1. Gambaran keseluruhan industri laser
(1) Pengenalan Laser
Laser (Penguatan Cahaya oleh Pembebasan Terrangsang Sinaran, disingkatkan LASER) ialah sinaran cahaya berkollimatik, monokromatik, koheren, yang dihasilkan oleh penguatan sinaran cahaya pada frekuensi sempit melalui resonans dan sinaran maklum balas teruja.
Teknologi laser berasal pada awal 1960-an, dan kerana sifatnya yang sama sekali berbeza daripada cahaya biasa, laser tidak lama kemudian digunakan secara meluas dalam pelbagai bidang dan sangat mempengaruhi pembangunan dan transformasi sains, teknologi, ekonomi dan masyarakat.
Kelahiran laser telah secara dramatik mengubah wajah optik purba, mengembangkan fizik optik klasik kepada disiplin berteknologi tinggi baharu yang merangkumi kedua-dua optik klasik dan fotonik moden, memberikan sumbangan yang tidak boleh ditukar ganti kepada pembangunan ekonomi manusia dan masyarakat. Penyelidikan fizik laser telah menyumbang kepada perkembangan dua cabang utama fizik fotonik moden: fotonik tenaga dan fotonik maklumat. Ia meliputi optik tak linear, optik kuantum, pengkomputeran kuantum, penderiaan dan komunikasi laser, fizik plasma laser, kimia laser, biologi laser, perubatan laser, spektroskopi dan metrologi laser ultra-tepat, fizik atom laser termasuk penyejukan laser dan penyelidikan bahan pekat Bose-Einstein. , bahan berfungsi laser, pembuatan laser, fabrikasi cip mikro-optoelektronik laser, percetakan 3D laser dan lebih daripada 20 sempadan antarabangsa disiplin dan aplikasi teknologi. Jabatan Sains dan Teknologi Laser (DSL) telah ditubuhkan dalam bidang berikut.
Dalam industri pembuatan laser, dunia telah memasuki era "pembuatan ringan", menurut statistik industri laser antarabangsa, 50% daripada KDNK tahunan Amerika Syarikat1 berkaitan dengan pengembangan pesat pasaran aplikasi laser peringkat tinggi. Beberapa negara maju, yang diwakili oleh Amerika Syarikat, Jerman dan Jepun, pada asasnya telah menyelesaikan penggantian proses tradisional dengan pemprosesan laser dalam industri pembuatan utama seperti automotif dan penerbangan. Laser dalam pembuatan industri telah menunjukkan potensi besar untuk aplikasi pembuatan kos rendah, berkualiti tinggi, kecekapan tinggi dan khas yang tidak dapat dicapai oleh pembuatan konvensional, dan telah menjadi pemacu penting persaingan dan inovasi di kalangan negara perindustrian utama dunia. Negara-negara secara aktif menyokong teknologi laser sebagai salah satu teknologi canggih mereka yang paling penting dan telah membangunkan rancangan pembangunan industri laser negara.
(2)LaserSumber Principle
Laser ialah peranti yang menggunakan sinaran teruja untuk menghasilkan cahaya yang kelihatan atau tidak kelihatan, dengan struktur yang kompleks dan halangan teknikal yang tinggi. Sistem optik terutamanya terdiri daripada sumber pam (sumber pengujaan), medium perolehan (bahan kerja) dan rongga resonan dan bahan peranti optik lain. Media keuntungan ialah sumber penjanaan foton, dan dengan menyerap tenaga yang dihasilkan oleh sumber pam, medium keuntungan melompat dari keadaan dasar ke keadaan teruja. Oleh kerana keadaan teruja tidak stabil, pada masa ini, medium perolehan akan membebaskan tenaga untuk kembali kepada keadaan mantap keadaan dasar. Dalam proses pelepasan tenaga ini, medium perolehan menghasilkan foton, dan foton ini mempunyai tahap ketekalan yang tinggi dalam tenaga, panjang gelombang dan arah, mereka sentiasa dipantulkan dalam rongga resonan optik, pergerakan timbal balik, supaya terus menguatkan, dan akhirnya. menembak keluar laser melalui reflektor untuk membentuk pancaran laser. Sebagai sistem optik teras peralatan terminal, prestasi laser sering secara langsung menentukan kualiti dan kuasa pancaran keluaran peralatan laser, adalah komponen teras peralatan laser terminal.
Punca pam (sumber pengujaan) memberikan pengujaan tenaga kepada medium perolehan. Media perolehan teruja untuk menghasilkan foton untuk menjana dan menguatkan laser. Rongga resonan adalah tempat di mana ciri foton (frekuensi, fasa dan arah operasi) dikawal untuk mendapatkan sumber cahaya keluaran berkualiti tinggi dengan mengawal ayunan foton dalam rongga. Punca pam (sumber pengujaan) menyediakan pengujaan tenaga untuk medium keuntungan. Media perolehan teruja untuk menghasilkan foton untuk menjana dan menguatkan laser. Rongga resonan ialah tempat di mana ciri foton (frekuensi, fasa dan arah operasi) dilaraskan untuk mendapatkan sumber cahaya keluaran berkualiti tinggi dengan mengawal ayunan foton dalam rongga.
(3)Klasifikasi Sumber Laser
Sumber laser boleh dikelaskan mengikut medium perolehan, panjang gelombang keluaran, mod operasi, dan mod pengepaman, seperti berikut
① Klasifikasi mengikut medium perolehan
Mengikut media keuntungan yang berbeza, laser boleh dibahagikan kepada keadaan pepejal (termasuk pepejal, semikonduktor, gentian, hibrid), laser cecair, laser gas, dll.
| LaserSumbertaip | Dapatkan Media | Ciri-ciri Utama |
| Sumber Laser Keadaan Pepejal | Pepejal, Semikonduktor, Gentian Optik, Hibrid | Kestabilan yang bagus, kuasa tinggi, kos penyelenggaraan yang rendah, sesuai untuk perindustrian |
| Sumber Laser Cecair | Cecair kimia | Julat panjang gelombang pilihan, tetapi saiz besar dan kos penyelenggaraan yang tinggi |
| Sumber Laser Gas | Gas | Sumber cahaya laser berkualiti tinggi, tetapi saiz yang lebih besar dan kos penyelenggaraan yang lebih tinggi |
| Sumber Laser Elektron Percuma | Rasuk elektron dalam medan magnet tertentu | Kuasa ultra tinggi dan output laser berkualiti tinggi boleh dicapai, tetapi teknologi pembuatan dan kos pengeluaran sangat tinggi |
Oleh kerana kestabilan yang baik, kuasa tinggi dan kos penyelenggaraan yang rendah, penggunaan laser keadaan pepejal mengambil kelebihan mutlak.
Antara laser keadaan pepejal, laser semikonduktor mempunyai kelebihan kecekapan tinggi, saiz kecil, jangka hayat, penggunaan tenaga yang rendah, dan lain-lain. Di satu pihak, ia boleh digunakan secara langsung sebagai sumber cahaya teras dan sokongan untuk pemprosesan laser, perubatan, komunikasi, penderiaan, paparan, pemantauan dan aplikasi pertahanan, dan telah menjadi asas penting untuk pembangunan teknologi laser moden dengan kepentingan pembangunan strategik.
Sebaliknya, laser semikonduktor juga boleh digunakan sebagai sumber cahaya pengepaman teras untuk laser lain seperti laser keadaan pepejal dan laser gentian, yang sangat menggalakkan kemajuan teknologi seluruh medan laser. Semua negara maju utama di dunia telah memasukkannya ke dalam rancangan pembangunan negara mereka, memberikan sokongan padu dan mendapat pembangunan pesat.
② Mengikut kaedah mengepam
Laser boleh dibahagikan kepada laser yang dipam secara elektrik, dipam secara optik, dipam secara kimia, dsb. mengikut kaedah pengepaman.
Laser yang dipam secara elektrik merujuk kepada laser yang teruja oleh arus, laser gas kebanyakannya teruja oleh nyahcas gas, manakala laser semikonduktor kebanyakannya teruja oleh suntikan arus.
Hampir semua laser keadaan pepejal dan laser cecair adalah laser pam optik, dan laser semikonduktor digunakan sebagai sumber pengepaman teras untuk laser pam optik.
Laser yang dipam secara kimia merujuk kepada laser yang menggunakan tenaga yang dibebaskan daripada tindak balas kimia untuk merangsang bahan kerja.
③Pengkelasan mengikut mod operasi
Laser boleh dibahagikan kepada laser berterusan dan laser berdenyut mengikut cara operasinya.
Laser berterusan mempunyai taburan bilangan zarah yang stabil pada setiap tahap tenaga dan medan sinaran dalam rongga, dan operasinya dicirikan oleh pengujaan bahan kerja dan output laser yang sepadan secara berterusan dalam jangka masa yang panjang. . Laser berterusan boleh mengeluarkan cahaya laser secara berterusan untuk jangka masa yang lebih lama, tetapi kesan terma lebih jelas.
Laser berdenyut merujuk kepada tempoh masa apabila kuasa laser dikekalkan pada nilai tertentu, dan mengeluarkan cahaya laser dalam cara yang tidak berterusan, dengan ciri-ciri utama kesan haba yang kecil dan kebolehkawalan yang baik.
④ Pengelasan mengikut panjang gelombang keluaran
Laser boleh dikelaskan mengikut panjang gelombang sebagai laser inframerah, laser boleh dilihat, laser ultraungu, laser ultraungu dalam, dan sebagainya. Julat panjang gelombang cahaya yang boleh diserap oleh bahan berstruktur yang berbeza adalah berbeza, jadi laser dengan panjang gelombang yang berbeza diperlukan untuk pemprosesan halus bahan yang berbeza atau untuk senario aplikasi yang berbeza.Laser inframerah dan laser UV adalah dua laser yang paling banyak digunakan. Laser inframerah digunakan terutamanya dalam "pemprosesan terma", di mana bahan pada permukaan bahan dipanaskan dan diwap (sejat) untuk mengeluarkan bahan; dalam pemprosesan bahan bukan logam filem nipis, pemotongan wafer semikonduktor, pemotongan kaca organik, penggerudian, penandaan dan bidang lain, tenaga tinggi Dalam bidang pemprosesan bahan bukan logam filem nipis, pemotongan wafer semikonduktor, pemotongan kaca organik, penggerudian, penandaan, dan lain-lain, foton UV tenaga tinggi secara langsung memecahkan ikatan molekul pada permukaan bahan bukan logam, supaya molekul boleh dipisahkan daripada objek, dan kaedah ini tidak menghasilkan haba yang tinggi tindak balas, jadi ia biasanya dipanggil "pemprosesan sejuk".
Kerana tenaga tinggi foton UV, sukar untuk menghasilkan laser UV berterusan kuasa tinggi tertentu oleh sumber pengujaan luaran, jadi laser UV secara amnya dihasilkan oleh penggunaan kaedah penukaran frekuensi kesan bukan linear bahan kristal, jadi arus digunakan secara meluas. bidang industri laser UV adalah terutamanya laser keadaan pepejal UV.
(4) Rantaian industri
Huluan rantaian industri ialah penggunaan bahan mentah semikonduktor, peralatan mewah dan aksesori pengeluaran yang berkaitan untuk mengeluarkan teras laser dan peranti optoelektronik, yang merupakan asas industri laser dan mempunyai ambang akses yang tinggi. Arus tengah rantaian industri ialah penggunaan cip laser huluan dan peranti optoelektronik, modul, komponen optik, dll. sebagai sumber pam untuk pembuatan dan penjualan pelbagai laser, termasuk laser semikonduktor langsung, laser karbon dioksida, laser keadaan pepejal, laser gentian, dsb.; industri hiliran terutamanya merujuk kepada kawasan aplikasi pelbagai laser, termasuk peralatan pemprosesan industri, LIDAR, komunikasi optik, kecantikan perubatan dan industri aplikasi lain
①Pembekal huluan
Bahan mentah untuk produk huluan seperti cip laser semikonduktor, peranti dan modul adalah terutamanya pelbagai bahan cip, bahan gentian dan bahagian mesin, termasuk substrat, sink haba, bahan kimia dan set perumahan. Pemprosesan cip memerlukan kualiti tinggi dan prestasi bahan mentah huluan, terutamanya daripada pembekal asing, tetapi tahap penyetempatan secara beransur-ansur meningkat, dan secara beransur-ansur mencapai kawalan bebas. Prestasi bahan mentah huluan utama mempunyai kesan langsung ke atas kualiti cip laser semikonduktor, dengan peningkatan berterusan prestasi pelbagai bahan cip, untuk meningkatkan prestasi produk industri memainkan peranan positif dalam mempromosikan.
②Rangkaian industri pertengahan
Cip laser semikonduktor ialah sumber cahaya pam teras pelbagai jenis laser di tengah-tengah rantaian industri, dan memainkan peranan positif dalam menggalakkan pembangunan laser pertengahan. Dalam bidang laser pertengahan, Amerika Syarikat, Jerman dan perusahaan luar negara lain mendominasi, tetapi selepas perkembangan pesat industri laser domestik dalam beberapa tahun kebelakangan ini, pasaran pertengahan rantaian industri telah mencapai penggantian domestik yang pesat.
③Rantaian industri hiliran
Industri hiliran mempunyai peranan yang lebih besar dalam menggalakkan pembangunan industri, maka pembangunan industri hiliran secara langsung akan mempengaruhi ruang pasaran industri. Pertumbuhan berterusan ekonomi China dan kemunculan peluang strategik untuk transformasi ekonomi telah mewujudkan keadaan pembangunan yang lebih baik untuk pembangunan industri ini. China sedang beralih daripada negara pembuatan kepada kuasa pembuatan, dan laser hiliran serta peralatan laser merupakan salah satu kunci untuk menaik taraf industri pembuatan, yang menyediakan persekitaran permintaan yang baik untuk penambahbaikan jangka panjang industri ini. Keperluan industri hiliran untuk indeks prestasi cip laser semikonduktor dan peranti mereka semakin meningkat, dan perusahaan domestik secara beransur-ansur memasuki pasaran laser kuasa tinggi dari pasaran laser kuasa rendah, jadi industri mesti terus meningkatkan pelaburan dalam bidang penyelidikan teknologi dan pembangunan dan inovasi bebas.
2. status pembangunan industri laser semikonduktor
Laser semikonduktor mempunyai kecekapan penukaran tenaga terbaik di antara semua jenis laser, dalam satu tangan, ia boleh digunakan sebagai sumber pam teras laser gentian optik, laser keadaan pepejal dan laser pam optik yang lain. Sebaliknya, dengan penemuan berterusan teknologi laser semikonduktor dari segi kecekapan kuasa, kecerahan, seumur hidup, berbilang panjang gelombang, kadar modulasi, dan lain-lain, laser semikonduktor digunakan secara meluas dalam pemprosesan bahan, perubatan, komunikasi optik, penderiaan optik, pertahanan, dsb. Menurut Laser Focus World, jumlah hasil global laser diod, iaitu, laser semikonduktor dan laser bukan diod, dianggarkan $18,480 juta pada 2021, dengan laser semikonduktor menyumbang 43% daripada jumlah hasil.
Menurut Laser Focus World, pasaran laser semikonduktor global akan menjadi $6,724 juta pada 2020, meningkat 14.20% daripada tahun sebelumnya. Dengan perkembangan kecerdasan global, permintaan yang semakin meningkat untuk laser dalam peranti pintar, elektronik pengguna, tenaga baharu dan bidang lain, serta pengembangan berterusan peralatan perubatan, kecantikan dan aplikasi baru muncul, laser semikonduktor boleh digunakan sebagai sumber pam untuk laser pam optik, dan saiz pasarannya akan terus mengekalkan pertumbuhan yang stabil. Saiz pasaran laser semikonduktor global 2021 sebanyak $7.946 bilion, kadar pertumbuhan pasaran sebanyak 18.18%.
Melalui usaha bersama pakar teknikal dan perusahaan dan pengamal, industri laser semikonduktor China telah mencapai pembangunan yang luar biasa, supaya industri laser semikonduktor China telah mengalami proses dari awal, dan permulaan prototaip industri laser semikonduktor China. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, China telah meningkatkan pembangunan industri laser, dan pelbagai wilayah telah menumpukan kepada penyelidikan saintifik, peningkatan teknologi, pembangunan pasaran dan pembinaan taman industri laser di bawah kepimpinan kerajaan dan kerjasama perusahaan laser.
3. Trend pembangunan masa depan industri laser China
Berbanding dengan negara maju di Eropah dan Amerika Syarikat, teknologi laser China tidak terlambat, tetapi dalam aplikasi teknologi laser dan teknologi teras mewah masih terdapat jurang yang besar, terutamanya cip laser semikonduktor huluan dan komponen teras lain masih bergantung kepada import.
Negara maju yang diwakili oleh Amerika Syarikat, Jerman dan Jepun pada asasnya telah menyelesaikan penggantian teknologi pembuatan tradisional dalam beberapa bidang perindustrian besar dan memasuki era "pembuatan ringan"; walaupun perkembangan aplikasi laser di China adalah pesat, tetapi kadar penembusan aplikasi masih agak rendah. Sebagai teknologi teras peningkatan industri, industri laser akan terus menjadi bidang utama sokongan negara, dan terus mengembangkan skop aplikasi, dan akhirnya mempromosikan industri pembuatan China ke era "pembuatan ringan". Daripada situasi pembangunan semasa, pembangunan industri laser China menunjukkan trend pembangunan berikut.
(1) Cip laser semikonduktor dan komponen teras lain secara beransur-ansur menyedari penyetempatan
Ambil laser gentian sebagai contoh, sumber pam laser gentian kuasa tinggi adalah kawasan aplikasi utama laser semikonduktor, cip laser semikonduktor kuasa tinggi dan modul adalah komponen penting laser gentian. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, industri laser gentian optik China berada dalam tahap pertumbuhan yang pesat, dan tahap penyetempatan meningkat dari tahun ke tahun.
Dari segi penembusan pasaran, dalam pasaran laser gentian berkuasa rendah, bahagian pasaran laser domestik mencapai 99.01% pada 2019; dalam pasaran laser gentian kuasa sederhana, kadar penembusan laser domestik telah dikekalkan pada lebih daripada 50% dalam beberapa tahun kebelakangan ini; proses penyetempatan laser gentian berkuasa tinggi juga secara beransur-ansur maju, dari 2013 hingga 2019 untuk mencapai "dari awal". Proses penyetempatan laser gentian berkuasa tinggi juga secara beransur-ansur maju, dari 2013 hingga 2019, dan telah mencapai kadar penembusan 55.56%, dan kadar penembusan domestik laser gentian berkuasa tinggi dijangka menjadi 57.58% pada 2020.
Walau bagaimanapun, komponen teras seperti cip laser semikonduktor berkuasa tinggi masih bergantung kepada import, dan komponen huluan laser dengan cip laser semikonduktor sebagai teras secara beransur-ansur disetempat, yang pada satu tangan meningkatkan skala pasaran komponen huluan laser domestik, dan sebaliknya, dengan penyetempatan komponen teras huluan, ia boleh meningkatkan keupayaan pengeluar laser domestik untuk mengambil bahagian dalam persaingan antarabangsa.
(2) Aplikasi laser menembusi lebih cepat dan lebih luas
Dengan penyetempatan beransur-ansur komponen optoelektronik teras huluan dan penurunan beransur-ansur kos aplikasi laser, laser akan menembusi lebih mendalam ke dalam banyak industri.
Di satu pihak, bagi China, pemprosesan laser juga sesuai dengan sepuluh bidang aplikasi teratas industri pembuatan China, dan dijangkakan kawasan aplikasi pemprosesan laser akan diperluaskan lagi dan skala pasaran akan diperluaskan lagi pada masa hadapan. Sebaliknya, dengan pempopularan berterusan dan pembangunan teknologi seperti sistem pemanduan tanpa pemandu, bantuan lanjutan, robot berorientasikan perkhidmatan, penderiaan 3D, dan lain-lain, ia akan lebih digunakan dalam banyak bidang seperti kereta, kecerdasan buatan, elektronik pengguna. , pengecaman muka, komunikasi optik dan penyelidikan pertahanan negara. Sebagai peranti teras atau komponen aplikasi laser di atas, laser semikonduktor juga akan mendapat ruang pembangunan pesat.
(3) Kuasa yang lebih tinggi, kualiti pancaran yang lebih baik, panjang gelombang yang lebih pendek dan pembangunan arah frekuensi yang lebih pantas
Dalam bidang laser industri, laser gentian telah mencapai kemajuan besar dari segi kuasa keluaran, kualiti rasuk dan kecerahan sejak diperkenalkan. Walau bagaimanapun, kuasa yang lebih tinggi boleh meningkatkan kelajuan pemprosesan, mengoptimumkan kualiti pemprosesan, dan mengembangkan bidang pemprosesan kepada pembuatan industri berat, dalam pembuatan automotif, pembuatan aeroangkasa, tenaga, pembuatan jentera, metalurgi, pembinaan pengangkutan rel, penyelidikan saintifik dan bidang aplikasi lain dalam pemotongan. , kimpalan, rawatan permukaan, dsb., keperluan kuasa laser gentian terus meningkat. Pengeluar peranti yang sepadan perlu terus meningkatkan prestasi peranti teras (seperti cip laser semikonduktor berkuasa tinggi dan gentian keuntungan), peningkatan kuasa laser gentian juga memerlukan teknologi modulasi laser canggih seperti gabungan rasuk dan sintesis kuasa, yang akan membawa keperluan baharu dan cabaran kepada pengeluar cip laser semikonduktor berkuasa tinggi. Di samping itu, panjang gelombang yang lebih pendek, lebih panjang gelombang, pembangunan laser yang lebih pantas (ultrafast) juga merupakan arah penting, terutamanya digunakan dalam cip litar bersepadu, paparan, elektronik pengguna, aeroangkasa dan pemprosesan mikro ketepatan lain, serta sains hayat, perubatan, penderiaan dan lain-lain. bidang, cip laser semikonduktor juga mengemukakan keperluan baru.
(4) untuk komponen optoelektronik laser kuasa tinggi permintaan untuk pertumbuhan selanjutnya
Pembangunan dan perindustrian laser gentian berkuasa tinggi adalah hasil daripada kemajuan sinergistik rantaian industri, yang memerlukan sokongan komponen optoelektronik teras seperti sumber pam, pengasing, penumpu rasuk, dll. Komponen optoelektronik yang digunakan dalam kuasa tinggi laser gentian adalah asas dan komponen utama pembangunan dan pengeluarannya, dan pasaran laser gentian berkuasa tinggi yang berkembang turut memacu permintaan pasaran untuk komponen teras seperti cip laser semikonduktor berkuasa tinggi. Pada masa yang sama, dengan peningkatan berterusan teknologi laser gentian domestik, penggantian import telah menjadi trend yang tidak dapat dielakkan, bahagian pasaran laser di dunia akan terus bertambah baik, yang juga membawa peluang besar untuk kekuatan tempatan pengeluar komponen optoelektronik.
Masa siaran: Mac-07-2023
