1. Обзор лазерной отрасли
(1) Введение в лазеры
Лазер (усиление света путем стимулированного излучения, сокращенно LASER) — это коллимированный, монохроматический, когерентный, направленный луч света, создаваемый усилением светового излучения в узком диапазоне частот посредством возбужденного резонанса обратной связи и излучения.
Лазерные технологии зародились в начале 1960-х годов, и благодаря своей совершенно иной природе по сравнению с обычным светом, лазеры вскоре получили широкое распространение в различных областях и оказали глубокое влияние на развитие и трансформацию науки, техники, экономики и общества.
Появление лазера кардинально изменило облик древней оптики, расширив классическую оптическую физику до новой высокотехнологичной дисциплины, охватывающей как классическую оптику, так и современную фотонику, внеся 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. Они охватывают 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 конденсированных сред Бозе-Эйнштейна, лазерные функциональные материалы, лазерное производство, изготовление лазерных микрооптоэлектронных чипов, лазерную 3D-печать и более 20 международных передовых дисциплин и технологических приложений. В следующих областях создано отделение лазерной науки и технологий (DSL).
В лазерной промышленности мир вступил в эру «легкого производства». Согласно международной статистике лазерной индустрии, 50% годового ВВП США¹ связано с быстрым расширением рынка высокотехнологичных лазерных технологий. Ряд развитых стран, представленных США, Германией и Японией, в основном завершили замену традиционных процессов лазерной обработкой в основных отраслях промышленности, таких как автомобилестроение и авиация. Лазеры в промышленном производстве продемонстрировали огромный потенциал для создания недорогих, высококачественных, высокоэффективных и специализированных производственных решений, недоступных при использовании традиционных методов, и стали важным двигателем конкуренции и инноваций среди крупнейших промышленно развитых стран мира. Страны активно поддерживают лазерные технологии как одну из важнейших передовых технологий и разработали национальные планы развития лазерной промышленности.
(2)ЛазерИсточник Pпринцип
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), активной среды (рабочего вещества), резонансной полости и других материалов оптического устройства. Активная среда является источником генерации фотонов, и, поглощая энергию, генерируемую источником накачки, активная среда переходит из основного состояния в возбужденное. Поскольку возбужденное состояние нестабильно, в это время активная среда высвобождает энергию, чтобы вернуться в устойчивое состояние основного состояния. В этом процессе высвобождения энергии активная среда производит фотоны, которые обладают высокой степенью стабильности по энергии, длине волны и направлению, постоянно отражаются в оптической резонансной полости, совершая возвратно-поступательное движение, непрерывно усиливаясь, и, наконец, выбрасываются лазерным лучом через отражатель, образуя лазерный луч. Являясь основной оптической системой оконечного оборудования, характеристики лазера часто напрямую определяют качество и мощность выходного луча лазерного оборудования и являются ключевым компонентом оконечного лазерного оборудования.
Источник накачки (источник возбуждения) обеспечивает энергетическое возбуждение активной среды. Активная среда возбуждается для генерации фотонов, которые затем генерируют и усиливают лазерный луч. Резонансная полость — это место, где регулируются характеристики фотонов (частота, фаза и направление движения) для получения высококачественного выходного источника света путем управления колебаниями фотонов в полости. Источник накачки (источник возбуждения) обеспечивает энергетическое возбуждение активной среды. Активная среда возбуждается для генерации фотонов, которые затем генерируют и усиливают лазерный луч. Резонансная полость — это место, где регулируются характеристики фотонов (частота, фаза и направление движения) для получения высококачественного выходного источника света путем управления колебаниями фотонов в полости.
(3)Классификация лазерных источников
Источники лазерного излучения можно классифицировать по типу активной среды, длине волны выходного излучения, режиму работы и режиму накачки следующим образом:
① Классификация по усиливающей среде
В зависимости от используемой среды усиления лазеры можно разделить на твердотельные (включая твердотельные, полупроводниковые, волоконные, гибридные), жидкостные лазеры, газовые лазеры и т. д.
| ЛазерИсточникТип | Gain Media | Основные характеристики |
| Твердотельный лазерный источник | Твердотельные материалы, полупроводники, волоконная оптика, гибридные технологии | Отличная стабильность, высокая мощность, низкие затраты на техническое обслуживание, подходит для промышленного производства. |
| Жидкостный лазерный источник | Химические жидкости | Дополнительный диапазон длин волн ограничен, но большие размеры и высокие затраты на техническое обслуживание. |
| Газовый лазерный источник | Газы | Высококачественный лазерный источник света, но большие размеры и более высокие затраты на техническое обслуживание. |
| Источник лазерного излучения на свободных электронах | Электронный пучок в определённом магнитном поле | Можно достичь сверхвысокой мощности и высокого качества лазерного излучения, но технология производства и себестоимость продукции очень высоки. |
Благодаря высокой стабильности, большой мощности и низким затратам на техническое обслуживание, применение твердотельных лазеров является абсолютно выгодным.
Среди твердотельных лазеров полупроводниковые лазеры обладают такими преимуществами, как высокая эффективность, малый размер, длительный срок службы, низкое энергопотребление и т. д. С одной стороны, они могут непосредственно применяться в качестве основного источника света и вспомогательного элемента в лазерной обработке, медицине, связи, датчиках, дисплеях, мониторинге и оборонных приложениях, и стали важной основой для развития современных лазерных технологий, имеющей стратегическое значение для развития.
С другой стороны, полупроводниковые лазеры также могут использоваться в качестве основного источника накачки для других лазеров, таких как твердотельные лазеры и волоконные лазеры, что значительно способствует технологическому прогрессу всей лазерной отрасли. Все крупнейшие развитые страны мира включили их в свои национальные планы развития, оказывая мощную поддержку и обеспечивая быстрое развитие.
② В зависимости от метода перекачки
В зависимости от метода накачки лазеры можно разделить на лазеры с электрической накачкой, с оптической накачкой, с химической накачкой и т.д.
Лазеры с электрической накачкой — это лазеры, возбуждаемые электрическим током; газовые лазеры возбуждаются в основном газовым разрядом, а полупроводниковые лазеры — в основном инжекцией электрического тока.
Практически все твердотельные и жидкостные лазеры являются лазерами с оптической накачкой, а в качестве основного источника накачки для таких лазеров используются полупроводниковые лазеры.
Лазеры с химической накачкой — это лазеры, которые используют энергию, выделяемую в результате химических реакций, для возбуждения обрабатываемого материала.
③Классификация по режиму работы
В зависимости от режима работы лазеры можно разделить на непрерывные и импульсные.
Непрерывные лазеры обладают стабильным распределением числа частиц на каждом энергетическом уровне и поля излучения в резонаторе, а их работа характеризуется непрерывным возбуждением рабочего материала и соответствующим лазерным излучением в течение длительного периода времени. Непрерывные лазеры могут непрерывно излучать лазерный свет в течение более длительного периода времени, но при этом тепловой эффект более выражен.
Импульсные лазеры — это лазеры, в которых мощность лазера поддерживается на определенном уровне в течение определенного времени, а излучение лазерного света происходит прерывисто. Их основными характеристиками являются малый тепловой эффект и хорошая управляемость.
④ Классификация по длине волны выходного сигнала
Лазеры можно классифицировать по длине волны: инфракрасные, видимые, ультрафиолетовые, глубокоультрафиолетовые и так далее. Диапазон длин волн света, поглощаемого различными структурированными материалами, различен, поэтому для тонкой обработки различных материалов или для различных сценариев применения необходимы лазеры с разными длинами волн.Инфракрасные и УФ-лазеры — два наиболее широко используемых типа лазеров. Инфракрасные лазеры в основном применяются в «термической обработке», где материал на поверхности нагревается и испаряется для удаления материала; в обработке тонкопленочных неметаллических материалов, резке полупроводниковых пластин, резке органического стекла, сверлении, маркировке и других областях высокоэнергетические УФ-фотоны непосредственно разрывают молекулярные связи на поверхности неметаллических материалов, так что молекулы отделяются от объекта, и этот метод не вызывает высокотемпературной реакции, поэтому его обычно называют «холодной обработкой».
Из-за высокой энергии УФ-фотонов сложно генерировать мощный непрерывный УФ-лазер с помощью внешнего источника возбуждения, поэтому УФ-лазер обычно получают методом преобразования частоты с использованием нелинейного эффекта кристаллического материала, и поэтому в настоящее время в промышленности в основном используются твердотельные УФ-лазеры.
(4) Промышленная цепочка
В верхней части производственной цепочки находится использование полупроводникового сырья, высокотехнологичного оборудования и сопутствующих производственных комплектующих для изготовления лазерных сердечников и оптоэлектронных устройств, что является краеугольным камнем лазерной индустрии и имеет высокий порог доступа. В средней части производственной цепочки используется использование лазерных чипов и оптоэлектронных устройств, модулей, оптических компонентов и т. д. в качестве источников накачки для производства и продажи различных лазеров, включая прямые полупроводниковые лазеры, лазеры на углекислом газе, твердотельные лазеры, волоконные лазеры и т. д.; нижняя часть цепочки в основном относится к областям применения различных лазеров, включая промышленное технологическое оборудование, LIDAR, оптическую связь, медицину, косметологию и другие отрасли применения.
①Поставщики сырья и материалов
Сырье для производства полупроводниковых лазерных чипов, устройств и модулей в основном состоит из различных материалов для чипов, волоконных материалов и обработанных деталей, включая подложки, радиаторы, химические вещества и корпуса. Для обработки чипов требуется высокое качество и производительность сырья, которое в основном поставляется зарубежными поставщиками, однако степень локализации постепенно возрастает, и постепенно достигается самостоятельный контроль. Производительность основного сырья напрямую влияет на качество полупроводниковых лазерных чипов, и постоянное улучшение характеристик различных материалов для чипов играет положительную роль в повышении качества продукции отрасли.
②Сетевая цепочка в отрасли транспортировки и переработки нефти и газа
Полупроводниковый лазерный чип является основным источником накачки для различных типов лазеров в промежуточном звене производственной цепочки и играет положительную роль в стимулировании развития лазеров среднего звена. В области лазеров среднего звена доминируют предприятия из США, Германии и других стран, но после стремительного развития отечественной лазерной промышленности в последние годы на рынке лазеров среднего звена наблюдается быстрое замещение отечественными производителями.
③Промышленная цепочка, нисходящая по цепочке
Отрасль переработки играет все более важную роль в стимулировании развития отрасли, поэтому ее развитие напрямую влияет на рыночное пространство отрасли. Непрерывный рост китайской экономики и появление стратегических возможностей для экономической трансформации создали благоприятные условия для развития этой отрасли. Китай переходит от страны-производителя к производственной державе, и лазеры и лазерное оборудование, используемые в производстве, являются одним из ключевых факторов модернизации обрабатывающей промышленности, что обеспечивает благоприятный спрос для долгосрочного совершенствования этой отрасли. Требования отрасли переработки к показателям производительности полупроводниковых лазерных чипов и устройств к ним растут, и отечественные предприятия постепенно выходят на рынок мощных лазеров с рынка маломощных лазеров, поэтому отрасль должна постоянно увеличивать инвестиции в области технологических исследований и разработок и самостоятельных инноваций.
2. Состояние развития отрасли полупроводниковых лазеров
Полупроводниковые лазеры обладают наилучшей эффективностью преобразования энергии среди всех типов лазеров. С одной стороны, они могут использоваться в качестве основного источника накачки для волоконных лазеров, твердотельных лазеров и других оптических лазеров накачки. С другой стороны, благодаря постоянному прорыву в технологии полупроводниковых лазеров с точки зрения энергоэффективности, яркости, срока службы, многоволнового излучения, скорости модуляции и т. д., полупроводниковые лазеры широко используются в обработке материалов, медицине, оптической связи, оптическом зондировании, обороне и т. д. По данным Laser Focus World, общий мировой доход от диодных лазеров, то есть полупроводниковых и недиодных лазеров, в 2021 году оценивался в 18 480 миллионов долларов, при этом на полупроводниковые лазеры приходилось 43% от общего дохода.
Согласно данным Laser Focus World, объем мирового рынка полупроводниковых лазеров в 2020 году составит 6 724 миллиона долларов, что на 14,20% больше, чем в предыдущем году. В связи с развитием глобальных интеллектуальных технологий, растущим спросом на лазеры в интеллектуальных устройствах, бытовой электронике, новых источниках энергии и других областях, а также продолжающимся расширением применения в медицине, косметологии и других новых областях, полупроводниковые лазеры могут использоваться в качестве источника накачки для оптических лазеров, и объем их рынка будет продолжать стабильно расти. В 2021 году объем мирового рынка полупроводниковых лазеров составил 7,946 миллиарда долларов, темп роста рынка — 18,18%.
Благодаря совместным усилиям технических экспертов, предприятий и практиков, китайская полупроводниковая лазерная промышленность достигла необычайного развития, пройдя путь от нуля и заложив основу для создания прототипа. В последние годы Китай активизировал развитие лазерной промышленности, и в различных регионах под руководством правительства и при сотрудничестве с лазерными предприятиями были созданы промышленные парки, посвященные научным исследованиям, совершенствованию технологий, развитию рынка и лазерной промышленности.
3. Тенденции будущего развития лазерной промышленности Китая.
По сравнению с развитыми странами Европы и США, Китай не отстает в развитии лазерных технологий, однако в области применения лазерных технологий и высокотехнологичных компонентов все еще существует значительный разрыв, особенно в сегменте полупроводниковых лазерных чипов и других основных компонентов, которые по-прежнему зависят от импорта.
Развитые страны, представленные США, Германией и Японией, в основном завершили замену традиционных производственных технологий в некоторых крупных отраслях промышленности и вступили в эпоху «легкой промышленности»; хотя развитие лазерных технологий в Китае происходит быстро, уровень их применения все еще относительно низок. Как ключевая технология модернизации промышленности, лазерная индустрия будет и впредь оставаться важной областью национальной поддержки, расширять сферу применения и в конечном итоге способствовать переходу китайской обрабатывающей промышленности в эпоху «легкой промышленности». Исходя из текущей ситуации, развитие лазерной индустрии Китая демонстрирует следующие тенденции.
(1) Полупроводниковый лазерный чип и другие основные компоненты постепенно обеспечивают локализацию
В качестве примера рассмотрим волоконный лазер: источником накачки для мощных волоконных лазеров является основная область применения полупроводниковых лазеров, а чипы и модули мощных полупроводниковых лазеров — важный компонент волоконного лазера. В последние годы китайская индустрия волоконных лазеров находится на стадии быстрого роста, и степень локализации с каждым годом увеличивается.
Что касается проникновения на рынок, то на рынке маломощных волоконных лазеров доля отечественных лазеров в 2019 году достигла 99,01%; на рынке среднемощных волоконных лазеров доля отечественных лазеров в последние годы поддерживается на уровне более 50%; процесс локализации мощных волоконных лазеров также постепенно продвигается, достигнув «нулевого» уровня с 2013 по 2019 год. Процесс локализации мощных волоконных лазеров также постепенно продвигается, достигнув с 2013 по 2019 год уровня проникновения в 55,56%, а ожидаемый уровень проникновения мощных волоконных лазеров на внутреннем рынке в 2020 году составит 57,58%.
Однако основные компоненты, такие как мощные полупроводниковые лазерные чипы, по-прежнему зависят от импорта, а компоненты, используемые в лазерах на основе полупроводниковых лазерных чипов, постепенно локализуются. Это, с одной стороны, увеличивает масштабы рынка компонентов, используемых в отечественных лазерах, а с другой стороны, локализация основных компонентов повышает конкурентоспособность отечественных производителей лазеров на международном рынке.
(2) Лазерные приложения проникают быстрее и шире.
Благодаря постепенной локализации основных оптоэлектронных компонентов и постепенному снижению стоимости применения лазеров, лазеры будут все глубже проникать во многие отрасли промышленности.
С одной стороны, для Китая лазерная обработка также входит в десятку ведущих областей применения в китайской обрабатывающей промышленности, и ожидается, что в будущем области применения лазерной обработки будут расширяться, а масштабы рынка — увеличиваться. С другой стороны, с непрерывным распространением и развитием таких технологий, как беспилотные автомобили, передовые системы помощи водителю, сервисно-ориентированные роботы, 3D-датчики и т. д., она будет все шире применяться во многих областях, таких как автомобилестроение, искусственный интеллект, бытовая электроника, распознавание лиц, оптическая связь и исследования в области национальной обороны. Полупроводниковые лазеры, как основные устройства или компоненты в вышеперечисленных областях применения лазеров, также получат быстрое развитие.
(3) Более высокая мощность, лучшее качество луча, меньшая длина волны и более быстрое развитие направления частоты.
В области промышленных лазеров волоконные лазеры с момента своего появления достигли значительного прогресса в плане выходной мощности, качества луча и яркости. Однако более высокая мощность позволяет повысить скорость обработки, оптимизировать качество обработки и расширить область применения до тяжелой промышленности. В автомобилестроении, аэрокосмической отрасли, энергетике, машиностроении, металлургии, железнодорожном транспорте, научных исследованиях и других областях применения, таких как резка, сварка, обработка поверхностей и т. д., требования к мощности волоконных лазеров постоянно растут. Соответствующим производителям устройств необходимо постоянно улучшать характеристики основных устройств (таких как мощные полупроводниковые лазерные чипы и усиливающие волокна). Увеличение мощности волоконных лазеров также требует передовых технологий модуляции лазера, таких как объединение лучей и синтез мощности, что создаст новые требования и проблемы для производителей мощных полупроводниковых лазерных чипов. Кроме того, важным направлением является разработка лазеров с более короткими длинами волн, большим количеством длин волн и более высокой скоростью (сверхбыстрых), которые в основном используются в интегральных схемах, дисплеях, бытовой электронике, аэрокосмической отрасли и других областях прецизионной микрообработки, а также в биологических науках, медицине, сенсорике и других областях. Полупроводниковые лазерные чипы также предъявляют новые требования.
(4) спрос на мощные лазерные оптоэлектронные компоненты продолжает расти
Развитие и индустриализация мощных волоконных лазеров являются результатом синергетического прогресса производственной цепочки, требующего поддержки основных оптоэлектронных компонентов, таких как источник накачки, изолятор, концентратор луча и т. д. Оптоэлектронные компоненты, используемые в мощных волоконных лазерах, являются основой и ключевыми элементами их 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, с непрерывным совершенствованием отечественных технологий волоконных лазеров, импортозамещение стало неизбежной тенденцией, доля лазерного рынка в мире будет продолжать расти, что также открывает большие возможности для местных производителей оптоэлектронных компонентов.
Дата публикации: 07 марта 2023 г.
