1. Översikt över laserbranschen
(1) Laserintroduktion
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, förkortat LASER) är en kollimerad, monokromatisk, koherent, riktad ljusstråle som produceras av förstärkning av ljusstrålning med en smal frekvens genom exciterad återkopplingsresonans och strålning.
Laserteknologin uppstod i början av 1960-talet, och på grund av dess helt annorlunda natur än vanligt ljus, användes laser snart flitigt inom olika områden och påverkade djupt utvecklingen och omvandlingen av vetenskap, teknik, ekonomi och samhälle.
Laserns födelse har dramatiskt förändrat den antika optikens ansikte och expanderat klassisk optisk fysik till en ny högteknologisk disciplin som omfattar både klassisk optik och modern fotonik, vilket ger ett oersättligt bidrag till utvecklingen av mänsklig ekonomi och samhälle. Laserfysikforskning har bidragit till att blomstra två huvudgrenar av modern fotonikfysik: energifotonik och informationsfotonik. Den täcker icke-linjär optik, kvantoptik, kvantberäkning, laseravkänning och kommunikation, laserplasmafysik, laserkemi, laserbiologi, lasermedicin, ultraprecis laserspektroskopi och metrologi, laseratomfysik inklusive laserkylning och forskning om kondenserad materia från Bose-Einstein. , laserfunktionella material, lasertillverkning, lasermikrooptoelektroniska chiptillverkning, 3D-laserutskrift och mer än 20 internationella gränsområden och tekniska tillämpningar. Institutionen för laservetenskap och teknik (DSL) har etablerats inom följande områden.
Inom lasertillverkningsindustrin har världen gått in i en era av "lätt tillverkning", enligt den internationella laserindustrins statistik är 50% av USA:s årliga BNP1 relaterad till den snabba marknadsexpansionen av laserapplikationer på hög nivå. Flera utvecklade länder, representerade av USA, Tyskland och Japan, har i princip slutfört ersättningen av traditionella processer med laserbearbetning inom stora tillverkningsindustrier som bil- och flygindustrin. Laser i industriell tillverkning har visat stor potential för låg kostnad, hög kvalitet, hög effektivitet och speciella tillverkningsapplikationer som inte kan uppnås med konventionell tillverkning, och har blivit en viktig drivkraft för konkurrens och innovation bland världens stora industriländer. Länder stöder aktivt laserteknik som en av sina viktigaste banbrytande teknologier och har utvecklat nationella utvecklingsplaner för laserindustrin.
(2)LaserKälla Princip
Lasern är en enhet som använder exciterad strålning för att producera synligt eller osynligt ljus, med komplex struktur och höga tekniska barriärer. Det optiska systemet består huvudsakligen av pumpkälla (excitationskälla), förstärkningsmedium (arbetsämne) och resonanshålighet och andra optiska anordningsmaterial. Förstärkningsmediet är källan till fotongenerering, och genom att absorbera energin som genereras av pumpkällan, hoppar förstärkningsmediet från grundtillståndet till det exciterade tillståndet. Eftersom det exciterade tillståndet är instabilt kommer förstärkningsmediet vid denna tidpunkt att frigöra energi för att återgå till det stabila tillståndet för grundtillståndet. I denna process av energifrisättning producerar förstärkningsmediet fotoner, och dessa fotoner har en hög grad av konsistens i energi, våglängd och riktning, de reflekteras konstant i den optiska resonanshåligheten, ömsesidig rörelse, för att kontinuerligt förstärka, och slutligen skjut ut lasern genom reflektorn för att bilda en laserstråle. Som det optiska kärnsystemet för terminalutrustningen bestämmer laserns prestanda ofta direkt kvaliteten och kraften hos laserutrustningens utgående stråle, vilket är kärnkomponenten i terminallaserutrustningen.
Pumpkällan (exciteringskällan) tillhandahåller energiexcitering till förstärkningsmediet. Förstärkningsmediet exciteras för att producera fotoner för att generera och förstärka lasern. Resonantkaviteten är den plats där fotonegenskaperna (frekvens, fas och driftriktning) regleras för att erhålla en utgående ljuskälla av hög kvalitet genom att kontrollera fotonoscillationerna i kaviteten. Pumpkällan (excitationskällan) tillhandahåller energiexciteringen för förstärkningsmediet. Förstärkningsmediet exciteras för att producera fotoner för att generera och förstärka lasern. Resonantkaviteten är den plats där fotonegenskaperna (frekvens, fas och driftriktning) justeras för att erhålla en utgående ljuskälla av hög kvalitet genom att kontrollera fotonoscillationerna i kaviteten.
(3)Klassificering av laserkälla
Laserkällan kan klassificeras enligt förstärkningsmedium, utgångsvåglängd, driftläge och pumpläge, enligt följande
① Klassificering efter förstärkningsmedium
Enligt de olika förstärkningsmedierna kan lasrar delas in i fast tillstånd (inklusive solid, halvledare, fiber, hybrid), flytande lasrar, gaslasrar, etc.
| LaserKällaTyp | Få media | Huvudfunktioner |
| Solid State-laserkälla | Fasta ämnen, Halvledare, Fiberoptik, Hybrid | Bra stabilitet, hög effekt, låg underhållskostnad, lämplig för industrialisering |
| Vätskelaserkälla | Kemiska vätskor | Valfritt våglängdsområde, men stor storlek och hög underhållskostnad |
| Gaslaserkälla | Gaser | Högkvalitativ laserljuskälla, men större storlek och högre underhållskostnader |
| Gratis elektronlaserkälla | Elektronstråle i ett specifikt magnetfält | Ultrahög effekt och högkvalitativ laserutgång kan uppnås, men tillverkningsteknik och produktionskostnader är mycket höga |
På grund av den goda stabiliteten, hög effekt och låga underhållskostnader, drar tillämpningen av solid state-lasrar absolut fördel.
Bland halvledarlasrar har halvledarlasrar fördelarna med hög effektivitet, liten storlek, lång livslängd, låg energiförbrukning etc. Å ena sidan kan de direkt appliceras som kärnljuskälla och stöd för laserbehandling, medicinsk, kommunikations-, avkännings-, display-, övervaknings- och försvarstillämpningar, och har blivit en viktig grund för utvecklingen av modern laserteknik med strategisk utvecklingsbetydelse.
Å andra sidan kan halvledarlasrar också användas som kärnpumpande ljuskälla för andra lasrar såsom solid state-lasrar och fiberlasrar, vilket i hög grad främjar den tekniska utvecklingen för hela laserfältet. Alla stora utvecklade länder i världen har inkluderat det i sina nationella utvecklingsplaner, vilket ger starkt stöd och får snabb utveckling.
② Enligt pumpmetoden
Lasrar kan delas in i elektriskt pumpade, optiskt pumpade, kemiskt pumpade lasrar etc. enligt pumpmetoden.
Elektriskt pumpade lasrar avser lasrar som exciteras av ström, gaslasrar exciteras för det mesta av gasurladdning, medan halvledarlasrar mestadels exciteras av ströminjektion.
Nästan alla solid state-lasrar och flytande lasrar är optiska pumplasrar, och halvledarlasrar används som kärnpumpningskälla för optiska pumplasrar.
Kemiskt pumpade lasrar avser lasrar som använder energin som frigörs från kemiska reaktioner för att excitera arbetsmaterialet.
③Klassificering efter driftläge
Lasrar kan delas in i kontinuerliga lasrar och pulsade lasrar enligt deras funktionssätt.
Kontinuerliga lasrar har en stabil fördelning av antalet partiklar vid varje energinivå och strålningsfältet i kaviteten, och deras funktion kännetecknas av exciteringen av arbetsmaterialet och motsvarande laserutgång på ett kontinuerligt sätt över en lång tidsperiod . Kontinuerliga lasrar kan mata ut laserljus kontinuerligt under en längre tid, men den termiska effekten är mer uppenbar.
Pulsade lasrar hänvisar till tidslängden när lasereffekten hålls vid ett visst värde, och matar ut laserljus på ett diskontinuerligt sätt, med de huvudsakliga egenskaperna för liten termisk effekt och god styrbarhet.
④ Klassificering efter utgångsvåglängd
Lasrar kan klassificeras enligt våglängd som infraröda lasrar, synliga lasrar, ultravioletta lasrar, djupa ultravioletta lasrar och så vidare. Våglängdsintervallet för ljus som kan absorberas av olika strukturerade material är olika, så lasrar med olika våglängder behövs för finbearbetning av olika material eller för olika tillämpningsscenarier.Infraröda lasrar och UV-lasrar är de två mest använda lasrarna. Infraröda lasrar används främst i "termisk bearbetning", där materialet på materialets yta värms upp och förångas (avdunstar) för att avlägsna materialet; inom bearbetning av icke-metalliska tunnfilmsmaterial, skärning av halvledarskivor, skärning av organiskt glas, borrning, märkning och andra områden, hög energi Inom området för bearbetning av icke-metalliska tunnfilmsmaterial, skärning av halvledarskivor, skärning av organiskt glas, borrning, märkning, etc., UV-fotonerna med hög energi bryter direkt molekylbindningarna på ytan av icke-metalliska material, så att molekylerna kan separeras från föremålet, och denna metod producerar inte hög värmereaktion, så det kallas vanligtvis "kallt bearbetning".
På grund av den höga energin hos UV-fotoner är det svårt att generera en viss högeffekts kontinuerlig UV-laser med extern excitationskälla, så UV-lasern genereras i allmänhet genom tillämpning av kristallmaterial olinjär effektfrekvensomvandlingsmetod, så den nuvarande används ofta industriella området UV-lasrar är huvudsakligen solid-state UV-lasrar.
(4) Branschkedja
Uppströms i industrikedjan är användningen av halvledarråmaterial, avancerad utrustning och tillhörande produktionstillbehör för att tillverka laserkärnor och optoelektroniska enheter, vilket är hörnstenen i laserindustrin och har en hög åtkomsttröskel. Mittströmmen av industrikedjan är användningen av uppströms laserchips och optoelektroniska enheter, moduler, optiska komponenter etc. som pumpkällor för tillverkning och försäljning av olika lasrar, inklusive direkta halvledarlasrar, koldioxidlasrar, halvledarlasrar, fiberlasrar, etc.; Nedströmsindustrin avser huvudsakligen tillämpningsområdena för olika lasrar, inklusive industriell bearbetningsutrustning, LIDAR, optisk kommunikation, medicinsk skönhet och andra applikationsindustrier
①Uppströmsleverantörer
Råvarorna för uppströmsprodukter såsom halvledarlaserchips, enheter och moduler är huvudsakligen olika chipmaterial, fibermaterial och bearbetade delar, inklusive substrat, kylflänsar, kemikalier och husset. Chipbearbetningen kräver hög kvalitet och prestanda av uppströms råvaror, främst från utländska leverantörer, men graden av lokalisering ökar gradvis och uppnår gradvis oberoende kontroll. Prestanda för de viktigaste uppströms råvaror har en direkt inverkan på kvaliteten på halvledarlaserchips, med den kontinuerliga förbättringen av prestanda för olika chipmaterial, för att förbättra prestandan för industrins produkter spelar en positiv roll för att främja.
② Branschkedja i mitten
Halvledarlaserchip är kärnpumpens ljuskälla för olika typer av lasrar i mitten av industrikedjan och spelar en positiv roll för att främja utvecklingen av mellanströmslasrar. Inom området för mellanströmslasrar dominerar USA, Tyskland och andra utländska företag, men efter den snabba utvecklingen av den inhemska laserindustrin under de senaste åren har industrikedjans mellanströmsmarknad uppnått snabb inhemsk substitution.
③ Industriell kedja nedströms
Nedströmsindustrin har en större roll för att främja utvecklingen av industrin, så utvecklingen av nedströmsindustrin kommer att direkt påverka branschens marknadsutrymme. Den kontinuerliga tillväxten av Kinas ekonomi och framväxten av strategiska möjligheter för ekonomisk omvandling har skapat bättre utvecklingsvillkor för utvecklingen av denna industri. Kina går från ett tillverkningsland till ett tillverkningskraftverk, och nedströmslasrar och laserutrustning är en av nycklarna till att uppgradera tillverkningsindustrin, vilket ger en bra efterfrågemiljö för den långsiktiga förbättringen av denna industri. Nedströmsindustrins krav på prestandaindex för halvledarlaserchips och deras enheter ökar, och inhemska företag går gradvis in på högeffektlasermarknaden från lågeffektlasermarknaden, så industrin måste kontinuerligt öka investeringen inom teknikforskningsområdet och utveckling och oberoende innovation.
2. Halvledarlaserindustrins utvecklingsstatus
Halvledarlasrar har den bästa energiomvandlingseffektiviteten bland alla typer av lasrar, å ena sidan kan de användas som kärnpumpkälla för optiska fiberlasrar, solid-state lasrar och andra optiska pumplasrar. Å andra sidan, med det kontinuerliga genombrottet för halvledarlaserteknologi när det gäller energieffektivitet, ljusstyrka, livslängd, multivåglängd, moduleringshastighet, etc., används halvledarlasrar i stor utsträckning inom materialbearbetning, medicinsk, optisk kommunikation, optisk avkänning, försvar etc. Enligt Laser Focus World beräknas den totala globala intäkten för diodlasrar, dvs halvledarlasrar och icke-diodlasrar, uppgå till 18 480 miljoner dollar 2021, varvid halvledarlasrar står för 43 % av de totala intäkterna.
Enligt Laser Focus World kommer den globala halvledarlasermarknaden att vara 6 724 miljoner dollar 2020, en ökning med 14,20 % från föregående år. Med utvecklingen av global intelligens, den växande efterfrågan på lasrar inom smarta enheter, konsumentelektronik, ny energi och andra områden, såväl som den fortsatta expansionen av medicinsk, skönhetsutrustning och andra framväxande applikationer, kan halvledarlasrar användas som en pumpkälla för optiska pumplasrar, och dess marknadsstorlek kommer att fortsätta att upprätthålla en stabil tillväxt. 2021 globala halvledarlasermarknadens storlek på 7,946 miljarder dollar, en marknadstillväxt på 18,18%.
Genom gemensamma ansträngningar från tekniska experter och företag och praktiker har Kinas halvledarlaserindustri uppnått en extraordinär utveckling, så att Kinas halvledarlaserindustri har upplevt processen från grunden och början på prototypen av Kinas halvledarlaserindustri. Under de senaste åren har Kina ökat utvecklingen av laserindustrin, och olika regioner har ägnat sig åt vetenskaplig forskning, teknikförbättring, marknadsutveckling och byggande av laserindustriparker under ledning av regeringen och samarbete med laserföretag.
3. Framtida utvecklingstrend för Kinas laserindustri
Jämfört med utvecklade länder i Europa och USA är Kinas laserteknik inte sen, men i tillämpningen av laserteknik och avancerad kärnteknologi finns det fortfarande ett stort gap, särskilt uppströms halvledarlaserchipet och andra kärnkomponenter är fortfarande beroende av import.
De utvecklade länderna som representeras av USA, Tyskland och Japan har i princip slutfört ersättningen av traditionell tillverkningsteknik inom några stora industriområden och gått in i en era av "lätt tillverkning"; Även om utvecklingen av laserapplikationer i Kina är snabb, är penetrationshastigheten fortfarande relativt låg. Som kärntekniken för industriell uppgradering kommer laserindustrin att fortsätta att vara ett nyckelområde för nationellt stöd och fortsätta att utöka tillämpningsområdet och i slutändan främja Kinas tillverkningsindustri till "lätt tillverkningsindustri". Från den nuvarande utvecklingssituationen visar utvecklingen av Kinas laserindustri följande utvecklingstrender.
(1) Halvledarlaserchip och andra kärnkomponenter realiserar gradvis lokalisering
Ta fiberlaser som ett exempel, högeffektfiberlaserpumpkälla är det huvudsakliga applikationsområdet för halvledarlaser, högeffekthalvledarlaserchip och modul är en viktig komponent i fiberlaser. Under de senaste åren har Kinas optiska fiberlaserindustri befinner sig i ett snabbt tillväxtskede, och graden av lokalisering ökar år för år.
När det gäller marknadspenetration, på fiberlasermarknaden med låg effekt nådde marknadsandelen för inhemska lasrar 99,01% 2019; på fiberlasermarknaden för medelstora krafter har penetrationshastigheten för inhemska lasrar hållits på mer än 50 % de senaste åren; lokaliseringsprocessen för högeffektfiberlasrar går också gradvis framåt, från 2013 till 2019 för att uppnå "från grunden". Lokaliseringsprocessen för högeffektfiberlasrar går också gradvis framåt, från 2013 till 2019, och har nått en penetrationsgrad på 55,56%, och den inhemska penetrationsgraden för högeffektfiberlasrar förväntas vara 57,58% 2020.
Kärnkomponenter som högeffektshalvledarlaserchips är dock fortfarande beroende av import, och uppströmskomponenterna i lasrar med halvledarlaserchips som kärna lokaliseras gradvis, vilket å ena sidan förbättrar marknadsskalan för uppströmskomponenterna i inhemska lasrar, och å andra sidan, med lokaliseringen av uppströms kärnkomponenter, kan det förbättra inhemska lasertillverkares förmåga att delta i internationell konkurrens.
(2) Laserapplikationer penetrerar snabbare och bredare
Med den gradvisa lokaliseringen av optoelektroniska kärnkomponenter uppströms och den gradvisa minskningen av kostnader för laserapplicering kommer lasrar att tränga djupare in i många industrier.
Å ena sidan, för Kina, passar laserbearbetning också in i de tio bästa applikationsområdena i Kinas tillverkningsindustri, och det förväntas att applikationsområdena för laserbearbetning kommer att utökas ytterligare och marknadsskalan kommer att utökas ytterligare i framtiden. Å andra sidan, med den kontinuerliga populariseringen och utvecklingen av teknologier som förarlöst, avancerat körsystem, serviceorienterad robot, 3D-avkänning, etc., kommer det att användas mer inom många områden som bil, artificiell intelligens, konsumentelektronik , ansiktsigenkänning, optisk kommunikation och nationell försvarsforskning. Som kärnanordningen eller komponenten i ovanstående laserapplikationer kommer halvledarlasern också att få snabbt utvecklingsutrymme.
(3) Högre effekt, bättre strålkvalitet, kortare våglängd och snabbare frekvensriktningsutveckling
Inom området för industriella lasrar har fiberlasrar gjort stora framsteg när det gäller uteffekt, strålkvalitet och ljusstyrka sedan de introducerades. Men högre effekt kan förbättra bearbetningshastigheten, optimera bearbetningskvaliteten och utöka bearbetningsområdet till tung industritillverkning, inom biltillverkning, flygtillverkning, energi, maskintillverkning, metallurgi, järnvägstransportkonstruktion, vetenskaplig forskning och andra användningsområden inom skärning , svetsning, ytbehandling, etc., fiberlasereffektkraven fortsätter att öka. Motsvarande enhetstillverkare måste kontinuerligt förbättra prestanda hos kärnenheter (som högeffekts halvledarlaserchip och förstärkningsfiber), fiberlasereffektökning kräver också avancerad lasermoduleringsteknik som strålkombination och effektsyntes, vilket kommer att ställa nya krav och utmaningar för tillverkare av högeffektiva halvledarlaserchips. Dessutom är kortare våglängder, fler våglängder, snabbare (ultrasnabb) laserutveckling också en viktig riktning, som främst används i integrerade kretschips, displayer, hemelektronik, rymd- och annan precisionsmikroprocessning, samt biovetenskap, medicin, avkänning och annat halvledarlaserchipet ställde också nya krav.
(4) för hög effekt laser optoelektroniska komponenter efterfrågan på ytterligare tillväxt
Utvecklingen och industrialiseringen av högeffektfiberlaser är resultatet av den synergistiska utvecklingen av industrikedjan, som kräver stöd av optoelektroniska kärnkomponenter såsom pumpkälla, isolator, strålkoncentrator, etc. De optoelektroniska komponenterna som används i högeffektskomponenter fiberlaser är grunden och nyckelkomponenterna i dess utveckling och produktion, och den växande marknaden för högeffektfiberlaser driver också marknadens efterfrågan på kärnkomponenter som högeffekts halvledarlaserchips. Samtidigt, med den kontinuerliga förbättringen av inhemsk fiberlaserteknik, har importsubstitution blivit en oundviklig trend, lasermarknadsandelen i världen kommer att fortsätta att förbättras, vilket också ger stora möjligheter för lokal styrka hos tillverkare av optoelektroniska komponenter.
Posttid: Mar-07-2023
