1. Visión xeral da industria láser
(1) Introdución ao láser
Un láser (abreviado como LÁSER, polas súas siglas en inglés) é un feixe de luz colimado, monocromático, coherente e direccional producido pola amplificación da radiación luminosa a unha frecuencia estreita mediante resonancia de retroalimentación excitada e radiación.
A tecnoloxía láser orixinouse a principios da década de 1960 e, debido á súa natureza completamente diferente da luz ordinaria, o láser axiña se empregou amplamente en diversos campos e influíu profundamente no desenvolvemento e a transformación da ciencia, a tecnoloxía, a economía e a sociedade.
O nacemento do láser cambiou drasticamente a face da óptica antiga, expandindo a física óptica clásica a unha nova disciplina de alta tecnoloxía que abarca tanto a óptica clásica como a fotónica moderna, facendo unha contribución irremplazable ao desenvolvemento da economía e a sociedade humanas. A investigación da física do láser contribuíu ao florecemento de dúas ramas principais da física fotónica moderna: a fotónica enerxética e a fotónica da información. Abarca a óptica non lineal, a óptica cuántica, a computación cuántica, a detección e comunicación láser, a física do plasma láser, a química do láser, a bioloxía láser, a medicina láser, a espectroscopia e metroloxía láser ultraprecisas, a física atómica láser, incluíndo o arrefriamento láser e a investigación da materia condensada de Bose-Einstein, os materiais funcionais láser, a fabricación láser, a fabricación de chips microoptoelectrónicos láser, a impresión 3D láser e máis de 20 disciplinas e aplicacións tecnolóxicas internacionais de vangarda. O Departamento de Ciencia e Tecnoloxía Láser (DSL) foi establecido nas seguintes áreas.
Na industria da fabricación de láseres, o mundo entrou na era da "fabricación lixeira". Segundo as estatísticas internacionais da industria láser, o 50 % do PIB anual dos Estados Unidos1 está relacionado coa rápida expansión do mercado das aplicacións láser de alto nivel. Varios países desenvolvidos, representados polos Estados Unidos, Alemaña e Xapón, completaron basicamente a substitución dos procesos tradicionais polo procesamento láser nas principais industrias manufactureiras, como a automoción e a aviación. O láser na fabricación industrial demostrou un gran potencial para aplicacións de fabricación especiais, de baixo custo, alta calidade e alta eficiencia, que non se poden conseguir coa fabricación convencional, e converteuse nun importante motor da competencia e a innovación entre os principais países industriais do mundo. Os países están a apoiar activamente a tecnoloxía láser como unha das súas tecnoloxías de vangarda máis importantes e desenvolveron plans nacionais de desenvolvemento da industria láser.
(2)LáserFonte Pprincipio
O láser é un dispositivo que usa radiación excitada para producir luz visible ou invisible, cunha estrutura complexa e altas barreiras técnicas. O sistema óptico está composto principalmente por unha fonte de bombeo (fonte de excitación), un medio de ganancia (substancia de traballo) e unha cavidade resonante e outros materiais do dispositivo óptico. O medio de ganancia é a fonte de xeración de fotóns e, ao absorber a enerxía xerada pola fonte de bombeo, 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, reflíctense constantemente na cavidade resonante óptica, movemento recíproco, para amplificar continuamente e finalmente disparar o láser a través do reflector para formar un feixe láser. Como sistema óptico central do equipo terminal, o rendemento do láser adoita determinar directamente a calidade e a potencia do feixe de saída do equipo láser, é o compoñente central do equipo láser terminal.
A fonte de bombeo (fonte de excitación) proporciona excitación de enerxía ao medio de ganancia. O medio de ganancia excítase 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 funcionamento) para obter unha fonte de luz de saída de alta calidade controlando as oscilacións dos fotóns na cavidade. A fonte de bombeo (fonte de excitación) proporciona a excitación de enerxía para o medio de ganancia. O medio de ganancia excítase 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 funcionamento) 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 funcionamento e o modo de bombeo, do seguinte xeito:
① Clasificación por medio de ganancia
Segundo os diferentes medios de ganancia, os láseres pódense dividir en láseres de estado sólido (incluíndo láseres sólidos, semicondutores, de fibra, híbridos), láseres líquidos, láseres de gas, etc.
| LáserOrixeTipo | Gañar medios | Características principais |
| Fonte láser de estado sólido | Sólidos, Semicondutores, Fibra Óptica, Híbrido | Boa estabilidade, alta potencia, baixo custo de mantemento, axeitado para a industrialización |
| Fonte de láser líquido | líquidos químicos | Rango de lonxitudes de onda opcional alcanzado, pero de gran tamaño e alto custo de mantemento |
| Fonte láser de gas | Gases | Fonte de luz láser de alta calidade, pero de maior tamaño e maiores custos de mantemento |
| Fonte láser de electróns libres | 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 elevados. |
Debido á boa estabilidade, alta potencia e baixo custo de mantemento, a aplicación de láseres de estado sólido ten unha vantaxe absoluta.
Entre os láseres de estado sólido, os láseres semicondutores teñen as vantaxes de alta eficiencia, pequeno tamaño, longa vida útil, baixo consumo de enerxía, etc. Por unha banda, pódense aplicar directamente como fonte de luz principal e soporte para aplicacións de procesamento láser, médicas, de comunicación, detección, visualización, monitorización e defensa, e convertéronse nunha base importante para o desenvolvemento da tecnoloxía láser moderna con importancia para o desenvolvemento estratéxico.
Por outra banda, os láseres semicondutores tamén se poden empregar como fonte de luz de bombeo central para outros láseres, como os láseres de estado sólido e os láseres de fibra, o que promove enormemente o progreso tecnolóxico de todo o campo láser. Todos os principais países desenvolvidos do mundo incluírono nos seus plans de desenvolvemento nacionais, dándolles un forte apoio e conseguindo un rápido desenvolvemento.
② Segundo o método de bombeo
Os láseres pódense dividir en láseres bombeados electricamente, bombeados opticamente, bombeados quimicamente, etc. segundo o método de bombeo.
Os láseres bombeados electricamente refírense a láseres excitados por corrente, os láseres de gas excítanse principalmente por descarga de gas, mentres que os láseres de semicondutores excítanse principalmente por inxección de corrente.
Case todos os láseres de estado sólido e láseres líquidos son láseres de bombeo óptico, e os láseres semicondutores utilízanse como fonte central de bombeo para os láseres de bombeo óptico.
Os láseres bombeados quimicamente refírense a láseres que usan a enerxía liberada das reaccións químicas para excitar o material de traballo.
③Clasificación por modo de funcionamento
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 láser correspondente de forma continua durante un longo período de tempo. Os láseres continuos poden emitir luz láser de forma continua durante un período de tempo máis longo, pero o efecto térmico é máis evidente.
Os láseres pulsados refírense á duración do tempo na que a potencia do láser se mantén a un certo valor e emiten luz láser de forma descontinua, coas principais características dun pequeno efecto térmico e unha boa controlabilidade.
④ Clasificación por lonxitude de onda de saída
Os láseres pódense clasificar segundo a lonxitude de onda como láseres infravermellos, láseres visibles, láseres ultravioleta, láseres ultravioleta profundo, etc. O rango de lonxitudes de onda da luz que poden ser absorbidas por diferentes materiais estruturados é diferente, polo que se necesitan láseres de diferentes lonxitudes de onda para o procesamento fino de diferentes materiais ou para diferentes escenarios de aplicación.Os láseres infravermellos e os láseres UV son os dous láseres máis utilizados. Os láseres infravermellos úsanse principalmente no "procesamento térmico", onde o material da superficie do material se quenta e vaporiza (evapora) para eliminar o material; no procesamento de materiais non metálicos de película fina, corte de obleas de semicondutores, corte de vidro orgánico, perforación, marcado e outros campos, os fotóns UV de alta enerxía rompen directamente as ligazóns moleculares na superficie dos materiais non metálicos, de xeito que as moléculas se poden separar do obxecto, e este método non produce unha reacción de alta calor, polo que normalmente se denomina "procesamento en frío".
Debido á alta enerxía dos fotóns UV, é difícil xerar un certo láser UV continuo de alta potencia mediante unha fonte de excitación externa, polo que o láser UV xérase xeralmente mediante a aplicación dun método de conversión de frecuencia de efecto non lineal de material cristalino, polo que o campo industrial amplamente utilizado na actualidade dos láseres UV son principalmente láseres UV de estado sólido.
(4) Cadea industrial
A fase anterior da cadea industrial é o uso de materias primas semicondutoras, equipos de alta gama e accesorios de produción relacionados para fabricar núcleos láser e dispositivos optoelectrónicos, que é a pedra angular da industria láser e ten un alto limiar de acceso. A fase intermedia da cadea industrial é o uso de chips láser e dispositivos optoelectrónicos, módulos, compoñentes ópticos, etc. como fontes de bombeo para a fabricación e venda de varios láseres, incluíndo láseres 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 augas arriba
As materias primas para produtos de fabricación, como chips, dispositivos e módulos láser semicondutores, son principalmente diversos materiais de chip, materiais de fibra e pezas mecanizadas, incluíndo substratos, disipadores de calor, produtos químicos e conxuntos de carcasas. O procesamento de chips require materias primas de alta calidade e rendemento, principalmente de provedores estranxeiros, pero o grao de localización está a aumentar gradualmente e a conseguir gradualmente un control independente. O rendemento das principais materias primas de fabricación ten un impacto directo na calidade dos chips láser semicondutores, coa mellora continua do rendemento de varios materiais de chip, para mellorar o rendemento dos produtos da industria xoga un papel positivo na promoción.
②Cadea industrial de mediana duración
O chip láser semicondutor é a fonte de luz central da bomba de varios tipos de láseres na cadea industrial media e desempeña un papel positivo na promoción do desenvolvemento de láseres de corrente media. No campo dos láseres de corrente media, os Estados Unidos, Alemaña e outras empresas estranxeiras dominan, pero despois do rápido desenvolvemento da industria láser nacional nos últimos anos, o mercado de corrente media da cadea industrial logrou unha rápida substitución nacional.
③Cadea industrial augas abaixo
A industria de transformación ten un papel máis importante na promoción do desenvolvemento da industria, polo que o desenvolvemento da industria de transformación afectará directamente o 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 de ser un país manufactureiro a unha potencia manufactureira, e os láseres e equipos láser de transformación son unha das claves para mellorar a industria manufactureira, o que proporciona un bo ambiente de demanda para a mellora a longo prazo desta industria. Os requisitos da industria de transformación para o índice de rendemento dos chips láser semicondutores e os seus dispositivos están a aumentar, e as empresas nacionais están a entrar gradualmente no mercado dos láseres de alta potencia desde o mercado dos láseres de baixa potencia, polo que a industria debe aumentar continuamente o investimento no campo da investigación e desenvolvemento tecnolóxico e a innovación independente.
2. Estado de desenvolvemento da industria de láseres semicondutores
Os láseres semicondutores teñen a mellor eficiencia de conversión de enerxía entre todos os tipos de láseres. Por unha banda, pódense usar como fonte central de bombeo de láseres de fibra óptica, láseres de estado sólido e outros láseres de bombeo óptico. Por outra banda, co avance continuo da tecnoloxía de láseres semicondutores en termos de eficiencia enerxética, brillo, vida útil, lonxitude de onda múltiple, taxa de modulación, etc., os láseres semicondutores úsanse amplamente no procesamento de materiais, na medicina, na comunicación óptica, na detección óptica, na defensa, etc. Segundo Laser Focus World, os ingresos globais totais dos láseres de díodos, é dicir, láseres semicondutores e láseres non díodos, estímase en 18.480 millóns de dólares en 2021, sendo os láseres semicondutores os que representan o 43 % dos ingresos totais.
Segundo Laser Focus World, o mercado mundial de láseres semicondutores alcanzará os 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, electrónica de consumo, novas enerxías e outros campos, así como a continua expansión de equipos médicos e de beleza e outras aplicacións emerxentes, os láseres semicondutores pódense usar como fonte de bombeo para láseres de bombeo óptico, e o seu tamaño de mercado seguirá mantendo un crecemento estable. O tamaño do mercado mundial de láseres semicondutores en 2021 foi de 7.946 millóns de dólares, unha taxa de crecemento do mercado do 18,18 %.
Grazas aos esforzos conxuntos de expertos técnicos, empresas e profesionais, a industria láser de semicondutores da China acadou un desenvolvemento extraordinario, de xeito que a industria láser de semicondutores da China experimentou o proceso desde cero e o comezo do prototipo da industria láser de semicondutores da China. Nos últimos anos, China aumentou o desenvolvemento da industria láser e varias rexións dedicáronse á investigación científica, á mellora da tecnoloxía, ao desenvolvemento do mercado e á construción de parques industriais láser baixo o liderado do goberno e a cooperación das empresas láser.
3. Tendencia de desenvolvemento futuro da industria láser de China
En comparación cos países desenvolvidos de Europa e os Estados Unidos, a tecnoloxía láser de China non é tardía, pero na aplicación da tecnoloxía láser e a tecnoloxía central de gama alta aínda hai unha brecha considerable, especialmente o chip láser semicondutor augas arriba e outros compoñentes principais aínda dependen das importacións.
Os países desenvolvidos, representados polos 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 láser en China é rápido, a taxa de penetración de aplicacións segue sendo relativamente baixa. Como tecnoloxía central da modernización industrial, a industria láser seguirá sendo unha área clave de apoio nacional e continuará ampliando o ámbito de aplicación e, en última instancia, promoverá a industria manufacturera chinesa á era da "fabricación lixeira". A partir da situación de desenvolvemento actual, o desenvolvemento da industria láser chinesa mostra as seguintes tendencias de desenvolvemento.
(1) O chip láser semicondutor e outros compoñentes principais realízanse gradualmente na localización
Tomemos como exemplo o láser de fibra: a fonte de bombeo de láser de fibra de alta potencia é a principal área de aplicación do láser semicondutor, e o chip e módulo de láser semicondutor de alta potencia é un compoñente importante do láser de fibra. Nos últimos anos, a industria láser de fibra óptica da China atópase nunha fase de rápido crecemento e o grao de localización está a aumentar ano tras ano.
En termos de penetración no mercado, no mercado de láseres de fibra de baixa potencia, a cota de mercado dos láseres domésticos 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 está a avanzar gradualmente, de 2013 a 2019 para lograr "desde cero". O proceso de localización de láseres de fibra de alta potencia tamén está a avanzar gradualmente, de 2013 a 2019, e alcanzou unha taxa de penetración do 55,56 %, e espérase que a taxa de penetración nacional de láseres de fibra de alta potencia sexa do 57,58 % en 2020.
Non obstante, os compoñentes básicos, como os chips láser semicondutores de alta potencia, aínda dependen das importacións, e os compoñentes augas arriba dos láseres con chips láser semicondutores como núcleo están a localizarse gradualmente, o que, por unha banda, mellora a escala de mercado dos compoñentes augas arriba dos láseres nacionais e, por outra banda, coa localización dos compoñentes básicos augas arriba, pode mellorar a capacidade dos fabricantes de láseres nacionais para participar na competencia internacional.
(2) As aplicacións láser penetran máis rápido e con maior amplitude
Coa localización gradual dos compoñentes optoelectrónicos principais augas arriba e a diminución gradual dos custos de aplicación do láser, os láseres penetrarán máis profundamente en moitas industrias.
Por unha banda, para a China, o procesamento láser tamén se encaixa entre as dez principais áreas de aplicación da industria manufacturera chinesa, e espérase que as áreas de aplicación do procesamento láser se amplíen aínda máis e a escala do mercado se amplíe aínda máis no futuro. Por outra banda, coa continua popularización e desenvolvemento de tecnoloxías como o sistema de condución asistida avanzada 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, o recoñecemento facial, a comunicación óptica e a investigación de defensa nacional. Como dispositivo ou compoñente central das aplicacións láser mencionadas, o láser semicondutor tamén gañará espazo de desenvolvemento rápido.
(3) Maior potencia, mellor calidade do feixe, lonxitude de onda máis curta e desenvolvemento máis rápido da dirección da frecuencia
No campo dos láseres industriais, os láseres de fibra fixeron grandes progresos en termos de potencia de saída, calidade do feixe e brillo desde 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 fabricación da industria pesada. Na fabricación de automóbiles, a fabricación aeroespacial, a enerxía, a fabricación de maquinaria, a metalurxia, a construción de transporte ferroviario, a investigación científica e outros campos de aplicación en corte, soldadura, tratamento de superficies, etc., os requisitos de potencia do láser de fibra seguen a aumentar. Os fabricantes de dispositivos correspondentes necesitan mellorar continuamente o rendemento dos dispositivos principais (como chips láser semicondutores de alta potencia e fibra de ganancia), o aumento da potencia do láser de fibra tamén require tecnoloxía avanzada de modulación láser, como a combinación de feixes e a síntese de potencia, o que traerá novos requisitos e desafíos para os fabricantes de chips láser semicondutores de alta potencia. Ademais, lonxitudes de onda máis curtas, máis lonxitudes de onda, o desenvolvemento de láseres máis rápidos (ultrarrápidos) tamén é unha dirección importante, utilizada principalmente en chips de circuítos integrados, pantallas, electrónica de consumo, aeroespacial e outros microprocesamentos de precisión, así como ciencias da vida, medicina, sensores e outros campos, o chip láser semicondutor tamén presenta novos requisitos.
(4) para a demanda de compoñentes optoelectrónicos láser de alta potencia para un maior crecemento
O desenvolvemento e a industrialización do láser de fibra de alta potencia é o resultado do progreso sinérxico da cadea industrial, que require o apoio de compoñentes optoelectrónicos esenciais, como a fonte de bombeo, o illador, o concentrador de feixe, etc. Os compoñentes optoelectrónicos empregados no láser de fibra de alta potencia son 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 esenciais, como os chips láser semicondutores de alta potencia. Ao mesmo tempo, coa mellora continua da tecnoloxía láser de fibra nacional, a substitución de importacións converteuse nunha tendencia inevitable, e a cota de mercado do láser no mundo seguirá mellorando, o que tamén trae grandes oportunidades para a forza local dos fabricantes de compoñentes optoelectrónicos.
Data de publicación: 07-03-2023
