1. Oversigt over laserindustrien
(1) Laserintroduktion
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, forkortet LASER) er en kollimeret, monokromatisk, kohærent, retningsbestemt lysstråle, der produceres ved forstærkning af lysstråling ved en smal frekvens gennem exciteret feedbackresonans og stråling.
Laserteknologi opstod i begyndelsen af 1960'erne, og på grund af sin helt anderledes natur end almindeligt lys, blev laser hurtigt udbredt inden for forskellige områder og havde en dybtgående indflydelse på udviklingen og transformationen af videnskab, teknologi, økonomi og samfund.
Laserens fødsel har dramatisk ændret den gamle optiks ansigt og udvidet klassisk optisk fysik til en ny højteknologisk disciplin, der omfatter både klassisk optik og moderne fotonik og yder et uerstatteligt bidrag til udviklingen af den menneskelige økonomi og samfund. Forskning i laserfysik har bidraget til opblomstringen af to hovedgrene inden for moderne fotonisk fysik: energifotonik og informationsfotonik. Den dækker ikke-lineær optik, kvanteoptik, kvanteberegning, laserregistrering og kommunikation, laserplasmafysik, laserkemi, laserbiologi, lasermedicin, ultrapræcis laserspektroskopi og metrologi, laseratomfysik, herunder laserkøling og Bose-Einstein-forskning i kondenseret stof, laserfunktionelle materialer, laserfremstilling, fremstilling af lasermikrooptoelektroniske chip, laser 3D-printning og mere end 20 internationale frontlinjediscipliner og teknologiske anvendelser. Institut for Laservidenskab og Teknologi (DSL) er etableret inden for følgende områder.
Inden for laserfremstillingsindustrien er verden trådt ind i en æra med "let fremstilling". Ifølge international statistik for laserindustrien er 50 % af USA's årlige BNP1 relateret til den hurtige markedsudvidelse af højniveaulaserapplikationer. Flere udviklede lande, repræsenteret af USA, Tyskland og Japan, har stort set afsluttet udskiftningen af traditionelle processer med laserbehandling i store fremstillingsindustrier såsom bilindustrien og luftfarten. Laser i industriel fremstilling har vist et stort potentiale for billige, højkvalitets, højeffektive og specielle fremstillingsapplikationer, der ikke kan opnås ved konventionel fremstilling, og er blevet en vigtig drivkraft for konkurrence og innovation blandt verdens største industrilande. Landene støtter aktivt laserteknologi som en af deres vigtigste banebrydende teknologier og har udviklet nationale udviklingsplaner for laserindustrien.
(2)LaserKilde Pprincip
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 består hovedsageligt af pumpekilde (excitationskilde), forstærkningsmedium (arbejdsstof) og resonanskavitet samt andre materialer i den optiske enhed. Forstærkningsmediet er kilden til fotongenerering, og ved at absorbere den energi, der genereres af pumpekilden, springer 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 grundtilstandens stabile tilstand. I denne proces med energifrigivelse producerer forstærkningsmediet fotoner, og disse fotoner har en høj grad af konsistens i energi, bølgelængde og retning. De reflekteres konstant i det optiske resonanskavitet, bevæger sig frem og tilbage, så de kontinuerligt forstærkes og til sidst udsendes laseren gennem reflektoren for at danne en laserstråle. Som det centrale optiske system i terminaludstyret bestemmer laserens ydeevne ofte direkte kvaliteten og effekten af laserudstyrets udgangsstråle og er kernekomponenten i terminallaserudstyret.
Pumpekilden (excitationskilden) forsyner forstærkningsmediet med energi. Forstærkningsmediet exciteres for at producere fotoner, der genererer og forstærker laseren. Resonanskaviteten er det sted, hvor fotonkarakteristikaene (frekvens, fase og driftsretning) reguleres for at opnå en lyskilde af høj kvalitet ved at kontrollere fotonoscillationerne i hulrummet. Pumpekilden (excitationskilden) forsyner forstærkningsmediet med energi. Forstærkningsmediet exciteres for at producere fotoner, der genererer og forstærker laseren. Resonanskaviteten er det sted, hvor fotonkarakteristikaene (frekvens, fase og driftsretning) justeres for at opnå en lyskilde af høj kvalitet ved at kontrollere fotonoscillationerne i hulrummet.
(3)Klassificering af laserkilde
Laserkilden kan klassificeres efter forstærkningsmedium, udgangsbølgelængde, driftstilstand og pumpetilstand som følger.
① Klassificering efter forstærkningsmedium
I henhold til de forskellige forstærkningsmedier kan lasere opdeles i faststoflasere (inklusive faststoflasere, halvlederlasere, fiberlasere, hybridlasere), flydende lasere, gaslasere osv.
| LaserKildeType | Gain Media | Hovedfunktioner |
| Faststoflaserkilde | Faste stoffer, halvledere, fiberoptik, hybrid | God stabilitet, høj effekt, lave vedligeholdelsesomkostninger, egnet til industrialisering |
| Flydende laserkilde | Kemiske væsker | Valgfrit bølgelængdeområde ramt, men stor størrelse og høje vedligeholdelsesomkostninger |
| Gaslaserkilde | Gasser | Højkvalitets laserlyskilde, men større størrelse og højere vedligeholdelsesomkostninger |
| Fri elektronlaserkilde | Elektronstråle i et specifikt magnetfelt | Ultrahøj effekt og laseroutput af høj kvalitet kan opnås, men fremstillingsteknologien og produktionsomkostningerne er meget høje. |
På grund af den gode stabilitet, høje effekt og lave vedligeholdelsesomkostninger drager anvendelsen af faststoflasere absolut fordel.
Blandt faststoflasere har halvlederlasere fordelene ved høj effektivitet, lille størrelse, lang levetid, lavt energiforbrug osv. På den ene side kan de anvendes direkte som den centrale lyskilde og understøttelse af laserbehandling, medicinsk, kommunikation, sensor-, display-, overvågnings- 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 den centrale pumpelyskilde for andre lasere såsom faststoflasere og fiberlasere, hvilket i høj grad fremmer den teknologiske udvikling inden for hele laserfeltet. Alle større udviklede lande i verden har inkluderet det i deres nationale udviklingsplaner, hvilket giver stærk støtte og oplever hurtig udvikling.
② I henhold til pumpemetoden
Lasere kan opdeles i elektrisk pumpede, optisk pumpede, kemisk pumpede lasere osv. i henhold til pumpemetoden.
Elektrisk pumpede lasere refererer til lasere, der exciteres 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 den centrale pumpekilde til 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 driftstilstand.
Kontinuerlige lasere har en stabil fordeling af antallet af partikler på hvert energiniveau og strålingsfeltet i hulrummet, og deres drift er karakteriseret ved excitation af arbejdsmaterialet og den tilsvarende laserudgang på en kontinuerlig måde over en lang periode. Kontinuerlige lasere kan udsende laserlys kontinuerligt i en længere periode, men den termiske effekt er mere tydelig.
Pulserende lasere refererer til den tidsvarighed, hvor lasereffekten opretholdes på en bestemt værdi og udsender laserlys diskontinuerligt med de vigtigste egenskaber ved 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 osv. Bølgelængdeområdet for lys, der kan absorberes af forskellige strukturerede materialer, er forskelligt, så lasere med forskellige bølgelængder er nødvendige til finbearbejdning af forskellige materialer eller til forskellige anvendelsesscenarier.Infrarøde lasere og UV-lasere er de to mest anvendte lasere. Infrarøde lasere anvendes hovedsageligt i "termisk behandling", hvor materialet på materialets overflade opvarmes og fordampes (fordampes) for at fjerne materialet. I behandling af tyndfilmsmaterialer, skæring af halvlederwafers, skæring af organisk glas, boring, mærkning og andre områder bryder højenergi-UV-fotoner direkte de molekylære bindinger på overfladen af ikke-metalliske materialer, så molekylerne kan adskilles fra objektet. Denne metode producerer ikke en høj varmereaktion, så den kaldes normalt "koldbehandling".
På grund af UV-fotonernes høje energi er det vanskeligt at generere en bestemt højeffekt kontinuerlig UV-laser ved hjælp af en ekstern excitationskilde, så UV-lasere genereres generelt ved anvendelse af ikke-lineær effektfrekvenskonverteringsmetode med krystalmateriale. Derfor er det nuværende, udbredte industrielle felt for UV-lasere primært faststof-UV-lasere.
(4) Industrikæde
Opstrøms i industrikæden er brugen af halvlederråmaterialer, avanceret udstyr og relateret produktionstilbehør til fremstilling af laserkerner og optoelektroniske enheder, hvilket er hjørnestenen i laserindustrien og har en høj adgangstærskel. Midtstrøms 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, faststoflasere, fiberlasere osv.; nedstrømsindustrien refererer primært til anvendelsesområder for forskellige lasere, herunder industrielt procesudstyr, LIDAR, optisk kommunikation, medicinsk skønhed og andre applikationsindustrier.
①Upstream-leverandører
Råmaterialerne til upstream-produkter såsom halvlederlaserchips, enheder og moduler er hovedsageligt forskellige chipmaterialer, fibermaterialer og maskinbearbejdede dele, herunder substrater, køleplader, kemikalier og hussæt. Chipforarbejdning kræver upstream-råmaterialer af høj kvalitet og ydeevne, primært fra udenlandske leverandører, men graden af lokalisering stiger gradvist, og der opnås gradvist uafhængig kontrol. Ydeevnen af de vigtigste upstream-råmaterialer har en direkte indflydelse på kvaliteten af halvlederlaserchips, og med den løbende forbedring af ydeevnen af forskellige chipmaterialer spiller forbedringen af ydeevnen af industriens produkter en positiv rolle i at fremme.
②Midstream-industrikæde
Halvlederlaserchip er den centrale pumpelyskilde for forskellige typer lasere i mellemstrømskæden og spiller en positiv rolle i at fremme udviklingen af mellemstrømslasere. Inden for mellemstrømslasere dominerer USA, Tyskland og andre udenlandske virksomheder, men efter den hurtige udvikling af den indenlandske laserindustri i de senere år har mellemstrømsmarkedet i industrikæden opnået hurtig indenlandsk substitution.
③Industriel kæde nedstrøms
Downstream-industrien spiller en større rolle i at fremme industriens udvikling, så udviklingen af downstream-industrien vil direkte påvirke industriens markedsplads. Den fortsatte vækst i Kinas økonomi og fremkomsten af strategiske muligheder for økonomisk transformation har skabt bedre udviklingsbetingelser for denne industris udvikling. Kina bevæger sig fra at være et produktionsland til et produktionskraftværk, 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. Downstream-industriens krav til ydeevneindekset for halvlederlaserchips og deres enheder stiger, og indenlandske virksomheder træder gradvist ind på markedet for højeffektlasere fra markedet for laveffektlasere, så industrien skal løbende øge investeringerne inden for teknologisk forskning og udvikling samt uafhængig innovation.
2. Udviklingsstatus for halvlederlaserindustrien
Halvlederlasere har den bedste energiomdannelseseffektivitet blandt alle slags lasere. På den ene side kan de bruges som den primære pumpekilde for optiske fiberlasere, faststoflasere og andre optiske pumpelasere. På den anden side, med det kontinuerlige gennembrud inden for halvlederlaserteknologi med hensyn til effektivitet, lysstyrke, levetid, multibølgelængde, modulationshastighed osv., anvendes halvlederlasere i vid udstrækning inden for materialeforarbejdning, medicin, optisk kommunikation, optisk sensorik, forsvar osv. Ifølge Laser Focus World anslås den samlede globale omsætning af diodelasere, dvs. halvlederlasere og ikke-diodelasere, at være 18.480 millioner dollars i 2021, hvor halvlederlasere tegner sig for 43% af den samlede omsætning.
Ifølge Laser Focus World vil det globale marked for halvlederlasere være på 6.724 millioner dollars i 2020, en stigning på 14,20 % i forhold til året før. Med udviklingen af global intelligens, den stigende efterspørgsel efter lasere inden for smarte enheder, forbrugerelektronik, ny energi og andre områder, samt den fortsatte udvidelse af medicinsk udstyr, skønhedsudstyr og andre nye applikationer, kan halvlederlasere bruges som pumpekilde til optiske pumpelasere, og deres markedsstørrelse vil fortsat opretholde en stabil vækst. Det globale marked for halvlederlasere i 2021 var på 7,946 milliarder dollars, en markedsvækst på 18,18 %.
Gennem en fælles indsats fra tekniske eksperter, 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 senere år har Kina øget udviklingen af laserindustrien, og forskellige regioner har været dedikeret til videnskabelig forskning, teknologisk forbedring, markedsudvikling og opførelse af laserindustriparker under ledelse af regeringen og i samarbejde med laservirksomheder.
3. Fremtidig udviklingstendens for Kinas laserindustri
Sammenlignet med udviklede lande i Europa og USA er Kinas laserteknologi ikke forsinket, men der er stadig et betydeligt hul i anvendelsen af laserteknologi og avanceret kerneteknologi, især den upstream halvlederlaserchip og andre kernekomponenter er stadig afhængige af import.
De udviklede lande repræsenteret af USA, Tyskland og Japan har stort set afsluttet udskiftningen af traditionel fremstillingsteknologi inden for nogle store industriområder og er trådt ind i æraen med "let fremstilling". Selvom udviklingen af laserapplikationer i Kina er hurtig, er applikationspenetrationsraten stadig relativt lav. Som kerneteknologi i 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 æraen med "let fremstilling". Ud fra den nuværende udviklingssituation viser udviklingen af Kinas laserindustri følgende udviklingstendenser.
(1) Halvlederlaserchip og andre kernekomponenter realiserer gradvist lokalisering
Tag fiberlaser som eksempel. Højeffektsfiberlaserpumper er det primære anvendelsesområde for halvlederlasere. Højeffektshalvlederlaserchips og -moduler er en vigtig komponent i fiberlasere. I de senere år er Kinas optiske fiberlaserindustri i en hurtig vækstfase, og graden af lokalisering stiger år for år.
Med hensyn til markedsindtrængning nåede markedsandelen for indenlandske lasere 99,01 % i 2019 på markedet for fiberlasere med lav effekt. På markedet for fiberlasere med mellem effekt er indtrængningsraten for indenlandske lasere blevet opretholdt på mere end 50 % i de senere år. Lokaliseringsprocessen for fiberlasere med høj effekt skrider også gradvist frem, fra 2013 til 2019 for at opnå "fra bunden". Lokaliseringsprocessen for fiberlasere med høj effekt skrider også gradvist frem, fra 2013 til 2019, og har nået en indtrængningsrate på 55,56 %, og den indenlandske indtrængningsrate for fiberlasere med høj effekt forventes at være 57,58 % i 2020.
Kernekomponenter såsom højtydende halvlederlaserchips er dog stadig afhængige af import, og upstream-komponenterne i lasere med halvlederlaserchips som kerne lokaliseres gradvist, hvilket på den ene side forbedrer markedsskalaen for upstream-komponenterne i indenlandske lasere, og på den anden side kan det med lokaliseringen af upstream-kernekomponenterne forbedre indenlandske laserproducenters evne til at deltage i den internationale konkurrence.
(2) Laserapplikationer trænger hurtigere og bredere ind
Med den gradvise lokalisering af optiske kernekomponenter i den førende segment og det gradvise fald i omkostningerne til laserapplikationer, vil lasere trænge dybere ind i mange industrier.
På den ene side passer laserbehandling også ind i Kinas top ti anvendelsesområder inden for 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 vil den med den fortsatte popularisering og udvikling af teknologier som førerløs teknologi, avancerede assisteret kørsel, serviceorienteret robotteknologi, 3D-sensorteknologi osv. blive mere anvendt inden for mange områder som biler, kunstig intelligens, forbrugerelektronik, ansigtsgenkendelse, optisk kommunikation og national forsvarsforskning. Som kernekomponent eller komponent i ovennævnte laserapplikationer vil halvlederlaseren også få hurtig udviklingsplads.
(3) Højere effekt, bedre strålekvalitet, kortere bølgelængde og hurtigere udvikling af frekvensretning
Inden for industrielle lasere har fiberlasere gjort store fremskridt med hensyn til udgangseffekt, strålekvalitet og lysstyrke siden deres introduktion. Højere effekt kan dog forbedre behandlingshastigheden, optimere behandlingskvaliteten og udvide behandlingsområdet til tungindustrien. Inden for bilproduktion, luftfartsproduktion, energi, maskinproduktion, metallurgi, jernbanetransportkonstruktion, videnskabelig forskning og andre anvendelsesområder inden for skæring, svejsning, overfladebehandling osv. fortsætter fiberlaserens effektkrav med at stige. De tilsvarende enhedsproducenter skal løbende forbedre ydeevnen af kerneenheder (såsom højtydende halvlederlaserchips og forstærkningsfibre). Forøgelse af fiberlaserens effekt kræver også avanceret lasermodulationsteknologi såsom strålekombinering og effektsyntese, hvilket vil medføre nye krav og udfordringer for producenter af højtydende halvlederlaserchips. Derudover er kortere bølgelængder, flere bølgelængder og hurtigere (ultrahurtig) laserudvikling også en vigtig retning, der hovedsageligt anvendes i integrerede kredsløbschips, displays, forbrugerelektronik, luftfart og anden præcisionsmikroprocessering, samt biovidenskab, medicin, sensorer og andre områder. Halvlederlaserchips stiller også nye krav.
(4) efterspørgslen efter yderligere vækst i højtydende laseroptoelektroniske komponenter
Udviklingen og industrialiseringen af højtydende fiberlasere er resultatet af den synergistiske udvikling i industrikæden, som kræver støtte fra centrale optoelektroniske komponenter såsom pumpekilde, isolator, strålekoncentrator osv. De optoelektroniske komponenter, der anvendes i højtydende fiberlasere, er grundlaget og nøglekomponenterne i dens udvikling og produktion, og det voksende marked for højtydende fiberlasere driver også markedets efterspørgsel efter kernekomponenter såsom højtydende halvlederlaserchips. Samtidig er importsubstitution blevet en uundgåelig tendens med den løbende forbedring af den indenlandske fiberlaserteknologi, og laserens markedsandel på verdensplan vil fortsætte med at forbedres, hvilket også bringer store muligheder for lokal styrke for producenter af optoelektroniske komponenter.
Opslagstidspunkt: 7. marts 2023
