1. Pregled laserske industrije
(1) Uvod u laser
Laser (Pojačavanje svjetlosti stimuliranom emisijom zračenja, skraćeno LASER) je kolimirani, monokromatski, koherentni, usmjereni snop svjetlosti proizveden pojačavanjem svjetlosnog zračenja na uskoj frekvenciji putem pobuđene povratne rezonancije i zračenja.
Laserska tehnologija nastala je početkom 1960-ih, a zbog svoje potpuno drugačije prirode od obične svjetlosti, laser se ubrzo široko koristio u raznim područjima i duboko utjecao na razvoj i transformaciju znanosti, tehnologije, gospodarstva i društva.
Rođenje lasera dramatično je promijenilo lice drevne optike, proširujući 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 doprinijelo je procvatu dviju glavnih grana moderne fotonske fizike: energetske fotonike i informacijske fotonike. Obuhvaća nelinearnu optiku, kvantnu optiku, kvantno računarstvo, 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 istraživanje Bose-Einsteinove kondenzirane materije, laserske funkcionalne materijale, lasersku proizvodnju, izradu laserskih 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 laserske proizvodnje, svijet je ušao u eru "lake proizvodnje", prema međunarodnim statistikama laserske industrije, 50% godišnjeg BDP-a Sjedinjenih Država1 povezano je s brzim širenjem tržišta visokokvalitetnih laserskih primjena. Nekoliko razvijenih zemalja, koje predstavljaju Sjedinjene Države, Njemačka i Japan, u osnovi su dovršile zamjenu tradicionalnih procesa laserskom obradom u glavnim proizvodnim industrijama poput automobilske i zrakoplovne. 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 glavnim industrijskim zemljama svijeta. Zemlje aktivno podržavaju 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 se uglavnom sastoji od izvora pumpe (izvor pobuđivanja), medija pojačanja (radna tvar) i rezonantne šupljine te drugih materijala optičkog uređaja. Medij pojačanja je izvor generiranja fotona, a apsorpcijom energije koju generira izvor pumpe, medij pojačanja prelazi iz osnovnog stanja u pobuđeno stanje. Budući da je pobuđeno stanje nestabilno, u ovom trenutku medij pojačanja oslobađa energiju i vraća se 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, recipročno se kreću, tako da kontinuirano pojačavaju i konačno izbacuju laser kroz reflektor kako bi formirali lasersku zraku. Kao središnji optički sustav terminalne opreme, performanse lasera često izravno određuju kvalitetu i snagu izlazne zrake laserske opreme, što je središnja komponenta terminalne laserske opreme.
Izvor pumpe (izvor pobude) osigurava energetsko pobuđivanje medija za pojačanje. Medij za pojačanje se pobuđuje kako bi proizvodio fotone za generiranje i pojačavanje 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 energetsko pobuđivanje medija za pojačanje. Medij za pojačanje se pobuđuje kako bi proizvodio fotone za generiranje i pojačavanje lasera. Rezonantna šupljina je mjesto gdje se karakteristike fotona (frekvencija, faza i smjer rada) podešavaju kako bi se dobio visokokvalitetni izlazni izvor svjetlosti kontroliranjem oscilacija fotona u šupljini.
(3)Klasifikacija laserskog izvora
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 pojačanja, laseri se mogu podijeliti na lasere u čvrstom stanju (uključujući čvrste, poluvodičke, vlaknaste, hibridne), tekuće lasere, plinske lasere itd.
| LaserIzvorTip | Gain Media | Glavne značajke |
| Izvor lasera u čvrstom stanju | Čvrsta tijela, poluvodiči, optička vlakna, hibridi | Lijepa stabilnost, velika snaga, niski troškovi održavanja, pogodno za industrijalizaciju |
| Izvor tekućeg lasera | Kemijske tekućine | Dosegnut je opcionalni raspon valnih duljina, ali velika veličina i visoki troškovi održavanja |
| Izvor plinskog lasera | Plinovi | Visokokvalitetni laserski izvor svjetlosti, ali veća veličina i viši troškovi održavanja |
| Izvor slobodnog elektronskog lasera | Elektronski snop u specifičnom magnetskom polju | Moguće je postići ultra-visoku snagu i visokokvalitetni laserski izlaz, ali su proizvodna tehnologija i troškovi proizvodnje vrlo visoki. |
Zbog dobre stabilnosti, velike snage i niskih troškova održavanja, primjena lasera u čvrstom stanju ima apsolutnu prednost.
Među laserima u čvrstom stanju, poluvodički laseri imaju prednosti visoke učinkovitosti, male veličine, dugog vijeka trajanja, niske potrošnje energije itd. S jedne strane, mogu se izravno primijeniti kao glavni izvor svjetlosti i podrška za lasersku obradu, medicinu, komunikaciju, senzore, prikaz, nadzor i obrambene primjene te su postali važna osnova za razvoj moderne laserske tehnologije sa strateškim razvojnim značajem.
S druge strane, poluvodički laseri mogu se koristiti i kao glavni izvor svjetlosti za druge lasere poput lasera u čvrstom stanju i vlaknastih lasera, što uvelike potiče tehnološki napredak cijelog laserskog područja. Sve glavne razvijene zemlje svijeta uključile su ga u svoje nacionalne planove razvoja, pružajući snažnu podršku i postižući brzi razvoj.
② Prema metodi pumpanja
Laseri se prema metodi pumpanja mogu podijeliti na električno pumpane, optički pumpane, kemijski pumpane lasere itd.
Električno pumpani laseri odnose se na lasere pobuđene strujom, plinski laseri se uglavnom pobuđuju plinskim pražnjenjem, dok se poluvodički laseri uglavnom pobuđuju ubrizgavanjem struje.
Gotovo svi laseri u čvrstom stanju i tekući laseri su optički pumpni laseri, a poluvodički laseri se koriste kao jezgra pumpnog izvora za optičke pumpne lasere.
Kemijski pumpani laseri odnose se na lasere koji koriste energiju oslobođenu kemijskim reakcijama za pobuđivanje radnog materijala.
③Klasifikacija prema načinu rada
Laseri se prema načinu rada 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 pobuđivanje radnog materijala i odgovarajući laserski izlaz na kontinuiran način tijekom duljeg vremenskog razdoblja. Kontinuirani laseri mogu kontinuirano emitirati lasersku svjetlost dulje vrijeme, ali je toplinski učinak očitiji.
Pulsni laseri odnose se na vremensko trajanje kada se snaga lasera održava na određenoj vrijednosti, a laserska svjetlost se emitira diskontinuirano, 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 za finu obradu različitih materijala ili za različite scenarije primjene potrebni laseri različitih valnih duljina.Infracrveni laseri i UV laseri su dva najčešće korištena lasera. Infracrveni laseri se uglavnom koriste u "termičkoj obradi", gdje se materijal na površini materijala zagrijava i isparava (isparava) kako bi se uklonio materijal; u obradi tankih nemetalnih materijala, rezanju poluvodičkih pločica, rezanju organskog stakla, bušenju, označavanju i drugim područjima, visoka energija. U području obrade tankih nemetalnih materijala, rezanja poluvodičkih pločica, rezanja organskog stakla, bušenja, označavanja itd., visokoenergetski UV fotoni izravno prekidaju molekularne veze na površini nemetalnih materijala, tako da se molekule mogu odvojiti od objekta, a ova metoda ne proizvodi visoku toplinsku reakciju, pa se obično naziva "hladna obrada".
Zbog visoke energije UV fotona, teško je generirati određeni visokosnažni kontinuirani UV laser pomoću vanjskog izvora pobude, pa se UV laser općenito generira primjenom metode pretvorbe frekvencije nelinearnog efekta kristalnog materijala, pa se trenutno široko korišteno industrijsko područje UV lasera uglavnom sastoji od UV lasera u čvrstom stanju.
(4) Industrijski lanac
Uzvodni dio industrijskog lanca je korištenje poluvodičkih sirovina, vrhunske opreme i srodnog proizvodnog pribora za proizvodnju laserskih jezgri i optoelektroničkih uređaja, što je temelj laserske industrije i ima visok prag pristupa. Srednji dio industrijskog lanca je korištenje uzvodnih laserskih čipova i optoelektroničkih uređaja, modula, optičkih komponenti itd. kao izvora pumpe za proizvodnju i prodaju različitih lasera, uključujući izravne poluvodičke lasere, lasere ugljikovog dioksida, lasere u čvrstom stanju, vlaknaste lasere itd.; nizvodna industrija uglavnom se odnosi na područja primjene različitih lasera, uključujući industrijsku opremu za obradu, LIDAR, optičke komunikacije, medicinsku ljepotu i druge industrije primjene.
①Uzvodni dobavljači
Sirovine za uzvodne proizvode poput poluvodičkih laserskih čipova, uređaja i modula uglavnom su različiti materijali za čipove, vlaknasti materijali i strojno obrađeni dijelovi, uključujući podloge, hladnjake, kemikalije i kućišta. Obrada čipova zahtijeva visoku kvalitetu i performanse uzvodnih sirovina, uglavnom od stranih dobavljača, ali stupanj lokalizacije postupno se povećava i postupno postiže neovisna kontrola. Performanse glavnih uzvodnih sirovina izravno utječu na kvalitetu poluvodičkih laserskih čipova, a kontinuirano poboljšanje performansi različitih materijala za čipove igra pozitivnu ulogu u promicanju performansi industrijskih proizvoda.
②Lanac srednjeg toka industrije
Poluvodički laserski čip je glavni izvor svjetlosti pumpe različitih vrsta lasera u srednjem toku industrijskog lanca i igra pozitivnu ulogu u promicanju razvoja srednjeg toka lasera. U području srednjeg toka lasera dominiraju Sjedinjene Države, Njemačka i druga inozemna poduzeća, ali nakon brzog razvoja domaće laserske industrije posljednjih godina, srednje tržište industrijskog lanca postiglo je brzu domaću zamjenu.
③Nizvodni industrijski lanac
Prerađivačka industrija ima veću ulogu u promicanju razvoja industrije, tako da će razvoj prerađivačke industrije izravno utjecati na tržišni prostor industrije. Kontinuirani rast kineskog gospodarstva i pojava strateških prilika za ekonomsku transformaciju stvorili su bolje uvjete za razvoj ove industrije. Kina se iz proizvodne zemlje pretvara u proizvodnu silu, a prerađivački laseri i laserska oprema jedan su od ključeva za unapređenje proizvodne industrije, što pruža dobro okruženje potražnje za dugoročno poboljšanje ove industrije. Zahtjevi prerađivačke 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, stoga industrija mora kontinuirano povećavati ulaganja u područje istraživanja i razvoja tehnologije te neovisnih inovacija.
2. status razvoja industrije poluvodičkih lasera
Poluvodički laseri imaju najbolju učinkovitost pretvorbe energije među svim vrstama lasera, s jedne strane, mogu se koristiti kao izvor jezgrene pumpe optičkih vlaknastih lasera, lasera u čvrstom stanju i drugih optičkih lasera. S druge strane, s kontinuiranim probojem tehnologije poluvodičkih lasera u smislu energetske učinkovitosti, svjetline, vijeka trajanja, viševalnih duljina, brzine modulacije itd., poluvodički laseri se široko koriste u obradi materijala, medicini, optičkoj komunikaciji, optičkom senzorstvu, obrani itd. Prema Laser Focus Worldu, ukupni globalni prihod od 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 u 2020. godini iznosit će 6.724 milijuna dolara, 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 područjima, kao i kontinuiranim širenjem medicinske, kozmetičke opreme i drugih novih primjena, poluvodički laseri mogu se koristiti kao izvor pumpe za optičke pumpne lasere, a veličina njihovog tržišta nastavit će održavati stabilan rast. Veličina globalnog tržišta poluvodičkih lasera u 2021. godini iznosila je 7,946 milijardi dolara, a stopa rasta tržišta iznosila je 18,18%.
Zajedničkim naporima tehničkih stručnjaka, poduzeća i praktičara, kineska industrija poluvodičkih lasera postigla je izvanredan razvoj, tako da je prošla kroz proces od nule i započela prototip kineske industrije poluvodičkih lasera. Posljednjih godina Kina je povećala razvoj laserske industrije, a različite regije posvećene su znanstvenim istraživanjima, unapređenju tehnologije, razvoju tržišta i izgradnji laserskih industrijskih parkova pod vodstvom vlade i suradnjom laserskih poduzeća.
3. Budući trend razvoja kineske laserske industrije
U usporedbi s razvijenim zemljama Europe i Sjedinjenih Država, kineska laserska tehnologija ne kasni, ali u primjeni laserske tehnologije i vrhunske jezgrene tehnologije još uvijek postoji značajan jaz, posebno uzvodni poluvodički laserski čip i ostale jezgrene komponente još uvijek ovise o uvozu.
Razvijene zemlje koje predstavljaju Sjedinjene Američke Države, Njemačka i Japan u osnovi su završile zamjenu tradicionalne proizvodne tehnologije u nekim velikim industrijskim područjima i ušle u eru "lake proizvodnje"; iako je razvoj laserskih primjena u Kini brz, stopa penetracije primjene je i dalje relativno niska. Kao ključna tehnologija industrijske modernizacije, laserska industrija će i dalje biti ključno područje nacionalne potpore i nastaviti 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 ostale ključne komponente postupno ostvaruju lokalizaciju
Uzmimo za primjer vlaknasti laser, izvor pumpe za vlaknasti laser velike snage glavno je područje primjene poluvodičkog lasera, a čip i modul poluvodičkog lasera velike snage važna je komponenta vlaknastog lasera. Posljednjih godina kineska industrija optičkih vlaknastih lasera u fazi je brzog rasta, a stupanj lokalizacije raste iz godine u godinu.
Što se tiče tržišne penetracije, na tržištu vlaknastih lasera male snage, tržišni udio domaćih lasera dosegao je 99,01% u 2019.; na tržištu vlaknastih lasera srednje snage, stopa penetracije domaćih lasera održava se na više od 50% u posljednjih nekoliko godina; proces lokalizacije vlaknastih lasera velike snage također postupno napreduje, od 2013. do 2019. do postizanja "od nule". Proces lokalizacije vlaknastih lasera velike snage također postupno napreduje, od 2013. do 2019. i dosegao je stopu penetracije od 55,56%, a očekuje se da će domaća stopa penetracije vlaknastih lasera velike snage biti 57,58% u 2020.
Međutim, ključne komponente poput visokosnažnih poluvodičkih laserskih čipova još uvijek ovise o uvozu, a uzvodne komponente lasera s poluvodičkim laserskim čipovima kao jezgrom postupno se lokaliziraju, što s jedne strane poboljšava tržišnu skalu uzvodnih komponenti domaćih lasera, a s druge strane, lokalizacijom uzvodnih glavnih komponenti može poboljšati sposobnost domaćih proizvođača lasera da sudjeluju u međunarodnoj konkurenciji.
(2) Laserske primjene prodiru brže i šire
Postupnom lokalizacijom uzvodnih optoelektroničkih komponenti i postupnim smanjenjem troškova primjene lasera, laseri će dublje prodrijeti u mnoge industrije.
S jedne strane, za Kinu, laserska obrada također spada među deset najvažnijih područja primjene u kineskoj prerađivačkoj industriji, te se očekuje da će se područja primjene laserske obrade dodatno proširiti, a opseg tržišta dodatno proširiti u budućnosti. S druge strane, s kontinuiranom popularizacijom i razvojem tehnologija kao što su sustavi bez vozača, napredni sustavi potpomognute vožnje, roboti orijentirani na usluge, 3D senzori itd., sve će se više primjenjivati u mnogim područjima kao što su automobilska industrija, umjetna inteligencija, potrošačka elektronika, prepoznavanje lica, optička komunikacija i istraživanje nacionalne obrane. Kao ključni uređaj ili komponenta gore navedenih laserskih primjena, poluvodički laser također će dobiti prostor za brzi razvoj.
(3) Veća snaga, bolja kvaliteta snopa, kraća valna duljina i brži razvoj smjera frekvencije
U području industrijskih lasera, vlaknasti laseri su od svog uvođenja postigli veliki napredak u pogledu izlazne snage, kvalitete snopa i svjetline. Međutim, veća snaga može poboljšati brzinu obrade, optimizirati kvalitetu obrade i proširiti područje obrade na tešku industriju. U automobilskoj proizvodnji, zrakoplovnoj proizvodnji, energetici, proizvodnji strojeva, metalurgiji, željezničkom prometu, znanstvenim istraživanjima i drugim područjima primjene u rezanju, zavarivanju, obradi površina itd., zahtjevi za snagom vlaknastih lasera i dalje rastu. Proizvođači odgovarajućih uređaja moraju kontinuirano poboljšavati performanse osnovnih uređaja (kao što su visokosnažni poluvodički laserski čipovi i vlakna za pojačanje). Povećanje snage vlaknastih lasera također zahtijeva naprednu tehnologiju laserske modulacije kao što je kombiniranje snopa i sinteza snage, što će donijeti nove zahtjeve i izazove proizvođačima visokosnažnih poluvodičkih laserskih čipova. Osim toga, kraće valne duljine, više valnih duljina, brži (ultrabrzi) razvoj lasera također je važan smjer, koji se uglavnom koristi u integriranim krugovima, zaslonima, potrošačkoj elektronici, zrakoplovstvu i drugim preciznim mikroprocesima, kao i u znanostima o životu, medicini, senzorima i drugim područjima, a poluvodički laserski čip također postavlja nove zahtjeve.
(4) daljnji rast potražnje za optoelektroničkim komponentama lasera velike snage
Razvoj i industrijalizacija visokosnažnih vlaknastih lasera rezultat je sinergijskog napretka industrijskog lanca, koji zahtijeva podršku temeljnih optoelektroničkih komponenti kao što su izvor pumpe, izolator, koncentrator snopa itd. Optoelektroničke komponente koje se koriste u visokosnažnim vlaknastim laserima osnova su i ključne komponente njegovog razvoja i proizvodnje, a rastuće tržište visokosnažnih vlaknastih lasera također potiče tržišnu potražnju za temeljnim komponentama kao što su visokosnažni poluvodički laserski čipovi. Istovremeno, s kontinuiranim poboljšanjem domaće tehnologije vlaknastih lasera, supstitucija uvoza postala je neizbježan trend, a udio lasera na svjetskom tržištu nastavit će se poboljšavati, što također donosi velike prilike za lokalnu snagu proizvođača optoelektroničkih komponenti.
Vrijeme objave: 07.03.2023.
