1. Pregled industrije lasera
(1) Uvod u laser
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, skraćeno LASER) je kolimirana, monokromatska, koherentna, usmjerena zraka svjetlosti proizvedena pojačanjem svjetlosnog zračenja na uskoj frekvenciji putem pobuđene povratne rezonancije i zračenja.
Laserska tehnologija nastala je ranih šezdesetih godina prošlog stoljeća, a zbog svoje potpuno drugačije prirode od obične svjetlosti, laser je ubrzo dobio široku primjenu u raznim područjima te je duboko utjecao na razvoj i transformaciju znanosti, tehnologije, gospodarstva i društva.
Rođenje lasera dramatično je promijenilo lice drevne optike, proširivši klasičnu optičku fiziku u novu visokotehnološku disciplinu koja obuhvaća i klasičnu optiku i modernu fotoniku, dajući nezamjenjiv doprinos razvoju ljudskog gospodarstva i društva. Istraživanje laserske fizike pridonijelo je procvatu dviju glavnih grana moderne fotonske fizike: energetske fotonike i informacijske fotonike. Obuhvaća nelinearnu optiku, kvantnu optiku, kvantno računalstvo, lasersko očitavanje i komunikaciju, fiziku laserske plazme, lasersku kemiju, lasersku biologiju, lasersku medicinu, ultrapreciznu lasersku spektroskopiju i mjeriteljstvo, lasersku atomsku fiziku uključujući lasersko hlađenje i Bose-Einsteinovo istraživanje kondenzirane tvari , laserski funkcionalni materijali, laserska proizvodnja, laserska proizvodnja mikro-optoelektroničkih čipova, laserski 3D ispis i više od 20 međunarodnih graničnih disciplina i tehnoloških primjena. Odjel za lasersku znanost i tehnologiju (DSL) osnovan je u sljedećim područjima.
U industriji proizvodnje lasera, svijet je ušao u eru "proizvodnje svjetlosti", prema međunarodnoj statistici industrije lasera, 50% godišnjeg BDP-a Sjedinjenih Država1 povezano je s brzim širenjem tržišta laserskih aplikacija visoke razine. Nekoliko razvijenih zemalja, koje predstavljaju Sjedinjene Države, Njemačka i Japan, u osnovi su dovršile zamjenu tradicionalnih procesa laserskom obradom u glavnim proizvodnim industrijama kao što su automobilska i zrakoplovna. Laser u industrijskoj proizvodnji pokazao je veliki potencijal za jeftine, visokokvalitetne, visokoučinkovite i posebne proizvodne primjene koje se ne mogu postići konvencionalnom proizvodnjom, te je postao važan pokretač konkurencije i inovacija među najvećim svjetskim industrijskim zemljama. Zemlje aktivno podupiru lasersku tehnologiju kao jednu od svojih najvažnijih vrhunskih tehnologija i razvile su nacionalne planove razvoja laserske industrije.
(2)LaserIzvor Pprincip
Laser je uređaj koji koristi pobuđeno zračenje za proizvodnju vidljive ili nevidljive svjetlosti, sa složenom strukturom i visokim tehničkim preprekama. Optički sustav uglavnom se sastoji od izvora pumpe (izvor pobude), medija pojačanja (radna tvar) i rezonantne šupljine i drugih materijala optičkih uređaja. Sredstvo pojačanja je izvor generiranja fotona, a apsorbiranjem energije koju stvara izvor pumpe, medij pojačanja prelazi iz osnovnog stanja u pobuđeno stanje. Budući da je pobuđeno stanje nestabilno, u ovom trenutku će medij pojačanja osloboditi energiju da se vrati u stabilno stanje osnovnog stanja. U ovom procesu oslobađanja energije, medij pojačanja proizvodi fotone, a ti fotoni imaju visok stupanj konzistentnosti u energiji, valnoj duljini i smjeru, stalno se reflektiraju u optičkoj rezonantnoj šupljini, recipročnom kretanju, tako da se kontinuirano pojačavaju, i konačno ispalite laser kroz reflektor kako biste formirali lasersku zraku. Kao temeljni optički sustav terminalne opreme, izvedba lasera često izravno određuje kvalitetu i snagu izlazne zrake laserske opreme, temeljna je komponenta terminalne laserske opreme.
Izvor pumpe (izvor pobude) osigurava energetsku pobudu medija za pojačanje. Sredstvo pojačanja je pobuđeno da proizvede fotone za generiranje i pojačanje lasera. Rezonantna šupljina je mjesto gdje se reguliraju karakteristike fotona (frekvencija, faza i smjer rada) kako bi se dobio visokokvalitetni izlazni izvor svjetlosti kontroliranjem oscilacija fotona u šupljini. Izvor pumpe (izvor pobude) osigurava pobudu energije za medij pojačanja. Sredstvo pojačanja je pobuđeno da proizvede fotone za generiranje i pojačanje lasera. Rezonantna šupljina je mjesto gdje se karakteristike fotona (frekvencija, faza i smjer rada) prilagođavaju kako bi se dobio visokokvalitetni izlazni izvor svjetlosti kontroliranjem oscilacija fotona u šupljini.
(3)Klasifikacija izvora lasera
Izvor lasera može se klasificirati prema mediju pojačanja, izlaznoj valnoj duljini, načinu rada i načinu pumpanja, kako slijedi
① Klasifikacija prema mediju pojačanja
Prema različitim medijima za pojačanje, laseri se mogu podijeliti na lasere u čvrstom stanju (uključujući čvrste, poluvodičke, vlaknaste, hibridne), tekuće lasere, plinske lasere itd.
| LaserIzvorTip | Gain Media | Glavne značajke |
| Laserski izvor u čvrstom stanju | Čvrsta tijela, poluvodiči, optička vlakna, hibrid | Dobra stabilnost, velika snaga, niski troškovi održavanja, pogodno za industrijalizaciju |
| Tekući laserski izvor | Kemijske tekućine | Dodatni pogodak raspona valnih duljina, ali velike veličine i visokih troškova održavanja |
| Plinski laserski izvor | Plinovi | Izvor laserskog svjetla visoke kvalitete, ali veće veličine i viši troškovi održavanja |
| Laserski izvor slobodnih elektrona | Elektronski snop u specifičnom magnetskom polju | Laserski izlaz ultra velike snage i visoke kvalitete može se postići, ali tehnologija proizvodnje i troškovi proizvodnje vrlo su visoki |
Zbog dobre stabilnosti, velike snage i niskih troškova održavanja, primjena solid-state lasera ima apsolutnu prednost.
Među laserima u čvrstom stanju, poluvodički laseri imaju prednosti visoke učinkovitosti, male veličine, dugog vijeka trajanja, male potrošnje energije itd. S jedne strane, mogu se izravno primijeniti kao osnovni izvor svjetlosti i podrška za lasersku obradu, medicinsku, komunikacijske, senzorske, zaslonske, nadzorne i obrambene primjene, te su postale važna osnova za razvoj moderne laserske tehnologije sa strateškim razvojnim značenjem.
S druge strane, poluvodički laseri također se mogu koristiti kao izvor svjetla za pumpanje jezgre za druge lasere kao što su laseri u čvrstom stanju i laseri s vlaknima, čime se uvelike promiče tehnološki napredak cjelokupnog laserskog polja. Sve veće razvijene zemlje svijeta uključile su ga u svoje nacionalne razvojne planove, dajući snažnu potporu i dobivajući brz razvoj.
② Prema metodi pumpanja
Laseri se prema načinu pumpanja mogu podijeliti na lasere s električnim pumpanjem, lasere s optičkim pumpanjem, lasere s kemijskim pumpanjem itd.
Laseri s električnim pumpanjem odnose se na lasere pobuđene strujom, plinski laseri se uglavnom pobuđuju izbojem plina, dok se poluvodički laseri uglavnom pobuđuju ubrizgavanjem struje.
Gotovo svi laseri u čvrstom stanju i tekući laseri su laseri s optičkom pumpom, a poluvodički laseri koriste se kao osnovni izvor pumpanja za lasere s optičkom pumpom.
Kemijski pumpani laseri odnose se na lasere koji koriste energiju oslobođenu iz kemijskih reakcija za pobuđivanje radnog materijala.
③Klasifikacija prema načinu rada
Prema načinu rada laseri se mogu podijeliti na kontinuirane lasere i pulsne lasere.
Kontinuirani laseri imaju stabilnu raspodjelu broja čestica na svakoj energetskoj razini i polje zračenja u šupljini, a njihov rad karakterizira ekscitacija radnog materijala i odgovarajući laserski izlaz na kontinuirani način tijekom dugog vremenskog razdoblja . Kontinuirani laseri mogu kontinuirano emitirati lasersko svjetlo dulje vremensko razdoblje, ali je toplinski učinak očitiji.
Pulsirajući laseri odnose se na vremensko trajanje kada se snaga lasera održava na određenoj vrijednosti, a ispušta lasersko svjetlo na diskontinuiran način, s glavnim karakteristikama malog toplinskog učinka i dobre upravljivosti.
④ Klasifikacija prema izlaznoj valnoj duljini
Laseri se mogu klasificirati prema valnoj duljini kao infracrveni laseri, vidljivi laseri, ultraljubičasti laseri, duboki ultraljubičasti laseri i tako dalje. Raspon valnih duljina svjetlosti koju mogu apsorbirati različiti strukturirani materijali je različit, pa su laseri različitih valnih duljina potrebni za finu obradu različitih materijala ili za različite scenarije primjene.Infracrveni laseri i UV laseri dva su najčešće korištena lasera. Infracrveni laseri se uglavnom koriste u "toplinskoj obradi", gdje se materijal na površini materijala zagrijava i isparava (isparava) kako bi se uklonio materijal; u obradi tankih slojeva nemetalnih materijala, rezanje poluvodičkih ploča, rezanje organskog stakla, bušenje, označavanje i druga polja, visoka energija U području obrade tankih slojeva nemetalnih materijala, rezanje poluvodičkih ploča, rezanje organskog stakla, bušenje, označavanje, itd., UV fotoni visoke energije izravno prekidaju molekularne veze na površini nemetalnih materijala, tako da se molekule mogu odvojiti od objekta, a ova metoda ne proizvodi reakciju visoke topline, pa se obično naziva "hladna" obrada".
Zbog visoke energije UV fotona, teško je generirati određeni kontinuirani UV laser velike snage vanjskim izvorom pobude, tako da se UV laser općenito generira primjenom metode pretvorbe frekvencije s nelinearnim efektom kristalnog materijala, tako da se trenutno široko koristi Industrijsko područje UV lasera uglavnom su UV laseri u čvrstom stanju.
(4) Industrijski lanac
Uzvodno u industrijskom lancu je upotreba poluvodičkih sirovina, vrhunske opreme i srodnih proizvodnih dodataka za proizvodnju laserskih jezgri i optoelektroničkih uređaja, što je kamen temeljac laserske industrije i ima visok prag pristupa. Središnji tok industrijskog lanca je korištenje uzvodnih laserskih čipova i optoelektroničkih uređaja, modula, optičkih komponenti itd. kao izvora pumpi za proizvodnju i prodaju raznih lasera, uključujući izravne poluvodičke lasere, lasere s ugljikovim dioksidom, lasere u čvrstom stanju, vlaknasti laseri itd.; nizvodna industrija uglavnom se odnosi na područja primjene raznih lasera, uključujući opremu za industrijsku obradu, LIDAR, optičke komunikacije, medicinsku ljepotu i druge industrije primjene
①Uzvodni dobavljači
Sirovine za prethodne proizvode kao što su poluvodički laserski čipovi, uređaji i moduli uglavnom su različiti materijali za čipove, vlaknasti materijali i strojno obrađeni dijelovi, uključujući podloge, hladnjake, kemikalije i komplete kućišta. Obrada čipova zahtijeva visoku kvalitetu i performanse sirovina uzvodno, uglavnom od inozemnih dobavljača, ali stupanj lokalizacije postupno se povećava i postupno se postiže neovisna kontrola. Učinkovitost glavnih uzvodnih sirovina ima izravan utjecaj na kvalitetu poluvodičkih laserskih čipova, uz kontinuirano poboljšanje performansi različitih materijala za čipove, kako bi se poboljšala izvedba industrijskih proizvoda koji igraju pozitivnu ulogu u promicanju.
②Midstream industrijski lanac
Poluvodički laserski čip glavni je izvor svjetla pumpe za razne vrste lasera u središnjem dijelu industrijskog lanca i igra pozitivnu ulogu u promicanju razvoja srednjih lasera. U području srednjih lasera dominiraju Sjedinjene Države, Njemačka i druga prekomorska poduzeća, ali nakon brzog razvoja domaće laserske industrije posljednjih godina, srednje tržište industrijskog lanca postiglo je brzu domaću zamjenu.
③Industrijski lanac nizvodno
Nizvodna industrija ima veću ulogu u promicanju razvoja industrije, tako da će razvoj nizvodne industrije izravno utjecati na tržišni prostor industrije. Kontinuirani rast kineskog gospodarstva i pojava strateških prilika za gospodarsku transformaciju stvorili su bolje razvojne uvjete za razvoj ove industrije. Kina se pomiče iz proizvodne zemlje u proizvodnu moć, a laseri i laserska oprema nizvodno jedan su od ključeva za nadogradnju proizvodne industrije, što pruža dobro okruženje potražnje za dugoročno poboljšanje ove industrije. Zahtjevi nizvodne industrije za indeksom performansi poluvodičkih laserskih čipova i njihovih uređaja rastu, a domaća poduzeća postupno ulaze na tržište lasera velike snage s tržišta lasera male snage, tako da industrija mora kontinuirano povećavati ulaganja u područje istraživanja tehnologije. te razvoj i nezavisne inovacije.
2. Status razvoja industrije poluvodičkih lasera
Poluvodički laseri imaju najbolju učinkovitost pretvorbe energije među svim vrstama lasera, s jedne strane, mogu se koristiti kao osnovni izvor pumpe lasera s optičkim vlaknima, lasera u čvrstom stanju i drugih lasera s optičkom pumpom. S druge strane, uz kontinuirani napredak tehnologije poluvodičkih lasera u pogledu energetske učinkovitosti, svjetline, životnog vijeka, više valnih duljina, brzine modulacije itd., poluvodički laseri naširoko se koriste u obradi materijala, medicini, optičkoj komunikaciji, optičkom senzoru, obrana, itd. Prema Laser Focus Worldu, ukupni globalni prihod diodnih lasera, tj. poluvodičkih lasera i nediodnih lasera, procjenjuje se na 18.480 milijuna dolara u 2021. godini, pri čemu poluvodički laseri čine 43% ukupnog prihoda.
Prema Laser Focus Worldu, globalno tržište poluvodičkih lasera iznosit će 6.724 milijuna dolara u 2020., što je porast od 14,20% u odnosu na prethodnu godinu. S razvojem globalne inteligencije, rastućom potražnjom za laserima u pametnim uređajima, potrošačkoj elektronici, novoj energiji i drugim poljima, kao i stalnim širenjem medicinske opreme, opreme za ljepotu i drugih novih aplikacija, poluvodički laseri mogu se koristiti kao izvor pumpe za lasere s optičkom pumpom, a njegova veličina tržišta nastavit će održavati stabilan rast. 2021. globalno tržište poluvodičkih lasera od 7,946 milijardi USD, stopa rasta tržišta od 18,18%.
Zajedničkim naporima tehničkih stručnjaka, poduzeća i praktičara, kineska industrija poluvodičkih lasera postigla je izvanredan razvoj, tako da je kineska industrija poluvodičkih lasera iskusila proces od nule i početak prototipa kineske industrije poluvodičkih lasera. Posljednjih godina Kina je povećala razvoj laserske industrije, a razne regije su posvećene znanstvenim istraživanjima, unapređenju tehnologije, razvoju tržišta i izgradnji laserskih industrijskih parkova pod vodstvom vlade i suradnje laserskih poduzeća.
3. Budući trend razvoja kineske laserske industrije
U usporedbi s razvijenim zemljama u Europi i Sjedinjenim Državama, kineska laserska tehnologija ne kasni, ali u primjeni laserske tehnologije i vrhunske jezgrene tehnologije još uvijek postoji znatan jaz, posebno uzvodni poluvodički laserski čip i druge osnovne komponente još uvijek su ovisna o uvozu.
Razvijene zemlje koje predstavljaju Sjedinjene Države, Njemačka i Japan u osnovi su završile zamjenu tradicionalne proizvodne tehnologije u nekim velikim industrijskim poljima i ušle u eru "lake proizvodnje"; iako je razvoj laserskih aplikacija u Kini brz, ali je stopa prodora aplikacija još uvijek relativno niska. Kao temeljna tehnologija industrijske nadogradnje, laserska industrija će i dalje biti ključno područje nacionalne podrške, i dalje će širiti opseg primjene, te u konačnici promovirati kinesku proizvodnu industriju u eru "lake proizvodnje". Iz trenutne razvojne situacije, razvoj kineske laserske industrije pokazuje sljedeće razvojne trendove.
(1) Poluvodički laserski čip i druge komponente jezgre postupno ostvaruju lokalizaciju
Uzmimo fiber laser kao primjer, izvor pumpe fiber lasera velike snage glavno je područje primjene poluvodičkog lasera, čip i modul poluvodičkog lasera velike snage važna su komponenta fiber lasera. Posljednjih godina, kineska laserska industrija optičkih vlakana je u fazi brzog rasta, a stupanj lokalizacije raste iz godine u godinu.
Što se tiče proboja na tržište, na tržištu optičkih lasera male snage, tržišni udio domaćih lasera dosegao je 99,01% u 2019.; na tržištu optičkih lasera srednje snage, stopa prodora domaćih lasera održava se na više od 50% posljednjih godina; proces lokalizacije optičkih lasera velike snage također postupno napreduje, od 2013. do 2019. da bi se postigao "od nule". Proces lokalizacije vlaknastih lasera velike snage također postupno napreduje, od 2013. do 2019., te je dosegao stopu prodora od 55,56%, a očekuje se da će domaća stopa prodora optičkih lasera velike snage biti 57,58% 2020. godine.
Međutim, osnovne komponente kao što su poluvodički laserski čipovi velike snage još uvijek ovise o uvozu, a uzvodne komponente lasera s poluvodičkim laserskim čipovima kao jezgrom postupno se lokaliziraju, što s jedne strane poboljšava tržišnu ljestvicu uzvodnih komponenti domaće lasere, a s druge strane, uz lokalizaciju uzvodnih jezgrenih komponenti, može poboljšati sposobnost domaćih proizvođača lasera da sudjeluju u međunarodnoj konkurenciji.
(2) Laserske primjene prodiru brže i šire
S postupnom lokalizacijom optoelektroničkih komponenti uzvodne jezgre i postupnim smanjenjem troškova primjene lasera, laseri će dublje prodrijeti u mnoge industrije.
S jedne strane, za Kinu se laserska obrada također uklapa u prvih deset područja primjene kineske proizvodne industrije, a očekuje se da će se područja primjene laserske obrade dodatno proširiti i da će se tržišna ljestvica dodatno proširiti u budućnosti. S druge strane, s kontinuiranom popularizacijom i razvojem tehnologija kao što su bez vozača, napredni sustav potpomognute vožnje, servisno orijentirani robot, 3D očitavanje itd., bit će više primjenjivan u mnogim područjima kao što su automobili, umjetna inteligencija, potrošačka elektronika , prepoznavanje lica, optička komunikacija i istraživanje nacionalne obrane. Kao temeljni uređaj ili komponenta gore navedenih laserskih aplikacija, poluvodički laser također će dobiti prostor za brz razvoj.
(3) Veća snaga, bolja kvaliteta snopa, kraća valna duljina i brži razvoj smjera frekvencije
U području industrijskih lasera, fiber laseri su od svog predstavljanja postigli veliki napredak u smislu izlazne snage, kvalitete snopa i svjetline. Međutim, veća snaga može poboljšati brzinu obrade, optimizirati kvalitetu obrade i proširiti polje obrade na proizvodnju teške industrije, u proizvodnji automobila, proizvodnji zrakoplova, energetici, proizvodnji strojeva, metalurgiji, izgradnji željezničkog prijevoza, znanstvenom istraživanju i drugim poljima primjene u rezanju , zavarivanje, površinska obrada itd., zahtjevi za napajanjem optičkog lasera i dalje rastu. Odgovarajući proizvođači uređaja trebaju kontinuirano poboljšavati performanse osnovnih uređaja (kao što su poluvodički laserski čip velike snage i optičko vlakno), povećanje snage optičkog lasera također zahtijeva naprednu tehnologiju laserske modulacije kao što je kombiniranje snopa i sinteza snage, što će donijeti nove zahtjeve i izazove za proizvođače laserskih poluvodičkih čipova velike snage. Osim toga, kraće valne duljine, više valnih duljina, brži (ultrabrzi) razvoj lasera također je važan smjer, koji se uglavnom koristi u čipovima integriranih krugova, zaslonima, potrošačkoj elektronici, zrakoplovnoj i drugoj preciznoj mikroprocesu, kao i znanosti o životu, medicini, senzorima i drugim poljima, poluvodički laserski čip također je iznio nove zahtjeve.
(4) potražnja za optoelektroničkim komponentama lasera velike snage za daljnji rast
Razvoj i industrijalizacija fiber lasera velike snage rezultat je sinergijskog napretka industrijskog lanca, koji zahtijeva podršku osnovnih optoelektroničkih komponenti kao što su izvor pumpe, izolator, koncentrator snopa itd. Optoelektroničke komponente koje se koriste u visokonaponskim fiber laser su osnova i ključne komponente njegovog razvoja i proizvodnje, a rastuće tržište fiber lasera velike snage također pokreće tržišnu potražnju za ključnim komponentama kao što su poluvodički laserski čipovi velike snage. U isto vrijeme, uz kontinuirano poboljšanje domaće laserske tehnologije s vlaknima, zamjena uvoza postala je neizbježan trend, tržišni udio lasera u svijetu nastavit će se poboljšavati, što također donosi velike mogućnosti za lokalnu snagu proizvođača optoelektroničkih komponenti.
Vrijeme objave: 7. ožujka 2023
