1. Laserteollisuuden yleiskatsaus
(1) Laserin esittely
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, lyhennettynä LASER) on kollimoitu, monokromaattinen, koherentti, suunnattu valonsäde, joka tuotetaan vahvistamalla valosäteilyä kapealla taajuudella viritetyn takaisinkytkentäresonanssin ja säteilyn avulla.
Lasertekniikka syntyi 1960-luvun alussa, ja koska se on täysin erilainen kuin tavallinen valo, sitä käytettiin pian laajasti eri aloilla ja se vaikutti syvästi tieteen, teknologian, talouden ja yhteiskunnan kehitykseen ja muutokseen.
Laserin synty on muuttanut dramaattisesti muinaisen optiikan ilmettä ja laajentanut klassisen optisen fysiikan uudeksi korkean teknologian tieteenalaksi, joka kattaa sekä klassisen optiikan että modernin fotoniikan, mikä on korvaamaton panos ihmisten talouden ja yhteiskunnan kehitykseen. Laserfysiikan tutkimus on myötävaikuttanut kahden modernin fotonisen fysiikan päähaaran kukoistukseen: energiafotoniikan ja informaatiofotoniikan. Se kattaa epälineaarisen optiikan, kvanttioptiikan, kvanttilaskennan, lasertunnistuksen ja -viestinnän, laserplasmefysiikan, laserkemian, laserbiologian, laserlääketieteen, ultratarkan laserspektroskopian ja -metrologian, laseratomifysiikan, mukaan lukien laserjäähdytyksen ja Bose-Einsteinin kondensoituneen aineen tutkimuksen , laserfunktionaaliset materiaalit, laservalmistus, lasermikrooptoelektronisten sirujen valmistus, laser 3D -tulostus ja yli 20 kansainvälistä raja-alaa ja teknologista sovellusta. Lasertieteen ja -tekniikan laitos (DSL) on perustettu seuraaville alueille.
Laservalmistusteollisuudessa maailma on siirtynyt "kevytuotannon" aikakauteen, ja kansainvälisten laserteollisuuden tilastojen mukaan 50 % Yhdysvaltojen vuotuisesta BKT:sta1 liittyy korkean tason lasersovellusten nopeaan markkinoiden laajentumiseen. Useat kehittyneet maat, joita edustavat Yhdysvallat, Saksa ja Japani, ovat periaatteessa saaneet päätökseen perinteisten prosessien korvaamisen laserprosessoinnilla suurilla valmistusteollisuuden aloilla, kuten autoteollisuudessa ja ilmailussa. Laser teollisessa valmistuksessa on osoittanut suuria mahdollisuuksia edullisiin, korkealaatuisiin, tehokkaisiin ja erikoisvalmistussovelluksiin, joita ei voida saavuttaa tavanomaisella valmistuksella, ja siitä on tullut tärkeä kilpailun ja innovaation veturi maailman suurimpien teollisuusmaiden keskuudessa. Maat tukevat aktiivisesti laserteknologiaa yhtenä tärkeimmistä huipputeknologioistaan ja ovat kehittäneet kansallisia laserteollisuuden kehityssuunnitelmia.
(2)LaserLähde Pperiaate
Laser on laite, joka käyttää viritettyä säteilyä tuottamaan näkyvää tai näkymätöntä valoa, jolla on monimutkainen rakenne ja korkeat tekniset esteet. Optinen järjestelmä koostuu pääasiassa pumppulähteestä (virityslähde), vahvistusväliaineesta (työaine) ja resonanssiontelosta ja muista optisten laitteiden materiaaleista. Vahvistusväliaine on fotonituotannon lähde, ja absorboimalla pumppulähteen tuottaman energian, vahvistusväliaine hyppää perustilasta viritettyyn tilaan. Koska viritystila on epävakaa, vahvistusväliaine vapauttaa tällä hetkellä energiaa palatakseen perustilan vakaaseen tilaan. Tässä energian vapautumisprosessissa vahvistusväliaine tuottaa fotoneja, ja näiden fotonien energian, aallonpituuden ja suunnan yhdenmukaisuus on korkea, ne heijastuvat jatkuvasti optisessa resonanssiontelossa, vastavuoroisessa liikkeessä, jotta ne jatkuvasti vahvistuvat ja lopuksi. ammu laser heijastimen läpi lasersäteen muodostamiseksi. Päätelaitteen optisena ydinjärjestelmänä laserin suorituskyky määrittää usein suoraan laserlaitteiden lähtösäteen laadun ja tehon, ja se on päätelaitteen laserlaitteen ydinkomponentti.
Pumppulähde (virityslähde) tuottaa energiavirityksen vahvistusväliaineelle. Vahvistusväliaine innostetaan tuottamaan fotoneja laserin tuottamiseksi ja vahvistamiseksi. Resonanssiontelo on paikka, jossa fotonien ominaisuuksia (taajuus, vaihe ja toimintasuunta) säädellään korkealaatuisen valonlähteen saamiseksi säätämällä ontelon fotonivärähtelyjä. Pumppulähde (virityslähde) tuottaa viritysenergian vahvistusväliaineelle. Vahvistusväliaine innostetaan tuottamaan fotoneja laserin tuottamiseksi ja vahvistamiseksi. Resonanssiontelo on paikka, jossa fotonien ominaisuuksia (taajuus, vaihe ja toimintasuunta) säädetään korkealaatuisen valonlähteen saamiseksi säätämällä ontelon fotonivärähtelyjä.
(3)Laserlähteen luokitus
Laserlähde voidaan luokitella vahvistusväliaineen, lähtöaallonpituuden, toimintatilan ja pumppaustilan mukaan seuraavasti
① Luokittelu vahvistuksen keskiarvon mukaan
Eri vahvistusvälineiden mukaan laserit voidaan jakaa kiinteään olomuotoon (mukaan lukien kiinteät, puolijohde-, kuitu-, hybridi-), nestelaserit, kaasulaserit jne.
| LaserLähdeTyyppi | Hanki mediaa | Pääominaisuudet |
| Solid State Laser lähde | Kiinteät aineet, puolijohteet, kuituoptiikka, hybridi | Mukava vakaus, suuri teho, alhaiset ylläpitokustannukset, sopii teollistumiseen |
| Nestemäinen laserlähde | Kemialliset nesteet | Valinnainen aallonpituusalue osuma, mutta suuri koko ja korkeat ylläpitokustannukset |
| Kaasu laserlähde | Kaasut | Laadukas laservalolähde, mutta suurempi koko ja korkeammat ylläpitokustannukset |
| Ilmainen elektronilaserlähde | Elektronisuihku tietyssä magneettikentässä | Erittäin suuri teho ja korkealaatuinen lasertulos voidaan saavuttaa, mutta valmistustekniikka ja tuotantokustannukset ovat erittäin korkeat |
Hyvän vakauden, suuren tehon ja alhaisten ylläpitokustannusten ansiosta solid-state lasereiden käyttö on ehdottoman hyödyllistä.
Puolijohdelasereiden joukossa puolijohdelasereilla on etuja korkea hyötysuhde, pieni koko, pitkä käyttöikä, alhainen energiankulutus jne. Toisaalta niitä voidaan käyttää suoraan ydinvalonlähteenä ja tueksi laserkäsittelyyn, lääketieteelliseen, viestintä-, tunnistus-, näyttö-, valvonta- ja puolustussovelluksia, ja niistä on tullut tärkeä perusta nykyaikaisen laserteknologian kehitykselle, jolla on strategista kehitystä.
Toisaalta puolijohdelasereita voidaan käyttää myös muiden lasereiden, kuten solid-state-laserien ja kuitulaserien, ydinpumppaavan valonlähteenä, mikä edistää suuresti koko laserkentän teknologista kehitystä. Kaikki maailman suuret kehittyneet maat ovat sisällyttäneet sen kansallisiin kehityssuunnitelmiinsa antaen vahvaa tukea ja saaneet nopeaa kehitystä.
② Pumppausmenetelmän mukaan
Laserit voidaan jakaa pumppausmenetelmän mukaan sähköpumpattuihin, optisesti pumpattuihin, kemiallisesti pumpattaviin lasereihin jne.
Sähköisesti pumpattavat laserit viittaavat virralla virittyviin lasereihin, kaasulaserit viritetään enimmäkseen kaasupurkauksella, kun taas puolijohdelaserit virittyvät enimmäkseen virran injektiolla.
Lähes kaikki solid-state-laserit ja nestelaserit ovat optisia pumppulasereita, ja puolijohdelasereita käytetään optisten pumppulaserien ydinpumppauslähteenä.
Kemiallisesti pumpatuilla lasereilla tarkoitetaan lasereita, jotka käyttävät kemiallisista reaktioista vapautuvaa energiaa työmateriaalin virittämiseen.
③ Luokittelu toimintatilan mukaan
Laserit voidaan jakaa jatkuviin lasereihin ja pulssilasereihin niiden toimintatavan mukaan.
Jatkuvalla laserilla on vakaa hiukkasten lukumäärän jakauma kullakin energiatasolla ja säteilykenttä onkalossa, ja niiden toiminnalle on tunnusomaista työmateriaalin viritys ja vastaava laserteho jatkuvalla tavalla pitkän ajan kuluessa. . Jatkuvat laserit voivat tuottaa laservaloa jatkuvasti pidemmän aikaa, mutta lämpövaikutus on selvempi.
Pulssilaserit tarkoittavat aikaa, jolloin laserteho säilyy tietyssä arvossa ja tuottaa laservaloa epäjatkuvasti, ja pääpiirteissään on pieni lämpövaikutus ja hyvä hallittavuus.
④ Luokittelu lähtöaallonpituuden mukaan
Laserit voidaan luokitella aallonpituuden mukaan infrapunalasereiksi, näkyväksi laseriksi, ultraviolettilasereiksi, syvä ultraviolettilasereiksi ja niin edelleen. Eri rakenteellisten materiaalien absorboima valon aallonpituusalue on erilainen, joten eri materiaalien hienokäsittelyyn tai erilaisiin sovellusskenaarioihin tarvitaan eri aallonpituisia lasereita.Infrapunalaserit ja UV-laserit ovat kaksi eniten käytettyä laseria. Infrapunalasereita käytetään pääasiassa "lämpökäsittelyssä", jossa materiaalin pinnalla olevaa materiaalia kuumennetaan ja höyrystetään (haihdutetaan) materiaalin poistamiseksi; ohutkalvon ei-metallisten materiaalien käsittelyssä, puolijohdekiekkojen leikkaamisessa, orgaanisen lasin leikkaamisessa, porauksessa, merkinnässä ja muilla aloilla, korkea energia Ohutkalvon ei-metallisten materiaalien käsittelyssä, puolijohdekiekkojen leikkaamisessa, orgaanisen lasin leikkaamisessa, porauksessa, merkinnässä, jne., korkean energian UV-fotonit rikkovat suoraan ei-metallisten materiaalien pinnalla olevat molekyylisidokset, jotta molekyylit voidaan erottaa kohteesta, ja tämä menetelmä ei tuota suurta lämpöreaktiota, joten sitä kutsutaan yleensä "kylmäksi" käsittely".
UV-fotonien suuren energian vuoksi on vaikeaa tuottaa tiettyä suuritehoista jatkuvaa UV-laseria ulkoisella virityslähteellä, joten UV-laser tuotetaan yleensä käyttämällä kidemateriaalin epälineaarista taajuusmuunnosmenetelmää, joten virtaa käytetään laajalti. UV-laserit ovat pääasiassa solid-state-UV-lasereita.
(4) Teollisuusketju
Teollisuusketjun alkupää on puolijohderaaka-aineiden, huippuluokan laitteiden ja niihin liittyvien tuotantotarvikkeiden käyttö laserytimien ja optoelektronisten laitteiden valmistuksessa, mikä on laserteollisuuden kulmakivi ja jolla on korkea pääsykynnys. Teollisuuden ketjun keskivirta on ylävirran lasersirujen ja optoelektronisten laitteiden, moduulien, optisten komponenttien jne. käyttö pumppulähteinä erilaisten lasereiden valmistukseen ja myyntiin, mukaan lukien suorat puolijohdelaserit, hiilidioksidilaserit, solid-state laserit, kuitu laserit ja niin edelleen; jatkoteollisuus viittaa pääasiassa erilaisten lasereiden sovellusalueisiin, mukaan lukien teolliset prosessointilaitteet, LIDAR, optinen viestintä, lääketieteen kauneus ja muut sovellusteollisuudet
① Varhaisemmat toimittajat
Varsinaisten tuotteiden, kuten puolijohdelasersirujen, -laitteiden ja -moduulien, raaka-aineet ovat pääasiassa erilaisia sirumateriaaleja, kuitumateriaaleja ja koneistettuja osia, mukaan lukien substraatit, jäähdytyslevyt, kemikaalit ja kotelosarjat. Sirujen käsittely vaatii korkeaa laatua ja suorituskykyä alkupään raaka-aineista, pääasiassa ulkomaisilta toimittajilta, mutta lokalisointiaste kasvaa vähitellen ja saavuttaa vähitellen itsenäisen valvonnan. Suorituskykyä tärkeimpien alkupään raaka-aineiden on suora vaikutus laatuun puolijohde-laser siruja, joilla on jatkuva parantaminen suorituskykyä eri siru materiaaleja, parantaa suorituskykyä alan tuotteiden on positiivinen rooli edistämisessä.
②Teollisuuden keskiketju
Puolijohdelasersiru on erityyppisten lasereiden ydinpumppuvalolähde teollisuusketjun keskivirrassa, ja sillä on myönteinen rooli keskivirran lasereiden kehityksen edistämisessä. Keskivirran lasereiden alalla Yhdysvallat, Saksa ja muut merentakaiset yritykset hallitsevat, mutta kotimaisen laserteollisuuden nopean kehityksen jälkeen viime vuosina teollisuusketjun keskivirran markkinoilla on saavutettu nopea kotimainen korvaavuus.
③ Teollisuusketju loppupään
Jalostusteollisuudella on suurempi rooli teollisuuden kehityksen edistäjänä, joten jatkoteollisuuden kehitys vaikuttaa suoraan alan markkinatilaan. Kiinan talouden jatkuva kasvu ja strategisten mahdollisuuksien syntyminen talouden muutokseen ovat luoneet paremmat kehitysedellytykset tämän toimialan kehitykselle. Kiina on siirtymässä valmistusmaasta valmistusvoimalaitokseksi, ja loppupään laserit ja laserlaitteet ovat yksi valmistusteollisuuden uudistamisen avaimista, mikä tarjoaa hyvän kysyntäympäristön alan pitkän aikavälin parantamiselle. Jalostusteollisuuden vaatimukset puolijohdelaserisirujen ja niiden laitteiden suorituskykyindeksille kasvavat, ja kotimaiset yritykset tulevat vähitellen pienitehoisilta lasermarkkinoilta suuritehoisille lasermarkkinoille, joten alan on jatkuvasti lisättävä investointeja teknologiatutkimuksen alalla. kehitys ja riippumaton innovaatio.
2. puolijohdelaserteollisuuden kehitystilanne
Puolijohdelasereilla on paras energian muunnostehokkuus kaikenlaisista lasereista, toisaalta niitä voidaan käyttää optisten kuitulaserien, puolijohdelaserien ja muiden optisten pumppulaserien ydinpumppulähteenä. Toisaalta puolijohdelasertekniikan jatkuvan läpimurron ansiosta tehotehokkuuden, kirkkauden, käyttöiän, usean aallonpituuden, modulaationopeuden jne. suhteen puolijohdelasereita käytetään laajalti materiaalinkäsittelyssä, lääketieteellisessä, optisessa viestinnässä, optisessa tunnistuksessa, puolustus jne. Laser Focus Worldin mukaan diodilaserien eli puolijohdelaserien ja ei-diodilaserien maailmanlaajuisen kokonaistulon arvioidaan olevan 18 480 miljoonaa dollaria vuonna 2021, ja puolijohdelaserien osuus kokonaistuloista on 43 prosenttia.
Laser Focus Worldin mukaan maailmanlaajuiset puolijohdelasermarkkinat ovat 6 724 miljoonaa dollaria vuonna 2020, mikä on 14,20 % enemmän kuin edellisenä vuonna. Globaalin älykkyyden kehittyessä, älylaitteissa, kulutuselektroniikassa, uudella energia-alalla ja muilla aloilla kasvavien lasereiden kysynnän sekä lääketieteellisten, kauneuslaitteiden ja muiden nousevien sovellusten jatkuvan laajentumisen myötä puolijohdelasereita voidaan käyttää pumppulähteenä. optisille pumppulasereille, ja sen markkinakoko jatkaa vakaata kasvuaan. Vuonna 2021 maailmanlaajuisten puolijohdelasermarkkinoiden koko on 7,946 miljardia dollaria, markkinoiden kasvuvauhti 18,18%.
Teknisten asiantuntijoiden ja yritysten ja toimijoiden yhteisillä ponnisteluilla Kiinan puolijohdelaserteollisuus on saavuttanut poikkeuksellisen kehityksen, joten Kiinan puolijohdelaserteollisuus on kokenut prosessin tyhjästä ja Kiinan puolijohdelaserteollisuuden prototyypin alkamisen. Viime vuosina Kiina on lisännyt laserteollisuuden kehitystä, ja useat alueet ovat omistautuneet tieteelliseen tutkimukseen, teknologian kehittämiseen, markkinoiden kehittämiseen ja laserteollisuuspuistojen rakentamiseen hallituksen johdolla ja laseryritysten yhteistyöllä.
3. Kiinan laserteollisuuden tuleva kehitystrendi
Verrattuna Euroopan ja Yhdysvaltojen kehittyneisiin maihin Kiinan lasertekniikka ei ole myöhässä, mutta laserteknologian ja huippuluokan ydinteknologian soveltamisessa on edelleen huomattava aukko, erityisesti ylävirran puolijohdelasersiru ja muut ydinkomponentit ovat edelleen riippuvainen tuonnista.
Kehittyneet maat, joita edustavat Yhdysvallat, Saksa ja Japani, ovat periaatteessa saaneet päätökseen perinteisen valmistusteknologian korvaamisen joillakin suurilla teollisuuden aloilla ja siirtyneet "kevyen valmistuksen" aikakauteen; vaikka lasersovellusten kehitys Kiinassa on nopeaa, sovelluksen levinneisyysaste on edelleen suhteellisen alhainen. Teollisuuden parantamisen ydinteknologiana laserteollisuus on jatkossakin keskeinen kansallisen tuen alue, ja se laajentaa edelleen soveltamisalaa ja edistää lopulta Kiinan valmistavaa teollisuutta "kevyen valmistuksen" aikakauteen. Nykyisestä kehitystilanteesta Kiinan laserteollisuuden kehitys osoittaa seuraavat kehityssuunnat.
(1) Puolijohdelasersiru ja muut ydinkomponentit toteuttavat vähitellen lokalisoinnin
Otetaan esimerkiksi kuitulaser, suuritehoinen kuitulaserpumppulähde on puolijohdelaserin pääsovellusalue, suuritehoinen puolijohdelaser-siru ja moduuli on kuitulaserin tärkeä osa. Kiinan valokuitulaserteollisuus on viime vuosina nopeassa kasvuvaiheessa, ja lokalisointiaste kasvaa vuosi vuodelta.
Markkinaosuudella mitattuna pienitehoisten kuitulasermarkkinoiden kotimaisten lasereiden markkinaosuus oli 99,01 % vuonna 2019; keskitehoisilla kuitulasermarkkinoilla kotimaisten lasereiden levinneisyysaste on pidetty viime vuosina yli 50 prosentissa; myös suuritehoisten kuitulaserien lokalisointiprosessi etenee vähitellen vuodesta 2013 vuoteen 2019 saavuttaakseen "tyhjästä". Myös suuritehoisten kuitulaserien lokalisointiprosessi etenee asteittain vuodesta 2013 vuoteen 2019 ja on saavuttanut 55,56 prosentin penetraatioasteen, ja suuritehoisten kuitulaserien kotimaan levinneisyysasteen odotetaan olevan 57,58 prosenttia vuonna 2020.
Ydinkomponentit, kuten suuritehoiset puolijohdelasersirut, ovat kuitenkin edelleen riippuvaisia tuonnista, ja puolijohdelasersirujen ytimenä käyttävien lasereiden alkupään komponentteja lokalisoidaan vähitellen, mikä toisaalta parantaa tuotantoketjun alkupään komponenttien markkinaskaalaa. kotimaiset laserit, ja toisaalta ylävirran ydinkomponenttien lokalisoinnin myötä se voi parantaa kotimaisten laservalmistajien mahdollisuuksia osallistua kansainväliseen kilpailuun.
(2) Lasersovellukset tunkeutuvat nopeammin ja laajemmin
Ydinoptoelektronisten ydinkomponenttien asteittaisen lokalisoinnin ja lasersovelluskustannusten asteittaisen laskun myötä laserit tunkeutuvat syvemmälle monille teollisuudenaloille.
Toisaalta myös Kiinan osalta laserprosessointi mahtuu Kiinan valmistavan teollisuuden kymmenen suurimman sovellusalueen joukkoon, ja laserkäsittelyn sovellusalueita odotetaan jatkossa laajenevan ja markkinaskaalaa entisestään. Toisaalta teknologioiden, kuten kuljettajattoman, edistyneen ajojärjestelmän, palvelukeskeisen robotin, 3D-tunnistuksen jne., jatkuvan popularisoinnin ja kehityksen myötä sitä sovelletaan entistä enemmän monilla aloilla, kuten autoteollisuudessa, tekoälyssä, kulutuselektroniikassa. , kasvojentunnistus, optinen viestintä ja maanpuolustustutkimus. Yllä mainittujen lasersovellusten ydinlaitteena tai komponenttina puolijohdelaser saa myös nopean kehitystilan.
(3) Suurempi teho, parempi säteen laatu, lyhyempi aallonpituus ja nopeampi taajuussuunnan kehitys
Teollisuuslaserien alalla kuitulaserit ovat edistyneet huomattavasti lähtötehon, säteen laadun ja kirkkauden suhteen käyttöönoton jälkeen. Suurempi teho voi kuitenkin parantaa prosessointinopeutta, optimoida prosessoinnin laatua ja laajentaa prosessointikenttää raskaan teollisuuden valmistukseen, autoteollisuuteen, ilmailuteollisuuteen, energiaan, konevalmistukseen, metallurgiaan, rautatiekuljetusten rakentamiseen, tieteelliseen tutkimukseen ja muihin leikkauksen sovellusaloihin. , hitsaus, pintakäsittely jne., kuitulasertehovaatimukset kasvavat edelleen. Vastaavien laitevalmistajien on jatkuvasti parannettava ydinlaitteiden suorituskykyä (kuten suuritehoinen puolijohdelasersiru ja vahvistuskuitu), kuitulaserin tehon lisääminen edellyttää myös kehittynyttä lasermodulaatioteknologiaa, kuten säteen yhdistäminen ja tehosynteesi, mikä tuo uusia vaatimuksia ja haasteita suuritehoisille puolijohdelaser-sirujen valmistajille. Lisäksi lyhyemmät aallonpituudet, enemmän aallonpituuksia, nopeampi (ultranopea) laserkehitys on myös tärkeä suunta, jota käytetään pääasiassa integroitujen piirien siruissa, näytöissä, kulutuselektroniikassa, ilmailussa ja muussa tarkkuusmikroprosessoinnissa sekä biotieteissä, lääketieteessä, anturissa ja muissa aloilla puolijohdelaser-siru asettaa myös uusia vaatimuksia.
(4) suuritehoisten laser optoelektronisten komponenttien kysyntä kasvaa edelleen
Suuritehoisen kuitulaserin kehitys ja teollistuminen on seurausta teollisuusketjun synergistisesta edistymisestä, mikä edellyttää tukea optoelektronisten ydinkomponenttien, kuten pumppulähteen, isolaattorin, säteen keskittimen jne., tukemiseksi. Suuritehoisissa optoelektronisissa komponenteissa käytetään kuitulaser ovat sen kehittämisen ja tuotannon perusta ja avainkomponentit, ja laajenevat suuritehoisten kuitulaserien markkinat ohjaavat myös ydinkomponenttien, kuten suuritehoisten puolijohdelasersirujen, kysyntää markkinoilla. Samaan aikaan kotimaisen kuitulaserteknologian jatkuvan parantamisen myötä tuontikorvauksesta on tullut väistämätön trendi, lasermarkkinaosuus maailmassa paranee edelleen, mikä tuo myös suuria mahdollisuuksia optoelektronisten komponenttien valmistajien paikalliselle vahvuudelle.
Postitusaika: 07.03.2023
