1. Přehled laserového průmyslu
(1) Úvod do laseru
Laser (zkráceně LASER) je kolimovaný, monochromatický, koherentní, směrový paprsek světla, který vzniká zesílením světelného záření na úzké frekvenci prostřednictvím excitované zpětnovazební rezonance a záření.
Laserová technologie vznikla na začátku 60. let 20. století a díky své zcela odlišné povaze od běžného světla se laser brzy široce používal v různých oblastech a hluboce ovlivnil rozvoj a transformaci vědy, techniky, ekonomiky a společnosti.
Zrození laseru dramaticky změnilo tvář starověké optiky a rozšířilo klasickou optickou fyziku do nové high-tech disciplíny, která zahrnuje jak klasickou optiku, tak moderní fotoniku a představuje nenahraditelný přínos pro rozvoj lidské ekonomiky a společnosti. Výzkum v oblasti 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, ultrapřesnou laserovou spektroskopii a metrologii, laserovou atomovou fyziku včetně laserového chlazení a výzkumu kondenzovaných látek Bose-Einstein, laserové funkční materiály, výrobu laserů, výrobu laserových mikro-optoelektronických čipů, laserový 3D tisk a více než 20 mezinárodních hraničních disciplín a technologických aplikací. Katedra laserové vědy a techniky (DSL) byla zřízena v následujících oblastech.
V odvětví laserové výroby vstoupil svět do éry „lehké výroby“. Podle mezinárodních statistik laserového průmyslu souvisí 50 % ročního HDP Spojených států1 s rychlým rozšířením trhu s laserovými aplikacemi na vysoké úrovni. Několik rozvinutých zemí, zastoupených Spojenými státy, Německem a Japonskem, v podstatě dokončilo nahrazení tradičních procesů laserovým zpracováním v hlavních výrobních odvětvích, jako je automobilový a letecký průmysl. Laser v průmyslové výrobě prokázal velký potenciál pro nízkonákladové, vysoce kvalitní, vysoce účinné a speciální výrobní aplikace, kterých nelze dosáhnout konvenční výrobou, a stal se důležitým motorem konkurence a inovací mezi hlavními průmyslovými zeměmi světa. Země aktivně podporují laserovou technologii jako jednu ze svých nejdůležitějších špičkových technologií a vypracovaly národní plány rozvoje laserového průmyslu.
(2)LaserZdroj Pprincip
Laser je zařízení, které využívá excitované záření k produkci viditelného nebo neviditelného světla, se složitou strukturou a vysokými technickými bariérami. Optický systém se skládá hlavně z čerpacího zdroje (excitačního zdroje), zesilovacího média (pracovní látky) a rezonanční dutiny a dalších materiálů optického zařízení. Ziskové médium je zdrojem generování fotonů a absorpcí energie generované čerpacím zdrojem zesilovací médium přechází ze základního stavu do excitovaného stavu. Protože excitovaný stav je nestabilní, v tomto okamžiku zesilovací médium uvolňuje energii a vrací se do ustáleného stavu základního stavu. V tomto procesu uvolňování energie zesilovací médium produkuje fotony a tyto fotony mají vysoký stupeň konzistence v energii, vlnové délce a směru. Neustále se odrážejí v optické rezonanční dutině, vzájemně se pohybují, takže se neustále zesilují a nakonec vystřelují laserový paprsek reflektorem a vytvářejí laserový paprsek. Jakožto jádro optického systému koncového zařízení, výkon laseru často přímo určuje kvalitu a výkon výstupního paprsku laserového zařízení, což je klíčová součást koncového laserového zařízení.
Čerpací zdroj (excitační zdroj) poskytuje energii pro buzení zesilovacího média. Ziskové médium je buzeno k produkci fotonů pro generování a zesilování laseru. Rezonanční dutina je místo, kde jsou regulovány charakteristiky fotonů (frekvence, fáze a směr provozu) tak, aby se dosáhlo vysoce kvalitního výstupního zdroje světla řízením oscilací fotonů v dutině. Čerpací zdroj (excitační zdroj) poskytuje energii pro buzení zesilovacího média. Ziskové médium je buzeno k produkci fotonů pro generování a zesilování laseru. Rezonanční dutina je místo, kde se upravují charakteristiky fotonů (frekvence, fáze a směr provozu) tak, aby se dosáhlo vysoce kvalitního výstupního zdroje světla řízením oscilací fotonů v dutině.
(3)Klasifikace laserového zdroje
Laserové zdroje lze klasifikovat podle zesilovacího média, výstupní vlnové délky, provozního režimu a režimu čerpání následovně
① Klasifikace podle zesilovacího média
Podle různých zesilovacích médií lze lasery rozdělit na lasery v pevné fázi (včetně pevných, polovodičových, vláknových a hybridních), kapalné lasery, plynové lasery atd.
| LaserZdrojTyp | Zisk médií | Hlavní vlastnosti |
| Zdroj laseru v pevné fázi | Pevné látky, polovodiče, optická vlákna, hybridní | Pěkná stabilita, vysoký výkon, nízké náklady na údržbu, vhodné pro industrializaci |
| Zdroj kapalného laseru | Chemické kapaliny | Volitelný dosah vlnových délek, ale velké rozměry a vysoké náklady na údržbu |
| Zdroj plynového laseru | Plyny | Vysoce kvalitní laserový zdroj světla, ale větší rozměry a vyšší náklady na údržbu |
| Zdroj volného 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 vysoké účinnosti, malých rozměrů, dlouhé životnosti, nízké spotřeby energie atd. Na jedné straně je lze přímo použít jako hlavní zdroj světla a podporu pro laserové zpracování, lékařství, komunikaci, snímání, zobrazování, monitorování a obranné aplikace a staly se důležitým základem pro rozvoj moderní laserové technologie se strategickým rozvojovým významem.
Na druhou stranu, polovodičové lasery mohou být také použity jako jádro čerpacího zdroje světla pro jiné lasery, jako jsou pevnolátkové lasery a vláknové lasery, což výrazně podporuje technologický pokrok v celém laserovém oboru. Všechny hlavní rozvinuté země světa je zahrnuly do svých národních rozvojových plánů, čímž poskytly silnou podporu a dosáhly rychlého rozvoje.
② Podle způsobu čerpání
Lasery lze podle způsobu čerpání rozdělit na elektricky buzené, opticky buzené, chemicky buzené lasery atd.
Elektricky buzené lasery označují lasery buzené proudem, plynové lasery jsou buzeny převážně výbojem v plynu, zatímco polovodičové lasery jsou buzeny převážně injektováním proudu.
Téměř všechny lasery v pevné fázi a kapalinové lasery jsou optické čerpací lasery a polovodičové lasery se používají jako jádro čerpacího zdroje pro optické čerpací lasery.
Chemicky čerpané lasery označují lasery, které využívají energii uvolněnou z chemických reakcí k buzení pracovního materiálu.
③Klasifikace podle provozního režimu
Lasery lze podle jejich principu činnosti rozdělit na kontinuální lasery a pulzní lasery.
Kontinuální lasery mají stabilní rozložení počtu částic na každé energetické hladině 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 kontinuálně po delší dobu, ale tepelný efekt je výraznější.
Pulzní lasery označují dobu, po kterou je laserový výkon udržován na určité hodnotě a laserové světlo je vydáváno nespojitým způsobem s hlavními charakteristikami malého tepelného efektu a dobré ovladatelnosti.
④ Klasifikace podle výstupní vlnové délky
Lasery lze podle vlnové délky rozdělit na infračervené lasery, viditelné lasery, ultrafialové lasery, hluboké ultrafialové lasery atd. Rozsah vlnových délek světla, které mohou být absorbovány různými strukturovanými materiály, se liší, 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 hlavně při „tepelném zpracování“, kde se materiál na povrchu materiálu zahřívá a odpařuje (vypařuje) za účelem odstranění materiálu; při zpracování tenkých nekovových vrstev, řezání polovodičových destiček, řezání organického skla, vrtání, značení a dalších oblastech, vysokoenergetické UV fotony. V oblasti zpracování tenkých nekovových vrstev, řezání polovodičových destiček, řezání organického skla, vrtání, značení atd. přímo rozrušují molekulární vazby na povrchu nekovových materiálů, takže molekuly lze oddělit od předmětu, a tato metoda nevyvolává vysokou tepelnou reakci, proto se obvykle nazývá „studené zpracování“.
Vzhledem k vysoké energii UV fotonů je obtížné generovat určitý vysoce výkonný kontinuální UV laser pomocí externího budicího zdroje, takže UV laser se obecně generuje aplikací metody nelineárního efektu frekvenční konverze krystalického materiálu, takže v současné době se v průmyslové oblasti UV laserů široce používají především UV lasery v pevné fázi.
(4) Průmyslový řetězec
Přední částí průmyslového řetězce je využití polovodičových surovin, špičkového zařízení a souvisejícího výrobního příslušenství k výrobě laserových jader a optoelektronických součástek, což je základní kámen laserového průmyslu a má vysoký práh přístupu. Střední částí průmyslového řetězce je využití předních laserových čipů a optoelektronických součástek, modulů, optických komponent atd. jako čerpacích zdrojů pro výrobu a prodej různých laserů, včetně přímých polovodičových laserů, laserů na bázi oxidu uhličitého, pevnolátkových laserů, vláknových laserů atd.; navazující odvětví se týká především oblastí použití různých laserů, včetně průmyslových procesních zařízení, LIDARu, optické komunikace, lékařské kosmetiky a dalších aplikačních odvětví.
①Dodavatelé v dodavatelském řetězci
Suroviny pro další produkty, jako jsou polovodičové laserové čipy, zařízení a moduly, jsou především různé materiály pro čipy, vláknité materiály a obráběné díly, včetně substrátů, chladičů, chemikálií a krytů. Zpracování čipů vyžaduje vysokou kvalitu a výkon vstupních surovin, zejména od zahraničních dodavatelů, ale stupeň lokalizace se postupně zvyšuje a postupně se dosahuje nezávislé kontroly. Výkon hlavních vstupních surovin má přímý vliv na kvalitu polovodičových laserových čipů a neustálé zlepšování výkonu různých materiálů pro čipy hraje pozitivní roli ve zlepšování výkonu produktů v tomto odvětví.
②Řetězec průmyslového řetězce Midstream
Polovodičový laserový čip je jádrem zdroje světla pro různé typy laserů v rámci průmyslového řetězce a hraje pozitivní roli v podpoře rozvoje laserů pro střední proudy. V oblasti laserů pro střední proudy dominují Spojené státy, Německo a další zahraniční podniky, ale po rychlém rozvoji domácího laserového průmyslu v posledních letech dosáhl trh s středními proudy v rámci průmyslového řetězce rychlé domácí substituce.
③Průmyslový řetězec navazující na tok
Navazující průmysl hraje větší roli v podpoře rozvoje průmyslu, takže rozvoj navazujícího průmyslu bude mít přímý vliv na tržní prostor tohoto odvětví. Neustálý růst čínské ekonomiky a vznik strategických příležitostí k ekonomické transformaci vytvořily lepší podmínky pro rozvoj tohoto odvětví. Čína se mění z výrobní země na výrobní velmoc a navazující lasery a laserová zařízení jsou jedním z klíčů k modernizaci výrobního průmyslu, což poskytuje dobré poptávkové prostředí pro dlouhodobé zlepšování tohoto odvětví. Požadavky navazujícího průmyslu na výkonnostní index polovodičových laserových čipů a jejich zařízení se zvyšují a domácí podniky postupně vstupují na trh s vysoce výkonnými lasery z trhu s nízkovýkonnými lasery, takže odvětví musí neustále zvyšovat investice do oblasti technologického výzkumu a vývoje a nezávislých inovací.
2. Stav rozvoje polovodičového laserového průmyslu
Polovodičové lasery mají nejlepší účinnost přeměny energie ze všech druhů laserů. Na jedné straně je lze použít jako jádro zdroje energie pro optické vláknové lasery, pevnolátkové lasery a další optické čerpací lasery. Na druhé straně, s neustálým průlomem v technologii polovodičových laserů, pokud jde o energetickou účinnost, jas, životnost, vícevlnnou délku, modulační rychlost atd., se polovodičové lasery široce používají v oblasti zpracování materiálů, lékařství, optické komunikace, optického snímání, obrany atd. Podle Laser Focus World se celkové globální tržby z diodových laserů, tj. polovodičových a nediodových laserů, v roce 2021 odhadují na 18 480 milionů dolarů, přičemž polovodičové lasery představují 43 % celkových tržeb.
Podle společnosti Laser Focus World dosáhne globální trh s polovodičovými lasery v roce 2020 objemu 6 724 milionů dolarů, což představuje nárůst o 14,20 % oproti předchozímu roku. S rozvojem globální inteligence, rostoucí poptávkou po laserech v chytrých zařízeních, spotřební elektronice, nových energetických a dalších oblastech, jakož i s pokračujícím rozvojem lékařských a kosmetických zařízení a dalších nově vznikajících aplikací, lze polovodičové lasery použít jako zdroj energie pro optické lasery a jejich velikost trhu si bude i nadále udržovat stabilní růst. V roce 2021 dosáhla velikost globálního trhu s polovodičovými lasery 7,946 miliard dolarů, což představuje tempo růstu 18,18 %.
Díky společnému úsilí technických expertů, podniků a odborníků dosáhl čínský průmysl polovodičových laserů mimořádného rozvoje, takže prošel procesem od nuly a počátkem prototypu čínského průmyslu polovodičových laserů. V posledních letech Čína zvýšila rozvoj laserového průmyslu a různé regiony se pod vedením vlády a ve spolupráci s laserovými podniky věnují vědeckému výzkumu, technologickému rozvoji, rozvoji trhu a výstavbě laserových průmyslových parků.
3. Trend budoucího vývoje čínského laserového průmyslu
Ve srovnání s rozvinutými zeměmi v Evropě a Spojenými státy se čínská laserová technologie nezpozdí, ale v aplikaci laserové technologie a špičkové technologie jádra stále existuje značná mezera, zejména v oblasti polovodičových laserových čipů a dalších jádrových komponent, které jsou stále závislé na dovozu.
Rozvinuté země reprezentované Spojenými státy, Německem a Japonskem v podstatě dokončily nahrazení tradičních výrobních technologií v některých velkých průmyslových oblastech a vstoupily do éry „lehké výroby“. Ačkoli je rozvoj laserových aplikací v Číně rychlý, míra penetrace aplikací je stále relativně nízká. Jakožto klíčová technologie průmyslové modernizace bude laserový průmysl i nadále klíčovou oblastí národní podpory a bude i nadále rozšiřovat rozsah použití a v konečném důsledku posune čínský zpracovatelský průmysl do éry „lehké výroby“. Ze současné vývojové situace vyplývá, že rozvoj čínského laserového průmyslu ukazuje následující vývojové trendy.
(1) Polovodičový laserový čip a další základní komponenty postupně dosahují lokalizace
Vezměte si jako příklad vláknový laser. Hlavní oblastí použití polovodičového laseru je vysoce výkonný zdroj vláknového laseru. Důležitou součástí vláknového laseru jsou čipy a moduly vysoce výkonného polovodičového laseru. V posledních letech se čínský průmysl optických vláknových laserů rychle rozvíjí a stupeň lokalizace se rok od roku zvyšuje.
Pokud jde o penetraci trhu, na trhu s nízkovýkonnými vláknovými lasery dosáhl podíl domácích laserů v roce 2019 99,01 %; na trhu se středními výkonnými vláknovými lasery se míra penetrace domácích laserů v posledních letech udržuje na více než 50 %; proces lokalizace vysoce výkonných vláknových laserů také postupně pokračuje a od roku 2013 do roku 2019 se dosáhlo „od nuly“. Proces lokalizace vysoce výkonných vláknových laserů také postupně pokračuje a od roku 2013 do roku 2019 dosáhl míry penetrace 55,56 % a očekává se, že domácí míra penetrace vysoce výkonných vláknových laserů v roce 2020 dosáhne 57,58 %.
Základní komponenty, jako jsou vysoce výkonné polovodičové laserové čipy, jsou však stále závislé na dovozu a komponenty laserů s polovodičovými laserovými čipy jako jádrem se postupně lokalizují, což na jedné straně zlepšuje tržní rozsah komponent domácích laserů na trhu a na druhé straně může lokalizace základních komponent zlepšit schopnost domácích výrobců laserů účastnit se mezinárodní konkurence.
(2) Laserové aplikace pronikají rychleji a do širšího prostoru
S postupnou lokalizací hlavních optoelektronických součástek a postupným snižováním nákladů na laserové aplikace proniknou lasery hlouběji do mnoha průmyslových odvětví.
Na jedné straně patří laserové zpracování v Číně mezi deset nejvýznamnějších oblastí použití v čínském výrobním průmyslu a očekává se, že oblasti použití laserového zpracování se v budoucnu dále rozšíří a rozsah trhu se dále rozšíří. Na druhé straně, s neustálou popularizací a rozvojem technologií, jako jsou bezpilotní systémy, pokročilé asistované systémy řízení, roboti orientovaní na služby, 3D snímání atd., se laser bude stále více uplatňovat v mnoha oblastech, jako je automobilový průmysl, umělá inteligence, spotřební elektronika, rozpoznávání obličejů, optická komunikace a výzkum národní obrany. Jakožto klíčové zařízení nebo součást výše uvedených laserových aplikací si polovodičový laser také získá prostor pro rychlý rozvoj.
(3) Vyšší výkon, lepší kvalita paprsku, kratší vlnová délka a rychlejší vývoj směru frekvence
V oblasti průmyslových laserů dosáhly vláknové lasery od svého zavedení velkého pokroku, pokud jde o výstupní výkon, kvalitu paprsku a jas. Vyšší výkon však může zlepšit rychlost zpracování, optimalizovat kvalitu zpracování a rozšířit oblast zpracování na těžký průmysl. V automobilovém průmyslu, leteckém průmyslu, energetice, strojírenství, metalurgii, železniční dopravě, vědeckém výzkumu a dalších oblastech použití, jako je řezání, svařování, povrchová úprava atd., se požadavky na výkon vláknových laserů neustále zvyšují. Výrobci příslušných zařízení musí neustále zlepšovat výkon základních zařízení (jako jsou vysoce výkonné polovodičové laserové čipy a zesilovací vlákna). Zvýšení výkonu vláknových laserů vyžaduje také pokročilou technologii laserové modulace, jako je kombinování paprsků a syntéza výkonu, což přinese nové požadavky a výzvy výrobcům vysoce výkonných polovodičových laserových čipů. Důležitým směrem je také vývoj kratších a více vlnových délek a rychlejšího (ultrarychlého) laseru, který se používá hlavně v integrovaných obvodech, displejích, spotřební elektronice, leteckém průmyslu a dalších přesných mikroprocesorech, stejně jako v biologických vědách, lékařství, senzorice a dalších oblastech. Polovodičové laserové čipy také kladou nové požadavky.
(4) poptávka po vysoce výkonných laserových optoelektronických součástkách bude dále růst
Vývoj a industrializace vysoce výkonných vláknových laserů je výsledkem synergického pokroku v celém průmyslovém řetězci, který vyžaduje podporu základních optoelektronických komponent, jako je zdroj čerpadla, izolátor, koncentrátor paprsku atd. Optoelektronické komponenty používané ve vysoce výkonných vláknových laserech jsou základem a klíčovými komponentami jejich vývoje a výroby a rozšiřující se trh s vysoce výkonnými vláknovými lasery také pohání poptávku po základních komponentách, jako jsou vysoce výkonné polovodičové laserové čipy. Zároveň se s neustálým zlepšováním domácí technologie vláknových laserů stala nevyhnutelným trendem substituce dovozu a podíl na světovém trhu s lasery se bude i nadále zvyšovat, což také přináší velké příležitosti pro místní sílu výrobců optoelektronických komponentů.
Čas zveřejnění: 7. března 2023
