1. Visión xeral da industria do láser
(1) Introdución ao láser
O láser (Amplificación de luz por emisión estimulada de radiación, abreviado como LÁSER) é un feixe de luz colimado, monocromático, coherente e direccional producido pola amplificación da radiación luminosa a unha frecuencia estreita mediante resonancia e radiación de retroalimentación excitada.
A tecnoloxía láser orixinouse a principios dos anos 60 e, debido á súa natureza completamente diferente da luz común, o láser foi moi utilizado en pouco tempo en varios campos e influíu profundamente no desenvolvemento e transformación da ciencia, a tecnoloxía, a economía e a sociedade.
O nacemento do láser cambiou drasticamente a cara da óptica antiga, expandindo a física óptica clásica nunha nova disciplina de alta tecnoloxía que abarca tanto a óptica clásica como a fotónica moderna, facendo unha contribución insubstituíble ao desenvolvemento da economía e da sociedade humana. A investigación da física con láser contribuíu ao florecemento de dúas grandes ramas da física fotónica moderna: a fotónica da enerxía e a fotónica da información. Abarca a óptica non lineal, a óptica cuántica, a computación cuántica, a detección e comunicación con láser, a física do plasma con láser, a química do láser, a bioloxía do láser, a medicina con láser, a espectroscopia e metroloxía con láser ultraprecisas, a física atómica con láser, incluíndo o arrefriamento con láser e a investigación da materia condensada de Bose-Einstein. , materiais funcionais con láser, fabricación con láser, fabricación de chips micro-optoelectrónicos con láser, impresión láser 3D e máis de 20 disciplinas e aplicacións tecnolóxicas de fronteira internacionais. O Departamento de Ciencia e Tecnoloxía do Láser (DSL) estableceuse nas seguintes áreas.
Na industria de fabricación de láser, o mundo entrou na era da "fabricación lixeira", segundo as estatísticas internacionais da industria do láser, o 50% do PIB anual dos Estados Unidos1 está relacionado coa rápida expansión do mercado das aplicacións de láser de alto nivel. Varios países desenvolvidos, representados por Estados Unidos, Alemaña e Xapón, completaron basicamente a substitución dos procesos tradicionais polo procesado con láser en grandes industrias de fabricación como a automoción e a aviación. O láser na fabricación industrial mostrou un gran potencial para aplicacións de fabricación de baixo custo, alta calidade, alta eficiencia e especiais que non se poden conseguir coa fabricación convencional, e converteuse nun importante motor de competencia e innovación entre os principais países industriais do mundo. Os países están apoiando activamente a tecnoloxía láser como unha das súas tecnoloxías de punta máis importantes e desenvolveron plans nacionais de desenvolvemento da industria do láser.
(2)LáserFonte Pprincipio
O láser é un dispositivo que utiliza radiación excitada para producir luz visible ou invisible, cunha estrutura complexa e altas barreiras técnicas. O sistema óptico está composto principalmente por fonte de bomba (fonte de excitación), medio de ganancia (substancia de traballo) e cavidade resonante e outros materiais de dispositivos ópticos. O medio de ganancia é a fonte de xeración de fotóns e, ao absorber a enerxía xerada pola fonte da bomba, o medio de ganancia salta do estado fundamental ao estado excitado. Dado que o estado excitado é inestable, neste momento, o medio de ganancia liberará enerxía para volver ao estado estacionario do estado fundamental. Neste proceso de liberación de enerxía, o medio de ganancia produce fotóns, e estes fotóns teñen un alto grao de consistencia en enerxía, lonxitude de onda e dirección, reflíctese constantemente na cavidade resonante óptica, movemento recíproco, para amplificarse continuamente e finalmente dispara o láser a través do reflector para formar un raio láser. Como o sistema óptico central do equipo terminal, o rendemento do láser a miúdo determina directamente a calidade e potencia do feixe de saída do equipo láser, é o compoñente principal do equipo láser terminal.
A fonte da bomba (fonte de excitación) proporciona excitación de enerxía ao medio de ganancia. O medio de ganancia está excitado para producir fotóns para xerar e amplificar o láser. A cavidade resonante é o lugar onde se regulan as características dos fotóns (frecuencia, fase e dirección de operación) para obter unha fonte de luz de saída de alta calidade controlando as oscilacións dos fotóns na cavidade. A fonte da bomba (fonte de excitación) proporciona a excitación de enerxía para o medio de ganancia. O medio de ganancia está excitado para producir fotóns para xerar e amplificar o láser. A cavidade resonante é o lugar onde se axustan as características dos fotóns (frecuencia, fase e dirección de operación) para obter unha fonte de luz de saída de alta calidade controlando as oscilacións dos fotóns na cavidade.
(3)Clasificación da fonte láser
A fonte láser pódese clasificar segundo o medio de ganancia, a lonxitude de onda de saída, o modo de operación e o modo de bombeo, como segue
① Clasificación por medio de ganancia
Segundo os diferentes medios de ganancia, os láseres pódense dividir en estado sólido (incluíndo sólido, semicondutor, fibra, híbrido), láseres líquidos, láseres de gas, etc.
| LáserFonteTipo | Gaña medios | Características principais |
| Fonte láser de estado sólido | Sólidos, Semicondutores, Fibra Óptica, Híbridos | Boa estabilidade, alta potencia, baixo custo de mantemento, axeitado para a industrialización |
| Fonte de láser líquido | Líquidos químicos | O alcance de lonxitude de onda opcional, pero de gran tamaño e alto custo de mantemento |
| Fonte de láser de gas | Gases | Fonte de luz láser de alta calidade, pero de maior tamaño e maiores custos de mantemento |
| Fonte de láser electrónico gratuíto | Feixe de electróns nun campo magnético específico | Pódese conseguir unha potencia ultra alta e unha saída láser de alta calidade, pero a tecnoloxía de fabricación e os custos de produción son moi altos |
Debido á boa estabilidade, a alta potencia e o baixo custo de mantemento, a aplicación de láseres de estado sólido aproveita a vantaxe absoluta.
Entre os láseres de estado sólido, os láseres de semicondutores teñen as vantaxes de alta eficiencia, tamaño pequeno, longa vida útil, baixo consumo de enerxía, etc. Por unha banda, pódense aplicar directamente como fonte de luz central e soporte para o procesamento con láser, médicos, etc. aplicacións de comunicación, detección, visualización, vixilancia e defensa, e convertéronse nunha base importante para o desenvolvemento da tecnoloxía láser moderna cunha importancia estratéxica para o desenvolvemento.
Por outra banda, os láseres semicondutores tamén se poden usar como fonte de luz de bombeo central para outros láseres, como láseres de estado sólido e láseres de fibra, promovendo moito o progreso tecnolóxico de todo o campo do láser. Todos os principais países desenvolvidos do mundo incluírono nos seus plans de desenvolvemento nacionais, dándolle un forte apoio e conseguindo un desenvolvemento rápido.
② Segundo o método de bombeo
Os láseres pódense dividir en láseres bombeados eléctricamente, bombeados ópticamente, bombeados químicamente, etc. segundo o método de bombeo.
Os láseres bombeados eléctricamente refírense a láseres excitados pola corrente, os láseres de gas son excitados na súa maioría pola descarga de gas, mentres que os láseres semicondutores son excitados principalmente pola inxección de corrente.
Case todos os láseres de estado sólido e líquido son láseres de bomba óptica, e os láseres de semicondutores utilízanse como fonte de bombeo central para láseres de bomba óptica.
Os láseres bombeados químicamente refírese a láseres que utilizan a enerxía liberada das reaccións químicas para excitar o material de traballo.
③Clasificación por modo de operación
Os láseres pódense dividir en láseres continuos e láseres pulsados segundo o seu modo de funcionamento.
Os láseres continuos teñen unha distribución estable do número de partículas en cada nivel de enerxía e do campo de radiación na cavidade, e o seu funcionamento caracterízase pola excitación do material de traballo e a saída do láser correspondente de forma continua durante un longo período de tempo. . Os láseres continuos poden emitir luz láser continuamente durante un período de tempo máis longo, pero o efecto térmico é máis evidente.
Os láseres pulsados refírese á duración do tempo cando a potencia do láser se mantén nun determinado valor e emiten luz láser de forma descontinua, coas principais características de pequeno efecto térmico e boa controlabilidade.
④ Clasificación pola lonxitude de onda de saída
Os láseres pódense clasificar segundo a lonxitude de onda en láseres infravermellos, láseres visibles, láseres ultravioleta, láseres ultravioleta profundo, etc. O rango de lonxitudes de onda da luz que pode ser absorbida por diferentes materiais estruturados é diferente, polo que son necesarios láseres de diferentes lonxitudes de onda para o procesamento fino de diferentes materiais ou para diferentes escenarios de aplicación.Os láseres infravermellos e UV son os dous láseres máis utilizados. Os láseres infravermellos utilízanse principalmente no "procesamento térmico", onde o material da superficie do material é quentado e vaporizado (evaporado) para eliminar o material; no procesamento de material non metálico de película fina, corte de obleas de semicondutores, corte de vidro orgánico, perforación, marcado e outros campos, alta enerxía No campo do procesamento de materiais non metálicos de película fina, corte de obleas de semicondutores, corte de vidro orgánico, perforación, marcado, etc., os fotóns UV de alta enerxía rompen directamente os enlaces moleculares na superficie dos materiais non metálicos, polo que as moléculas poden separarse do obxecto, e este método non produce unha reacción de alta calor, polo que adoita chamarse "frío". procesamento".
Debido á alta enerxía dos fotóns UV, é difícil xerar un láser UV continuo de alta potencia mediante unha fonte de excitación externa, polo que o láser UV xeralmente xérase pola aplicación de método de conversión de frecuencia de efecto non lineal de material de cristal, polo que a corrente amplamente usada. campo industrial dos láseres UV son principalmente láseres UV de estado sólido.
(4) Cadea da industria
A parte superior da cadea industrial é o uso de materias primas semicondutores, equipos de alta gama e accesorios de produción relacionados para fabricar núcleos láser e dispositivos optoelectrónicos, que é a pedra angular da industria do láser e ten un alto limiar de acceso. A metade da cadea industrial é o uso de chips de láser e dispositivos optoelectrónicos, módulos, compoñentes ópticos, etc. como fontes de bombeo para a fabricación e venda de varios láseres, incluíndo láseres de semicondutores directos, láseres de dióxido de carbono, láseres de estado sólido, láseres de fibra, etc.; a industria posterior refírese principalmente ás áreas de aplicación de varios láseres, incluíndo equipos de procesamento industrial, LIDAR, comunicacións ópticas, beleza médica e outras industrias de aplicación.
①Provedores upstream
As materias primas para produtos upstream, como chips láser de semicondutores, dispositivos e módulos son principalmente diversos materiais de chip, materiais de fibra e pezas mecanizadas, incluíndo substratos, disipadores de calor, produtos químicos e conxuntos de carcasa. O procesamento de chips require alta calidade e rendemento das materias primas ascendentes, principalmente de provedores estranxeiros, pero o grao de localización está aumentando gradualmente e consegue un control independente. O rendemento das principais materias primas ascendentes ten un impacto directo na calidade dos chips láser de semicondutores, coa mellora continua do rendemento de varios materiais de chip, para mellorar o rendemento dos produtos da industria desempeñar un papel positivo na promoción.
②Cadea da industria midstream
O chip láser de semicondutores é a fonte de luz da bomba central de varios tipos de láseres no medio da cadea industrial e xoga un papel positivo na promoción do desenvolvemento de láseres de corrente media. No campo dos láseres de corrente media, dominan os Estados Unidos, Alemaña e outras empresas no exterior, pero despois do rápido desenvolvemento da industria do láser doméstica nos últimos anos, o mercado intermedio da cadea industrial conseguiu unha rápida substitución doméstica.
③Cadea industrial augas abaixo
A industria posterior ten un papel máis importante na promoción do desenvolvemento da industria, polo que o desenvolvemento da industria posterior afectará directamente ao espazo de mercado da industria. O crecemento continuo da economía chinesa e a aparición de oportunidades estratéxicas para a transformación económica crearon mellores condicións de desenvolvemento para o desenvolvemento desta industria. China está a pasar dun país fabricante a unha potencia de fabricación, e os láseres e os equipos láser posteriores son unha das claves para mellorar a industria de fabricación, que proporciona un bo ambiente de demanda para a mellora a longo prazo desta industria. Os requisitos da industria posterior para o índice de rendemento dos chips láser de semicondutores e os seus dispositivos están aumentando, e as empresas nacionais están entrando gradualmente no mercado de láser de alta potencia desde o mercado de láser de baixa potencia, polo que a industria debe aumentar continuamente o investimento no campo da investigación tecnolóxica. e desenvolvemento e innovación independente.
2. estado de desenvolvemento da industria láser de semicondutores
Os láseres semicondutores teñen a mellor eficiencia de conversión de enerxía entre todos os tipos de láseres, por unha banda, poden usarse como fonte de bomba principal de láseres de fibra óptica, láseres de estado sólido e outros láseres de bomba óptica. Por outra banda, co avance continuo da tecnoloxía láser de semicondutores en termos de eficiencia energética, brillo, vida útil, lonxitude de onda múltiple, taxa de modulación, etc., os láseres de semicondutores son amplamente utilizados no procesamento de materiais, médicos, comunicacións ópticas, detección óptica, defensa, etc. Segundo Laser Focus World, os ingresos globais totais dos láseres de díodo, é dicir, láseres semicondutores e láseres sen díodo, estímase en 18.480 millóns de dólares en 2021, sendo os láseres semicondutores o 43 % dos ingresos totais.
Segundo Laser Focus World, o mercado global de láser de semicondutores será de 6.724 millóns de dólares en 2020, un 14,20% máis que o ano anterior. Co desenvolvemento da intelixencia global, a crecente demanda de láseres en dispositivos intelixentes, produtos electrónicos de consumo, novas enerxías e outros campos, así como a continua expansión dos equipos médicos, de beleza e outras aplicacións emerxentes, os láseres semicondutores poden usarse como fonte de bomba. para láseres de bomba óptica, e o seu tamaño de mercado seguirá mantendo un crecemento estable. Tamaño do mercado global de láser de semicondutores 2021 de 7.946 millóns de dólares, a taxa de crecemento do mercado do 18,18%.
A través dos esforzos conxuntos de expertos técnicos e empresas e profesionais, a industria de láser de semicondutores de China logrou un desenvolvemento extraordinario, polo que a industria de láser de semicondutores de China experimentou o proceso desde cero e o inicio do prototipo da industria de láser de semicondutores de China. Nos últimos anos, China aumentou o desenvolvemento da industria do láser e varias rexións dedicáronse á investigación científica, á mellora da tecnoloxía, ao desenvolvemento do mercado e á construción de parques industriais con láser baixo o liderado do goberno e a cooperación de empresas de láser.
3. Tendencia de desenvolvemento futuro da industria do láser de China
En comparación cos países desenvolvidos de Europa e Estados Unidos, a tecnoloxía láser de China non chega tarde, pero na aplicación da tecnoloxía láser e a tecnoloxía básica de gama alta aínda hai unha brecha considerable, especialmente o chip láser de semicondutores ascendentes e outros compoñentes principais aínda están dependente das importacións.
Os países desenvolvidos representados por Estados Unidos, Alemaña e Xapón completaron basicamente a substitución da tecnoloxía de fabricación tradicional nalgúns grandes campos industriais e entraron na era da "fabricación lixeira"; aínda que o desenvolvemento de aplicacións de láser en China é rápido, pero a taxa de penetración da aplicación aínda é relativamente baixa. Como tecnoloxía central da actualización industrial, a industria do láser seguirá sendo unha área clave de apoio nacional, seguirá ampliando o ámbito de aplicación e, finalmente, promoverá a industria manufacturera de China á era da "fabricación lixeira". A partir da situación de desenvolvemento actual, o desenvolvemento da industria do láser de China mostra as seguintes tendencias de desenvolvemento.
(1) O chip láser de semicondutores e outros compoñentes básicos realizan gradualmente a localización
Tome o láser de fibra como exemplo, a fonte de bomba de láser de fibra de alta potencia é a principal área de aplicación do láser de semicondutores, o chip láser de semicondutores de alta potencia e o módulo é un compoñente importante do láser de fibra. Nos últimos anos, a industria de láser de fibra óptica de China está nunha fase de rápido crecemento e o grao de localización está aumentando ano tras ano.
En termos de penetración no mercado, no mercado de láseres de fibra de baixa potencia, a cota de mercado dos láseres nacionais alcanzou o 99,01% en 2019; no mercado de láseres de fibra de media potencia, a taxa de penetración dos láseres domésticos mantívose en máis do 50% nos últimos anos; o proceso de localización de láseres de fibra de alta potencia tamén avanza gradualmente, de 2013 a 2019 para lograr "desde cero". O proceso de localización dos láseres de fibra de alta potencia tamén está avanzando gradualmente, de 2013 a 2019, e alcanzou unha taxa de penetración do 55,56 %, e espérase que a taxa de penetración doméstica dos láseres de fibra de alta potencia sexa do 57,58 % en 2020.
Non obstante, os compoñentes básicos, como os chips de láser de semicondutores de alta potencia aínda dependen das importacións, e os compoñentes anteriores dos láseres con chips de láser de semicondutores están a ser localizados gradualmente, o que, por unha banda, mellora a escala do mercado dos compoñentes anteriores de láseres domésticos, e, por outra banda, coa localización dos compoñentes principais de augas arriba, pode mellorar a capacidade dos fabricantes de láser nacionais para participar na competición internacional.
(2) As aplicacións de láser penetran máis rápido e máis amplamente
Coa localización gradual dos compoñentes optoelectrónicos principais e a diminución gradual dos custos de aplicación do láser, os láseres penetrarán máis profundamente en moitas industrias.
Por unha banda, para China, o procesamento con láser tamén encaixa nas dez principais áreas de aplicación da industria de fabricación de China, e espérase que as áreas de aplicación do procesamento con láser se amplíen aínda máis e a escala do mercado se expanda aínda máis no futuro. Por outra banda, coa continua popularización e desenvolvemento de tecnoloxías como o sistema de condución asistida sen condutor, o robot orientado a servizos, a detección 3D, etc., aplicarase máis en moitos campos como o automóbil, a intelixencia artificial, a electrónica de consumo. , recoñecemento facial, comunicación óptica e investigación de defensa nacional. Como dispositivo principal ou compoñente das aplicacións de láser anteriores, o láser de semicondutores tamén gañará espazo de desenvolvemento rápido.
(3) Maior potencia, mellor calidade do feixe, lonxitude de onda máis curta e desenvolvemento de dirección de frecuencia máis rápido
No campo dos láseres industriais, os láseres de fibra fixeron grandes avances en canto a potencia de saída, calidade do feixe e brillo dende a súa introdución. Non obstante, unha maior potencia pode mellorar a velocidade de procesamento, optimizar a calidade do procesamento e ampliar o campo de procesamento á industria de fabricación pesada, na fabricación de automóbiles, fabricación aeroespacial, enerxía, fabricación de maquinaria, metalurxia, construción de transporte ferroviario, investigación científica e outros campos de aplicación no corte. , soldadura, tratamento de superficies, etc., os requisitos de enerxía do láser de fibra seguen aumentando. Os fabricantes de dispositivos correspondentes deben mellorar continuamente o rendemento dos dispositivos principais (como o chip láser de semicondutores de alta potencia e a fibra de ganancia), o aumento da potencia do láser de fibra tamén require tecnoloxía avanzada de modulación láser, como a combinación de feixe e a síntese de enerxía, que traerá novos requisitos. e desafíos para os fabricantes de chips láser de semicondutores de alta potencia. Ademais, lonxitudes de onda máis curtas, máis lonxitudes de onda, o desenvolvemento de láser máis rápido (ultrarrápido) tamén é unha dirección importante, usado principalmente en chips de circuítos integrados, pantallas, electrónica de consumo, aeroespacial e outros microprocesamentos de precisión, así como ciencias da vida, medicina, detección e outros. campos, o chip láser de semicondutores tamén presentou novos requisitos.
(4) para a demanda de compoñentes optoelectrónicos láser de alta potencia para un maior crecemento
O desenvolvemento e industrialización do láser de fibra de alta potencia é o resultado do progreso sinérxico da cadea industrial, que require o apoio de compoñentes optoelectrónicos básicos como fonte de bomba, illante, concentrador de feixe, etc. Os compoñentes optoelectrónicos utilizados en alta potencia O láser de fibra é a base e os compoñentes clave do seu desenvolvemento e produción, e o mercado en expansión do láser de fibra de alta potencia tamén impulsa a demanda do mercado de compoñentes básicos, como chips láser de semicondutores de alta potencia. Ao mesmo tempo, coa mellora continua da tecnoloxía do láser de fibra doméstica, a substitución de importacións converteuse nunha tendencia inevitable, a cota de mercado do láser no mundo seguirá mellorando, o que tamén ofrece grandes oportunidades para a forza local dos fabricantes de compoñentes optoelectrónicos.
Hora de publicación: Mar-07-2023
