1. Gambaran keseluruhan industri laser
(1) Pengenalan Laser
Laser (Penguatan Cahaya melalui Pancaran Sinaran yang Dirangsang, disingkatkan sebagai LASER) ialah pancaran cahaya berarah, monokromatik, koheren, dan terkolimat yang dihasilkan oleh penguatan sinaran cahaya pada frekuensi sempit melalui resonans dan sinaran maklum balas teruja.
Teknologi laser bermula 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 perkembangan dan transformasi sains, teknologi, ekonomi dan masyarakat.
Kelahiran laser telah mengubah wajah optik kuno secara dramatik, mengembangkan fizik optik klasik menjadi disiplin berteknologi tinggi baharu yang merangkumi optik klasik dan fotonik moden, memberikan sumbangan yang tidak tergantikan 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 merangkumi 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 jirim terkondensasi Bose-Einstein, bahan berfungsi laser, pembuatan laser, fabrikasi cip mikro-optoelektronik laser, percetakan 3D laser dan lebih daripada 20 disiplin sempadan antarabangsa 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 pasaran pesat aplikasi laser peringkat tinggi. Beberapa negara maju, yang diwakili oleh Amerika Syarikat, Jerman dan Jepun, pada dasarnya telah menyelesaikan penggantian proses tradisional dengan pemprosesan laser dalam industri pembuatan utama seperti automotif dan penerbangan. Laser dalam pembuatan perindustrian telah menunjukkan potensi besar untuk aplikasi pembuatan kos rendah, berkualiti tinggi, cekap tinggi dan khas yang tidak dapat dicapai oleh pembuatan konvensional, dan telah menjadi pemacu penting persaingan dan inovasi antara 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 kebangsaan.
(2)LaserSumber Pprinsip
Laser ialah peranti yang menggunakan sinaran teruja untuk menghasilkan cahaya yang boleh dilihat atau tidak boleh dilihat, dengan struktur yang kompleks dan halangan teknikal yang tinggi. Sistem optik terutamanya terdiri daripada sumber pam (sumber pengujaan), medium gandaan (bahan kerja) dan rongga resonan serta bahan peranti optik lain. Medium gandaan ialah sumber penjanaan foton, dan dengan menyerap tenaga yang dijana oleh sumber pam, medium gandaan melompat dari keadaan dasar ke keadaan teruja. Oleh kerana keadaan teruja tidak stabil, pada masa ini, medium gandaan akan melepaskan tenaga untuk kembali ke keadaan stabil keadaan dasar. Dalam proses pembebasan tenaga ini, medium gandaan menghasilkan foton, dan foton ini mempunyai tahap konsistensi tenaga, panjang gelombang dan arah yang tinggi, ia sentiasa dipantulkan dalam rongga resonan optik, pergerakan timbal balik, supaya dapat menguatkan secara berterusan, dan akhirnya memancarkan laser melalui reflektor untuk membentuk pancaran laser. Sebagai sistem optik teras peralatan terminal, prestasi laser selalunya secara langsung menentukan kualiti dan kuasa pancaran output peralatan laser, merupakan komponen teras peralatan laser terminal.
Sumber pam (sumber pengujaan) menyediakan pengujaan tenaga kepada medium gandaan. Medium gandaan teruja untuk menghasilkan foton bagi menjana dan menguatkan laser. Rongga resonan ialah tempat di mana ciri-ciri foton (frekuensi, fasa dan arah operasi) dikawal selia untuk mendapatkan sumber cahaya output yang berkualiti tinggi dengan mengawal ayunan foton dalam rongga. Sumber pam (sumber pengujaan) menyediakan pengujaan tenaga untuk medium gandaan. Medium gandaan teruja untuk menghasilkan foton bagi menjana dan menguatkan laser. Rongga resonan ialah tempat di mana ciri-ciri foton (frekuensi, fasa dan arah operasi) diselaraskan untuk mendapatkan sumber cahaya output yang berkualiti tinggi dengan mengawal ayunan foton dalam rongga.
(3)Pengelasan Sumber Laser
Sumber laser boleh dikelaskan mengikut medium gandaan, panjang gelombang output, mod operasi dan mod pam, seperti berikut
① Pengelasan mengikut medium gandaan
Mengikut media gandaan yang berbeza, laser boleh dibahagikan kepada keadaan pepejal (termasuk pepejal, semikonduktor, gentian, hibrid), laser cecair, laser gas, dan sebagainya.
| LaserSumberJenis | Media Keuntungan | Ciri-ciri Utama |
| Sumber Laser Keadaan Pepejal | Pepejal, Semikonduktor, Gentian Optik, Hibrid | Kestabilan yang baik, kuasa tinggi, kos penyelenggaraan yang rendah, sesuai untuk perindustrian |
| Sumber Laser Cecair | Cecair kimia | Julat panjang gelombang pilihan, tetapi saiznya besar dan kos penyelenggaraan yang tinggi |
| Sumber Laser Gas | Gas | Sumber cahaya laser berkualiti tinggi, tetapi saiznya lebih besar dan kos penyelenggaraan yang lebih tinggi |
| Sumber Laser Elektron Percuma | Pancaran elektron dalam medan magnet tertentu | Kuasa ultra tinggi dan output laser berkualiti tinggi boleh dicapai, tetapi teknologi pembuatan dan kos pengeluaran adalah sangat tinggi. |
Disebabkan kestabilan yang baik, kuasa yang 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 yang panjang, penggunaan tenaga yang rendah, dan sebagainya. Di satu pihak, ia boleh digunakan secara langsung sebagai sumber cahaya teras dan sokongan untuk pemprosesan laser, perubatan, komunikasi, pengesanan, 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 pam teras untuk laser lain seperti laser keadaan pepejal dan laser gentian, sekali gus menggalakkan kemajuan teknologi keseluruhan bidang 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 pam
Laser boleh dibahagikan kepada laser yang dipam secara elektrik, dipam secara optik, dipam secara kimia, dan sebagainya 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 pam teras untuk laser pam optik.
Laser yang dipam secara kimia merujuk kepada laser yang menggunakan tenaga yang dibebaskan daripada tindak balas kimia untuk mengujakan bahan kerja.
③Pengelasan mengikut mod operasi
Laser boleh dibahagikan kepada laser berterusan dan laser berdenyut mengikut mod operasinya.
Laser berterusan mempunyai taburan bilangan zarah yang stabil pada setiap aras tenaga dan medan sinaran dalam rongga, dan operasinya dicirikan oleh pengujaan bahan kerja dan output laser yang sepadan secara berterusan dalam tempoh masa yang panjang. Laser berterusan boleh mengeluarkan cahaya laser secara berterusan untuk tempoh masa yang lebih lama, tetapi kesan haba lebih jelas.
Laser berdenyut merujuk kepada tempoh masa apabila kuasa laser dikekalkan pada nilai tertentu, dan mengeluarkan cahaya laser secara tidak berterusan, dengan ciri-ciri utama kesan haba yang kecil dan kawalan yang baik.
④ Pengelasan mengikut panjang gelombang output
Laser boleh dikelaskan mengikut panjang gelombang sebagai laser inframerah, laser nampak, 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 terutamanya digunakan dalam "pemprosesan haba", di mana bahan pada permukaan bahan dipanaskan dan diuapkan (disejat) untuk membuang 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 sebagainya, foton UV bertenaga tinggi secara langsung memutuskan ikatan molekul pada permukaan bahan bukan logam, supaya molekul boleh dipisahkan daripada objek, dan kaedah ini tidak menghasilkan tindak balas haba yang tinggi, jadi ia biasanya dipanggil "pemprosesan sejuk".
Disebabkan tenaga foton UV yang tinggi, sukar untuk menghasilkan laser UV berterusan berkuasa tinggi tertentu melalui sumber pengujaan luaran, jadi laser UV secara amnya dihasilkan melalui penggunaan kaedah penukaran frekuensi kesan tak linear bahan kristal, jadi bidang perindustrian laser UV yang digunakan secara meluas semasa terutamanya laser UV keadaan pepejal.
(4) Rantaian industri
Huluan rantaian industri ini adalah penggunaan bahan mentah semikonduktor, peralatan mewah dan aksesori pengeluaran berkaitan untuk mengeluarkan teras laser dan peranti optoelektronik, yang merupakan asas industri laser dan mempunyai ambang akses yang tinggi. Pertengahan rantaian industri ini adalah penggunaan cip laser huluan dan peranti optoelektronik, modul, komponen optik, dan sebagainya sebagai sumber pam untuk pembuatan dan penjualan pelbagai laser, termasuk laser semikonduktor langsung, laser karbon dioksida, laser keadaan pepejal, laser gentian, dan sebagainya; industri hiliran terutamanya merujuk kepada bidang aplikasi pelbagai laser, termasuk peralatan pemprosesan perindustrian, LIDAR, komunikasi optik, kecantikan perubatan dan industri aplikasi lain.
①Pembekal huluan
Bahan mentah untuk produk huluan seperti cip laser semikonduktor, peranti dan modul terutamanya terdiri daripada pelbagai bahan cip, bahan gentian dan bahagian mesin, termasuk substrat, sink haba, bahan kimia dan set perumah. Pemprosesan cip memerlukan kualiti dan prestasi bahan mentah huluan yang tinggi, 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 terhadap 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 merupakan sumber cahaya pam teras bagi pelbagai jenis laser di pertengahan rantaian industri, dan memainkan peranan positif dalam menggalakkan pembangunan laser pertengahan. Amerika Syarikat, Jerman dan perusahaan luar negara lain mendominasi dalam bidang laser pertengahan, tetapi selepas perkembangan pesat industri laser domestik dalam beberapa tahun kebelakangan ini, pasaran pertengahan rantaian industri telah mencapai penggantian domestik yang pesat.
③Rangkaian perindustrian di hilir
Industri hiliran mempunyai peranan yang lebih besar dalam menggalakkan pembangunan industri, jadi pembangunan industri hiliran akan memberi kesan langsung kepada ruang pasaran industri. Pertumbuhan ekonomi China yang berterusan dan kemunculan peluang strategik untuk transformasi ekonomi telah mewujudkan keadaan pembangunan yang lebih baik untuk pembangunan industri ini. China sedang beralih daripada sebuah negara pembuatan kepada sebuah kuasa pembuatan, dan laser hiliran dan 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 perantinya semakin meningkat, dan perusahaan domestik secara beransur-ansur memasuki pasaran laser berkuasa tinggi daripada pasaran laser berkuasa rendah, jadi industri mesti terus meningkatkan pelaburan dalam bidang penyelidikan dan pembangunan teknologi dan inovasi bebas.
2. status pembangunan industri laser semikonduktor
Laser semikonduktor mempunyai kecekapan penukaran tenaga terbaik antara semua jenis laser, di satu pihak, ia boleh digunakan sebagai sumber pam teras laser gentian optik, laser keadaan pepejal dan laser pam optik lain. Sebaliknya, dengan kemajuan berterusan teknologi laser semikonduktor dari segi kecekapan kuasa, kecerahan, jangka hayat, pelbagai panjang gelombang, kadar modulasi, dan sebagainya, laser semikonduktor digunakan secara meluas dalam pemprosesan bahan, perubatan, komunikasi optik, penderiaan optik, pertahanan, dan sebagainya. Menurut Laser Focus World, jumlah pendapatan global laser diod, iaitu laser semikonduktor dan laser bukan diod, dianggarkan sebanyak $18,480 juta pada tahun 2021, dengan laser semikonduktor menyumbang 43% daripada jumlah pendapatan.
Menurut Laser Focus World, pasaran laser semikonduktor global akan mencecah $6,724 juta pada tahun 2020, meningkat 14.20% daripada tahun sebelumnya. Dengan perkembangan kecerdasan global, permintaan laser yang semakin meningkat dalam peranti pintar, elektronik pengguna, tenaga baharu dan bidang lain, serta pengembangan berterusan peralatan perubatan, kecantikan dan aplikasi baru muncul yang lain, 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 sama pakar teknikal, perusahaan dan pengamal, industri laser semikonduktor China telah mencapai pembangunan yang luar biasa, sehingga 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 dikhaskan untuk penyelidikan saintifik, peningkatan teknologi, pembangunan pasaran dan pembinaan taman perindustrian laser di bawah kepimpinan kerajaan dan kerjasama perusahaan laser.
3. Trend pembangunan masa hadapan 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-negara maju yang diwakili oleh Amerika Syarikat, Jerman dan Jepun pada dasarnya telah menyelesaikan penggantian teknologi pembuatan tradisional dalam beberapa bidang perindustrian yang besar dan memasuki era "pembuatan ringan"; walaupun pembangunan aplikasi laser di China adalah pesat, tetapi kadar penembusan aplikasi masih agak rendah. Sebagai teknologi teras penaiktarafan perindustrian, 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 berkuasa tinggi merupakan bidang aplikasi utama laser semikonduktor, cip laser semikonduktor berkuasa tinggi dan modul merupakan komponen penting laser gentian. Dalam beberapa tahun kebelakangan ini, industri laser gentian optik China berada dalam peringkat pertumbuhan yang pesat, dan tahap penyetempatan semakin meningkat dari tahun ke tahun.
Dari segi penembusan pasaran, dalam pasaran laser gentian berkuasa rendah, bahagian pasaran laser domestik mencapai 99.01% pada tahun 2019; dalam pasaran laser gentian berkuasa 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 sebanyak 55.56%, dan kadar penembusan domestik laser gentian berkuasa tinggi dijangka menjadi 57.58% pada tahun 2020.
Walau bagaimanapun, komponen teras seperti cip laser semikonduktor berkuasa tinggi masih bergantung kepada import, dan komponen huluan laser dengan cip laser semikonduktor sebagai terasnya secara beransur-ansur dilokalisasikan, yang di satu pihak meningkatkan skala pasaran komponen huluan laser domestik, dan di pihak yang lain, dengan penyetempatan komponen teras huluan, ia dapat meningkatkan keupayaan pengeluar laser domestik untuk menyertai persaingan antarabangsa.
(2) Aplikasi laser menembusi lebih pantas dan lebih luas
Dengan penyetempatan komponen optoelektronik teras huluan secara beransur-ansur dan penurunan kos aplikasi laser secara beransur-ansur, laser akan menembusi lebih jauh ke dalam banyak industri.
Di satu pihak, bagi China, pemprosesan laser juga sesuai dengan sepuluh bidang aplikasi utama industri pembuatan China, dan dijangkakan bahawa bidang aplikasi pemprosesan laser akan diperluas lagi dan skala pasaran akan diperluas lagi pada masa hadapan. Sebaliknya, dengan popularisasi dan pembangunan berterusan teknologi seperti sistem pemanduan tanpa pemandu, sistem pemanduan berbantu canggih, robot berorientasikan perkhidmatan, penderiaan 3D, dan sebagainya, ia akan lebih banyak digunakan dalam pelbagai bidang seperti automobil, kecerdasan buatan, elektronik pengguna, pengecaman wajah, komunikasi optik dan penyelidikan pertahanan negara. Sebagai peranti teras atau komponen aplikasi laser di atas, laser semikonduktor juga akan mendapat ruang pembangunan yang pesat.
(3) Kuasa yang lebih tinggi, kualiti pancaran yang lebih baik, panjang gelombang yang lebih pendek dan perkembangan arah frekuensi yang lebih pantas
Dalam bidang laser perindustrian, laser gentian telah mencapai kemajuan yang besar dari segi kuasa output, kualiti pancaran dan kecerahan sejak diperkenalkan. Walau bagaimanapun, kuasa yang lebih tinggi dapat 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, dan sebagainya, keperluan kuasa laser gentian terus meningkat. Pengilang peranti yang sepadan perlu terus meningkatkan prestasi peranti teras (seperti cip laser semikonduktor berkuasa tinggi dan gentian gandaan), peningkatan kuasa laser gentian juga memerlukan teknologi modulasi laser canggih seperti penggabungan pancaran dan sintesis kuasa, yang akan membawa keperluan dan cabaran baharu kepada pengeluar cip laser semikonduktor berkuasa tinggi. Di samping itu, panjang gelombang yang lebih pendek, lebih banyak panjang gelombang, pembangunan laser yang lebih pantas (ultrapantas) juga merupakan hala tuju penting, terutamanya digunakan dalam cip litar bersepadu, paparan, elektronik pengguna, aeroangkasa dan pemprosesan mikro ketepatan lain, serta sains hayat, perubatan, penderiaan dan bidang lain, cip laser semikonduktor juga mengemukakan keperluan baharu.
(4) untuk komponen optoelektronik laser berkuasa tinggi, permintaan untuk pertumbuhan selanjutnya
Pembangunan dan perindustrian laser gentian berkuasa tinggi adalah hasil kemajuan sinergi rantaian industri, yang memerlukan sokongan komponen optoelektronik teras seperti sumber pam, pengasing, penumpu pancaran, dan sebagainya. Komponen optoelektronik yang digunakan dalam laser gentian berkuasa tinggi adalah asas dan komponen utama pembangunan dan pengeluarannya, dan pasaran laser gentian berkuasa tinggi yang berkembang juga 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: 07-Mac-2023
