1. Laserteollisuuden yleiskatsaus
(1) Laser-esittely
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, lyhennettynä LASER) on kollimoitu, yksivärinen, koherentti, suuntaava valonsäde, joka syntyy vahvistamalla valosäteilyä kapealla taajuudella virittyneen takaisinkytkentäresonanssin ja -säteilyn avulla.
Lasertekniikka sai alkunsa 1960-luvun alkupuolella, ja koska se on täysin erilainen kuin tavallinen valo, laseria käytettiin pian laajalti eri aloilla ja se vaikutti syvästi tieteen, teknologian, talouden ja yhteiskunnan kehitykseen ja muutokseen.
Laserin synty on muuttanut dramaattisesti muinaisen optiikan luonnetta laajentamalla klassisen optisen fysiikan uudeksi korkean teknologian tieteenalaksi, joka kattaa sekä klassisen optiikan että modernin fotoniikan ja antaa korvaamattoman panoksen ihmiskunnan ja yhteiskunnan kehitykselle. Laserfysiikan tutkimus on edistänyt kahden modernin fotonisen fysiikan päähaaran kukoistusta: energiafotoniikan ja informaatiofotoniikan. Se kattaa epälineaarisen optiikan, kvanttioptiikan, kvanttilaskennan, laserantureiden ja -tiedonsiirron, laserplasmafysiikan, laserkemian, laserbiologian, laserlääketieteen, ultratarkan laserspektroskopian ja metrologian, laseratomifysiikan, mukaan lukien laserjäähdytyksen ja Bose-Einsteinin tiiviin aineen tutkimuksen, laserfunktionaaliset materiaalit, laserien valmistuksen, lasermikrooptoelektronisten sirujen valmistuksen, laser-3D-tulostuksen ja yli 20 kansainvälistä eturintamassa olevaa tieteenalaa ja teknologista sovellusta. Lasertieteen ja -teknologian laitos (DSL) on perustettu seuraaville alueille.
Laservalmistusteollisuudessa maailma on siirtynyt "kevyen valmistuksen" aikakauteen. Kansainvälisten laserteollisuustilastojen mukaan 50 % Yhdysvaltojen vuotuisesta bruttokansantuotteesta1 liittyy korkean tason lasersovellusten nopeaan markkinalaajenemiseen. Useat kehittyneet maat, joita edustavat Yhdysvallat, Saksa ja Japani, ovat käytännössä korvanneet perinteiset prosessit laserkäsittelyllä tärkeimmillä valmistusteollisuuden aloilla, kuten autoteollisuudessa ja ilmailussa. Laserilla teollisessa valmistuksessa on osoitettu suurta potentiaalia edullisille, korkealaatuisille, tehokkaille ja erikoisvalmistussovelluksille, joita perinteinen valmistus ei pysty saavuttamaan, ja siitä on tullut tärkeä kilpailun ja innovaatioiden ajuri maailman tärkeimpien 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 näkyvän tai näkymätöntä valon tuottamiseen. Laserilla on monimutkainen rakenne ja korkeat tekniset esteet. Optinen järjestelmä koostuu pääasiassa pumppauslähteestä (virityslähde), vahvistusväliaineesta (työaine), resonanssiontelosta ja muista optisen laitteen materiaaleista. Vahvistusväliaine on fotonien syntymisen lähde, ja absorboimalla pumppauslähteen tuottamaa energiaa vahvistusväliaine siirtyy perustilasta virittyneeseen tilaan. Koska viritystila on epävakaa, vahvistusväliaine vapauttaa energiaa palatakseen perustilan vakaaseen tilaan. Tässä energianvapautusprosessissa vahvistusväliaine tuottaa fotoneja, ja näillä fotoneilla on korkea energian, aallonpituuden ja suunnan johdonmukaisuus. Ne heijastuvat jatkuvasti optisesta resonanssiontelosta ja liikkuvat edestakaisin, jolloin ne jatkuvasti vahvistuvat ja lopulta ampuvat laserin heijastimen läpi muodostaen lasersäteen. Päätelaitteen ydinoptisena järjestelmänä laserin suorituskyky usein määrää suoraan laserlaitteen lähtösäteen laadun ja tehon, ja se on päätelaitteen laserlaitteen ydinkomponentti.
Pumppulähde (virityslähde) tuottaa energiaa vahvistusväliaineelle. Vahvistusväliaine viritetään tuottamaan fotoneja laserin generoimiseksi ja vahvistamiseksi. Resonanssiontelo on paikka, jossa fotonien ominaisuuksia (taajuus, vaihe ja toimintasuunta) säädetään korkealaatuisen valonlähteen aikaansaamiseksi ohjaamalla ontelon fotonivärähtelyjä. Pumppulähde (virityslähde) tuottaa energiaa vahvistusväliaineelle. Vahvistusväliaine viritetään tuottamaan fotoneja laserin generoimiseksi ja vahvistamiseksi. Resonanssiontelo on paikka, jossa fotonien ominaisuuksia (taajuus, vaihe ja toimintasuunta) säädetään korkealaatuisen valonlähteen aikaansaamiseksi ohjaamalla ontelon fotonivärähtelyjä.
(3)Laserlähteen luokittelu
Laserlähde voidaan luokitella vahvistusväliaineen, lähtöaallonpituuden, toimintatilan ja pumppaustilan mukaan seuraavasti
① Luokittelu vahvistusväliaineen mukaan
Erilaisten vahvistusväliaineiden mukaan laserit voidaan jakaa kiinteän olomuodon (mukaan lukien kiinteät, puolijohde-, kuitu- ja hybridilaserit), nestelasereihin, kaasulasereihin jne.
| LaserLähdeTyyppi | Gain Media | Tärkeimmät ominaisuudet |
| Kiinteän olomuodon laserlähde | Kiinteät aineet, puolijohteet, kuituoptiikka, hybridi | Hyvä vakaus, suuri teho, alhaiset ylläpitokustannukset, sopii teollisuuteen |
| Nestemäinen laserlähde | Kemialliset nesteet | Valinnainen aallonpituusalue osuu kohdalleen, mutta suuri koko ja korkeat ylläpitokustannukset |
| Kaasulaserlähde | Kaasut | Korkealaatuinen laservalonlähde, mutta suurempi koko ja korkeammat ylläpitokustannukset |
| Vapaa elektronilaserlähde | Elektronisuihku tietyssä magneettikentässä | Erittäin tehokas ja korkealaatuinen lasersäteily on mahdollista, mutta valmistustekniikka ja tuotantokustannukset ovat erittäin korkeat |
Hyvän vakauden, suuren tehon ja alhaisten ylläpitokustannusten ansiosta kiinteän olomuodon lasereiden käyttö on ehdotonta etua.
Kiinteän olomuodon lasereista puolijohdelasereilla on etunaan korkea hyötysuhde, pieni koko, pitkä käyttöikä ja alhainen energiankulutus. Toisaalta niitä voidaan käyttää suoraan ydinvalonlähteenä ja laserkäsittelyn, lääketieteen, viestinnän, tunnistuksen, näytön, valvonnan ja puolustuksen sovellusten tukena, ja niistä on tullut tärkeä perusta nykyaikaisen laserteknologian kehittämiselle, jolla on strateginen kehitysmerkitys.
Toisaalta puolijohdelasereita voidaan käyttää myös muiden lasereiden, kuten kiinteän olomuodon lasereiden ja kuitulasereiden, pumppaavana valonlähteenä, mikä edistää merkittävästi koko laseralan teknologista kehitystä. Kaikki maailman suurimmat kehittyneet maat ovat sisällyttäneet ne kansallisiin kehityssuunnitelmiinsa, antaneet niille vahvan tuen ja saaneet aikaan nopeaa kehitystä.
② Pumppausmenetelmän mukaan
Laserit voidaan jakaa sähköisesti pumpattaviin, optisesti pumpattaviin, kemiallisesti pumpattaviin lasereihin jne. pumppausmenetelmän mukaan.
Sähköisesti pumpattavat laserit viittaavat lasereihin, jotka virittyvät virralla, kaasulaserit virittyvät enimmäkseen kaasupurkauksella, kun taas puolijohdelaserit virittyvät enimmäkseen virran injektoinnilla.
Lähes kaikki kiinteän olomuodon laserit ja nestemäiset laserit ovat optisia pumppulasereita, ja puolijohdelasereita käytetään optisten pumppulasereiden ydinpumppauslähteenä.
Kemiallisesti pumpatut laserit tarkoittavat lasereita, jotka käyttävät kemiallisista reaktioista vapautuvaa energiaa työstettävän materiaalin virittämiseen.
③Luokittelu toimintatavan mukaan
Laserit voidaan jakaa toimintatapansa mukaan jatkuviin lasereihin ja pulssilasereihin.
Jatkuvatoimisilla lasereilla on vakaa hiukkasten lukumäärän jakauma kullakin energiatasolla ja säteilykenttä ontelossa, ja niiden toiminnalle on ominaista työmateriaalin viritys ja vastaava lasersäteily jatkuvalla tavalla pitkän ajan kuluessa. Jatkuvatoimiset laserit voivat tuottaa lasersädettä jatkuvasti pidemmän ajan, mutta lämpövaikutus on selvempi.
Pulssilasereilla tarkoitetaan aikaa, jonka aikana laserin teho pidetään tietyssä arvossa ja ne tuottavat lasersädettä epäjatkuvasti. Pulssilasereiden tärkeimpiä ominaisuuksia ovat pieni lämpövaikutus ja hyvä hallittavuus.
④ Luokittelu lähtöaallonpituuden mukaan
Laserit voidaan luokitella aallonpituuden mukaan infrapunalasereiksi, näkyviksi lasereiksi, ultraviolettilasereiksi, syvän ultravioletin lasereiksi ja niin edelleen. Erilaisten materiaalien absorboiman valon aallonpituusalue on erilainen, joten eri aallonpituuksilla toimivia lasereita tarvitaan eri materiaalien hienokäsittelyyn tai erilaisiin sovellustilanteisiin.Infrapunalaserit ja UV-laserit ovat kaksi yleisimmin käytettyä laseria. Infrapunalasereita käytetään pääasiassa "lämpökäsittelyssä", jossa materiaalin pinnalla olevaa materiaalia kuumennetaan ja höyrystetään (haihdutetaan) materiaalin poistamiseksi; ohutkalvojen, ei-metallisten materiaalien käsittelyssä, puolijohdekiekkojen leikkauksessa, orgaanisen lasin leikkauksessa, porauksessa, merkinnässä ja muilla aloilla, korkeaenergiset UV-fotonit rikkovat suoraan ei-metallisten materiaalien pinnan molekyylisidokset, jolloin molekyylit voidaan erottaa kappaleesta. Tämä menetelmä ei tuota korkeaa lämpöreaktiota, joten sitä kutsutaan yleensä "kylmäkäsittelyksi".
UV-fotonien suuren energian vuoksi on vaikea tuottaa tiettyä suuritehoista jatkuvaa UV-laseria ulkoisella virityslähteellä, joten UV-laser generoidaan yleensä käyttämällä kidemateriaalin epälineaarisen vaikutuksen taajuusmuunnosmenetelmää. Nykyinen laajalti käytetty UV-lasereiden teollisuuskenttä on pääasiassa kiinteän olomuodon UV-lasereita.
(4) Toimialaketju
Teollisuusketjun ylävirtaan kuuluu puolijohdemateriaalien, huippuluokan laitteiden ja niihin liittyvien tuotantolaitteiden käyttö laserytimien ja optoelektronisten laitteiden valmistukseen, mikä on laserteollisuuden kulmakivi ja jolla on korkea käyttökynnys. Teollisuusketjun keskivirtaan kuuluu ylävirran lasersirujen ja optoelektronisten laitteiden, moduulien, optisten komponenttien jne. käyttö pumppulähteinä erilaisten lasereiden, mukaan lukien suorat puolijohdelaserit, hiilidioksidilaserit, kiinteän olomuodon laserit, kuitulaserit jne., valmistukseen ja myyntiin. Alavirran teollisuus viittaa pääasiassa erilaisten lasereiden sovellusalueisiin, mukaan lukien teolliset prosessointilaitteet, LIDAR, optinen viestintä, lääketieteellinen kauneus ja muut sovellusalat.
① Ylävirran toimittajat
Puolijohdelaserisirujen, -laitteiden ja -moduulien kaltaisten ylävirran tuotteiden raaka-aineina käytetään pääasiassa erilaisia sirumateriaaleja, kuitumateriaaleja ja koneistettuja osia, kuten substraatteja, jäähdytyselementtejä, kemikaaleja ja kotelosarjoja. Sirujen käsittely edellyttää korkealaatuisia ja suorituskykyisiä ylävirran raaka-aineita, jotka hankitaan pääasiassa ulkomaisilta toimittajilta, mutta lokalisoinnin aste kasvaa vähitellen ja itsenäisen valvonnan saavuttaminen on vähitellen mahdollista. Ylävirran tärkeimpien raaka-aineiden suorituskyvyllä on suora vaikutus puolijohdelaserisirujen laatuun. Erilaisten sirumateriaalien suorituskyvyn jatkuva parantaminen edistää alan tuotteiden suorituskykyä.
②Keskitason teollisuusketju
Puolijohdelaser on keskeinen pumpun valonlähde erilaisissa lasereissa teollisuusketjun keskivaiheilla ja sillä on myönteinen rooli keskivaihelasereiden kehityksen edistämisessä. Keskivaihelasereiden alalla Yhdysvallat, Saksa ja muut ulkomaiset yritykset ovat hallitsevia, mutta kotimaisen laserteollisuuden nopean kehityksen jälkeen viime vuosina teollisuusketjun keskivaihemarkkinat ovat saavuttaneet nopean kotimaisen korvautumisen.
③Teollisuusketjun loppupää
Jalostusteollisuuden rooli alan kehityksen edistämisessä on suurempi, joten jalostusteollisuuden kehitys vaikuttaa suoraan alan markkinatilaan. Kiinan talouden jatkuva kasvu ja strategisten mahdollisuuksien syntyminen taloudelliselle muutokselle ovat luoneet paremmat kehitysolosuhteet tämän alan kehitykselle. Kiina on siirtymässä valmistusmaasta valmistusjättiläiseksi, ja jalostuslaserit ja laserlaitteet ovat yksi avaimista valmistusteollisuuden päivittämisessä, mikä tarjoaa hyvän kysyntäympäristön tämän alan pitkän aikavälin parantamiselle. Jalostusteollisuuden vaatimukset puolijohdelaserien ja niiden laitteiden suorituskykyindeksille kasvavat, ja kotimaiset yritykset siirtyvät vähitellen suuritehoisten lasereiden markkinoille pienitehoisten lasereiden markkinoilta, joten alan on jatkuvasti lisättävä investointeja teknologian tutkimukseen ja kehitykseen sekä itsenäiseen innovointiin.
2. puolijohdelaserteollisuuden kehitystila
Puolijohdelasereilla on paras energianmuunnostehokkuus kaikenlaisista lasereista. Toisaalta niitä voidaan käyttää optisten kuitulasereiden, kiinteän tilan lasereiden ja muiden optisten pumppulasereiden ydinpumppulähteenä. Toisaalta puolijohdelasereiden jatkuvan läpimurron ansiosta energiatehokkuuden, kirkkauden, käyttöiän, moniaallonpituuden, modulointinopeuden jne. suhteen puolijohdelasereita käytetään laajalti materiaalien käsittelyssä, lääketieteessä, optisessa viestinnässä, optisessa tunnistuksessa, puolustuksessa jne. Laser Focus Worldin mukaan diodilasereiden eli puolijohdelasereiden ja muiden kuin diodilasereiden kokonaisliikevaihdon arvioidaan olevan 18 480 miljoonaa dollaria vuonna 2021, ja puolijohdelasereiden osuus kokonaisliikevaihdosta on 43 %.
Laser Focus Worldin mukaan maailmanlaajuisten puolijohdelasermarkkinoiden arvo on 6 724 miljoonaa dollaria vuonna 2020, mikä on 14,20 % enemmän kuin edellisenä vuonna. Maailmanlaajuisen älykkyyden kehityksen, lasereiden kysynnän kasvun älylaitteissa, kulutuselektroniikassa, uusissa energialähteissä ja muilla aloilla sekä lääketieteen, kauneudenhoidon laitteiden ja muiden uusien sovellusten jatkuvan laajentumisen myötä puolijohdelasereita voidaan käyttää pumppulähteenä optisille pumppulasereille, ja niiden markkinakoko jatkaa vakaata kasvuaan. Vuonna 2021 maailmanlaajuisten puolijohdelasermarkkinoiden koko oli 7,946 miljardia dollaria, mikä on 18,18 %:n kasvuvauhti.
Teknisten asiantuntijoiden, yritysten ja ammattilaisten yhteistyön ansiosta Kiinan puolijohdelaserteollisuus on saavuttanut poikkeuksellisen kehityksen, ja Kiinan puolijohdelaserteollisuus on kokenut prosessin tyhjästä ja Kiinan puolijohdelaserteollisuuden prototyypin alku. Viime vuosina Kiina on lisännyt laserteollisuuden kehitystä, ja eri alueilla on panostettu tieteelliseen tutkimukseen, teknologian parantamiseen, markkinoiden kehittämiseen ja laserteollisuuspuistojen rakentamiseen hallituksen johdolla ja laseryritysten yhteistyönä.
3. Kiinan laserteollisuuden tulevaisuuden kehitystrendi
Verrattuna kehittyneisiin Euroopan maihin ja Yhdysvaltoihin Kiinan laserteknologia ei ole myöhässä, mutta laserteknologian ja huippuluokan ydinteknologian soveltamisessa on edelleen huomattava kuilu, erityisesti ylävirran puolijohdelaserpiiri ja muut ydinkomponentit ovat edelleen riippuvaisia tuonnista.
Yhdysvaltojen, Saksan ja Japanin edustamat kehittyneet maat ovat käytännössä korvanneet perinteisen valmistusteknologian joillakin suurilla teollisuudenaloilla ja siirtyneet "kevyen valmistuksen" aikakauteen. Vaikka lasersovellusten kehitys Kiinassa on nopeaa, sovellusten levinneisyysaste on edelleen suhteellisen alhainen. Teollisuuden uudistamisen ydinteknologiana laserteollisuus on edelleen keskeinen kansallisen tuen alue, ja sen sovellusalaa laajennetaan jatkuvasti, mikä lopulta edistää Kiinan valmistusteollisuutta "kevyen valmistuksen" aikakaudelle. Nykyisestä kehitystilanteesta Kiinan laserteollisuuden kehitys osoittaa seuraavia kehityssuuntia.
(1) Puolijohdelasersiru ja muut ydinkomponentit vähitellen toteuttavat lokalisoinnin
Esimerkkinä kuitulaserista käytetään puolijohdelaserin pääasiallista sovellusaluetta, jossa käytetään suuritehoista kuitulaserpumppua. Suuritehoinen puolijohdelaserpiiri ja -moduuli ovat kuitulaserin tärkeitä osia. Viime vuosina Kiinan optisten kuitulasereiden teollisuus on kasvanut nopeasti, ja lokalisoitumisaste kasvaa vuosi vuodelta.
Markkinoiden läpimurron osalta pienitehoisten kuitulasereiden markkinoilla kotimaisten lasereiden markkinaosuus nousi 99,01 prosenttiin vuonna 2019; keskitehoisten kuitulasereiden markkinoilla kotimaisten lasereiden läpimurtoaste on pysynyt yli 50 prosentissa viime vuosina; suuritehoisten kuitulasereiden lokalisointiprosessi etenee myös vähitellen vuosina 2013–2019, ja se on saavuttanut 55,56 prosentin läpimurtoasteen, ja suuritehoisten kuitulasereiden kotimaisen läpimurtoasteen odotetaan olevan 57,58 prosenttia vuonna 2020.
Ydinkomponentit, kuten suuritehoiset puolijohdelaserit, ovat kuitenkin edelleen riippuvaisia tuonnista, ja puolijohdelasereita sisältävien lasereiden ylävirran komponentteja lokalisoidaan vähitellen, mikä toisaalta parantaa kotimaisten lasereiden ylävirran komponenttien markkinaosuutta ja toisaalta ylävirran ydinkomponenttien lokalisoinnin myötä se voi parantaa kotimaisten laservalmistajien kykyä osallistua kansainväliseen kilpailuun.
(2) Lasersovellukset tunkeutuvat nopeammin ja laajemmalle
Ydinoptoelektronisten komponenttien asteittaisen lokalisoinnin ja lasersovelluskustannusten asteittaisen laskun myötä laserit tunkeutuvat syvemmälle monille teollisuudenaloille.
Toisaalta laserkäsittely sopii myös Kiinan valmistusteollisuuden kymmenen suurimman sovellusalueen joukkoon, ja laserkäsittelyn sovellusalueiden odotetaan laajenevan entisestään ja markkinoiden laajenevan tulevaisuudessa. Toisaalta kuljettajattomien järjestelmien, edistyneiden avustettujen ajojärjestelmien, palveluorientoituneiden robottien ja 3D-tunnistuksen kaltaisten teknologioiden jatkuvan suosion ja kehityksen myötä sitä sovelletaan yhä enemmän monilla aloilla, kuten autoteollisuudessa, tekoälyssä, kulutuselektroniikassa, kasvojentunnistuksessa, optisessa viestinnässä ja maanpuolustustutkimuksessa. Edellä mainittujen lasersovellusten ydinlaitteena tai komponenttina puolijohdelaser saa myös nopeasti kehitystilaa.
(3) Suurempi teho, parempi säteen laatu, lyhyempi aallonpituus ja nopeampi taajuussuunnan kehitys
Teollisuuslasereiden alalla kuitulaserit ovat edistyneet huomattavasti lähtötehon, säteen laadun ja kirkkauden suhteen niiden käyttöönoton jälkeen. Suurempi teho voi kuitenkin parantaa prosessointinopeutta, optimoida prosessoinnin laatua ja laajentaa prosessointikenttää raskaaseen teollisuuteen, autoteollisuuteen, ilmailu- ja avaruustekniikkaan, energiateollisuuteen, koneenrakennukseen, metallurgiaan, rautatieliikenteen rakentamiseen, tieteelliseen tutkimukseen ja muille sovellusaloille, kuten leikkaukseen, hitsaukseen, pintakäsittelyyn jne. Kuitulaserin tehovaatimukset kasvavat jatkuvasti. Vastaavien laitevalmistajien on jatkuvasti parannettava ydinlaitteiden (kuten suurtehoisten puolijohdelaserien ja vahvistuskuitujen) suorituskykyä. Kuitulaserin tehon lisääminen vaatii myös edistynyttä lasermodulaatioteknologiaa, kuten säteen yhdistämistä ja tehon synteesiä, mikä tuo uusia vaatimuksia ja haasteita suurtehoisten puolijohdelaserien valmistajille. Lisäksi lyhyemmät aallonpituudet, useammat aallonpituudet ja nopeammat (ultranopeat) laserit ovat myös tärkeä kehityssuunta. Niitä käytetään pääasiassa integroitujen piirien siruissa, näytöissä, kulutuselektroniikassa, ilmailu- ja avaruustekniikassa sekä muussa tarkkuusmikroprosessoinnissa, samoin kuin biotieteissä, lääketieteessä, anturiteollisuudessa ja muilla aloilla. Puolijohdelaserit asettavat myös uusia vaatimuksia.
(4) suurtehoisten laseroptoelektronisten komponenttien kysynnän odotetaan kasvavan edelleen
Suuritehoisen kuitulaserin kehitys ja teollistuminen on seurausta teollisuusketjun synergistisestä kehityksestä, joka vaatii keskeisten optoelektronisten komponenttien, kuten pumpun lähteen, isolaattorin, säteenkeskittimen jne., tukea. Suuritehoisessa kuitulasereissa käytetyt optoelektroniset komponentit ovat sen kehityksen ja tuotannon perusta ja avainkomponentit, ja suuritehoisen kuitulaserin kasvavat markkinat lisäävät myös keskeisten komponenttien, kuten suuritehoisten puolijohdelaserien, markkinoiden kysyntää. Samaan aikaan kotimaisen kuitulaserin teknologian jatkuvan parantamisen myötä tuonnin korvaamisesta on tullut väistämätön trendi, ja lasereiden markkinaosuus maailmassa kasvaa edelleen, mikä tuo myös suuria mahdollisuuksia optoelektronisten komponenttien valmistajien paikalliselle vahvuudelle.
Julkaisun aika: 07.03.2023
