1. Přehled laserového průmyslu
(1) Úvod do laseru
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, zkráceně LASER) je kolimovaný, monochromatický, koherentní, směrový paprsek světla produkovaný zesílením světelného záření o úzké frekvenci prostřednictvím excitované zpětné rezonance a záření.
Laserová technologie vznikla na počátku 60. let 20. století a díky své zcela odlišné povaze od běžného světla se laser brzy začal široce používat v různých oblastech a hluboce ovlivnil vývoj a transformaci vědy, techniky, ekonomiky a společnosti.
Zrození laseru dramaticky změnilo tvář starověké optiky, rozšířilo klasickou optickou fyziku do nové high-tech disciplíny, která zahrnuje jak klasickou optiku, tak moderní fotoniku, což je nenahraditelný příspěvek k rozvoji lidské ekonomiky a společnosti. Výzkum laserové fyziky přispěl k rozkvětu dvou hlavních odvětví moderní fotonické fyziky: energetické fotoniky a informační fotoniky. Zahrnuje nelineární optiku, kvantovou optiku, kvantové výpočty, laserové snímání a komunikaci, fyziku laserového plazmatu, laserovou chemii, laserovou biologii, laserovou medicínu, ultra přesnou laserovou spektroskopii a metrologii, laserovou atomovou fyziku včetně chlazení laserem a výzkum Bose-Einsteinových kondenzovaných látek , laserové funkční materiály, laserová výroba, výroba laserových mikro-optoelektronických čipů, laserový 3D tisk a více než 20 mezinárodních hraničních oborů a technologických aplikací. Katedra laserové vědy a techniky (DSL) byla zřízena v následujících oblastech.
V odvětví výroby laserů svět vstoupil do éry „lehké výroby“, podle mezinárodních statistik laserového průmyslu souvisí 50 % ročního HDP Spojených států1 s rychlým rozšířením trhu laserových aplikací na vysoké úrovni. Několik vyspělých zemí, zastoupených Spojenými státy, Německem a Japonskem, v podstatě dokončilo nahrazení tradičních procesů laserovým zpracováním ve velkých výrobních odvětvích, jako je automobilový průmysl a letectví. Laser v průmyslové výrobě ukázal velký potenciál pro nízkonákladové, vysoce kvalitní, vysoce účinné a speciální výrobní aplikace, kterých nelze dosáhnout konvenční výrobou, a stal se důležitou hnací silou konkurence a inovací mezi hlavními světovými průmyslovými zeměmi. Země aktivně podporují laserovou technologii jako jednu ze svých nejdůležitějších špičkových technologií a vypracovaly národní plány rozvoje laserového průmyslu.
(2)LaserZdroj Pricinál
Laser je zařízení, které využívá excitovaného záření k produkci viditelného nebo neviditelného světla, se složitou strukturou a vysokými technickými bariérami. Optický systém se skládá hlavně z čerpacího zdroje (zdroj buzení), zesilovacího média (pracovní látka) a rezonanční dutiny a dalších materiálů optických zařízení. Zesilovací médium je zdrojem generování fotonů a absorpcí energie generované čerpacím zdrojem přeskočí médium ze základního stavu do excitovaného stavu. Vzhledem k tomu, že excitovaný stav je nestabilní, v tomto okamžiku zesilovací médium uvolní energii, aby se vrátilo do ustáleného stavu základního stavu. V tomto procesu uvolňování energie vytváří zesilovací médium fotony a tyto fotony mají vysoký stupeň konzistence v energii, vlnové délce a směru, neustále se odrážejí v optické rezonanční dutině, vratným pohybem, aby se plynule zesilovaly a nakonec vystřelte laser přes reflektor a vytvořte laserový paprsek. Výkon laseru, jakožto základního optického systému koncového zařízení, často přímo určuje kvalitu a výkon výstupního paprsku laserového zařízení, je základní součástí koncového laserového zařízení.
Čerpací zdroj (zdroj buzení) zajišťuje buzení energie do zesilovacího média. Zesilovací médium je excitováno, aby produkovalo fotony pro generování a zesílení laseru. Rezonanční dutina je místo, kde se regulují fotonové charakteristiky (frekvence, fáze a směr působení) pro získání vysoce kvalitního výstupního světelného zdroje řízením oscilací fotonů v dutině. Zdroj čerpadla (zdroj buzení) zajišťuje buzení energie pro médium zisku. Zesilovací médium je excitováno, aby produkovalo fotony pro generování a zesílení laseru. Rezonanční dutina je místo, kde se upravují fotonové charakteristiky (frekvence, fáze a směr působení) pro získání vysoce kvalitního výstupního světelného zdroje řízením oscilací fotonů v dutině.
(3)Klasifikace laserových zdrojů
Laserový zdroj lze klasifikovat podle média zisku, výstupní vlnové délky, provozního režimu a režimu čerpání následovně
① Klasifikace podle média zisku
Podle různých médií zisku lze lasery rozdělit na pevné (včetně pevných, polovodičových, vláknových, hybridních), kapalinové lasery, plynové lasery atd.
| LaserZdrojTyp | Získejte média | Hlavní vlastnosti |
| Pevný laserový zdroj | Pevné látky, polovodiče, vláknová optika, hybridní | Pěkná stabilita, vysoký výkon, nízké náklady na údržbu, vhodné pro industrializaci |
| Zdroj kapalného laseru | Chemické kapaliny | Volitelný zásah do rozsahu vlnových délek, ale velká velikost a vysoké náklady na údržbu |
| Zdroj plynového laseru | Plyny | Vysoce kvalitní zdroj laserového světla, ale větší rozměry a vyšší náklady na údržbu |
| Volný zdroj elektronového laseru | Elektronový paprsek ve specifickém magnetickém poli | Lze dosáhnout ultra vysokého výkonu a vysoce kvalitního laserového výstupu, ale výrobní technologie a výrobní náklady jsou velmi vysoké |
Díky dobré stabilitě, vysokému výkonu a nízkým nákladům na údržbu má použití pevnolátkových laserů absolutní výhodu.
Mezi pevnolátkovými lasery mají polovodičové lasery výhody ve vysoké účinnosti, malých rozměrech, dlouhé životnosti, nízké spotřebě energie atd. Na jedné straně je lze přímo aplikovat jako jádrový světelný zdroj a podporu pro laserové zpracování, lékařské, komunikační, snímací, zobrazovací, monitorovací a obranné aplikace a staly se důležitým základem pro rozvoj moderní laserové technologie se strategickým vývojovým významem.
Na druhou stranu lze polovodičové lasery použít také jako jádro čerpající světelný zdroj pro jiné lasery, jako jsou pevnolátkové lasery a vláknové lasery, což výrazně podporuje technologický pokrok celého laserového pole. Všechny hlavní rozvinuté země světa jej zahrnuly do svých národních rozvojových plánů, poskytují silnou podporu a dosahují rychlého rozvoje.
② Podle způsobu čerpání
Lasery lze podle způsobu čerpání rozdělit na lasery elektricky čerpané, opticky čerpané, chemicky čerpané atd.
Elektricky čerpané lasery se týkají laserů buzených proudem, plynové lasery jsou většinou buzeny výbojem plynu, zatímco polovodičové lasery jsou většinou buzeny proudem.
Téměř všechny lasery v pevné fázi a kapalinové lasery jsou lasery s optickými čerpadly a polovodičové lasery se používají jako hlavní čerpací zdroj pro lasery s optickými čerpadly.
Chemicky čerpané lasery jsou lasery, které využívají energii uvolněnou z chemických reakcí k excitaci pracovního materiálu.
③Klasifikace podle provozního režimu
Lasery lze podle způsobu činnosti rozdělit na kontinuální lasery a pulzní lasery.
Kontinuální lasery mají stabilní rozložení počtu částic na každé energetické úrovni a radiačního pole v dutině a jejich provoz je charakterizován buzením pracovního materiálu a odpovídajícím laserovým výstupem kontinuálním způsobem po dlouhou dobu . Kontinuální lasery mohou vydávat laserové světlo nepřetržitě po delší dobu, ale tepelný efekt je patrnější.
Pulzní lasery označují dobu trvání, kdy je výkon laseru udržován na určité hodnotě a výstup laserového světla je přerušovaný, s hlavní charakteristikou malého tepelného efektu a dobré ovladatelnosti.
④ Klasifikace podle výstupní vlnové délky
Lasery lze klasifikovat podle vlnové délky jako infračervené lasery, viditelné lasery, ultrafialové lasery, hluboké ultrafialové lasery a tak dále. Rozsah vlnových délek světla, které mohou být absorbovány různými strukturovanými materiály, je různý, takže pro jemné zpracování různých materiálů nebo pro různé aplikační scénáře jsou potřeba lasery různých vlnových délek.Infračervené lasery a UV lasery jsou dva nejpoužívanější lasery. Infračervené lasery se používají především při „tepelném zpracování“, kdy se materiál na povrchu materiálu zahřívá a odpařuje (odpařuje) za účelem odstranění materiálu; ve zpracování tenkovrstvých nekovových materiálů, řezání polovodičových plátků, řezání organického skla, vrtání, značení a další obory, vysoká energie V oboru zpracování tenkovrstvých nekovových materiálů, řezání polovodičových plátků, řezání organického skla, vrtání, značení, atd., vysokoenergetické UV fotony přímo narušují molekulární vazby na povrchu nekovových materiálů, takže molekuly mohou být odděleny od předmětu a tato metoda nevyvolává vysokoteplotní reakci, takže se obvykle nazývá „studená zpracování“.
Kvůli vysoké energii UV fotonů je obtížné generovat určitý vysoce výkonný kontinuální UV laser externím excitačním zdrojem, takže UV laser je obecně generován aplikací krystalového materiálu s nelineární metodou frekvenční konverze, takže proud široce používaný průmyslové oblasti UV laserů jsou především pevnolátkové UV lasery.
(4) Průmyslový řetězec
Před průmyslovým řetězcem je použití polovodičových surovin, špičkového vybavení a souvisejícího výrobního příslušenství k výrobě laserových jader a optoelektronických zařízení, což je základní kámen laserového průmyslu a má vysoký práh přístupu. Středním proudem průmyslového řetězce je použití upstream laserových čipů a optoelektronických zařízení, modulů, optických komponent atd. jako čerpacích zdrojů pro výrobu a prodej různých laserů, včetně přímých polovodičových laserů, laserů na bázi oxidu uhličitého, pevnolátkových laserů, vláknové lasery atd.; navazující průmysl se týká hlavně oblastí použití různých laserů, včetně zařízení pro průmyslové zpracování, LIDAR, optických komunikací, lékařské krásy a dalších aplikačních odvětví
①Dodavatelé proti proudu
Surovinou pro upstream produkty, jako jsou polovodičové laserové čipy, zařízení a moduly, jsou především různé čipové materiály, vláknité materiály a obráběné díly, včetně substrátů, chladičů, chemikálií a krytů. Zpracování čipů vyžaduje vysokou kvalitu a výkon předřazených surovin především od zahraničních dodavatelů, ale stupeň lokalizace se postupně zvyšuje a postupně se dosahuje nezávislé kontroly. Výkon hlavních upstream surovin má přímý dopad na kvalitu polovodičových laserových čipů, s neustálým zlepšováním výkonu různých materiálů čipů, pro zlepšení výkonu průmyslových produktů hraje pozitivní roli při propagaci.
② Střední průmyslový řetězec
Polovodičový laserový čip je základním zdrojem světla čerpadel různých typů laserů ve středním proudu průmyslového řetězce a hraje pozitivní roli při podpoře vývoje středních laserů. V oblasti středních laserů dominují Spojené státy, Německo a další zámořské podniky, ale po rychlém rozvoji domácího laserového průmyslu v posledních letech dosáhl trh středního proudu průmyslového řetězce rychlé domácí substituce.
③ Průmyslový řetězec po proudu
Navazující průmysl má větší roli při podpoře rozvoje odvětví, takže rozvoj navazujícího průmyslu přímo ovlivní tržní prostor daného odvětví. Neustálý růst čínské ekonomiky a vznik strategických příležitostí pro ekonomickou transformaci vytvořily lepší podmínky rozvoje pro rozvoj tohoto odvětví. Čína se přesouvá z výrobní země do výrobní velmoci a navazující lasery a laserová zařízení jsou jedním z klíčů k modernizaci zpracovatelského průmyslu, který poskytuje dobré poptávkové prostředí pro dlouhodobé zlepšování tohoto odvětví. Požadavky navazujícího průmyslu na index výkonu polovodičových laserových čipů a jejich zařízení se zvyšují a domácí podniky postupně vstupují na trh s vysokovýkonnými lasery z trhu s nízkovýkonovými lasery, takže průmysl musí neustále zvyšovat investice do oblasti technologického výzkumu. a vývoj a nezávislé inovace.
2. stav vývoje průmyslu polovodičových laserů
Polovodičové lasery mají nejlepší účinnost přeměny energie ze všech druhů laserů, na jedné straně je lze použít jako jádrový čerpací zdroj laserů s optickými vlákny, pevnolátkových laserů a dalších laserů s optickými čerpadly. Na druhou stranu, s neustálým průlomem v technologii polovodičových laserů, pokud jde o energetickou účinnost, jas, životnost, více vlnových délek, modulační rychlost atd., jsou polovodičové lasery široce používány ve zpracování materiálů, lékařství, optické komunikaci, optickém snímání, obrana atd. Podle Laser Focus World se celkový celosvětový příjem diodových laserů, tedy polovodičových laserů a nediodových laserů, odhaduje v roce 2021 na 18 480 milionů USD, přičemž polovodičové lasery tvoří 43 % celkových příjmů.
Podle Laser Focus World bude celosvětový trh s polovodičovými lasery v roce 2020 činit 6 724 milionů dolarů, což je o 14,20 % více než v předchozím roce. S rozvojem globální inteligence, rostoucí poptávkou po laserech v chytrých zařízeních, spotřební elektronice, nové energetice a dalších oborech, stejně jako pokračující rozšiřování lékařských, kosmetických zařízení a dalších nově vznikajících aplikací, mohou být polovodičové lasery použity jako zdroj pumpy. pro lasery s optickými pumpami a její velikost trhu si bude i nadále udržovat stabilní růst. Velikost globálního trhu s polovodičovými lasery v roce 2021 ve výši 7,946 miliardy USD, míra růstu trhu 18,18 %.
Díky společnému úsilí technických odborníků a podniků a praktiků dosáhl čínský průmysl polovodičových laserů mimořádného rozvoje, takže čínský průmysl polovodičových laserů zažil proces od nuly a začátek prototypu čínského polovodičového laserového průmyslu. V posledních letech Čína zvýšila rozvoj laserového průmyslu a různé regiony se věnovaly vědeckému výzkumu, zlepšování technologií, rozvoji trhu a výstavbě laserových průmyslových parků pod vedením vlády a spolupráci laserových podniků.
3. Budoucí vývojový trend čínského laserového průmyslu
Ve srovnání s vyspělými zeměmi v Evropě a Spojených státech není čínská laserová technologie opožděná, ale v aplikaci laserové technologie a špičkové technologie jádra stále existuje značná mezera, zejména předřazený polovodičový laserový čip a další základní součásti jsou stále závislé na dovozu.
Vyspělé země reprezentované Spojenými státy, Německem a Japonskem v podstatě dokončily výměnu tradiční výrobní technologie v některých velkých průmyslových oborech a vstoupily do éry „lehké výroby“; ačkoli vývoj laserových aplikací v Číně je rychlý, ale míra penetrace aplikací je stále relativně nízká. Laserový průmysl jako základní technologie průmyslové modernizace bude i nadále klíčovou oblastí národní podpory a bude nadále rozšiřovat rozsah použití a nakonec podporovat čínský zpracovatelský průmysl do éry „lehké výroby“. Ze současné vývojové situace ukazuje vývoj čínského laserového průmyslu následující vývojové trendy.
(1) Polovodičový laserový čip a další základní součásti postupně realizují lokalizaci
Vezměte si vláknový laser jako příklad, zdroj vysokovýkonného vláknového laserového čerpadla je hlavní aplikační oblastí polovodičového laseru, vysoce výkonný polovodičový laserový čip a modul je důležitou součástí vláknového laseru. V posledních letech je čínský laserový průmysl s optickými vlákny ve fázi rychlého růstu a stupeň lokalizace se rok od roku zvyšuje.
Pokud jde o pronikání na trh, na trhu vláknových laserů s nízkým výkonem dosáhl tržní podíl domácích laserů v roce 2019 99,01 %; na trhu vláknových laserů se středním výkonem se v posledních letech udržuje míra penetrace domácích laserů na více než 50 %; postup lokalizace vysoce výkonných vláknových laserů také postupně postupuje, od roku 2013 do roku 2019 dosáhnout „od nuly“. Proces lokalizace vysokovýkonných vláknových laserů také postupně postupuje, od roku 2013 do roku 2019, a dosáhl penetrace 55,56 % a domácí penetrace vysokovýkonných vláknových laserů se očekává v roce 2020 57,58 %.
Základní komponenty, jako jsou vysoce výkonné polovodičové laserové čipy, jsou však stále závislé na dovozu a postupně se lokalizují upstream komponenty laserů s polovodičovými laserovými čipy jako jádrem, což na jedné straně zlepšuje tržní rozsah upstream komponentů. domácích laserů a na druhé straně díky lokalizaci upstream core komponent může zlepšit schopnost tuzemských výrobců laserů účastnit se mezinárodní konkurence.
(2) Laserové aplikace pronikají rychleji a širší
S postupnou lokalizací upstream jádrových optoelektronických komponent a postupným snižováním nákladů na laserové aplikace proniknou lasery hlouběji do mnoha průmyslových odvětví.
Na jedné straně pro Čínu laserové zpracování také zapadá do první desítky aplikačních oblastí čínského zpracovatelského průmyslu a očekává se, že aplikační oblasti laserového zpracování se budou dále rozšiřovat a tržní měřítko se bude v budoucnu dále rozšiřovat. Na druhou stranu s neustálou popularizací a rozvojem technologií, jako je pokročilý asistovaný systém řízení bez řidiče, servisně orientovaný robot, 3D snímání atd., se bude více uplatňovat v mnoha oblastech, jako je automobil, umělá inteligence, spotřební elektronika. , rozpoznávání tváří, optická komunikace a výzkum obrany státu. Jako základní zařízení nebo součást výše uvedených laserových aplikací získá polovodičový laser také prostor pro rychlý vývoj.
(3) Vyšší výkon, lepší kvalita paprsku, kratší vlnová délka a rychlejší vývoj směru frekvence
V oblasti průmyslových laserů udělaly vláknové lasery od svého zavedení velký pokrok z hlediska výstupního výkonu, kvality paprsku a jasu. Vyšší výkon však může zlepšit rychlost zpracování, optimalizovat kvalitu zpracování a rozšířit pole zpracování na výrobu těžkého průmyslu, v automobilovém průmyslu, leteckém průmyslu, energetice, strojírenství, metalurgii, stavbě železniční dopravy, vědeckém výzkumu a dalších oblastech použití při řezání. , svařování, povrchové úpravy atd., požadavky na výkon vláknového laseru se stále zvyšují. Výrobci odpovídajících zařízení potřebují neustále zlepšovat výkon základních zařízení (jako je vysoce výkonný polovodičový laserový čip a ziskové vlákno), zvýšení výkonu vláknového laseru také vyžaduje pokročilou technologii laserové modulace, jako je kombinování paprsků a syntéza energie, což přinese nové požadavky a výzvy pro výrobce vysoce výkonných polovodičových laserových čipů. Kromě toho je důležitým směrem kratší vlnové délky, více vlnových délek, rychlejší (ultrarychlý) vývoj laseru, který se používá především v čipech integrovaných obvodů, displejích, spotřební elektronice, leteckém průmyslu a dalších přesných mikroprocesorech, stejně jako v biologických vědách, lékařství, snímání a dalších Polovodičový laserový čip také klade nové požadavky.
(4) pro vysoce výkonné laserové optoelektronické komponenty poptávka po dalším růstu
Vývoj a industrializace vysokovýkonného vláknového laseru je výsledkem synergického pokroku průmyslového řetězce, který vyžaduje podporu základních optoelektronických komponent, jako je zdroj čerpadla, izolátor, koncentrátor paprsku atd. Optoelektronické komponenty používané ve vysoce výkonných vláknové lasery jsou základem a klíčovými součástmi jejího vývoje a výroby a rozšiřující se trh s vysoce výkonnými vláknovými lasery také pohání tržní poptávku po základních součástech, jako jsou vysoce výkonné polovodičové laserové čipy. Současně s neustálým zlepšováním domácí vláknové laserové technologie se substituce dovozu stala nevyhnutelným trendem, podíl na trhu laserů ve světě se bude i nadále zlepšovat, což také přináší velké příležitosti pro místní sílu výrobců optoelektronických součástek.
Čas odeslání: březen-07-2023
