1. Overzicht van de 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 met een smalle frequentie door middel van geëxciteerde terugkoppelingresonantie en straling.
Lasertechnologie ontstond begin jaren zestig en werd, vanwege de totaal andere aard ervan dan gewoon licht, al snel op grote schaal gebruikt in diverse sectoren. Het heeft een diepgaande invloed gehad op de ontwikkeling en transformatie van wetenschap, technologie, economie en maatschappij.
De geboorte van de laser heeft de optica ingrijpend veranderd en de klassieke optische fysica uitgebreid tot een nieuwe, hightech discipline die zowel klassieke optica als moderne fotonica omvat. Dit levert een onvervangbare bijdrage aan de ontwikkeling van de menselijke economie en samenleving. Laseronderzoek heeft bijgedragen aan de bloei van twee belangrijke takken van de moderne fotonica: energiefotonica en informatiefotonica. Het omvat niet-lineaire optica, kwantumoptica, kwantumcomputing, laserdetectie en -communicatie, laserplasmafysica, laserchemie, laserbiologie, lasergeneeskunde, ultraprecieze laserspectroscopie en -metrologie, laseratoomfysica, inclusief laserkoeling en Bose-Einstein-onderzoek naar gecondenseerde materie, laserfunctionele materialen, laserproductie, fabricage van lasermicro-opto-elektronische chips, laser 3D-printing en meer dan 20 internationale grensgebieden en technologische toepassingen. De afdeling Laserwetenschap en -technologie (DSL) is opgericht op de volgende gebieden.
In de laserproductie-industrie is de wereld het tijdperk van de "lichtproductie" ingegaan. Volgens internationale statistieken over de laserindustrie is 50% van het jaarlijkse bbp van de Verenigde Staten¹ gerelateerd aan de snelle marktuitbreiding van hoogwaardige lasertoepassingen. Verschillende ontwikkelde landen, waaronder de Verenigde Staten, Duitsland en Japan, hebben de traditionele processen in belangrijke productie-industrieën zoals de automobiel- en luchtvaartindustrie grotendeels vervangen door laserbewerking. Lasertechnologie in de industriële productie heeft een groot potentieel getoond voor goedkope, hoogwaardige, efficiënte en speciale productietoepassingen die met conventionele productiemethoden niet mogelijk zijn. Het is daarmee een belangrijke motor geworden voor concurrentie en innovatie in de belangrijkste industrielanden ter wereld. Landen ondersteunen lasertechnologie actief als een van hun belangrijkste geavanceerde technologieën en hebben nationale ontwikkelingsplannen voor de laserindustrie opgesteld.
(2)LaserBron Pprinciple
Een laser is een apparaat dat gebruikmaakt van opgewekte straling om zichtbaar of onzichtbaar licht te produceren. De structuur van een laser is complex en de technische eisen zijn hoog. Het optische systeem bestaat hoofdzakelijk uit een pompbron (excitatiebron), een versterkingsmedium (werkzame stof), een resonantieholte en andere optische componenten. Het versterkingsmedium is de bron voor de generatie van fotonen. Door de energie van de pompbron te absorberen, springt het versterkingsmedium van de grondtoestand naar de aangeslagen toestand. Omdat de aangeslagen toestand instabiel is, geeft het versterkingsmedium energie af om terug te keren naar de stabiele grondtoestand. Tijdens dit proces van energieafgifte produceert het versterkingsmedium fotonen. Deze fotonen hebben een hoge mate van consistentie in energie, golflengte en richting. Ze worden continu gereflecteerd in de optische resonantieholte, waardoor ze continu worden versterkt en uiteindelijk via de reflector de laserstraal vormen. Als kernonderdeel van het optische systeem van de eindapparatuur bepaalt de laserprestatie vaak direct de kwaliteit en het vermogen van de laserstraal.
De pompbron (excitatiebron) levert de energie voor het versterkingsmedium. Het versterkingsmedium wordt geëxciteerd om fotonen te produceren die de laser genereren en versterken. De resonantieholte is de plaats waar de fotonkarakteristieken (frequentie, fase en werkingsrichting) worden gereguleerd om een hoogwaardige lichtbron te verkrijgen door de fotonoscillaties in de holte te controleren. De pompbron (excitatiebron) levert de energie voor het versterkingsmedium. Het versterkingsmedium wordt geëxciteerd om fotonen te produceren die de laser genereren en versterken. De resonantieholte is de plaats waar de fotonkarakteristieken (frequentie, fase en werkingsrichting) worden aangepast om een hoogwaardige lichtbron te verkrijgen door de fotonoscillaties in de holte te controleren.
(3)Classificatie van laserbronnen
Laserbronnen kunnen worden geclassificeerd op basis van het versterkingsmedium, de uitgangsgolflengte, de bedrijfsmodus en de pompmodus, als volgt:
① Classificatie op basis van het versterkingsmedium
Afhankelijk van het gebruikte versterkingsmedium kunnen lasers worden onderverdeeld in vastestoflasers (waaronder vaste stof-, halfgeleider-, vezel- en hybride lasers), vloeistoflasers, gaslasers, enzovoort.
| LaserBronType | Gain Media | Belangrijkste kenmerken |
| Vastestoflaserbron | Vaste stoffen, halfgeleiders, glasvezeloptica, hybride | Goede stabiliteit, hoog vermogen, lage onderhoudskosten, geschikt voor industrialisatie. |
| Vloeibare laserbron | Chemische vloeistoffen | Optioneel golflengtebereik bereikt, maar groot formaat en hoge onderhoudskosten. |
| Gaslaserbron | Gassen | Hoogwaardige laserlichtbron, maar wel groter formaat en hogere onderhoudskosten. |
| Vrije-elektronenlaserbron | Elektronenbundel in een specifiek magnetisch veld | Lasers met een extreem hoog vermogen en een hoge kwaliteit kunnen worden geproduceerd, maar de fabricagetechnologie en de productiekosten zijn zeer hoog. |
Door hun goede stabiliteit, hoge vermogen en lage onderhoudskosten bieden solid-state lasers absolute voordelen.
Van de vastestoflasers hebben halfgeleiderlasers voordelen zoals een hoog rendement, een klein formaat, een lange levensduur en een laag energieverbruik. Enerzijds kunnen ze direct worden gebruikt als de belangrijkste lichtbron en als ondersteuning voor laserbewerking, medische toepassingen, communicatie, sensoren, displays, monitoring en defensie. Ze vormen een belangrijke basis voor de ontwikkeling van moderne lasertechnologie en hebben een strategische betekenis.
Anderzijds kunnen halfgeleiderlasers ook worden gebruikt als de belangrijkste pomplichtbron voor andere lasers, zoals solid-state lasers en fiberlasers, waardoor de technologische vooruitgang in het gehele laserveld aanzienlijk wordt bevorderd. Alle belangrijke ontwikkelde landen ter wereld hebben dit opgenomen in hun nationale ontwikkelingsplannen, wat leidt tot sterke steun en een snelle ontwikkeling.
② Volgens de pompmethode
Lasers kunnen, afhankelijk van de pompmethode, worden onderverdeeld in elektrisch gepompte, optisch gepompte, chemisch gepompte lasers, enzovoort.
Elektrisch aangedreven lasers zijn lasers die worden opgewekt door stroom, gaslasers worden meestal opgewekt door gasontlading, terwijl halfgeleiderlasers meestal worden opgewekt door stroominjectie.
Vrijwel alle solid-state lasers en vloeibare lasers zijn optische pomplasers, en halfgeleiderlasers worden gebruikt als de belangrijkste pompbron voor optische pomplasers.
Chemisch gepompte lasers zijn lasers die de energie gebruiken die vrijkomt bij chemische reacties om het werkmateriaal te exciteren.
③Classificatie op basis van de bedrijfsmodus
Lasers kunnen, afhankelijk van hun werkingsprincipe, 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. Hun werking wordt gekenmerkt door de excitatie van het werkmateriaal en de bijbehorende laseroutput op een continue manier gedurende een lange periode. Continue lasers kunnen gedurende een langere tijd laserlicht uitzenden, maar het thermische effect is dan ook duidelijker.
Gepulseerde lasers kenmerken zich door een tijdsduur waarin het laservermogen op een bepaalde waarde wordt gehandhaafd en een discontinue laseruitstraling. De belangrijkste kenmerken zijn een gering thermisch effect en een goede regelbaarheid.
④ Classificatie op basis van de uitgangsgolflengte
Lasers kunnen worden ingedeeld op basis van hun golflengte, zoals infraroodlasers, zichtbare lasers, ultravioletlasers, diep-ultraviolette lasers, enzovoort. Het golflengtebereik van licht dat door verschillende materialen kan worden geabsorbeerd, verschilt. Daarom zijn lasers met verschillende golflengten nodig voor nauwkeurige bewerking van verschillende materialen of voor verschillende toepassingen.Infraroodlasers en UV-lasers zijn de twee meest gebruikte lasers. Infraroodlasers worden voornamelijk gebruikt bij "thermische bewerking", waarbij het materiaal aan het oppervlak wordt verhit en verdampt om het te verwijderen. Bij de bewerking van dunne niet-metalen materialen, het snijden van halfgeleiderwafels, het snijden van organisch glas, boren, markeren en andere toepassingen, breken de hoogenergetische UV-fotonen direct de moleculaire bindingen aan het oppervlak van niet-metalen materialen, waardoor de moleculen van het object kunnen worden gescheiden. Deze methode produceert geen hoge warmtereactie en wordt daarom meestal "koude bewerking" genoemd.
Vanwege de hoge energie van UV-fotonen is het moeilijk om met een externe excitatiebron een krachtige, continue UV-laser te genereren. Daarom wordt een UV-laser over het algemeen opgewekt door middel van frequentieomzetting met behulp van niet-lineaire effecten in kristalmaterialen. De meest gebruikte UV-lasers in de industrie zijn dan ook voornamelijk solid-state UV-lasers.
(4) Industrieketen
De upstream van de industriële keten omvat het gebruik van halfgeleidergrondstoffen, hoogwaardige apparatuur en bijbehorende productieaccessoires voor de fabricage van laserkernen en opto-elektronische componenten. Dit vormt de hoeksteen van de laserindustrie en kent een hoge instapdrempel. De midstream van de industriële keten omvat het gebruik van upstream laserchips en opto-elektronische componenten, modules, optische onderdelen, enz. als pompbronnen voor de productie en verkoop van diverse lasers, waaronder directe halfgeleiderlasers, koolstofdioxidelasers, solid-state lasers, fiberlasers, enz. De downstream-industrie verwijst hoofdzakelijk naar de toepassingsgebieden van diverse lasers, zoals industriële verwerkingsapparatuur, LIDAR, optische communicatie, medische en cosmetische toepassingen en andere industrieën.
① Leveranciers in de toeleveringsketen
De grondstoffen voor upstream-producten zoals halfgeleiderlaserchips, -apparaten en -modules bestaan hoofdzakelijk uit diverse chipmaterialen, vezelmaterialen en bewerkte onderdelen, waaronder substraten, koelplaten, chemicaliën en behuizingen. De chipverwerking vereist hoogwaardige en goed presterende upstream-grondstoffen, die voornamelijk van buitenlandse leveranciers komen. De mate van lokalisatie neemt echter geleidelijk toe en er wordt steeds meer onafhankelijke controle over de productie verkregen. De prestaties van de belangrijkste upstream-grondstoffen hebben een directe invloed op de kwaliteit van de halfgeleiderlaserchips. Continue verbetering van de prestaties van diverse chipmaterialen draagt bij aan de verbetering van de productprestaties in de industrie.
②Midstream-industrieketen
De halfgeleiderlaserchip is de belangrijkste pomplichtbron voor diverse soorten lasers in het middensegment van de industriële keten en speelt een positieve rol in de ontwikkeling van lasers in dit segment. Op het gebied van lasers in het middensegment domineerden bedrijven uit de Verenigde Staten, Duitsland en andere landen, maar na de snelle ontwikkeling van de binnenlandse laserindustrie in de afgelopen jaren is er een snelle binnenlandse verschuiving gaande in de markt voor lasers in het middensegment.
③Industriële keten stroomafwaarts
De downstream-industrie speelt een belangrijke rol in de ontwikkeling van de industrie en heeft daarom een directe invloed op de marktruimte van de industrie. De aanhoudende economische groei in China en de strategische kansen voor economische transformatie hebben gunstigere ontwikkelingsomstandigheden gecreëerd voor deze industrie. China transformeert van een productieland naar een productiekrachtcentrale, en downstream-lasers en laserapparatuur zijn een van de sleutels tot de modernisering van de maakindustrie. Dit zorgt voor een gunstig klimaat voor de langetermijnverbetering van deze industrie. De eisen van de downstream-industrie aan de prestatie-index van halfgeleiderlaserchips en -componenten nemen toe, en binnenlandse bedrijven stappen geleidelijk over van de markt voor lasers met laag vermogen naar de markt voor lasers met hoog vermogen. Daarom moet de industrie continu blijven investeren in technologisch onderzoek en ontwikkeling en in onafhankelijke innovatie.
2. Ontwikkelingsstatus van de halfgeleiderlaserindustrie
Halfgeleiderlasers hebben de hoogste energieomzettingsrendement van alle lasersoorten. Enerzijds kunnen ze worden gebruikt als de kernpompbron voor glasvezellasers, solid-state lasers en andere optische pomplasers. Anderzijds worden halfgeleiderlasers, dankzij de voortdurende doorbraken in de halfgeleiderlasertechnologie op het gebied van energie-efficiëntie, helderheid, levensduur, meerdere golflengten, modulatiesnelheid, enzovoort, breed ingezet in materiaalbewerking, medische toepassingen, optische communicatie, optische sensoren, defensie, enzovoort. Volgens Laser Focus World werd de totale wereldwijde omzet van diodelasers, dat wil zeggen halfgeleiderlasers en niet-diodelasers, geschat op $ 18.480 miljoen in 2021, waarvan halfgeleiderlasers 43% voor hun rekening namen.
Volgens Laser Focus World zal de wereldwijde markt voor halfgeleiderlasers in 2020 $ 6.724 miljoen bedragen, een stijging van 14,20% ten opzichte van het voorgaande jaar. Door de ontwikkeling van intelligentie wereldwijd, de groeiende vraag naar lasers in slimme apparaten, consumentenelektronica, nieuwe energiebronnen en andere sectoren, en de voortdurende uitbreiding van medische en cosmetische apparatuur en andere opkomende toepassingen, kunnen halfgeleiderlasers worden gebruikt als pompbron voor optische pomplasers. De marktomvang zal naar verwachting stabiel blijven groeien. De wereldwijde markt voor halfgeleiderlasers zal in 2021 een omvang van $ 7,946 miljard bereiken, met een groeipercentage van 18,18%.
Dankzij de gezamenlijke inspanningen van technische experts, bedrijven en professionals heeft de Chinese halfgeleiderlaserindustrie een buitengewone ontwikkeling doorgemaakt. De Chinese halfgeleiderlaserindustrie heeft een proces van begin tot eind doorlopen en is de basis gelegd voor de ontwikkeling van prototypes. De afgelopen jaren heeft China de laserindustrie verder ontwikkeld. Diverse regio's hebben zich, onder leiding van de overheid en in samenwerking met laserbedrijven, ingezet voor wetenschappelijk onderzoek, technologische verbetering, marktontwikkeling en de bouw van laserindustrieparken.
3. Toekomstige ontwikkelingstrends van de Chinese laserindustrie
Vergeleken met ontwikkelde landen in Europa en de Verenigde Staten loopt China niet achter op het gebied van lasertechnologie, maar er is nog een aanzienlijke kloof te overbruggen wat betreft de toepassing van lasertechnologie en hoogwaardige kerntechnologie. Met name de halfgeleiderlaserchips en andere kerncomponenten zijn nog steeds afhankelijk van import.
De ontwikkelde landen, vertegenwoordigd door de Verenigde Staten, Duitsland en Japan, hebben de vervanging van traditionele productietechnologie in sommige grote industriële sectoren grotendeels voltooid en zijn het tijdperk van de "lichte industrie" ingegaan. Hoewel de ontwikkeling van lasertoepassingen in China snel verloopt, is de toepassingsgraad nog relatief laag. Als kerntechnologie voor industriële modernisering zal de laserindustrie een belangrijk speerpunt van nationale steun blijven, het toepassingsgebied ervan verder uitbreiden en uiteindelijk de Chinese maakindustrie naar het tijdperk van de "lichte industrie" leiden. De huidige ontwikkelingssituatie in de Chinese laserindustrie laat de volgende trends zien.
(1) Halfgeleiderlaserchips en andere kerncomponenten realiseren geleidelijk lokalisatie
Neem bijvoorbeeld de fiberlaser: de krachtige pompbron voor fiberlasers is het belangrijkste toepassingsgebied van halfgeleiderlasers, en de krachtige halfgeleiderlaserchip en -module vormen een belangrijk onderdeel van de fiberlaser. De Chinese fiberlaserindustrie bevindt zich de laatste jaren in een snelle groeifase en de mate van lokale productie neemt jaar na jaar toe.
Wat betreft marktpenetratie, bereikte het marktaandeel van binnenlandse lasers in de markt voor laagvermogenvezellasers 99,01% in 2019; in de markt voor middelvermogenvezellasers is het penetratiepercentage van binnenlandse lasers de afgelopen jaren constant boven de 50% gebleven; het lokalisatieproces van hoogvermogenvezellasers vordert ook gestaag en heeft tussen 2013 en 2019 een penetratiepercentage van 55,56% bereikt, en het binnenlandse penetratiepercentage van hoogvermogenvezellasers zal naar verwachting 57,58% bedragen in 2020.
Kerncomponenten zoals krachtige halfgeleiderlaserchips zijn echter nog steeds afhankelijk van import, terwijl de upstream-componenten van lasers met halfgeleiderlaserchips als kern geleidelijk aan lokaal worden geproduceerd. Dit vergroot enerzijds de afzetmarkt voor de upstream-componenten van binnenlandse lasers en verbetert anderzijds het vermogen van binnenlandse laserfabrikanten om deel te nemen aan internationale concurrentie.
(2) Lasertoepassingen dringen sneller en breder door.
Door de geleidelijke lokalisatie van de productie van opto-elektronische kerncomponenten en de geleidelijke daling van de toepassingskosten van lasers, zullen lasers steeds dieper doordringen in vele industrieën.
Enerzijds behoort laserbewerking in China tot de top tien van toepassingsgebieden binnen de Chinese maakindustrie, en de verwachting is dat de toepassingsgebieden en de marktomvang in de toekomst verder zullen toenemen. Anderzijds zal laserbewerking, met de voortdurende popularisering en ontwikkeling van technologieën zoals zelfrijdende auto's, geavanceerde rijhulpsystemen, servicegerichte robots en 3D-sensoren, steeds vaker worden toegepast in diverse sectoren, zoals de automobielindustrie, kunstmatige intelligentie, consumentenelektronica, gezichtsherkenning, optische communicatie en defensieonderzoek. Als kerncomponent van deze lasertoepassingen zal de halfgeleiderlaser eveneens een snelle ontwikkeling doormaken.
(3) Hoger vermogen, betere straalkwaliteit, kortere golflengte en snellere frequentierichtingsontwikkeling
In de wereld van industriële lasers hebben fiberlasers sinds hun introductie grote vooruitgang geboekt op het gebied van uitgangsvermogen, straalkwaliteit en helderheid. Hoger vermogen kan echter de verwerkingssnelheid verhogen, de verwerkingskwaliteit optimaliseren en het toepassingsgebied uitbreiden naar de zware industrie, de automobielindustrie, de lucht- en ruimtevaart, de energiesector, de machinebouw, de metallurgie, de spoorwegbouw, wetenschappelijk onderzoek en andere toepassingsgebieden voor snijden, lassen, oppervlaktebehandeling, enz. De vermogenseisen voor fiberlasers blijven toenemen. De bijbehorende fabrikanten van componenten moeten de prestaties van de kerncomponenten (zoals de krachtige halfgeleiderlaserchip en de versterkingsvezel) continu verbeteren. De toename van het vermogen van fiberlasers vereist ook geavanceerde lasermodulatietechnologieën zoals straalcombinatie en vermogenssynthese, wat nieuwe eisen en uitdagingen met zich meebrengt voor fabrikanten van krachtige halfgeleiderlaserchips. Daarnaast is de ontwikkeling van lasers met kortere golflengten, meer golflengten en hogere (ultrasnelle) lasers een belangrijke richting. Deze worden voornamelijk gebruikt in geïntegreerde schakelingen, displays, consumentenelektronica, de lucht- en ruimtevaart en andere precisie-microbewerking, maar ook in de biowetenschappen, de medische sector, sensortechnologie en andere gebieden. Ook hier gelden nieuwe eisen voor de halfgeleiderlaserchip.
(4) voor opto-elektronische componenten voor krachtige lasers is er vraag naar verdere groei
De ontwikkeling en industrialisatie van krachtige fiberlasers is het resultaat van de synergetische vooruitgang in de industriële keten, die de ondersteuning vereist van essentiële opto-elektronische componenten zoals pompbronnen, isolatoren, bundelconcentratoren, enzovoort. De opto-elektronische componenten die in krachtige fiberlasers worden gebruikt, vormen de basis en sleutelcomponenten voor hun ontwikkeling en productie. De groeiende markt voor krachtige fiberlasers stimuleert tevens de marktvraag naar kerncomponenten zoals krachtige halfgeleiderlaserchips. Tegelijkertijd is, met de voortdurende verbetering van de binnenlandse fiberlasertechnologie, importvervanging een onvermijdelijke trend geworden. Het marktaandeel van lasers in de wereld zal blijven groeien, wat ook grote kansen biedt voor de sterke positie van lokale fabrikanten van opto-elektronische componenten.
Geplaatst op: 7 maart 2023
