1. Prehľad laserového priemyslu
(1) Úvod do lasera
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, skrátene LASER) je kolimovaný, monochromatický, koherentný, smerový lúč svetla produkovaný zosilnením svetelného žiarenia s úzkou frekvenciou prostredníctvom excitovanej spätnoväzbovej rezonancie a žiarenia.
Laserová technológia vznikla začiatkom 60. rokov 20. storočia a pre svoju úplne odlišnú povahu od bežného svetla sa laser čoskoro začal široko používať v rôznych oblastiach a hlboko ovplyvnil rozvoj a transformáciu vedy, techniky, ekonomiky a spoločnosti.
Zrodenie lasera dramaticky zmenilo tvár starodávnej optiky, rozšírilo klasickú optickú fyziku na novú high-tech disciplínu, ktorá zahŕňa klasickú optiku aj modernú fotoniku, čím nenahraditeľne prispieva k rozvoju ľudskej ekonomiky a spoločnosti. Výskum laserovej fyziky prispel k rozkvetu dvoch hlavných odvetví modernej fotonickej fyziky: energetickej fotoniky a informačnej fotoniky. Zahŕňa nelineárnu optiku, kvantovú optiku, kvantové výpočty, laserové snímanie a komunikáciu, fyziku laserovej plazmy, laserovú chémiu, laserovú biológiu, laserovú medicínu, ultrapresnú laserovú spektroskopiu a metrológiu, laserovú atómovú fyziku vrátane laserového chladenia a Bose-Einsteinov výskum kondenzovaných látok , laserové funkčné materiály, laserová výroba, výroba laserových mikro-optoelektronických čipov, laserová 3D tlač a viac ako 20 medzinárodných hraničných disciplín a technologických aplikácií. Katedra laserovej vedy a techniky (DSL) bola zriadená v nasledujúcich oblastiach.
V odvetví výroby laserov svet vstúpil do éry „ľahkej výroby“, podľa medzinárodných štatistík laserového priemyslu 50 % ročného HDP Spojených štátov1 súvisí s rýchlym rozšírením trhu s laserovými aplikáciami na vysokej úrovni. Viaceré vyspelé krajiny zastúpené Spojenými štátmi, Nemeckom a Japonskom v podstate dokončili nahradenie tradičných procesov laserovým spracovaním vo veľkých výrobných odvetviach, akými sú automobilový priemysel a letectvo. Laser v priemyselnej výrobe ukázal veľký potenciál pre nízkonákladové, vysokokvalitné, vysokoúčinné a špeciálne výrobné aplikácie, ktoré nemožno dosiahnuť konvenčnou výrobou, a stal sa dôležitou hnacou silou konkurencie a inovácií medzi hlavnými priemyselnými krajinami sveta. Krajiny aktívne podporujú laserovú technológiu ako jednu zo svojich najdôležitejších špičkových technológií a vypracovali národné plány rozvoja laserového priemyslu.
(2)LaserZdroj Pzásada
Laser je zariadenie, ktoré využíva excitované žiarenie na vytváranie viditeľného alebo neviditeľného svetla so zložitou štruktúrou a vysokými technickými bariérami. Optický systém sa skladá hlavne zo zdroja pumpy (budiaci zdroj), zosilňovacieho média (pracovná látka) a rezonančnej dutiny a iných materiálov optických zariadení. Zosilňovacie médium je zdrojom generovania fotónov a absorbovaním energie generovanej čerpacím zdrojom, zosilňovacie médium preskočí zo základného stavu do excitovaného stavu. Pretože excitovaný stav je nestabilný, v tomto čase zosilňovacie médium uvoľní energiu, aby sa vrátilo do rovnovážneho stavu základného stavu. V tomto procese uvoľňovania energie produkuje zosilňovacie médium fotóny a tieto fotóny majú vysoký stupeň konzistencie energie, vlnovej dĺžky a smeru, neustále sa odrážajú v optickej rezonančnej dutine, recipročným pohybom, aby sa neustále zosilňovali a nakoniec vystreľte laser cez reflektor a vytvorte laserový lúč. Ako hlavný optický systém koncového zariadenia, výkon lasera často priamo určuje kvalitu a výkon výstupného lúča laserového zariadenia, je hlavnou súčasťou koncového laserového zariadenia.
Zdroj pumpy (budiaci zdroj) zabezpečuje budenie energie do zosilňovacieho média. Zosilňovacie médium je excitované, aby produkovalo fotóny na generovanie a zosilnenie lasera. Rezonančná dutina je miesto, kde sa regulujú charakteristiky fotónu (frekvencia, fáza a smer činnosti), aby sa získal vysokokvalitný výstupný svetelný zdroj riadením kmitov fotónov v dutine. Zdroj pumpy (budiaci zdroj) zabezpečuje budenie energie pre médium zosilnenia. Zosilňovacie médium je excitované, aby produkovalo fotóny na generovanie a zosilnenie lasera. Rezonančná dutina je miesto, kde sa upravujú charakteristiky fotónu (frekvencia, fáza a smer činnosti), aby sa získal vysoko kvalitný výstupný svetelný zdroj riadením kmitov fotónov v dutine.
(3)Klasifikácia laserového zdroja
Laserový zdroj možno klasifikovať podľa média zosilnenia, výstupnej vlnovej dĺžky, prevádzkového režimu a režimu čerpania, a to nasledovne
① Klasifikácia podľa média zisku
Podľa rôznych médií zisku možno lasery rozdeliť na pevné (vrátane pevných, polovodičových, vláknových, hybridných), kvapalinové lasery, plynové lasery atď.
| LaserZdrojTyp | Získajte médiá | Hlavné vlastnosti |
| Pevný laserový zdroj | Pevné látky, Polovodiče, Vláknová optika, Hybrid | Pekná stabilita, vysoký výkon, nízke náklady na údržbu, vhodné na industrializáciu |
| Kvapalný laserový zdroj | Chemické kvapaliny | Voliteľný rozsah vlnových dĺžok, ale veľké rozmery a vysoké náklady na údržbu |
| Zdroj plynového lasera | Plyny | Vysoko kvalitný laserový svetelný zdroj, ale väčšia veľkosť a vyššie náklady na údržbu |
| Bezplatný zdroj elektrónového lasera | Elektrónový lúč v špecifickom magnetickom poli | Je možné dosiahnuť ultravysoký výkon a vysokokvalitný laserový výstup, ale výrobná technológia a výrobné náklady sú veľmi vysoké |
Vďaka dobrej stabilite, vysokému výkonu a nízkym nákladom na údržbu má použitie pevnolátkových laserov absolútnu výhodu.
Medzi pevnolátkovými lasermi majú polovodičové lasery výhody vo vysokej účinnosti, malých rozmeroch, dlhej životnosti, nízkej spotrebe energie atď. Na jednej strane môžu byť priamo aplikované ako hlavný zdroj svetla a podpora pre laserové spracovanie, medicínske, komunikačné, snímacie, zobrazovacie, monitorovacie a obranné aplikácie a stali sa dôležitým základom pre rozvoj modernej laserovej technológie so strategickým rozvojovým významom.
Na druhej strane, polovodičové lasery môžu byť tiež použité ako hlavný zdroj svetla pre iné lasery, ako sú pevnolátkové lasery a vláknové lasery, čo výrazne podporuje technologický pokrok celého laserového poľa. Všetky hlavné rozvinuté krajiny sveta ju zahrnuli do svojich národných plánov rozvoja, čím poskytli silnú podporu a dosiahli rýchly rozvoj.
② Podľa spôsobu čerpania
Podľa spôsobu čerpania možno lasery rozdeliť na elektricky čerpané, opticky čerpané, chemicky čerpané atď.
Elektricky čerpané lasery označujú lasery excitované prúdom, plynové lasery sú väčšinou excitované plynovým výbojom, zatiaľ čo polovodičové lasery sú väčšinou excitované vstrekovaním prúdu.
Takmer všetky lasery v tuhom stave a kvapalinové lasery sú lasery s optickou pumpou a polovodičové lasery sa používajú ako hlavný čerpací zdroj pre lasery s optickou pumpou.
Chemicky čerpané lasery označujú lasery, ktoré využívajú energiu uvoľnenú z chemických reakcií na excitáciu pracovného materiálu.
③Klasifikácia podľa prevádzkového režimu
Lasery možno rozdeliť na kontinuálne lasery a pulzné lasery podľa spôsobu ich činnosti.
Kontinuálne lasery majú stabilnú distribúciu počtu častíc na každej energetickej úrovni a radiačného poľa v dutine a ich činnosť je charakterizovaná excitáciou pracovného materiálu a zodpovedajúcim výstupom lasera kontinuálnym spôsobom počas dlhého časového obdobia. . Kontinuálne lasery môžu vyžarovať laserové svetlo nepretržite dlhší čas, ale tepelný efekt je zrejmejší.
Pulzné lasery označujú dobu trvania, keď sa výkon lasera udržiava na určitej hodnote a výstup laserového svetla je prerušovaný, s hlavnými charakteristikami malého tepelného efektu a dobrej ovládateľnosti.
④ Klasifikácia podľa výstupnej vlnovej dĺžky
Lasery možno klasifikovať podľa vlnovej dĺžky ako infračervené lasery, viditeľné lasery, ultrafialové lasery, hlboké ultrafialové lasery atď. Rozsah vlnových dĺžok svetla, ktoré môžu absorbovať rôzne štruktúrované materiály, je rôzny, preto sú potrebné lasery rôznych vlnových dĺžok na jemné spracovanie rôznych materiálov alebo na rôzne aplikačné scenáre.Infračervené lasery a UV lasery sú dva najpoužívanejšie lasery. Infračervené lasery sa používajú najmä pri „tepelnom spracovaní“, kde sa materiál na povrchu materiálu zahrieva a odparuje (odparuje), aby sa materiál odstránil; pri spracovaní tenkovrstvových nekovových materiálov, rezaní polovodičových plátkov, rezaní organického skla, vŕtaní, označovaní a iných oblastiach, vysoká energia V oblasti spracovania tenkovrstvových nekovových materiálov, rezanie polovodičových plátkov, rezanie organického skla, vŕtanie, značenie, atď., vysokoenergetické UV fotóny priamo rozbíjajú molekulárne väzby na povrchu nekovových materiálov, takže molekuly môžu byť oddelené od objektu a táto metóda nevyvoláva vysokú tepelnú reakciu, takže sa zvyčajne nazýva „studená“. spracovanie“.
Kvôli vysokej energii UV fotónov je ťažké generovať určitý vysokovýkonný kontinuálny UV laser externým zdrojom excitácie, takže UV laser sa vo všeobecnosti generuje aplikáciou metódy frekvenčnej konverzie s nelineárnym efektom kryštálového materiálu, takže sa bežne používa prúd. priemyselnej oblasti UV laserov sú hlavne pevné UV lasery.
(4) Priemyselný reťazec
Pred priemyselným reťazcom je použitie polovodičových surovín, špičkových zariadení a súvisiaceho výrobného príslušenstva na výrobu laserových jadier a optoelektronických zariadení, čo je základným kameňom laserového priemyslu a má vysoký prah prístupu. Stredným prúdom priemyselného reťazca je použitie predradených laserových čipov a optoelektronických zariadení, modulov, optických komponentov atď. ako čerpacích zdrojov na výrobu a predaj rôznych laserov, vrátane priamych polovodičových laserov, laserov na oxid uhličitý, pevnolátkových laserov, vláknové lasery atď.; nadväzujúci priemysel sa týka hlavne oblastí použitia rôznych laserov, vrátane zariadení na priemyselné spracovanie, LIDAR, optickej komunikácie, lekárskej krásy a iných aplikačných odvetví
①Predchádzajúci dodávatelia
Suroviny pre upstream produkty, ako sú polovodičové laserové čipy, zariadenia a moduly, sú najmä rôzne materiály čipov, vláknité materiály a opracované časti vrátane substrátov, chladičov, chemikálií a súprav krytov. Spracovanie čipov si vyžaduje vysokú kvalitu a výkonnosť vstupných surovín, hlavne od zahraničných dodávateľov, ale stupeň lokalizácie sa postupne zvyšuje a postupne sa dosahuje nezávislá kontrola. Výkon hlavných upstream surovín má priamy vplyv na kvalitu polovodičových laserových čipov, pričom neustále zlepšovanie výkonu rôznych čipových materiálov na zlepšenie výkonu priemyselných produktov zohráva pozitívnu úlohu pri propagácii.
②Stredný priemyselný reťazec
Polovodičový laserový čip je hlavným zdrojom svetla čerpadla rôznych typov laserov v strednom prúde priemyselného reťazca a zohráva pozitívnu úlohu pri podpore vývoja strednoprúdových laserov. V oblasti strednoprúdových laserov dominujú Spojené štáty, Nemecko a ďalšie zámorské podniky, ale po rýchlom rozvoji domáceho laserového priemyslu v posledných rokoch dosiahol stredný trh priemyselného reťazca rýchlu domácu substitúciu.
③Priemyselný reťazec po prúde
Nadväzujúce odvetvie má väčšiu úlohu pri podpore rozvoja odvetvia, takže rozvoj nadväzujúceho odvetvia priamo ovplyvní trhový priestor odvetvia. Neustály rast čínskej ekonomiky a vznik strategických príležitostí na ekonomickú transformáciu vytvorili lepšie podmienky rozvoja pre rozvoj tohto odvetvia. Čína sa presúva z výrobnej krajiny na výrobnú veľmoc a nadväzujúce lasery a laserové zariadenia sú jedným z kľúčov k modernizácii výrobného priemyslu, ktorý poskytuje dobré dopytové prostredie pre dlhodobé zlepšovanie tohto odvetvia. Požiadavky následného priemyslu na index výkonu polovodičových laserových čipov a ich zariadení sa zvyšujú a domáce podniky postupne vstupujú na trh s vysokovýkonnými lasermi z trhu s nízkovýkonnými lasermi, takže priemysel musí neustále zvyšovať investície do oblasti technologického výskumu. a nezávislých inovácií.
2. stav rozvoja priemyslu polovodičových laserov
Polovodičové lasery majú najlepšiu účinnosť premeny energie spomedzi všetkých druhov laserov, na jednej strane môžu byť použité ako zdroj jadrového čerpadla laserov s optickými vláknami, pevnolátkových laserov a iných laserov s optickými čerpadlami. Na druhej strane, s neustálym prelomom technológie polovodičových laserov, pokiaľ ide o energetickú účinnosť, jas, životnosť, viacvlnovú dĺžku, rýchlosť modulácie atď., Polovodičové lasery sa široko používajú v spracovaní materiálov, medicíne, optickej komunikácii, optickom snímaní, obrana atď. Podľa Laser Focus World sa celkové globálne príjmy z diódových laserov, tj polovodičových laserov a nediódových laserov, odhadujú na 18 480 miliónov USD v roku 2021, pričom polovodičové lasery budú predstavovať 43 % celkových príjmov.
Podľa Laser Focus World bude globálny trh s polovodičovými lasermi v roku 2020 predstavovať 6 724 miliónov dolárov, čo je o 14,20 % viac ako v predchádzajúcom roku. S rozvojom globálnej inteligencie, rastúcim dopytom po laseroch v inteligentných zariadeniach, spotrebnej elektronike, novej energii a iných oblastiach, ako aj pokračujúcim rozširovaním zdravotníckych, kozmetických zariadení a ďalších nových aplikácií možno polovodičové lasery použiť ako zdroj čerpadiel. pre lasery s optickou pumpou a jej veľkosť trhu si bude aj naďalej udržiavať stabilný rast. Globálny trh s polovodičovými lasermi v roku 2021 s veľkosťou 7,946 miliardy USD, miera rastu trhu 18,18 %.
Vďaka spoločnému úsiliu technických odborníkov a podnikov a odborníkov dosiahol čínsky polovodičový laserový priemysel mimoriadny rozvoj, takže čínsky polovodičový laserový priemysel zažil tento proces od nuly a začiatok prototypu čínskeho polovodičového laserového priemyslu. V posledných rokoch Čína zvýšila rozvoj laserového priemyslu a rôzne regióny sa venovali vedeckému výskumu, zlepšovaniu technológií, rozvoju trhu a výstavbe laserových priemyselných parkov pod vedením vlády a spolupráci laserových podnikov.
3. Budúci vývojový trend čínskeho laserového priemyslu
V porovnaní s rozvinutými krajinami v Európe a Spojených štátoch nie je čínska laserová technológia oneskorená, ale v aplikácii laserovej technológie a špičkovej jadrovej technológie stále existuje značná medzera, najmä predradený polovodičový laserový čip a ďalšie základné komponenty sú stále závislé od dovozu.
Vyspelé krajiny zastúpené USA, Nemeckom a Japonskom v podstate dokončili nahradenie tradičnej výrobnej technológie v niektorých veľkých priemyselných oblastiach a vstúpili do éry „ľahkej výroby“; Hoci vývoj laserových aplikácií v Číne je rýchly, miera penetrácie aplikácií je stále relatívne nízka. Ako základná technológia priemyselnej modernizácie bude laserový priemysel aj naďalej kľúčovou oblasťou národnej podpory a bude pokračovať v rozširovaní rozsahu aplikácie a v konečnom dôsledku propaguje čínsky výrobný priemysel do éry „ľahkej výroby“. Zo súčasnej vývojovej situácie ukazuje vývoj čínskeho laserového priemyslu nasledovné vývojové trendy.
(1) Polovodičový laserový čip a ďalšie základné komponenty postupne realizujú lokalizáciu
Vezmite si vláknový laser ako príklad, zdroj vysokovýkonného vláknového laserového čerpadla je hlavnou oblasťou použitia polovodičového lasera, vysokovýkonný polovodičový laserový čip a modul je dôležitou súčasťou vláknového lasera. V posledných rokoch je čínsky laserový priemysel s optickými vláknami v štádiu rýchleho rastu a stupeň lokalizácie sa z roka na rok zvyšuje.
Pokiaľ ide o prenikanie na trh, na trhu s vláknovými lasermi s nízkym výkonom dosiahol trhový podiel domácich laserov v roku 2019 99,01 %; na trhu s vláknovými lasermi so stredným výkonom sa miera penetrácie domácich laserov v posledných rokoch udržiavala na viac ako 50 %; lokalizačný proces vysokovýkonných vláknových laserov tiež postupne napreduje, od roku 2013 do roku 2019 dosiahnuť „od nuly“. Proces lokalizácie vysokovýkonných vláknových laserov tiež postupne napreduje, od roku 2013 do roku 2019, a dosiahol mieru penetrácie 55,56 % a domáca miera penetrácie vysokovýkonných vláknových laserov sa očakáva v roku 2020 na úrovni 57,58 %.
Hlavné komponenty, ako sú vysokovýkonné polovodičové laserové čipy, sú však stále závislé od dovozu a postupne sa lokalizujú nadradené komponenty laserov s polovodičovými laserovými čipmi ako jadro, čo na jednej strane zlepšuje trhový rozsah nadradených komponentov domáce lasery, a na druhej strane, s lokalizáciou upstream core komponentov môže zlepšiť schopnosť domácich výrobcov laserov zúčastniť sa na medzinárodnej konkurencii.
(2) Laserové aplikácie prenikajú rýchlejšie a širšie
S postupnou lokalizáciou upstream základných optoelektronických komponentov a postupným znižovaním nákladov na laserové aplikácie preniknú lasery hlbšie do mnohých priemyselných odvetví.
Na jednej strane, pre Čínu, laserové spracovanie tiež zapadá do prvej desiatky aplikačných oblastí čínskeho výrobného priemyslu a očakáva sa, že aplikačné oblasti laserového spracovania sa budú ďalej rozširovať a trhová miera sa bude v budúcnosti ďalej rozširovať. Na druhej strane, s neustálou popularizáciou a vývojom technológií, ako je pokročilý asistovaný systém riadenia bez vodiča, servisne orientovaný robot, 3D snímanie atď., sa bude viac uplatňovať v mnohých oblastiach, ako je automobil, umelá inteligencia, spotrebná elektronika. , rozpoznávanie tvárí, optická komunikácia a výskum národnej obrany. Ako základné zariadenie alebo komponent vyššie uvedených laserových aplikácií získa polovodičový laser tiež priestor pre rýchly rozvoj.
(3) Vyšší výkon, lepšia kvalita lúča, kratšia vlnová dĺžka a rýchlejší vývoj smeru frekvencie
V oblasti priemyselných laserov dosiahli vláknové lasery od svojho uvedenia veľký pokrok z hľadiska výstupného výkonu, kvality lúča a jasu. Vyšší výkon však môže zvýšiť rýchlosť spracovania, optimalizovať kvalitu spracovania a rozšíriť oblasť spracovania na výrobu ťažkého priemyslu, v automobilovej výrobe, leteckej a kozmickej výrobe, energetike, strojárskej výrobe, metalurgii, stavbe železničnej dopravy, vedeckom výskume a ďalších oblastiach použitia pri rezaní. , zváranie, povrchová úprava atď., požiadavky na výkon vláknového lasera sa naďalej zvyšujú. Výrobcovia zodpovedajúcich zariadení musia neustále zlepšovať výkon základných zariadení (ako je vysokovýkonný polovodičový laserový čip a ziskové vlákno), zvýšenie výkonu vláknového lasera tiež vyžaduje pokročilú technológiu laserovej modulácie, ako je kombinovanie lúčov a syntéza energie, čo prinesie nové požiadavky. a výzvy pre výrobcov vysokovýkonných polovodičových laserových čipov. Okrem toho je dôležitým smerom kratšie vlnové dĺžky, viac vlnových dĺžok, rýchlejší (ultrarýchly) vývoj laserov, ktorý sa používa najmä v čipoch integrovaných obvodov, displejoch, spotrebnej elektronike, leteckom a kozmickom priemysle a inom precíznom mikroprocesovaní, ako aj v biologických vedách, medicíne, snímaní a iných polovodičový laserový čip tiež kladie nové požiadavky.
(4) dopyt po vysokovýkonných laserových optoelektronických komponentoch na ďalší rast
Vývoj a industrializácia vysokovýkonného vláknového lasera je výsledkom synergického pokroku priemyselného reťazca, ktorý si vyžaduje podporu základných optoelektronických komponentov, ako je zdroj čerpadla, izolátor, koncentrátor lúča atď. Optoelektronické komponenty používané vo vysokovýkonných vláknové lasery sú základom a kľúčovými komponentmi jeho vývoja a výroby a rozširujúci sa trh vysokovýkonných vláknových laserov tiež poháňa dopyt na trhu po základných komponentoch, ako sú vysokovýkonné polovodičové laserové čipy. Súčasne s neustálym zlepšovaním domácej vláknovej laserovej technológie sa nahradenie dovozu stalo nevyhnutným trendom, podiel na trhu laserov vo svete sa bude naďalej zlepšovať, čo tiež prináša veľké príležitosti pre lokálnu silu výrobcov optoelektronických komponentov.
Čas odoslania: Mar-07-2023
