1. Overzicht laserindustrie
(1) Laserintroductie
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, afgekort als LASER) is een gecollimeerde, monochromatische, coherente, gerichte lichtbundel die wordt geproduceerd door de versterking van lichtstraling op een smalle frequentie door middel van aangeslagen feedbackresonantie en straling.
Lasertechnologie ontstond in het begin van de jaren zestig, en vanwege de totaal andere aard ervan dan gewoon licht, werd laser al snel op grote schaal gebruikt op verschillende gebieden en had het een diepgaande invloed op de ontwikkeling en transformatie van wetenschap, technologie, economie en samenleving.
De geboorte van de laser heeft het gezicht van de oude optica dramatisch veranderd, waardoor de klassieke optische fysica is uitgebreid tot een nieuwe hightech discipline die zowel de klassieke optica als de moderne fotonica omvat, en een onvervangbare bijdrage levert aan de ontwikkeling van de menselijke economie en samenleving. Onderzoek naar laserfysica heeft bijgedragen aan de bloei van twee belangrijke takken van de moderne fotonische fysica: energiefotonica en informatiefotonica. Het omvat niet-lineaire optica, kwantumoptica, kwantumcomputers, laserdetectie en -communicatie, laserplasmafysica, laserchemie, laserbiologie, lasergeneeskunde, ultraprecieze laserspectroscopie en metrologie, laseratoomfysica inclusief laserkoeling en Bose-Einstein-onderzoek naar gecondenseerde materie , laserfunctionele materialen, laserproductie, lasermicro-opto-elektronische chipfabricage, laser 3D-printen en meer dan 20 internationale grensdisciplines en technologische toepassingen. Het Department of Laser Science and Technology (DSL) is opgericht op de volgende gebieden.
In de laserproductie-industrie is de wereld het tijdperk van de ‘lichte productie’ ingegaan. Volgens de internationale statistieken van de laserindustrie is 50% van het jaarlijkse bbp van de Verenigde Staten1 gerelateerd aan de snelle marktexpansie van hoogwaardige lasertoepassingen. Verschillende ontwikkelde landen, vertegenwoordigd door de Verenigde Staten, Duitsland en Japan, hebben de vervanging van traditionele processen door laserverwerking in grote productie-industrieën zoals de automobielindustrie en de luchtvaart grotendeels voltooid. Laser in industriële productie heeft een groot potentieel laten zien voor goedkope, hoogwaardige, hoogefficiënte en speciale productietoepassingen die niet kunnen worden bereikt door conventionele productie, en is een belangrijke motor geworden voor concurrentie en innovatie tussen de belangrijkste industriële landen ter wereld. Landen ondersteunen actief lasertechnologie als een van hun belangrijkste geavanceerde technologieën en hebben nationale ontwikkelingsplannen voor de laserindustrie ontwikkeld.
(2)LaserBron Pprincipe
De laser is een apparaat dat opgewonden straling gebruikt om zichtbaar of onzichtbaar licht te produceren, met een complexe structuur en hoge technische barrières. Het optische systeem bestaat hoofdzakelijk uit een pompbron (excitatiebron), versterkingsmedium (werksubstantie) en resonantieholte en andere materialen voor optische apparaten. Het versterkingsmedium is de bron voor het genereren van fotonen, en door de energie te absorberen die door de pompbron wordt gegenereerd, springt het versterkingsmedium van de grondtoestand naar de aangeslagen toestand. Omdat de aangeslagen toestand onstabiel is, zal het versterkingsmedium op dit moment energie vrijgeven om terug te keren naar de stabiele toestand van de grondtoestand. In dit proces van energievrijgave produceert het versterkingsmedium fotonen, en deze fotonen hebben een hoge mate van consistentie in energie, golflengte en richting. Ze worden voortdurend gereflecteerd in de optische resonantieholte, heen en weer gaande beweging, om continu te versterken, en uiteindelijk schiet de laser door de reflector om een laserstraal te vormen. Omdat het optische kernsysteem van de eindapparatuur, bepalen de prestaties van de laser vaak rechtstreeks de kwaliteit en het vermogen van de uitgangsstraal van de laserapparatuur. Dit is het kernonderdeel van de eindlaserapparatuur.
De pompbron (excitatiebron) levert energie-excitatie aan het versterkingsmedium. Het versterkingsmedium wordt opgewonden om fotonen te produceren om de laser te genereren en te versterken. De resonantieholte is de plaats waar de fotonkarakteristieken (frequentie, fase en werkingsrichting) worden geregeld om een uitgangslichtbron van hoge kwaliteit te verkrijgen door de fotonenoscillaties in de holte te regelen. De pompbron (excitatiebron) levert de energie-excitatie voor het versterkingsmedium. Het versterkingsmedium wordt opgewonden om fotonen te produceren om de laser te genereren en te versterken. De resonantieholte is de plaats waar de fotonkarakteristieken (frequentie, fase en werkingsrichting) worden aangepast om een uitgangslichtbron van hoge kwaliteit te verkrijgen door de foton-oscillaties in de holte te regelen.
(3)Classificatie van laserbron
De laserbron kan als volgt worden geclassificeerd op basis van versterkingsmedium, uitgangsgolflengte, bedrijfsmodus en pompmodus
① Classificatie op basis van versterkingsmedium
Volgens de verschillende versterkingsmedia kunnen lasers worden onderverdeeld in vaste toestand (inclusief vaste stof, halfgeleider, vezel, hybride), vloeibare lasers, gaslasers, enz.
| LaserBronType | Verkrijg media | Belangrijkste kenmerken |
| Solid State-laserbron | Vaste stoffen, halfgeleiders, glasvezel, hybride | Mooie stabiliteit, hoog vermogen, lage onderhoudskosten, geschikt voor industrialisatie |
| Vloeibare laserbron | Chemische vloeistoffen | Optioneel golflengtebereik, maar groot formaat en hoge onderhoudskosten |
| Gaslaserbron | Gassen | Laserlichtbron van hoge kwaliteit, maar groter formaat en hogere onderhoudskosten |
| Gratis elektronenlaserbron | Elektronenbundel in een specifiek magnetisch veld | Er kan een ultrahoog vermogen en laseruitvoer van hoge kwaliteit worden bereikt, maar de productietechnologie en productiekosten zijn zeer hoog |
Vanwege de goede stabiliteit, het hoge vermogen en de lage onderhoudskosten biedt de toepassing van vastestoflasers absolute voordelen.
Onder de solid-state lasers hebben halfgeleiderlasers de voordelen van hoge efficiëntie, kleine afmetingen, lange levensduur, laag energieverbruik, enz. Enerzijds kunnen ze direct worden toegepast als de kernlichtbron en ondersteuning voor laserverwerking, medische, communicatie-, detectie-, weergave-, monitoring- en defensietoepassingen, en zijn een belangrijke basis geworden voor de ontwikkeling van moderne lasertechnologie met strategische ontwikkelingsbelangen.
Aan de andere kant kunnen halfgeleiderlasers ook worden gebruikt als kernpompende lichtbron voor andere lasers, zoals vastestoflasers en fiberlasers, waardoor de technologische vooruitgang van het gehele laserveld aanzienlijk wordt bevorderd. Alle grote ontwikkelde landen in de wereld hebben het in hun nationale ontwikkelingsplannen opgenomen, waardoor ze krachtige steun kregen en zich snel ontwikkelden.
② Volgens de pompmethode
Lasers kunnen worden onderverdeeld in elektrisch gepompte, optisch gepompte, chemisch gepompte lasers, enz., Afhankelijk van de pompmethode.
Elektrisch gepompte lasers verwijzen naar lasers die worden opgewonden door stroom, gaslasers worden meestal opgewonden door gasontlading, terwijl halfgeleiderlasers meestal worden opgewonden door stroominjectie.
Bijna alle vastestoflasers en vloeistoflasers zijn optische pomplasers, en halfgeleiderlasers worden gebruikt als kernpompbron voor optische pomplasers.
Chemisch gepompte lasers verwijzen naar lasers die de energie gebruiken die vrijkomt bij chemische reacties om het werkmateriaal te exciteren.
③Classificatie op bedrijfsmodus
Lasers kunnen afhankelijk van hun werking worden onderverdeeld in continue lasers en gepulseerde lasers.
Continue lasers hebben een stabiele verdeling van het aantal deeltjes op elk energieniveau en het stralingsveld in de holte, en hun werking wordt gekenmerkt door de excitatie van het werkmateriaal en de bijbehorende laseruitvoer op een continue manier gedurende een lange tijdsperiode . Continue lasers kunnen gedurende langere tijd continu laserlicht produceren, maar het thermische effect is duidelijker.
Gepulseerde lasers verwijzen naar de tijdsduur waarin het laservermogen op een bepaalde waarde wordt gehouden en laserlicht op een discontinue manier uitvoeren, met als belangrijkste kenmerken een klein thermisch effect en goede regelbaarheid.
④ Classificatie op uitgangsgolflengte
Lasers kunnen op basis van hun golflengte worden geclassificeerd als infraroodlasers, zichtbare lasers, ultraviolette lasers, diep-ultraviolette lasers, enzovoort. Het golflengtebereik van licht dat door verschillende gestructureerde materialen kan worden geabsorbeerd, is verschillend, dus lasers met verschillende golflengten zijn nodig voor de fijne verwerking van verschillende materialen of voor verschillende toepassingsscenario's.Infraroodlasers en UV-lasers zijn de twee meest gebruikte lasers. Infraroodlasers worden voornamelijk gebruikt bij "thermische verwerking", waarbij het materiaal op het oppervlak van het materiaal wordt verwarmd en verdampt (verdampt) om het materiaal te verwijderen; op het gebied van de verwerking van niet-metalen dunne films, het snijden van halfgeleiderwafels, het snijden van organisch glas, boren, markeren en andere gebieden, hoge energie. Op het gebied van de verwerking van niet-metalen dunne films, het snijden van halfgeleiderwafels, het snijden van organisch glas, boren, markeren, enz., de UV-fotonen met hoge energie verbreken direct de moleculaire bindingen op het oppervlak van niet-metalen materialen, zodat de moleculen van het object kunnen worden gescheiden, en deze methode produceert geen hoge hittereactie, dus wordt deze gewoonlijk "koud" genoemd. verwerking".
Vanwege de hoge energie van UV-fotonen is het moeilijk om een bepaalde continue UV-laser met hoog vermogen te genereren door een externe excitatiebron, dus de UV-laser wordt over het algemeen gegenereerd door de toepassing van kristalmateriaal, niet-lineaire effectfrequentieconversiemethode, dus de huidige veel gebruikte industriële gebied van UV-lasers zijn voornamelijk UV-lasers in vaste toestand.
(4) Industrieketen
Stroomopwaarts van de industriële keten is het gebruik van halfgeleidergrondstoffen, hoogwaardige apparatuur en aanverwante productieaccessoires voor de vervaardiging van laserkernen en opto-elektronische apparaten, wat de hoeksteen is van de laserindustrie en een hoge toegangsdrempel kent. De middenstroom van de industriële keten is het gebruik van stroomopwaartse laserchips en opto-elektronische apparaten, modules, optische componenten, enz. als pompbronnen voor de productie en verkoop van verschillende lasers, waaronder directe halfgeleiderlasers, kooldioxidelasers, vastestoflasers, fiberlasers, enz.; de downstream-industrie verwijst voornamelijk naar de toepassingsgebieden van verschillende lasers, waaronder industriële verwerkingsapparatuur, LIDAR, optische communicatie, medische schoonheid en andere toepassingsindustrieën
①Upstream-leveranciers
De grondstoffen voor upstream-producten zoals halfgeleiderlaserchips, apparaten en modules zijn voornamelijk verschillende chipmaterialen, vezelmaterialen en machinaal bewerkte onderdelen, waaronder substraten, koellichamen, chemicaliën en behuizingssets. De chipverwerking vereist een hoge kwaliteit en prestatie van upstream-grondstoffen, voornamelijk van buitenlandse leveranciers, maar de mate van lokalisatie neemt geleidelijk toe en bereikt geleidelijk onafhankelijke controle. De prestaties van de belangrijkste upstream-grondstoffen hebben een directe impact op de kwaliteit van halfgeleiderlaserchips, waarbij de voortdurende verbetering van de prestaties van verschillende chipmaterialen, om de prestaties van de industrieproducten te verbeteren, een positieve rol spelen bij het bevorderen ervan.
②Midstream-industrieketen
Halfgeleiderlaserchip is de kernpomplichtbron van verschillende soorten lasers in het midden van de industriële keten en speelt een positieve rol bij het bevorderen van de ontwikkeling van middenstroomlasers. Op het gebied van midstream-lasers domineren de Verenigde Staten, Duitsland en andere overzeese ondernemingen, maar na de snelle ontwikkeling van de binnenlandse laserindustrie in de afgelopen jaren heeft de midstream-markt van de industriële keten een snelle binnenlandse vervanging bereikt.
③Industriële keten stroomafwaarts
De downstream-industrie speelt een grotere rol bij het bevorderen van de ontwikkeling van de industrie, dus de ontwikkeling van de downstream-industrie zal rechtstreeks van invloed zijn op de marktruimte van de industrie. De voortdurende groei van de Chinese economie en de opkomst van strategische kansen voor economische transformatie hebben betere ontwikkelingsomstandigheden gecreëerd voor de ontwikkeling van deze industrie. China evolueert van een productieland naar een productiekrachtcentrale, en downstream-lasers en laserapparatuur zijn een van de sleutels tot het upgraden van de productie-industrie, wat een goed vraagklimaat biedt voor de verbetering van deze industrie op de lange termijn. De eisen van de stroomafwaartse industrie aan de prestatie-index van halfgeleiderlaserchips en hun apparaten nemen toe, en binnenlandse bedrijven betreden geleidelijk de markt voor krachtige lasers vanuit de markt voor lasers met laag vermogen, dus de industrie moet de investeringen op het gebied van technologisch onderzoek voortdurend verhogen. en ontwikkeling en onafhankelijke innovatie.
2. Ontwikkelingsstatus van de halfgeleiderlaserindustrie
Halfgeleiderlasers hebben de beste energieconversie-efficiëntie onder alle soorten lasers. Enerzijds kunnen ze worden gebruikt als de kernpompbron van optische vezellasers, vastestoflasers en andere optische pomplasers. Aan de andere kant, met de voortdurende doorbraak van halfgeleiderlasertechnologie op het gebied van energie-efficiëntie, helderheid, levensduur, multi-golflengte, modulatiesnelheid, enz., worden halfgeleiderlasers veel gebruikt in materiaalverwerking, medische, optische communicatie, optische detectie, defensie, etc. Volgens Laser Focus World wordt de totale mondiale omzet van diodelasers, dat wil zeggen halfgeleiderlasers en niet-diodelasers, geschat op 18.480 miljoen dollar in 2021, waarbij halfgeleiderlasers 43% van de totale omzet voor hun rekening nemen.
Volgens Laser Focus World zal de mondiale halfgeleiderlasermarkt in 2020 6.724 miljoen dollar bedragen, een stijging van 14,20% ten opzichte van het voorgaande jaar. Met de ontwikkeling van mondiale intelligentie, de groeiende vraag naar lasers in slimme apparaten, consumentenelektronica, nieuwe energie en andere gebieden, evenals de voortdurende uitbreiding van medische, schoonheidsapparatuur en andere opkomende toepassingen, kunnen halfgeleiderlasers worden gebruikt als pompbron voor optische pomplasers, en de marktomvang zal een stabiele groei blijven behouden. In 2021 zal de wereldwijde marktomvang van halfgeleiderlasers 7,946 miljard dollar bedragen, met een marktgroei van 18,18%.
Door de gezamenlijke inspanningen van technische experts, ondernemingen en praktijkmensen heeft de Chinese halfgeleiderlaserindustrie een buitengewone ontwikkeling bereikt, zodat de Chinese halfgeleiderlaserindustrie het proces helemaal opnieuw heeft ervaren en het begin van het prototype van de Chinese halfgeleiderlaserindustrie. De afgelopen jaren heeft China de ontwikkeling van de laserindustrie vergroot en zijn verschillende regio's gewijd aan wetenschappelijk onderzoek, technologische verbetering, marktontwikkeling en de bouw van laserindustrieparken onder leiding van de overheid en de medewerking van laserbedrijven.
3. Toekomstige ontwikkelingstrend van de Chinese laserindustrie
Vergeleken met de ontwikkelde landen in Europa en de Verenigde Staten is de Chinese lasertechnologie niet laat, maar bij de toepassing van lasertechnologie en hoogwaardige kerntechnologie is er nog steeds een aanzienlijke kloof, vooral de stroomopwaartse halfgeleiderlaserchip en andere kerncomponenten zijn nog steeds afhankelijk van import.
De ontwikkelde landen, vertegenwoordigd door de Verenigde Staten, Duitsland en Japan, hebben de vervanging van de traditionele productietechnologie op enkele grote industriële gebieden feitelijk voltooid en zijn het tijdperk van de ‘lichte productie’ binnengegaan; Hoewel de ontwikkeling van lasertoepassingen in China snel gaat, is de penetratiegraad van toepassingen nog steeds relatief laag. Als de kerntechnologie van industriële modernisering zal de laserindustrie een belangrijk gebied van nationale steun blijven, en het toepassingsgebied blijven uitbreiden, en uiteindelijk de Chinese maakindustrie naar het tijdperk van de "lichte productie" bevorderen. Vanuit de huidige ontwikkelingssituatie vertoont de ontwikkeling van de Chinese laserindustrie de volgende ontwikkelingstrends.
(1) Halfgeleiderlaserchips en andere kerncomponenten realiseren geleidelijk lokalisatie
Neem fiberlaser als voorbeeld, de krachtige fiberlaserpompbron is het belangrijkste toepassingsgebied van halfgeleiderlaser, de krachtige halfgeleiderlaserchip en module is een belangrijk onderdeel van fiberlaser. De afgelopen jaren bevindt de Chinese glasvezellaserindustrie zich in een snelle groeifase en de mate van lokalisatie neemt jaar na jaar toe.
In termen van marktpenetratie bereikte het marktaandeel van binnenlandse lasers op de vezellasermarkt met laag vermogen in 2019 99,01%; op de markt voor vezellasers met middelhoog vermogen is de penetratiegraad van binnenlandse lasers de afgelopen jaren op meer dan 50% gehandhaafd; het lokalisatieproces van krachtige fiberlasers vordert ook geleidelijk, van 2013 tot 2019 om "vanaf nul" te bereiken. Het lokalisatieproces van vezellasers met hoog vermogen vordert ook geleidelijk, van 2013 tot 2019, en heeft een penetratiegraad van 55,56% bereikt, en de binnenlandse penetratiegraad van vezellasers met hoog vermogen zal naar verwachting in 2020 57,58% bedragen.
Kerncomponenten zoals halfgeleiderlaserchips met hoog vermogen zijn echter nog steeds afhankelijk van import, en de upstreamcomponenten van lasers met halfgeleiderlaserchips als kern worden geleidelijk gelokaliseerd, wat enerzijds de marktschaal van de upstreamcomponenten van binnenlandse lasers, en aan de andere kant kan het, met de lokalisatie van de stroomopwaartse kerncomponenten, het vermogen van binnenlandse laserfabrikanten om deel te nemen aan de internationale concurrentie verbeteren.
(2) Lasertoepassingen dringen sneller en breder door
Met de geleidelijke lokalisatie van opto-elektronische kerncomponenten en de geleidelijke daling van de kosten voor lasertoepassingen zullen lasers dieper in veel industrieën doordringen.
Enerzijds past laserverwerking voor China ook in de top tien van toepassingsgebieden van de Chinese maakindustrie, en de verwachting is dat de toepassingsgebieden van laserverwerking in de toekomst verder zullen worden uitgebreid en de marktschaal verder zal worden uitgebreid. Aan de andere kant zal het, met de voortdurende popularisering en ontwikkeling van technologieën zoals een zelfrijdend systeem, een geavanceerd ondersteund rijsysteem, een servicegerichte robot, 3D-detectie, enz., meer worden toegepast op veel gebieden, zoals de automobielsector, kunstmatige intelligentie en consumentenelektronica. , gezichtsherkenning, optische communicatie en nationaal defensieonderzoek. Als kernapparaat of onderdeel van de bovengenoemde lasertoepassingen zal de halfgeleiderlaser ook snel ontwikkelingsruimte winnen.
(3) Hoger vermogen, betere straalkwaliteit, kortere golflengte en snellere ontwikkeling van de frequentierichting
Op het gebied van industriële lasers hebben fiberlasers sinds hun introductie grote vooruitgang geboekt op het gebied van uitgangsvermogen, straalkwaliteit en helderheid. Een hoger vermogen kan echter de verwerkingssnelheid verbeteren, de verwerkingskwaliteit optimaliseren en het verwerkingsveld uitbreiden naar de productie van zware industrie, in de automobielindustrie, de lucht- en ruimtevaartproductie, de energieproductie, de machinebouw, de metallurgie, de spoorwegtransportbouw, wetenschappelijk onderzoek en andere toepassingsgebieden op het gebied van snijden. lassen, oppervlaktebehandeling, enz., blijven de vermogensvereisten voor fiberlasers toenemen. De overeenkomstige apparaatfabrikanten moeten de prestaties van kernapparaten (zoals krachtige halfgeleiderlaserchips en versterkingsvezels) voortdurend verbeteren. De toename van het fiberlaservermogen vereist ook geavanceerde lasermodulatietechnologie zoals bundelcombinatie en vermogenssynthese, wat nieuwe eisen met zich mee zal brengen en uitdagingen voor fabrikanten van krachtige halfgeleiderlaserchips. Bovendien zijn kortere golflengten, meer golflengten en snellere (ultrasnelle) laserontwikkeling ook een belangrijke richting, die voornamelijk wordt gebruikt in chips met geïntegreerde schakelingen, beeldschermen, consumentenelektronica, ruimtevaart en andere precisie-microverwerking, evenals in de biowetenschappen, de medische sector, detectie en andere velden stelde de halfgeleiderlaserchip ook nieuwe eisen.
(4) De vraag naar opto-elektronische lasercomponenten met hoog vermogen is naar verdere groei
De ontwikkeling en industrialisatie van vezellasers met hoog vermogen is het resultaat van de synergetische vooruitgang van de industriële keten, die de ondersteuning vereist van opto-elektronische kerncomponenten zoals pompbron, isolator, bundelconcentrator, enz. De opto-elektronische componenten die worden gebruikt in hoogvermogen fiberlaser vormen de basis en de belangrijkste componenten van de ontwikkeling en productie ervan, en de groeiende markt van krachtige fiberlaser stimuleert ook de marktvraag naar kerncomponenten zoals krachtige halfgeleiderlaserchips. Tegelijkertijd is importsubstitutie, met de voortdurende verbetering van de binnenlandse fiberlasertechnologie, een onvermijdelijke trend geworden, het lasermarktaandeel in de wereld zal blijven verbeteren, wat ook grote kansen biedt voor de lokale kracht van fabrikanten van opto-elektronische componenten.
Posttijd: 07-mrt-2023
