1. Обзор лазерной отрасли
(1) Введение лазера
Лазер (усиление света путем стимулированного излучения, сокращенно ЛАЗЕР) представляет собой коллимированный, монохроматический, когерентный, направленный луч света, создаваемый усилением светового излучения на узкой частоте посредством возбужденного резонанса обратной связи и излучения.
Лазерная технология возникла в начале 1960-х годов, и из-за своей совершенно отличной от обычного света природы лазер вскоре получил широкое распространение в различных областях и оказал глубокое влияние на развитие и трансформацию науки, техники, экономики и общества.
Рождение лазера кардинально изменило облик древней оптики, превратив классическую оптическую физику в новую высокотехнологичную дисциплину, охватывающую как классическую оптику, так и современную фотонику, внося незаменимый вклад в развитие человеческой экономики и общества. Исследования в области лазерной физики способствовали расцвету двух основных направлений современной фотонной физики: энергетической фотоники и информационной фотоники. Он охватывает нелинейную оптику, квантовую оптику, квантовые вычисления, лазерное зондирование и связь, физику лазерной плазмы, лазерную химию, лазерную биологию, лазерную медицину, сверхточную лазерную спектроскопию и метрологию, лазерную атомную физику, включая лазерное охлаждение, и исследования бозе-эйнштейновского конденсированного состояния. , лазерные функциональные материалы, лазерное производство, изготовление лазерных микрооптоэлектронных чипов, лазерная 3D-печать и более 20 международных передовых дисциплин и технологических приложений. Кафедра лазерной науки и технологий (DSL) создана по следующим направлениям.
В лазерной промышленности мир вступил в эпоху «легкого производства». Согласно международной статистике лазерной промышленности, 50% годового ВВП США1 связано с быстрым расширением рынка лазерных приложений высокого уровня. Несколько развитых стран, представленных США, Германией и Японией, в основном завершили замену традиционных процессов лазерной обработкой в основных отраслях обрабатывающей промышленности, таких как автомобилестроение и авиация. Лазер в промышленном производстве продемонстрировал большой потенциал для недорогих, высококачественных, высокоэффективных и специальных производственных применений, которые невозможно достичь с помощью обычного производства, и стал важным фактором конкуренции и инноваций среди крупнейших промышленных стран мира. Страны активно поддерживают лазерные технологии как одну из наиболее важных передовых технологий и разработали национальные планы развития лазерной промышленности.
(2)ЛазерИсточник Ппринцип
Лазер — это устройство, использующее возбужденное излучение для получения видимого или невидимого света, имеющее сложную структуру и высокие технические барьеры. Оптическая система в основном состоит из источника накачки (источника возбуждения), усиливающей среды (рабочего вещества), резонансной полости и других материалов оптического устройства. Усиливающая среда является источником генерации фотонов, и, поглощая энергию, генерируемую источником накачки, усиливающая среда переходит из основного состояния в возбужденное состояние. Поскольку возбужденное состояние нестабильно, в это время усиливающая среда выделит энергию, чтобы вернуться в устойчивое состояние основного состояния. В этом процессе выделения энергии усиливающая среда производит фотоны, и эти фотоны имеют высокую степень постоянства по энергии, длине волны и направлению, они постоянно отражаются в оптической резонансной полости, совершают возвратно-поступательное движение, чтобы постоянно усиливаться и, наконец, выстрелите лазером через отражатель, чтобы сформировать лазерный луч. Производительность лазера, являющегося основной оптической системой терминального оборудования, часто напрямую определяет качество и мощность выходного луча лазерного оборудования, является основным компонентом терминального лазерного оборудования.
Источник накачки (источник возбуждения) обеспечивает энергетическое возбуждение усиливающей среды. Усиливающая среда возбуждается, производя фотоны для генерации и усиления лазера. Резонансная полость — это место, где регулируются характеристики фотонов (частота, фаза и направление работы) для получения высококачественного выходного источника света путем управления колебаниями фотонов в резонаторе. Источник накачки (источник возбуждения) обеспечивает энергетическое возбуждение усиливающей среды. Усиливающая среда возбуждается и производит фотоны для генерации и усиления лазера. Резонансная полость — это место, где характеристики фотонов (частота, фаза и направление работы) регулируются для получения высококачественного выходного источника света путем управления колебаниями фотонов в полости.
(3)Классификация лазерного источника
Лазерный источник можно классифицировать по усиливающей среде, выходной длине волны, режиму работы и режиму накачки следующим образом:
① Классификация по усиливающей среде
В зависимости от различных сред усиления лазеры можно разделить на твердотельные (в том числе твердотельные, полупроводниковые, волоконные, гибридные), жидкостные лазеры, газовые лазеры и т. д.
| ЛазерИсточникТип | Получите медиа | Основные характеристики |
| Твердотельный лазерный источник | Твердые тела, полупроводники, волоконная оптика, гибрид | Хорошая стабильность, высокая мощность, низкие затраты на техническое обслуживание, подходят для индустриализации. |
| Жидкостный лазерный источник | Химические жидкости | Дополнительный диапазон длин волн, но большой размер и высокая стоимость обслуживания |
| Газовый лазерный источник | Газы | Высококачественный лазерный источник света, но большего размера и более высоких затрат на техническое обслуживание. |
| Лазерный источник свободных электронов | Электронный пучок в определенном магнитном поле | Можно достичь сверхвысокой мощности и высокого качества лазерной продукции, но технология производства и производственные затраты очень высоки. |
Благодаря хорошей стабильности, высокой мощности и низкой стоимости обслуживания применение твердотельных лазеров имеет абсолютное преимущество.
Среди твердотельных лазеров полупроводниковые лазеры обладают преимуществами высокой эффективности, небольшого размера, длительного срока службы, низкого энергопотребления и т. д. С одной стороны, их можно непосредственно применять в качестве основного источника света и поддержки лазерной обработки, медицины, приложения для связи, зондирования, отображения, мониторинга и защиты и стали важной основой для развития современных лазерных технологий, имеющих стратегическое значение для развития.
С другой стороны, полупроводниковые лазеры также могут использоваться в качестве основного источника света накачки для других лазеров, таких как твердотельные лазеры и волоконные лазеры, что значительно способствует технологическому прогрессу всей лазерной области. Все основные развитые страны мира включили его в свои национальные планы развития, оказывая мощную поддержку и добиваясь быстрого развития.
② В зависимости от метода накачки
По способу накачки лазеры можно разделить на лазеры с электрической накачкой, с оптической накачкой, с химической накачкой и т. д.
Лазеры с электрической накачкой относятся к лазерам, возбуждаемым током, газовые лазеры в основном возбуждаются газовым разрядом, а полупроводниковые лазеры в основном возбуждаются инжекцией тока.
Почти все твердотельные лазеры и жидкостные лазеры являются лазерами оптической накачки, а в качестве основного источника накачки для лазеров оптической накачки используются полупроводниковые лазеры.
Лазеры с химической накачкой относятся к лазерам, которые используют энергию, выделяемую в результате химических реакций, для возбуждения рабочего материала.
③Классификация по режиму работы
Лазеры можно разделить на лазеры непрерывного действия и импульсные лазеры в зависимости от режима их работы.
Лазеры непрерывного действия имеют стабильное распределение числа частиц на каждом энергетическом уровне и поля излучения в резонаторе, а их работа характеризуется возбуждением рабочего материала и соответствующей лазерной мощностью непрерывно в течение длительного периода времени. . Лазеры непрерывного действия могут излучать лазерный свет непрерывно в течение более длительного периода времени, но тепловой эффект более очевиден.
Импульсные лазеры относятся к периоду времени, когда мощность лазера поддерживается на определенном уровне и излучают лазерный свет прерывисто, с основными характеристиками небольшого теплового эффекта и хорошей управляемости.
④ Классификация по выходной длине волны
Лазеры можно классифицировать в зависимости от длины волны: инфракрасные лазеры, видимые лазеры, ультрафиолетовые лазеры, глубокие ультрафиолетовые лазеры и так далее. Диапазон длин волн света, который может поглощаться различными структурированными материалами, различен, поэтому для тонкой обработки разных материалов или для разных сценариев применения необходимы лазеры с разными длинами волн.Инфракрасные лазеры и УФ-лазеры являются двумя наиболее широко используемыми лазерами. Инфракрасные лазеры в основном используются при «термической обработке», когда материал на поверхности материала нагревается и испаряется (испаряется) для удаления материала; в обработке тонкопленочных неметаллических материалов, резке полупроводниковых пластин, резке органического стекла, сверлении, маркировке и других областях, высокая энергия. В области обработки тонкопленочных неметаллических материалов, резке полупроводниковых пластин, резке органического стекла, сверлении, маркировке, и т. д., УФ-фотоны высокой энергии непосредственно разрушают молекулярные связи на поверхности неметаллических материалов, так что молекулы могут быть отделены от объекта, и этот метод не вызывает высокой тепловой реакции, поэтому его обычно называют «холодная обработка».
Из-за высокой энергии УФ-фотонов трудно генерировать определенный мощный непрерывный УФ-лазер с помощью внешнего источника возбуждения, поэтому УФ-лазер обычно генерируется путем применения метода преобразования частоты нелинейного эффекта кристаллического материала, поэтому широко используемый ток Промышленной областью УФ-лазеров являются в основном твердотельные УФ-лазеры.
(4) Промышленная цепочка
Верхним звеном отраслевой цепочки является использование полупроводникового сырья, высокотехнологичного оборудования и сопутствующих производственных аксессуаров для производства лазерных сердечников и оптоэлектронных устройств, что является краеугольным камнем лазерной промышленности и имеет высокий порог доступа. Среднее звено отраслевой цепочки — использование предшествующих лазерных чипов и оптоэлектронных устройств, модулей, оптических компонентов и т. д. в качестве источников накачки для производства и продажи различных лазеров, в том числе полупроводниковых лазеров прямого действия, углекислотных лазеров, твердотельных лазеров, волоконные лазеры и т.п.; перерабатывающая промышленность в основном относится к областям применения различных лазеров, включая промышленное технологическое оборудование, лидар, оптическую связь, косметическую медицину и другие отрасли применения.
①Поставщики разведки и добычи
Сырьем для исходных продуктов, таких как полупроводниковые лазерные чипы, устройства и модули, в основном являются различные материалы для чипов, волоконные материалы и обработанные детали, включая подложки, радиаторы, химикаты и корпусные комплекты. Обработка чипов требует высокого качества и производительности исходного сырья, в основном от иностранных поставщиков, но степень локализации постепенно увеличивается и постепенно достигается независимый контроль. Производительность основного исходного сырья оказывает прямое влияние на качество полупроводниковых лазерных чипов, при этом постоянное улучшение характеристик различных материалов чипов способствует повышению производительности отраслевой продукции, что играет положительную роль в продвижении.
②Отраслевая сеть Midstream
Полупроводниковый лазерный чип является основным источником света накачки различных типов лазеров в средней части производственной цепочки и играет положительную роль в продвижении разработки средних лазеров. В области лазеров среднего звена доминируют США, Германия и другие зарубежные предприятия, но после быстрого развития отечественной лазерной промышленности в последние годы рынок среднего звена отраслевой цепочки добился быстрого внутреннего замещения.
③Промышленная цепочка переработки
Перерабатывающая промышленность играет большую роль в содействии развитию отрасли, поэтому развитие перерабатывающей промышленности напрямую повлияет на рыночное пространство отрасли. Непрерывный рост экономики Китая и появление стратегических возможностей для экономических преобразований создали лучшие условия для развития этой отрасли. Китай превращается из страны-производителя в производственную державу, а последующие лазеры и лазерное оборудование являются одним из ключей к модернизации обрабатывающей промышленности, что обеспечивает хорошую среду спроса для долгосрочного улучшения этой отрасли. Требования перерабатывающей промышленности к индексу производительности полупроводниковых лазерных чипов и их устройств растут, и отечественные предприятия постепенно выходят на рынок лазеров высокой мощности с рынка лазеров малой мощности, поэтому промышленность должна постоянно увеличивать инвестиции в область технологических исследований. а также развитие и независимые инновации.
2. Состояние развития индустрии полупроводниковых лазеров
Полупроводниковые лазеры обладают лучшей эффективностью преобразования энергии среди всех видов лазеров, с одной стороны, их можно использовать в качестве основного источника накачки волоконно-оптических лазеров, твердотельных лазеров и других лазеров оптической накачки. С другой стороны, благодаря постоянному прорыву в технологии полупроводниковых лазеров с точки зрения энергоэффективности, яркости, срока службы, многоволновости, скорости модуляции и т. д., полупроводниковые лазеры широко используются в обработке материалов, медицине, оптической связи, оптическом зондировании, оборона и т. д. По данным Laser Focus World, общий мировой доход от диодных лазеров, то есть полупроводниковых и недиодных лазеров, оценивается в 18 480 миллионов долларов в 2021 году. при этом полупроводниковые лазеры составляют 43% от общего дохода.
По данным Laser Focus World, мировой рынок полупроводниковых лазеров в 2020 году составит 6,724 миллиона долларов, что на 14,20% больше, чем в предыдущем году. С развитием глобального интеллекта, растущим спросом на лазеры в интеллектуальных устройствах, бытовой электронике, новой энергетике и других областях, а также продолжающимся расширением медицинского, косметического оборудования и других новых приложений полупроводниковые лазеры могут использоваться в качестве источника накачки. для лазеров оптической накачки, и размер его рынка будет продолжать стабильно расти. Размер мирового рынка полупроводниковых лазеров в 2021 году составит $7,946 млрд, темпы роста рынка 18,18%.
Благодаря совместным усилиям технических экспертов, предприятий и практиков китайская индустрия полупроводниковых лазеров достигла необычайного развития, так что китайская индустрия полупроводниковых лазеров испытала этот процесс с нуля и положила начало прототипу китайской индустрии полупроводниковых лазеров. В последние годы Китай увеличил развитие лазерной промышленности, и различные регионы были посвящены научным исследованиям, совершенствованию технологий, развитию рынка и строительству лазерных промышленных парков под руководством правительства и при сотрудничестве лазерных предприятий.
3. Тенденции будущего развития лазерной промышленности Китая.
По сравнению с развитыми странами Европы и США, лазерные технологии Китая не отстают, но в применении лазерных технологий и передовых основных технологий все еще существует значительный разрыв, особенно полупроводниковый лазерный чип и другие основные компоненты все еще находятся на стадии разработки. зависит от импорта.
Развитые страны в лице США, Германии и Японии в основном завершили замену традиционных технологий производства в ряде крупных отраслей промышленности и вступили в эпоху «легкой промышленности»; хотя развитие лазерных приложений в Китае идет быстрыми темпами, уровень проникновения приложений все еще относительно низок. В качестве основной технологии промышленной модернизации лазерная промышленность будет продолжать оставаться ключевой областью национальной поддержки, продолжать расширять сферу применения и, в конечном итоге, способствовать переходу обрабатывающей промышленности Китая в эпоху «легкого производства». Учитывая текущую ситуацию развития, развитие лазерной промышленности Китая демонстрирует следующие тенденции развития.
(1) Полупроводниковый лазерный чип и другие основные компоненты постепенно реализуют локализацию.
Возьмем, к примеру, волоконный лазер: мощный источник накачки волоконного лазера является основной областью применения полупроводникового лазера, мощный полупроводниковый лазерный чип и модуль являются важным компонентом волоконного лазера. В последние годы китайская индустрия волоконно-оптических лазеров находится на стадии быстрого роста, и степень локализации увеличивается с каждым годом.
С точки зрения проникновения на рынок волоконных лазеров малой мощности доля отечественных лазеров достигла 99,01% в 2019 году; на рынке волоконных лазеров средней мощности уровень проникновения отечественных лазеров в последние годы поддерживается на уровне более 50%; Процесс локализации мощных волоконных лазеров также постепенно продвигается, с 2013 по 2019 год, чтобы достичь «с нуля». Процесс локализации мощных волоконных лазеров также постепенно продвигается, с 2013 по 2019 год, и достиг уровня проникновения 55,56%, а уровень проникновения мощных волоконных лазеров внутри страны, как ожидается, составит 57,58% в 2020 году.
Однако основные компоненты, такие как мощные полупроводниковые лазерные чипы, по-прежнему зависят от импорта, а исходные компоненты лазеров с полупроводниковыми лазерными чипами в качестве ядра постепенно локализуются, что, с одной стороны, улучшает масштаб рынка исходных компонентов отечественные лазеры, а с другой стороны, благодаря локализации основных компонентов, это может улучшить возможности отечественных производителей лазеров участвовать в международной конкуренции.
(2) Лазерные применения проникают быстрее и шире.
С постепенной локализацией основных оптоэлектронных компонентов и постепенным снижением затрат на применение лазеров лазеры будут более глубоко проникать во многие отрасли промышленности.
С одной стороны, для Китая лазерная обработка также вписывается в десятку основных областей применения обрабатывающей промышленности Китая, и ожидается, что области применения лазерной обработки будут и дальше расширяться, а масштаб рынка будет еще больше расширяться в будущем. С другой стороны, благодаря постоянной популяризации и развитию таких технологий, как беспилотные системы, усовершенствованные системы помощи при вождении, сервис-ориентированные роботы, 3D-зондирование и т. д., они будут более широко применяться во многих областях, таких как автомобили, искусственный интеллект, бытовая электроника. , распознавание лиц, оптическая связь и исследования национальной обороны. В качестве основного устройства или компонента вышеупомянутых лазерных приложений полупроводниковый лазер также получит быстрое развитие.
(3) Более высокая мощность, лучшее качество луча, более короткая длина волны и более быстрое развитие частотного направления.
В области промышленных лазеров волоконные лазеры с момента своего появления добились большого прогресса с точки зрения выходной мощности, качества луча и яркости. Однако более высокая мощность может повысить скорость обработки, оптимизировать качество обработки и расширить область обработки до тяжелой промышленности, автомобилестроения, аэрокосмической промышленности, энергетики, машиностроения, металлургии, строительства железнодорожного транспорта, научных исследований и других областей применения резки. , сварка, обработка поверхности и т. д., требования к мощности волоконного лазера продолжают расти. Производителям соответствующих устройств необходимо постоянно улучшать производительность основных устройств (таких как мощные полупроводниковые лазерные чипы и усиливающее волокно), увеличение мощности волоконного лазера также требует передовых технологий лазерной модуляции, таких как объединение лучей и синтез мощности, что предъявляет новые требования. и проблемы для производителей мощных полупроводниковых лазерных чипов. Кроме того, более короткие волны, больше длин волн, более быстрые (сверхбыстрые) разработки лазеров также являются важным направлением, в основном используемым в микросхемах интегральных схем, дисплеях, бытовой электронике, аэрокосмической и другой точной микрообработке, а также в науках о жизни, медицине, зондировании и других технологиях. полей, полупроводниковый лазерный чип также выдвигает новые требования.
(4) спрос на мощные лазерные оптоэлектронные компоненты для дальнейшего роста
Разработка и индустриализация мощного волоконного лазера является результатом синергетического прогресса отраслевой цепочки, которая требует поддержки основных оптоэлектронных компонентов, таких как источник накачки, изолятор, концентратор луча и т. д. Оптоэлектронные компоненты, используемые в мощных Волоконные лазеры являются основой и ключевыми компонентами его разработки и производства, а расширяющийся рынок мощных волоконных лазеров также стимулирует рыночный спрос на основные компоненты, такие как мощные полупроводниковые лазерные чипы. В то же время, благодаря постоянному совершенствованию отечественных волоконных лазерных технологий, импортозамещение стало неизбежной тенденцией, доля лазерного рынка в мире будет продолжать увеличиваться, что также открывает большие возможности для местных производителей оптоэлектронных компонентов.
Время публикации: 7 марта 2023 г.
