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 genom förstärkning av ljusstrålning vid en smal frekvens genom exciterad återkopplingsresonans och strålning.
Lasertekniken uppstod i början av 1960-talet, och på grund av sin helt annorlunda natur jämfört med vanligt ljus, användes laser snart i stor utsträckning inom olika områden och påverkade djupt utvecklingen och omvandlingen av vetenskap, teknologi, ekonomi och samhälle.
Laserns födelse har dramatiskt förändrat den antika optikens ansikte och utvidgat klassisk optisk fysik till en ny högteknologisk disciplin som omfattar både klassisk optik och modern fotonik, och ger ett oersättligt bidrag till utvecklingen av mänsklig ekonomi och samhälle. Laserfysikforskning har bidragit till blomstringen av två huvudgrenar inom modern fotonisk fysik: energifotonik och informationsfotonik. Den omfattar ickelinjär optik, kvantoptik, kvantberäkning, laseravkänning och kommunikation, laserplasmafysik, laserkemi, laserbiologi, lasermedicin, ultraprecis laserspektroskopi och metrologi, laseratomfysik inklusive laserkylning och Bose-Einstein-forskning av kondenserad materia, laserfunktionella material, lasertillverkning, tillverkning av lasermikrooptoelektroniska chip, laser 3D-utskrift och mer än 20 internationella frontdiscipliner och tekniska tillämpningar. Institutionen för laservetenskap och teknologi (DSL) har etablerats inom följande områden.
Inom lasertillverkningsindustrin har världen gått in i en era av "lätt tillverkning". Enligt internationell laserindustristatistik är 50 % av USA:s årliga BNP1 relaterad till den snabba marknadsexpansionen för högkvalitativa laserapplikationer. Flera utvecklade länder, representerade av USA, Tyskland och Japan, har i princip slutfört ersättningen av traditionella processer med laserbearbetning inom stora tillverkningsindustrier som fordons- och flygindustrin. Laser inom industriell tillverkning har visat stor potential för lågkostnads-, högkvalitativa, högeffektiva och specialtillverkningsapplikationer som inte kan uppnås med konventionell tillverkning, och har blivit en viktig drivkraft för konkurrens och innovation bland världens största industriländer. Länderna stöder aktivt laserteknik som en av sina viktigaste banbrytande tekniker och har utvecklat nationella utvecklingsplaner för laserindustrin.
(2)LaserKälla Pprincip
Lasern är en anordning 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 (arbetssubstans) och resonanskavitet samt andra material i den optiska anordning. Förstärkningsmediet är källan för fotongenerering, och genom att absorbera energin som genereras av pumpkällan hoppar förstärkningsmediet från grundtillstånd till exciterat tillstånd. Eftersom det exciterade tillståndet är instabilt, kommer förstärkningsmediet vid denna tidpunkt att frigöra energi för att återgå till grundtillståndets stationära tillstånd. I denna process av energifrigöring producerar förstärkningsmediet fotoner, och dessa fotoner har en hög grad av konsistens i energi, våglängd och riktning, de reflekteras konstant i det optiska resonanskaviteten, rör sig fram och tillbaka, för att kontinuerligt förstärka och slutligen skjuta ut lasern genom reflektorn för att bilda en laserstråle. Som det centrala optiska systemet i terminalutrustningen bestämmer laserns prestanda ofta direkt kvaliteten och effekten hos laserutrustningens utstråle, och är kärnkomponenten i terminallaserutrustningen.
Pumpkällan (excitationskällan) tillhandahåller energiexcitering till förstärkningsmediet. Förstärkningsmediet exciteras för att producera fotoner för att generera och förstärka lasern. Resonanskaviteten är den plats där fotonegenskaperna (frekvens, fas och driftsriktning) regleras för att erhålla en högkvalitativ utgående ljuskälla genom att kontrollera fotonoscillationerna i kaviteten. Pumpkällan (excitationskällan) tillhandahåller energiexciteringen för förstärkningsmediet. Förstärkningsmediet exciteras för att producera fotoner för att generera och förstärka lasern. Resonanskaviteten är den plats där fotonegenskaperna (frekvens, fas och driftsriktning) justeras för att erhålla en högkvalitativ utgående ljuskälla 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
Beroende på de olika förstärkningsmedierna kan lasrar delas in i fast tillstånd (inklusive fast, halvledar-, fiber-, hybridlasrar), flytande lasrar, gaslasrar etc.
| LaserKällaTyp | Gain Media | Huvudfunktioner |
| Fastfaslaserkälla | Fasta ämnen, halvledare, fiberoptik, hybrid | Bra stabilitet, hög effekt, låg underhållskostnad, lämplig för industrialisering |
| Flytande laserkälla | Kemiska vätskor | Valfritt våglängdsområde uppnått, men stor storlek och hög underhållskostnad |
| Gaslaserkälla | Gaser | Högkvalitativ laserljuskälla, men större storlek och högre underhållskostnader |
| Fri elektronlaserkälla | Elektronstråle i ett specifikt magnetfält | Ultrahög effekt och högkvalitativ laserutgång kan uppnås, men tillverkningstekniken och produktionskostnaderna är mycket höga. |
På grund av den goda stabiliteten, höga effekten och de låga underhållskostnaderna drar tillämpningen av fasta tillståndslasrar absolut fördel.
Bland fasta tillståndslasrar har halvledarlasrar fördelarna med hög effektivitet, liten storlek, lång livslängd, låg energiförbrukning etc. Å ena sidan kan de appliceras direkt som den centrala ljuskällan och stödet för laserbehandling, medicin, kommunikation, avkänning, display, övervakning och försvarsapplikationer, och har blivit en viktig grund för utvecklingen av modern laserteknik med strategisk utvecklingsbetydelse.
Å andra sidan kan halvledarlasrar också användas som den centrala pumpljuskällan för andra lasrar, såsom fasta tillståndslasrar och fiberlasrar, vilket i hög grad främjar den tekniska utvecklingen inom hela laserområdet. Alla större 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 pumpningsmetoden.
Elektriskt pumpade lasrar avser lasrar som exciteras av ström, gaslasrar exciteras mestadels av gasurladdning, medan halvledarlasrar mestadels exciteras av ströminjektion.
Nästan alla fasta tillståndslasrar och vätskelasrar är optiska pumplasrar, och halvledarlasrar används som den centrala pumpkällan 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 pulserade lasrar beroende på deras driftsätt.
Kontinuerliga lasrar har en stabil fördelning av antalet partiklar på varje energinivå och strålningsfältet i kaviteten, och deras funktion kännetecknas av excitationen av arbetsmaterialet och motsvarande laserutgång på ett kontinuerligt sätt över en lång tidsperiod. Kontinuerliga lasrar kan avge laserljus kontinuerligt under en längre tidsperiod, men den termiska effekten är mer uppenbar.
Pulserade lasrar avser den tid då lasereffekten bibehålls vid ett visst värde och avger laserljus diskontinuerligt, med de viktigaste egenskaperna liten termisk effekt och god styrbarhet.
④ Klassificering efter utgångsvåglängd
Lasrar kan klassificeras efter våglängd som infraröda lasrar, synliga lasrar, ultravioletta lasrar, djupa ultravioletta lasrar och så vidare. Våglängdsområdet 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 huvudsakligen inom "termisk bearbetning", där materialet på materialytan värms upp och förångas (avdunstar) för att avlägsna materialet; inom bearbetning av tunnfilmsmaterial, icke-metalliska material, skärning av halvledarskivor, skärning av organiskt glas, borrning, märkning och andra områden, bryter högenergi-UV-fotoner direkt de molekylära bindningarna på ytan av icke-metalliska material, så att molekylerna kan separeras från objektet, och denna metod producerar inte hög värmereaktion, så den kallas vanligtvis "kallbearbetning".
På grund av UV-fotonernas höga energi är det svårt att generera en viss högeffekts kontinuerlig UV-laser med en extern excitationskälla, så UV-lasern genereras generellt genom tillämpning av kristallmaterial med icke-linjär effektfrekvensomvandlingsmetod, så det nuvarande allmänt använda industriella området för UV-lasrar är huvudsakligen fastfas-UV-lasrar.
(4) Industrikedja
Uppströms i industrikedjan används halvledarråvaror, avancerad utrustning och relaterade produktionstillbehör för att tillverka laserkärnor och optoelektroniska enheter, vilket är hörnstenen i laserindustrin och har en hög åtkomsttröskel. Mellanströms i industrikedjan används uppströms laserchips och optoelektroniska enheter, moduler, optiska komponenter etc. som pumpkällor för tillverkning och försäljning av olika lasrar, inklusive direkta halvledarlasrar, koldioxidlasrar, fasta tillståndslasrar, fiberlasrar etc.; nedströmsindustrin hänvisar huvudsakligen till tillämpningsområden för olika lasrar, inklusive industriell bearbetningsutrustning, LIDAR, optisk kommunikation, medicinsk skönhet och andra tillämpningsindustrier.
①Uppströmsleverantörer
Råvarorna för uppströmsprodukter såsom halvledarlaserchips, enheter och moduler är huvudsakligen olika chipmaterial, fibermaterial och maskinbearbetade delar, inklusive substrat, kylflänsar, kemikalier och höljen. Chipbearbetningen kräver högkvalitativa och prestandamässiga uppströmsråvaror, främst från utländska leverantörer, men graden av lokalisering ökar gradvis och oberoende kontroll uppnås gradvis. Prestandan hos de viktigaste uppströmsråvarorna har en direkt inverkan på kvaliteten hos halvledarlaserchips, och med kontinuerlig förbättring av prestandan hos olika chipmaterial spelar förbättringen av prestandan hos industrins produkter en positiv roll i att främja.
②Mellanströmsindustrikedja
Halvledarlaserchip är den centrala pumpljuskällan för olika typer av lasrar i mitten av industrikedjan och spelar en positiv roll i att främja utvecklingen av mellanströmslasrar. Inom området mellanströmslasrar dominerar USA, Tyskland och andra utländska företag, men efter den snabba utvecklingen av den inhemska laserindustrin under senare år har mellanströmsmarknaden i industrikedjan uppnått snabb inhemsk substitution.
③Industrikedjan nedströms
Nedströmsindustrin har en större roll i att främja industrins utveckling, så utvecklingen av nedströmsindustrin kommer direkt att påverka industrins marknadsutrymme. Den kontinuerliga tillväxten av Kinas ekonomi och framväxten av strategiska möjligheter till ekonomisk omvandling har skapat bättre utvecklingsförutsättningar för utvecklingen av denna industri. Kina går från att vara ett tillverkningsland till ett tillverkningskraftverk, och nedströmslasrar och laserutrustning är en av nycklarna till att uppgradera tillverkningsindustrin, vilket ger en god efterfrågemiljö för långsiktig förbättring av denna industri. Nedströmsindustrins krav på prestandaindex för halvledarlaserchips och deras enheter ökar, och inhemska företag går gradvis in på marknaden för högeffektslaser från lågeffektslasermarknaden, så industrin måste kontinuerligt öka investeringarna inom teknikforskning och utveckling samt oberoende innovation.
2. Utvecklingsstatus för halvledarlaserindustrin
Halvledarlasrar har den bästa energiomvandlingseffektiviteten bland alla typer av lasrar, å ena sidan kan de användas som kärnpumpkälla för optiska fiberlasrar, fasta tillståndslasrar och andra optiska pumplasrar. Å andra sidan, med det kontinuerliga genombrottet inom halvledarlaserteknik när det gäller energieffektivitet, ljusstyrka, livslängd, multivåglängd, moduleringshastighet etc., används halvledarlasrar i stor utsträckning inom materialbearbetning, medicin, optisk kommunikation, optisk avkänning, försvar etc. Enligt Laser Focus World uppskattas den totala globala intäkten för diodlasrar, dvs. halvledarlasrar och icke-diodlasrar, till 18 480 miljoner dollar år 2021, varav halvledarlasrar står för 43 % av de totala intäkterna.
Enligt Laser Focus World kommer den globala marknaden för halvledarlasrar att uppgå till 6 724 miljoner dollar år 2020, en ökning med 14,20 % jämfört med föregående år. Med utvecklingen av global intelligens, den växande efterfrågan på lasrar inom smarta enheter, konsumentelektronik, ny energi och andra områden, samt den fortsatta expansionen av medicinsk utrustning, skönhetsutrustning och andra framväxande tillämpningar, kan halvledarlasrar användas som pumpkälla för optiska pumplasrar, och dess marknadsstorlek kommer att fortsätta att upprätthålla en stabil tillväxt. Den globala marknaden för halvledarlasrar uppgick till 7,946 miljarder dollar under 2021, en marknadstillväxttakt på 18,18 %.
Genom gemensamma ansträngningar från tekniska experter, företag och yrkesverksamma har Kinas halvledarlaserindustri uppnått en extraordinär utveckling, vilket har lett till att Kinas halvledarlaserindustri har upplevt processen från grunden och prototypen för Kinas halvledarlaserindustri. Under senare år har Kina ökat utvecklingen av laserindustrin, och olika regioner har ägnats åt vetenskaplig forskning, teknikförbättring, marknadsutveckling och byggandet av laserindustriparker under regeringens ledning och i samarbete med laserföretag.
3. Framtida utvecklingstrend för Kinas laserindustri
Jämfört med utvecklade länder i Europa och USA är Kinas laserteknik inte sen, men det finns fortfarande ett betydande gap i tillämpningen av laserteknik och avancerad kärnteknik, särskilt uppströms halvledarlaserchip och andra kärnkomponenter är fortfarande beroende av import.
De utvecklade länderna representerade av USA, Tyskland och Japan har i princip slutfört ersättningen av traditionell tillverkningsteknik inom vissa stora industriområden och gått in i eran av "lätt tillverkning". Även om utvecklingen av laserapplikationer i Kina är snabb, är penetrationsgraden för applikationer fortfarande relativt låg. Som kärnteknik för industriell uppgradering kommer laserindustrin att fortsätta att vara ett viktigt område för nationellt stöd, och fortsätta att utöka tillämpningsområdet, och i slutändan främja Kinas tillverkningsindustri till eran av "lätt tillverkning". Utifrån den nuvarande utvecklingssituationen visar utvecklingen av Kinas laserindustri följande utvecklingstrender.
(1) Halvledarlaserchip och andra kärnkomponenter uppnår gradvis lokalisering
Ta fiberlaser som exempel. Högeffektsfiberlaserpumpkälla är det huvudsakliga tillämpningsområdet för halvledarlasrar. Högeffektshalvledarlaserchip och -modul är en viktig komponent i fiberlaser. Under senare år har Kinas optiska fiberlaserindustri varit i en snabb tillväxtfas, och graden av lokalisering ökar år för år.
När det gäller marknadspenetration nådde marknadsandelen för inhemska lasrar 99,01 % år 2019 på marknaden för fiberlasrar med låg effekt. På marknaden för fiberlasrar med medel effekt har penetrationsgraden för inhemska lasrar hållits kvar på över 50 % de senaste åren. Lokaliseringsprocessen för högeffektsfiberlasrar går också gradvis framåt, från 2013 till 2019 för att uppnå "från grunden". Lokaliseringsprocessen för högeffektsfiberlasrar går också gradvis framåt, från 2013 till 2019, och har nått en penetrationsgrad på 55,56 %, och den inhemska penetrationsgraden för högeffektsfiberlasrar förväntas vara 57,58 % år 2020.
Kärnkomponenter som högeffekts halvledarlaserchips 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 uppströmskärnkomponenterna, kan det förbättra inhemska lasertillverkares förmåga att delta i internationell konkurrens.
(2) Laserapplikationer penetrerar snabbare och bredare
Med den gradvisa lokaliseringen av uppströms optoelektroniska kärnkomponenter och den gradvisa minskningen av laserapplikationskostnaderna kommer lasrar att tränga djupare in i många industrier.
Å ena sidan, för Kina, passar laserbearbetning också in i de tio främsta tillämpningsområdena inom Kinas tillverkningsindustri, och det förväntas att tillämpningsområdena för laserbearbetning kommer att utökas ytterligare och marknadsskalan kommer att utökas ytterligare i framtiden. Å andra sidan, med den kontinuerliga populariseringen och utvecklingen av tekniker som förarlösa, avancerade assisterade körsystem, serviceorienterade robotar, 3D-avkänning, etc., kommer det att tillämpas mer inom många områden som bilindustrin, artificiell intelligens, konsumentelektronik, ansiktsigenkänning, optisk kommunikation och nationell försvarsforskning. Som kärnanordning eller komponent i ovanstående laserapplikationer kommer halvledarlasern också att få snabbt utvecklingsutrymme.
(3) Högre effekt, bättre strålkvalitet, kortare våglängd och snabbare frekvensriktningsutveckling
Inom området industriella lasrar har fiberlasrar gjort stora framsteg vad gäller uteffekt, strålkvalitet och ljusstyrka sedan de introducerades. Högre effekt kan dock förbättra bearbetningshastigheten, optimera bearbetningskvaliteten och utöka bearbetningsområdet till tung industritillverkning. Inom fordonstillverkning, flyg- och rymdtillverkning, energi, maskintillverkning, metallurgi, järnvägstransportkonstruktion, vetenskaplig forskning och andra tillämpningsområden inom skärning, svetsning, ytbehandling etc. fortsätter fiberlaserns effektbehov att öka. Tillverkare av motsvarande enheter måste kontinuerligt förbättra prestandan hos kärnenheter (såsom högeffekts halvledarlaserchip och förstärkningsfiber). Ökning av fiberlaserns effekt kräver också avancerad lasermoduleringsteknik såsom strålkombinering och effektsyntes, vilket kommer att medföra nya krav och utmaningar för tillverkare av högeffekts halvledarlaserchip. Dessutom är kortare våglängder, fler våglängder och snabbare (ultrasnabb) laserutveckling också en viktig riktning, som främst används i integrerade kretschip, displayer, konsumentelektronik, flyg- och rymdteknik och annan precisionsmikrobearbetning, samt inom biovetenskap, medicin, sensorer och andra områden. Halvledarlaserchip ställer också nya krav.
(4) ytterligare tillväxt i efterfrågan på optoelektroniska komponenter med hög effekt på laser
Utvecklingen och industrialiseringen av högeffektsfiberlasrar är resultatet av synergistiska framsteg i industrikedjan, vilket kräver stöd från centrala optoelektroniska komponenter såsom pumpkälla, isolator, strålkoncentrator etc. De optoelektroniska komponenter som används i högeffektsfiberlasrar är grunden och nyckelkomponenterna i dess utveckling och produktion, och den växande marknaden för högeffektsfiberlasrar driver också marknadens efterfrågan på kärnkomponenter såsom högeffekts halvledarlaserchips. Samtidigt, med den kontinuerliga förbättringen av inhemsk fiberlaserteknik, har importsubstitution blivit en oundviklig trend, och lasermarknadsandelen i världen kommer att fortsätta att förbättras, vilket också ger stora möjligheter för lokal styrka hos tillverkare av optoelektroniska komponenter.
Publiceringstid: 7 mars 2023
