1. Prehľad laserového priemyslu
(1) Úvod do laseru
Laser (zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia, skrátene LASER) je kolimovaný, monochromatický, koherentný, smerový lúč svetla, ktorý vzniká zosilnením svetelného žiarenia s úzkou frekvenciou prostredníctvom excitovanej spätnoväzbovej rezonancie a žiarenia.
Laserová technológia vznikla začiatkom 60. rokov 20. storočia a vďaka svojej úplne odlišnej povahe od bežného svetla sa laser čoskoro široko používal v rôznych oblastiach a hlboko ovplyvnil rozvoj a transformáciu vedy, techniky, hospodárstva a spoločnosti.
Zrod laseru dramaticky zmenil tvár starovekej optiky a rozšíril klasickú optickú fyziku na novú high-tech disciplínu, ktorá zahŕňa klasickú optiku aj modernú fotoniku a predstavuje nenahraditeľný príspevok 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 výskumu kondenzovaných látok Bose-Einstein, laserové funkčné materiály, výrobu laserov, výrobu laserových mikro-optoelektronických čipov, laserovú 3D tlač a viac ako 20 medzinárodných hraničných disciplín a technologických aplikácií. Katedra laserovej vedy a techniky (DSL) bola zriadená v nasledujúcich oblastiach.
V laserovom priemysle svet vstúpil do éry „ľahkej výroby“. Podľa medzinárodných štatistík laserového priemyslu 50 % ročného HDP Spojených štátov1 súvisí s rýchlym rozmachom trhu s laserovými aplikáciami na vysokej úrovni. Niekoľko rozvinutých krajín, zastúpených Spojenými štátmi, Nemeckom a Japonskom, v podstate dokončilo nahradenie tradičných procesov laserovým spracovaním v hlavných výrobných odvetviach, ako je automobilový a letecký priemysel. Laser v priemyselnej výrobe preukázal veľký potenciál pre nízkonákladové, vysoko kvalitné, vysoko efektívne a špeciálne výrobné aplikácie, ktoré nie je možné dosiahnuť konvenčnou výrobou, a stal sa dôležitým motorom 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 Pprincíp
Laser je zariadenie, ktoré využíva excitované žiarenie na produkciu viditeľného alebo neviditeľného svetla, so zložitou štruktúrou a vysokými technickými bariérami. Optický systém sa skladá hlavne z čerpacieho zdroja (excitačného zdroja), zosilňovacieho média (pracovnej látky) a rezonančnej dutiny a ďalších materiálov optického zariadenia. Ziskové médium je zdrojom generovania fotónov a absorbovaním energie generovanej čerpacím zdrojom prechádza zo základného stavu do excitovaného stavu. Keďže excitovaný stav je nestabilný, v tomto čase zosilňovacie médium uvoľňuje energiu a vracia sa do ustáleného stavu základného stavu. V tomto procese uvoľňovania energie zosilňovacie médium produkuje fotóny a tieto fotóny majú vysoký stupeň konzistencie v energii, vlnovej dĺžke a smere. Neustále sa odrážajú v optickej rezonančnej dutine, recipročne sa pohybujú, aby sa neustále zosilňovali a nakoniec vystreľovali laserový lúč cez reflektor, čím vytvárajú laserový lúč. Ako jadro optického systému koncového zariadenia, výkon laseru často priamo určuje kvalitu a výkon výstupného lúča laserového zariadenia, čo je hlavnou súčasťou koncového laserového zariadenia.
Čerpací zdroj (excitačný zdroj) poskytuje excitačnú energiu pre zosilňovacie médium. Ziskové médium je excitované a produkuje fotóny na generovanie a zosilňovanie laseru. Rezonančná dutina je miesto, kde sú regulované charakteristiky fotónov (frekvencia, fáza a smer prevádzky), aby sa dosiahol vysokokvalitný výstupný svetelný zdroj riadením fotónových kmitov v dutine. Čerpací zdroj (excitačný zdroj) poskytuje excitačnú energiu pre zosilňovacie médium. Ziskové médium je excitované a produkuje fotóny na generovanie a zosilňovanie laseru. Rezonančná dutina je miesto, kde sa upravujú charakteristiky fotónov (frekvencia, fáza a smer prevádzky), aby sa dosiahol vysokokvalitný výstupný svetelný zdroj riadením fotónových kmitov v dutine.
(3)Klasifikácia laserového zdroja
Laserové zdroje možno klasifikovať podľa zosilňovacieho média, výstupnej vlnovej dĺžky, prevádzkového režimu a režimu čerpania takto
① Klasifikácia podľa zosilňovacieho média
Podľa rôznych zosilňovacích médií možno lasery rozdeliť na tuhé (vrátane tuhých, polovodičových, vláknových, hybridných), kvapalinové lasery, plynové lasery atď.
| LaserZdrojTyp | Získajte médiá | Hlavné vlastnosti |
| Zdroj laseru v pevnej fáze | Pevné látky, polovodiče, optické vlákna, hybridné | Pekná stabilita, vysoký výkon, nízke náklady na údržbu, vhodné pre industrializáciu |
| Zdroj tekutého laseru | Chemické kvapaliny | Voliteľný rozsah vlnových dĺžok, ale veľká veľkosť a vysoké náklady na údržbu |
| Zdroj plynového laseru | Plyny | Vysokokvalitný laserový zdroj svetla, ale väčšia veľkosť a vyššie náklady na údržbu |
| Zdroj voľného elektrónového laseru | Elektrónový lúč v špecifickom magnetickom poli | Dá sa 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 tuhými lasermi majú polovodičové lasery výhody vysokej účinnosti, malých rozmerov, dlhej životnosti, nízkej spotreby energie atď. Na jednej strane sa dajú priamo použiť ako hlavný zdroj svetla a podpora pre laserové spracovanie, medicínu, komunikáciu, snímanie, zobrazovanie, monitorovanie a obranné aplikácie a stali sa dôležitým základom pre rozvoj modernej laserovej technológie so strategickým rozvojovým významom.
Na druhej strane, polovodičové lasery sa môžu použiť aj ako hlavný zdroj svetla pre iné lasery, ako sú napríklad pevnolátkové lasery a vláknové lasery, čo výrazne podporuje technologický pokrok v celej oblasti laserov. Všetky hlavné rozvinuté krajiny sveta ich zaradili do svojich národných rozvojových plánov, čím im poskytli silnú podporu a dosiahli rýchly rozvoj.
② Podľa spôsobu čerpania
Podľa spôsobu čerpania možno lasery rozdeliť na elektricky čerpané, opticky čerpané, chemicky čerpané lasery atď.
Elektricky čerpané lasery označujú lasery budené prúdom, plynové lasery sú budené prevažne výbojom v plyne, zatiaľ čo polovodičové lasery sú budené prevažne injekciou prúdu.
Takmer všetky lasery v pevnej fáze a kvapalinové lasery sú optické čerpacie lasery a polovodičové lasery sa používajú ako základný zdroj čerpania pre optické čerpacie lasery.
Chemicky čerpané lasery označujú lasery, ktoré využívajú energiu uvoľnenú z chemických reakcií na excitáciu pracovného materiálu.
③Klasifikácia podľa prevádzkového režimu
Lasery možno podľa ich spôsobu prevádzky rozdeliť na kontinuálne lasery a pulzné lasery.
Kontinuálne lasery majú stabilné rozloženie počtu častíc na každej energetickej úrovni a radiačného poľa v dutine a ich prevádzka je charakterizovaná budením pracovného materiálu a zodpovedajúcim laserovým výstupom kontinuálnym spôsobom počas dlhého časového obdobia. Kontinuálne lasery môžu vydávať laserové svetlo nepretržite počas dlhšieho časového obdobia, ale tepelný efekt je výraznejší.
Pulzné lasery sa vzťahujú na časové trvanie, počas ktorého sa laserový výkon udržiava na určitej hodnote a laserové svetlo vyžaruje diskontinuálne, 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 byť absorbované rôznymi štruktúrovanými materiálmi, je odlišný, takže na jemné spracovanie rôznych materiálov alebo pre rôzne aplikačné scenáre sú potrebné lasery s rôznymi vlnovými dĺžkami.Infračervené lasery a UV lasery sú dva najpoužívanejšie lasery. Infračervené lasery sa používajú hlavne pri „tepelnom spracovaní“, kde sa materiál na povrchu materiálu zahrieva a odparuje (vyparuje), aby sa materiál odstránil; pri spracovaní tenkých vrstiev nekovových materiálov, rezaní polovodičových doštičiek, rezaní organického skla, vŕtaní, značení a iných oblastiach, vysokoenergetické UV fotóny priamo rozbíjajú molekulárne väzby na povrchu nekovových materiálov, takže molekuly sa môžu oddeliť od predmetu, a táto metóda nespôsobuje vysokú tepelnú reakciu, preto sa zvyčajne nazýva „spracovanie za studena“.
Vzhľadom na vysokú energiu UV fotónov je ťažké generovať určitý vysokovýkonný kontinuálny UV laser pomocou externého excitačného zdroja, takže UV laser sa vo všeobecnosti generuje aplikáciou metódy nelineárnej konverzie frekvencie kryštalického materiálu, takže v súčasnosti sa v priemyselnej oblasti UV laserov bežne používajú najmä UV lasery v pevnej fáze.
(4) Priemyselný reťazec
Predchádzajúcim prúdom priemyselného reťazca je použitie polovodičových surovín, špičkových zariadení a súvisiaceho výrobného príslušenstva na výrobu laserových jadier a optoelektronických zariadení, čo je základný kameň laserového priemyslu a má vysoký prah prístupu. Stredným prúdom priemyselného reťazca je použitie predchádzajúcich laserových čipov a optoelektronických zariadení, modulov, optických komponentov atď. ako zdrojov čerpadiel na výrobu a predaj rôznych laserov vrátane priamych polovodičových laserov, laserov na báze oxidu uhličitého, laserov v pevnej fáze, vláknových laserov atď.; následný priemysel sa vzťahuje najmä na oblasti použitia rôznych laserov vrátane priemyselných spracovateľských zariadení, LIDAR, optickej komunikácie, lekárskej a kozmetickej starostlivosti a iných aplikačných odvetví.
①Dodávatelia v hornej časti vlákna
Suroviny pre vstupné produkty, ako sú polovodičové laserové čipy, zariadenia a moduly, sú hlavne rôzne čipové materiály, vláknité materiály a obrábané diely vrátane substrátov, chladičov, chemikálií a krytov. Spracovanie čipov si vyžaduje vysokú kvalitu a výkon vstupných surovín, najmä od zahraničných dodávateľov, ale stupeň lokalizácie sa postupne zvyšuje a postupne sa dosahuje nezávislá kontrola. Výkon hlavných vstupných surovín má priamy vplyv na kvalitu polovodičových laserových čipov a neustále zlepšovanie výkonu rôznych čipových materiálov zohráva pozitívnu úlohu pri zlepšovaní výkonu produktov v tomto odvetví.
②Reťazec stredného prúdu
Polovodičový laserový čip je jadrom svetelného zdroja čerpadiel rôznych typov laserov v strednom prúde priemyselného reťazca a zohráva pozitívnu úlohu pri podpore rozvoja stredných prúdových laserov. V oblasti stredných prúdových laserov dominujú Spojené štáty, Nemecko a ďalšie zahraničné podniky, ale po rýchlom rozvoji domáceho laserového priemyslu v posledných rokoch dosiahol stredný prúdový trh priemyselného reťazca rýchlu domácu substitúciu.
③Priemyselný reťazec po prúde
Následný priemysel zohráva väčšiu úlohu pri podpore rozvoja odvetvia, takže rozvoj tohto odvetvia bude mať priamy vplyv na trhový priestor tohto odvetvia. Neustály rast čínskej ekonomiky a vznik strategických príležitostí pre ekonomickú transformáciu vytvorili lepšie podmienky pre rozvoj tohto odvetvia. Čína sa mení z výrobnej krajiny na výrobnú veľmoc a následné lasery a laserové zariadenia sú jedným z kľúčov k modernizácii výrobného priemyslu, čo poskytuje dobré prostredie dopytu pre dlhodobé zlepšenie tohto odvetvia. Požiadavky následného priemyslu na výkonnostný index polovodičových laserových čipov a ich zariadení sa zvyšujú a domáce podniky postupne vstupujú na trh s vysokovýkonnými lasermi z trhu s nízkovýkonnými lasermi, takže odvetvie musí neustále zvyšovať investície do oblasti technologického výskumu a vývoja a nezávislých inovácií.
2. Stav rozvoja polovodičového laserového priemyslu
Polovodičové lasery majú najlepšiu účinnosť premeny energie spomedzi všetkých druhov laserov. Na jednej strane sa dajú použiť ako hlavný zdroj čerpacieho výkonu optických vláknových laserov, laserov v pevnej fáze a iných optických čerpacích laserov. Na druhej strane, s neustálym prelomom v technológii polovodičových laserov, pokiaľ ide o energetickú účinnosť, jas, životnosť, viacvlnovú dĺžku, modulačnú rýchlosť atď., sa polovodičové lasery široko používajú v spracovaní materiálov, medicíne, optickej komunikácii, optickom snímaní, obrane atď. Podľa Laser Focus World sa celkové globálne príjmy z diódových laserov, t. j. polovodičových a nediódových laserov, odhadujú na 18 480 miliónov dolárov v roku 2021, pričom polovodičové lasery predstavujú 43 % z celkových príjmov.
Podľa spoločnosti Laser Focus World dosiahne globálny trh s polovodičovými lasermi v roku 2020 hodnotu 6 724 miliónov dolárov, čo predstavuje nárast o 14,20 % oproti predchádzajúcemu roku. S rozvojom globálnej inteligencie, rastúcim dopytom po laseroch v inteligentných zariadeniach, spotrebnej elektronike, novej energii a ďalších oblastiach, ako aj s pokračujúcim rozširovaním medicínskych, kozmetických zariadení a ďalších vznikajúcich aplikácií, sa polovodičové lasery môžu používať ako zdroj energie pre optické čerpacie lasery a ich trhová veľkosť si bude naďalej udržiavať stabilný rast. V roku 2021 dosiahla globálna trhová veľkosť polovodičových laserov 7,946 miliardy dolárov, čo predstavuje mieru rastu trhu 18,18 %.
Vďaka spoločnému úsiliu technických expertov, podnikov a odborníkov dosiahol čínsky priemysel polovodičových laserov mimoriadny rozvoj, vďaka čomu prešiel procesom od základov a vznikol prototyp čínskeho priemyslu polovodičových laserov. V posledných rokoch Čína zvýšila rozvoj laserového priemyslu a rôzne regióny sa pod vedením vlády a v spolupráci s laserovými podnikmi venujú vedeckému výskumu, zdokonaľovaniu technológií, rozvoju trhu a výstavbe laserových priemyselných parkov.
3. Trend budúceho vývoja čínskeho laserového priemyslu
V porovnaní s rozvinutými krajinami v Európe a Spojených štátoch čínska laserová technológia nezaostáva, ale v aplikácii laserovej technológie a špičkovej jadrovej technológie stále existuje značná medzera, najmä polovodičové laserové čipy a ďalšie jadrové komponenty sú stále závislé od dovozu.
Rozvinuté krajiny zastúpené Spojenými štátmi, Nemeckom a Japonskom v podstate dokončili nahradenie tradičných výrobných technológií v niektorých veľkých priemyselných odvetviach a vstúpili do éry „ľahkej výroby“. Hoci rozvoj laserových aplikácií v Číne je rýchly, miera penetrácie aplikácií je stále relatívne nízka. Ako základná technológia priemyselnej modernizácie bude laserový priemysel naďalej kľúčovou oblasťou národnej podpory a bude naďalej rozširovať rozsah použitia a v konečnom dôsledku posunie čínsky výrobný priemysel do éry „ľahkej výroby“. Zo súčasnej vývojovej situácie vyplýva, že rozvoj čínskeho laserového priemyslu vykazuje nasledujúce vývojové trendy.
(1) Polovodičový laserový čip a ďalšie základné komponenty postupne dosahujú lokalizáciu
Vezmime si ako príklad vláknový laser, vysokovýkonný zdroj vláknového laserového čerpadla je hlavnou oblasťou použitia polovodičového laseru, vysokovýkonný polovodičový laserový čip a modul sú dôležitou súčasťou vláknového laseru. V posledných rokoch sa čínsky priemysel optických vláknových laserov rýchlo rozvíja a stupeň lokalizácie sa z roka na rok zvyšuje.
Pokiaľ ide o penetráciu trhu, na trhu s nízkovýkonnými vláknovými lasermi dosiahol podiel domácich laserov v roku 2019 99,01 %; na trhu so stredne výkonnými vláknovými lasermi sa miera penetrácie domácich laserov v posledných rokoch udržala na viac ako 50 %; proces lokalizácie vysokovýkonných vláknových laserov tiež postupne napreduje, od roku 2013 do roku 2019 sa dosiahol „od nuly“. Proces lokalizácie vysokovýkonných vláknových laserov tiež postupne napreduje, od roku 2013 do roku 2019 dosiahol mieru penetrácie 55,56 % a očakáva sa, že domáca miera penetrácie vysokovýkonných vláknových laserov v roku 2020 dosiahne 57,58 %.
Základné komponenty, ako sú napríklad vysokovýkonné polovodičové laserové čipy, sú však stále závislé od dovozu a komponenty laserov s polovodičovými laserovými čipmi ako jadrom sa postupne lokalizujú, čo na jednej strane zlepšuje trhový rozsah komponentov domácich laserov a na druhej strane, s lokalizáciou komponentov jadra, môže zlepšiť schopnosť domácich výrobcov laserov zúčastňovať sa na medzinárodnej konkurencii.
(2) Laserové aplikácie prenikajú rýchlejšie a širšie
S postupnou lokalizáciou hlavných optoelektronických komponentov a postupným znižovaním nákladov na laserové aplikácie budú lasery prenikať hlbšie do mnohých priemyselných odvetví.
Na jednej strane patrí laserové spracovanie v Číne medzi desať najvýznamnejších oblastí použitia v čínskom výrobnom priemysle a očakáva sa, že oblasti použitia laserového spracovania sa v budúcnosti ďalej rozšíria a rozsah trhu sa ešte viac zvýši. Na druhej strane, s neustálou popularizáciou a vývojom technológií, ako sú bezpilotné vozidlá, pokročilé asistenčné systémy riadenia, servisne orientované roboty, 3D snímanie atď., sa bude čoraz viac uplatňovať v mnohých oblastiach, ako je automobilový priemysel, umelá inteligencia, spotrebná elektronika, rozpoznávanie tvárí, optická komunikácia a výskum národnej obrany. Ako základné zariadenie alebo súčasť vyššie uvedených laserových aplikácií získa polovodičový laser tiež priestor na 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 zavedenia veľký pokrok, čo sa týka výstupného výkonu, kvality lúča a jasu. Vyšší výkon však môže zlepšiť rýchlosť spracovania, optimalizovať kvalitu spracovania a rozšíriť oblasť spracovania na ťažký priemysel. V automobilovom priemysle, leteckom priemysle, energetike, strojárstve, metalurgii, železničnej doprave, vedeckom výskume a ďalších oblastiach použitia, ako je rezanie, zváranie, povrchová úprava atď., sa požiadavky na výkon vláknových laserov neustále zvyšujú. Výrobcovia príslušných zariadení musia neustále zlepšovať výkon svojich základných zariadení (ako sú vysokovýkonné polovodičové laserové čipy a ziskové vlákna). Zvýšenie výkonu vláknových laserov si vyžaduje aj pokročilú technológiu laserovej modulácie, ako je kombinovanie lúčov a syntéza výkonu, čo prinesie nové požiadavky a výzvy pre výrobcov vysokovýkonných polovodičových laserových čipov. Dôležitým smerom je aj vývoj kratších a väčších vlnových dĺžok a rýchlejších (ultrarýchlych) laserov, ktoré sa používajú najmä v integrovaných obvodoch, displejoch, spotrebnej elektronike, leteckom priemysle a iných presných mikroprocesoroch, ako aj v biologických vedách, medicíne, senzorike a iných oblastiach. Polovodičové laserové čipy tiež kladú nové požiadavky.
(4) ďalší rast dopytu po vysokovýkonných laserových optoelektronických súčiastkach
Vývoj a industrializácia vysokovýkonných vláknových laserov je výsledkom synergického pokroku priemyselného reťazca, ktorý si vyžaduje podporu základných optoelektronických komponentov, ako sú zdroj čerpadla, izolátor, koncentrátor lúča atď. Optoelektronické komponenty používané vo vysokovýkonných vláknových laseroch sú základom a kľúčovými komponentmi ich vývoja a výroby a rozširujúci sa trh s vysokovýkonnými vláknovými lasermi tiež poháňa dopyt po základných komponentoch, ako sú vysokovýkonné polovodičové laserové čipy. Zároveň sa s neustálym zlepšovaním domácej technológie vláknových laserov stala nevyhnutným trendom substitúcia dovozu a podiel laserov na svetovom trhu sa bude naďalej zlepšovať, čo prináša aj veľké príležitosti pre lokálnu silu výrobcov optoelektronických komponentov.
Čas uverejnenia: 7. marca 2023
