstyrke, levetid, multibølgelængde, modulationshastighed osv., er halvlederlasere meget udbredt i materialebehandling, medicinsk, optisk kommunikation, optisk sensing, forsvar osv. Ifølge Laser Focus World er den samlede globale omsætning af diodelasere, dvs. halvlederlasere og ikke-diodelasere, anslået til at være 18.480 millioner dollars i 2021, hvor halvlederlasere udgør 43 % af den samlede omsætning.
Ifølge Laser Focus World vil det globale halvlederlasermarked være på 6.724 millioner dollars i 2020, en stigning på 14,20 % fra året før. Med udviklingen af global intelligens, den voksende efterspørgsel efter lasere i smarte enheder, forbrugerelektronik, ny energi og andre områder, samt den fortsatte udvidelse af medicinsk udstyr, skønhedsudstyr og andre nye applikationer, kan halvlederlasere bruges som en pumpekilde for optiske pumpelasere, og dets markedsstørrelse vil fortsat opretholde en stabil vækst. 2021 verdensomspændende halvlederlasermarkedsstørrelse på $7,946 milliarder, markedsvækst på 18,18%.
Gennem fælles indsats fra tekniske eksperter og virksomheder og praktikere har Kinas halvlederlaserindustri opnået en ekstraordinær udvikling, så Kinas halvlederlaserindustri har oplevet processen fra bunden og begyndelsen på prototypen af Kinas halvlederlaserindustri. I de seneste år har Kina øget udviklingen af laserindustrien, og forskellige regioner har været viet til videnskabelig forskning, teknologiforbedring, markedsudvikling og opførelse af laserindustriparker under ledelse af regeringen og samarbejde med laservirksomheder.
3. Fremtidig udviklingstendens af Kinas laserindustri
Sammenlignet med udviklede lande i Europa og USA er Kinas laserteknologi ikke sen, men i anvendelsen af laserteknologi og avanceret kerneteknologi er der stadig et betydeligt hul, især opstrøms halvlederlaserchippen og andre kernekomponenter er stadig afhængig af import.
De udviklede lande repræsenteret af USA, Tyskland og Japan har stort set gennemført udskiftningen af traditionel fremstillingsteknologi på nogle store industrielle områder og trådt ind i æraen med "let fremstilling"; Selvom udviklingen af laserapplikationer i Kina er hurtig, er applikationsgennemtrængningshastigheden stadig relativt lav. Som kerneteknologien for industriel opgradering vil laserindustrien fortsat være et centralt område for national støtte og fortsætte med at udvide anvendelsesområdet og i sidste ende fremme Kinas fremstillingsindustri til den "lette fremstillings"-æra. Fra den nuværende udviklingssituation viser udviklingen af Kinas laserindustri følgende udviklingstendenser.
(1) Halvlederlaserchip og andre kernekomponenter realiserer gradvist lokalisering
Tag fiberlaser som et eksempel, højeffekt fiberlaserpumpekilde er det vigtigste anvendelsesområde for halvlederlaser, højeffekt halvlederlaserchip og modul er en vigtig komponent i fiberlaser. I de senere år er Kinas optiske fiberlaserindustri i et hurtigt vækststadium, og graden af lokalisering stiger år for år.
Med hensyn til markedspenetration nåede markedsandelen for indenlandske lasere på markedet for laveffektfiberlaser 99,01% i 2019; på markedet for medium-power fiberlaser er penetrationshastigheden for indenlandske lasere blevet opretholdt på mere end 50% i de seneste år; lokaliseringsprocessen for højeffektfiberlasere går også gradvist frem, fra 2013 til 2019 for at opnå "fra bunden". Lokaliseringsprocessen for højeffektfiberlasere går også gradvist frem, fra 2013 til 2019, og har nået en penetrationsrate på 55,56%, og den indenlandske penetrationshastighed for højeffektfiberlasere forventes at være 57,58% i 2020.
Kernekomponenter såsom højeffekthalvlederlaserchips er dog stadig afhængige af import, og opstrømskomponenterne i lasere med halvlederlaserchips som kerne lokaliseres gradvist, hvilket på den ene side forbedrer markedsskalaen for opstrømskomponenterne i indenlandske lasere, og på den anden side, med lokaliseringen af opstrøms kernekomponenter, kan det forbedre indenlandske laserproducenters evne til at deltage i international konkurrence.
(2) Laserapplikationer trænger hurtigere og bredere ind
Med den gradvise lokalisering af opstrøms optoelektroniske kernekomponenter og det gradvise fald i omkostningerne til laserpåføring, vil lasere trænge dybere ind i mange industrier.
På den ene side, for Kina, passer laserbehandling også ind i top ti anvendelsesområder i Kinas fremstillingsindustri, og det forventes, at anvendelsesområderne for laserbehandling vil blive yderligere udvidet, og markedsskalaen vil blive yderligere udvidet i fremtiden. På den anden side, med den kontinuerlige popularisering og udvikling af teknologier såsom førerløst, avanceret assisteret kørselssystem, serviceorienteret robot, 3D-sensing osv., vil det blive mere anvendt på mange områder såsom biler, kunstig intelligens, forbrugerelektronik , ansigtsgenkendelse, optisk kommunikation og national forsvarsforskning. Som kerneenheden eller komponenten i ovennævnte laserapplikationer vil halvlederlaseren også få hurtig udviklingsplads.
(3) Højere effekt, bedre strålekvalitet, kortere bølgelængde og hurtigere frekvensretningsudvikling
Inden for industrielle lasere har fiberlasere gjort store fremskridt med hensyn til udgangseffekt, strålekvalitet og lysstyrke siden deres introduktion. Imidlertid kan højere effekt forbedre forarbejdningshastigheden, optimere forarbejdningskvaliteten og udvide forarbejdningsfeltet til fremstilling af tung industri, inden for bilfremstilling, rumfartsfremstilling, energi, maskinfremstilling, metallurgi, jernbanetransportkonstruktion, videnskabelig forskning og andre anvendelsesområder inden for skæring , svejsning, overfladebehandling osv., fiberlasereffektkravene fortsætter med at stige. De tilsvarende enhedsproducenter skal løbende forbedre ydeevnen af kerneenheder (såsom højeffekt halvlederlaserchip og forstærkningsfiber), fiberlasereffektforøgelse kræver også avanceret lasermodulationsteknologi såsom strålekombinering og effektsyntese, hvilket vil bringe nye krav og udfordringer til højeffekt halvlederlaserchipproducenter. Derudover er kortere bølgelængder, flere bølgelængder, hurtigere (ultrahurtig) laserudvikling også en vigtig retning, hovedsageligt brugt i integrerede kredsløbschips, skærme, forbrugerelektronik, rumfart og anden præcisionsmikrobehandling, såvel som biovidenskab, medicin, sansning og andre områder stillede halvlederlaserchippen også nye krav.
(4) for højeffekt laser optoelektroniske komponenter efterspørgsel efter yderligere vækst
Udviklingen og industrialiseringen af højeffektfiberlaser er resultatet af den synergistiske fremgang i industrikæden, som kræver støtte fra optoelektroniske kernekomponenter såsom pumpekilde, isolator, strålekoncentrator osv. De optoelektroniske komponenter, der bruges i højeffekt fiberlaser er grundlaget og nøglekomponenterne i dets udvikling og produktion, og det voksende marked for højeffektfiberlaser driver også markedets efterspørgsel efter kernekomponenter såsom højeffekthalvlederlaserchips. Samtidig, med den fortsatte forbedring af indenlandsk fiberlaserteknologi, er importsubstitution blevet en uundgåelig trend, lasermarkedsandelen i verden vil fortsætte med at forbedre sig, hvilket også giver store muligheder for lokal styrke hos producenter af optoelektroniske komponenter.
Posttid: Mar-07-2023
