1. Laseritööstuse ülevaade
(1) Laseri tutvustus
Laser (lühendatult LASER) on kollimeeritud, monokromaatiline, koherentne ja suunatud valguskiir, mis tekib kitsa sagedusega valguskiirguse võimendamisel ergastatud tagasisideresonantsi ja -kiirguse abil.
Lasertehnoloogia sai alguse 1960. aastate alguses ja kuna see erineb täielikult tavalisest valgusest, leidis laser peagi laialdast kasutamist erinevates valdkondades ning see mõjutas sügavalt teaduse, tehnoloogia, majanduse ja ühiskonna arengut ja muutumist.
Laseri sünd on iidse optika olemust dramaatiliselt muutnud, laiendades klassikalise optilise füüsika uueks kõrgtehnoloogiliseks distsipliiniks, mis hõlmab nii klassikalist optikat kui ka tänapäevast fotoonikat, andes asendamatu panuse inimkonna majanduse ja ühiskonna arengusse. Laserfüüsika uuringud on aidanud kaasa kahe peamise tänapäevase fotoonika haru õitsengule: energiafotoonika ja infofotoonika. See hõlmab mittelineaarset optikat, kvantoptikat, kvantarvutust, lasersensorit ja -kommunikatsiooni, laserplasmafüüsikat, laserkeemiat, laserbioloogiat, lasermeditsiini, ülitäpse laserspektroskoopia ja metroloogiat, laseraatomifüüsikat, sealhulgas laserjahutust ja Bose-Einsteini kondenseeritud aine uuringuid, laserfunktsionaalmaterjale, laserite tootmist, lasermikrooptoelektrooniliste kiipide valmistamist, laser-3D-printimist ning enam kui 20 rahvusvahelist piiriala eriala ja tehnoloogilist rakendust. Laseriteaduse ja -tehnoloogia osakond (DSL) on loodud järgmistes valdkondades.
Laseritööstuses on maailm sisenenud "kergtootmise" ajastusse. Rahvusvahelise laseritööstuse statistika kohaselt moodustab 50% Ameerika Ühendriikide aastasest SKPst1 kõrgetasemeliste laserrakenduste kiire turu laienemine. Mitmed arenenud riigid, keda esindavad Ameerika Ühendriigid, Saksamaa ja Jaapan, on põhimõtteliselt lõpetanud traditsiooniliste protsesside asendamise lasertöötlusega suuremates tootmisharudes, nagu autotööstus ja lennundus. Laser tööstuslikus tootmises on näidanud suurt potentsiaali odavate, kvaliteetsete, suure tõhususega ja spetsiaalsete tootmisrakenduste jaoks, mida tavapärase tootmisega saavutada ei saa, ning sellest on saanud oluline konkurentsi ja innovatsiooni liikumapanev jõud maailma peamiste tööstusriikide seas. Riigid toetavad aktiivselt lasertehnoloogiat kui üht oma kõige olulisemat tipptehnoloogiat ja on välja töötanud riiklikud laseritööstuse arengukavad.
(2)LaserAllikas Ppõhimõte
Laser on seade, mis kasutab ergastatud kiirgust nähtava või nähtamatu valguse tekitamiseks, millel on keeruline struktuur ja kõrged tehnilised tõkked. Optiline süsteem koosneb peamiselt pumbaallikast (ergastusallikas), võimenduskeskkonnast (tööaine), resonantsõõnest ja muudest optilise seadme materjalidest. Võimenduskeskkond on footonite genereerimise allikas ja pumbaallika tekitatud energia neelamise teel hüppab võimenduskeskkond põhiolekust ergastatud olekusse. Kuna ergastatud olek on ebastabiilne, vabastab võimenduskeskkond sel ajal energiat, et naasta põhioleku püsiseisundisse. Selles energia vabanemise protsessis tekitab võimenduskeskkond footoneid ja neil footonitel on kõrge energia, lainepikkuse ja suuna järjepidevus, nad peegelduvad pidevalt optilises resonantsõõnes, liiguvad vastassuunas, et pidevalt võimendada ja lõpuks laserkiirt läbi reflektori välja lasta. Kuna tegemist on terminaliseadme põhioptilise süsteemiga, määrab laseri jõudlus sageli otseselt laserseadme väljundkiire kvaliteedi ja võimsuse ning on terminali laserseadme põhikomponent.
Pumbaallikas (ergastusallikas) annab võimenduskeskkonnale energiat ergastusena. Võimenduskeskkonda ergastades tekitatakse footoneid laseri genereerimiseks ja võimendamiseks. Resonantne õõnsus on koht, kus footonite omadusi (sagedus, faas ja töötamise suund) reguleeritakse, et saada õõnsuses footonite võnkumisi juhtides kvaliteetne väljundvalgusallikas. Pumbaallikas (ergastusallikas) annab võimenduskeskkonnale energiat ergastusena. Võimenduskeskkonda ergastades tekitatakse footoneid laseri genereerimiseks ja võimendamiseks. Resonantne õõnsus on koht, kus footonite omadusi (sagedus, faas ja töötamise suund) reguleeritakse, et saada õõnsuses footonite võnkumisi juhtides kvaliteetne väljundvalgusallikas.
(3)Laserallika klassifikatsioon
Laserallikat saab liigitada võimenduskeskkonna, väljundlainepikkuse, töörežiimi ja pumpamisrežiimi järgi järgmiselt
① Klassifikatsioon võimenduskeskkonna järgi
Erinevate võimenduskeskkondade järgi saab lasereid jagada tahkislaseriteks (sh tahked, pooljuht-, kiud- ja hübriidlaserid), vedeliklaseriteks, gaaslaseriteks jne.
| LaserAllikasTüüp | Gain Media | Peamised omadused |
| Tahkislaserallikas | Tahked ained, pooljuhid, kiudoptika, hübriid | Hea stabiilsus, suur võimsus, madalad hoolduskulud, sobib industrialiseerimiseks |
| Vedellaseri allikas | Keemilised vedelikud | Valikuline lainepikkuste vahemik on tabatud, kuid suur suurus ja kõrged hoolduskulud |
| Gaaslaseri allikas | Gaasid | Kvaliteetne laservalgusallikas, kuid suurem suurus ja kõrgemad hoolduskulud |
| Vaba elektronlaseri allikas | Elektronkiir kindlas magnetväljas | Ülikõrge võimsuse ja kvaliteetse laserväljundi saavutamine on võimalik, kuid tootmistehnoloogia ja tootmiskulud on väga kõrged. |
Tänu heale stabiilsusele, suurele võimsusele ja madalatele hoolduskuludele on tahkislaserite rakendamisel absoluutne eelis.
Tahkislaserite seas on pooljuhtlaserite eelised kõrge efektiivsus, väike suurus, pikk eluiga, väike energiatarve jne. Ühelt poolt saab neid otse rakendada lasertöötluse, meditsiini-, kommunikatsiooni-, sensori-, kuvamis-, seire- ja kaitserakenduste põhivalgusallikana ja toena ning neist on saanud oluline alus kaasaegse lasertehnoloogia arendamiseks, millel on strateegilise arengu tähtsus.
Teisest küljest saab pooljuhtlasereid kasutada ka teiste laserite, näiteks tahkislaserite ja kiudlaserite, südamiku pumpava valgusallikana, mis aitab oluliselt kaasa kogu laserivaldkonna tehnoloogilisele arengule. Kõik maailma suuremad arenenud riigid on selle lisanud oma riiklikesse arengukavadesse, pakkudes tugevat toetust ja saavutades kiire arengu.
② Pumbamismeetodi järgi
Pumbamismeetodi järgi saab lasereid jagada elektriliselt pumbatavateks, optiliselt pumbatavateks, keemiliselt pumbatavateks jne.
Elektriliselt pumbatavad laserid on vooluga ergastavad laserid, gaasilaserid ergastuvad peamiselt gaaslahendusega, pooljuhtlaserid aga peamiselt voolu sissepritsega.
Peaaegu kõik tahkislaserid ja vedeliklaserid on optilised pumplaserid ning pooljuhtlasereid kasutatakse optiliste pumplaserite südamiku pumpamisallikana.
Keemiliselt pumbatavad laserid on laserid, mis kasutavad keemilistest reaktsioonidest vabanevat energiat töötava materjali ergastamiseks.
③Klassifikatsioon töörežiimi järgi
Töörežiimi järgi saab lasereid jagada pidevlaseriteks ja impulsslaseriteks.
Pidevlaseritel on osakeste arvu jaotus igal energiatasemel ja kiirgusväli õõnsuses stabiilne ning nende tööd iseloomustab töötava materjali ergastamine ja vastav laseri väljund pidevalt pika aja jooksul. Pidevad laserid võivad laservalgust pidevalt pikema aja jooksul väljastada, kuid termiline efekt on ilmsem.
Impulsslaserid viitavad ajale, mille jooksul laseri võimsust hoitakse teatud väärtusel ja laserkiirt kiirgatakse katkendlikult, mille peamised omadused on väike termiline efekt ja hea juhitavus.
④ Klassifikatsioon väljundlainepikkuse järgi
Lasereid saab lainepikkuse järgi liigitada infrapunalaseriteks, nähtava valguse laseriteks, ultraviolettlaseriteks, sügava ultraviolettkiirguse laseriteks jne. Erinevate struktureeritud materjalide poolt neelduva valguse lainepikkuste vahemik on erinev, seega on erinevate materjalide peeneks töötlemiseks või erinevate rakendusstsenaariumide jaoks vaja erineva lainepikkusega lasereid.Infrapuna- ja UV-laserid on kaks enimkasutatavat laserit. Infrapunalasereid kasutatakse peamiselt "termilisel töötlemisel", kus materjali pinnal olevat materjali kuumutatakse ja aurustatakse (aurustatakse) materjali eemaldamiseks; õhukeste kilede mittemetalliliste materjalide töötlemisel, pooljuhtplaatide lõikamisel, orgaanilise klaasi lõikamisel, puurimisel, märgistamisel ja muudel kõrge energiaga aladel. Õhukeste kilede mittemetalliliste materjalide töötlemisel, pooljuhtplaatide lõikamisel, orgaanilise klaasi lõikamisel, puurimisel, märgistamisel jne lõhuvad kõrge energiaga UV-footonid otse mittemetalliliste materjalide pinnal olevaid molekulaarseid sidemeid, nii et molekule saab objektist eraldada. See meetod ei tekita kõrget kuumusreaktsiooni, seega nimetatakse seda tavaliselt "külmtöötluseks".
UV-footonite suure energia tõttu on välise ergastusallika abil keeruline genereerida teatud suure võimsusega pidevat UV-laserit, seega genereeritakse UV-laserit üldiselt kristallmaterjali mittelineaarse efekti sagedusmuundamise meetodi abil. Seega on UV-laserite praegune laialdaselt kasutatav tööstusvaldkond peamiselt tahkis-UV-laserid.
(4) Tööstusahel
Tööstusahela ülesvooluks on pooljuhtide tooraine, tipptasemel seadmete ja nendega seotud tootmistarvikute kasutamine lasersüdamike ja optoelektrooniliste seadmete tootmiseks, mis on laseritööstuse nurgakivi ja millel on kõrge juurdepääsulävi. Tööstusahela keskvooluks on ülesvoolu laserkiipide ja optoelektrooniliste seadmete, moodulite, optiliste komponentide jms kasutamine pumpallikatena mitmesuguste laserite, sealhulgas otsepooljuhtlaserite, süsinikdioksiidilaserite, tahkislaserite, kiudlaserite jms tootmiseks ja müümiseks; allavoolu tööstus viitab peamiselt erinevate laserite rakendusvaldkondadele, sealhulgas tööstuslikele töötlemisseadmetele, LIDAR-ile, optilisele side-, meditsiinilise ilu ja muudele rakendustööstusele.
① Ülesvoolu tarnijad
Pooljuhtlaserikiipide, -seadmete ja -moodulite jms toodete tooraineks on peamiselt mitmesugused kiibimaterjalid, kiudmaterjalid ja töödeldud osad, sealhulgas aluspinnad, jahutusradiaatorid, kemikaalid ja korpused. Kiibi töötlemine nõuab kvaliteetseid ja tootlikke tooraineid, mis pärinevad peamiselt välismaistelt tarnijatelt, kuid lokaliseerimise aste suureneb järk-järgult ja saavutatakse järk-järgult sõltumatu kontroll. Peamiste toorainete toimivus mõjutab otseselt pooljuhtlaserikiipide kvaliteeti ning erinevate kiibimaterjalide toimivuse pidev täiustamine aitab kaasa ka tööstusharu toodete toimivuse parandamisele.
②Keskmise astme tööstuskett
Pooljuhtlaserkiip on tööstusahela keskvoolu erinevat tüüpi laserite peamine pumba valgusallikas ning mängib positiivset rolli keskvoolulaserite arengu edendamisel. Keskvoolulaserite valdkonnas domineerivad USA, Saksamaa ja teised välismaised ettevõtted, kuid pärast kodumaise laseritööstuse kiiret arengut viimastel aastatel on tööstusahela keskvoolu turg saavutanud kiire siseturu asendamise.
③Tööstuskett allavoolu
Tootmisahela järgmise etapi tööstusharul on tööstuse arengu edendamisel suurem roll, seega mõjutab selle areng otseselt tööstuse tururuumi. Hiina majanduse pidev kasv ja strateegiliste võimaluste teke majanduslikuks ümberkujundamiseks on loonud selle tööstusharu arenguks paremad arengutingimused. Hiina on liikumas tootmisriigist tootmisjõujaamaks ning tootmisahela järgmise etapi laserid ja laserseadmed on üks võtmeid tootmistööstuse ajakohastamisel, mis loob hea nõudluskeskkonna selle tööstusharu pikaajaliseks täiustamiseks. Tootmisahela järgmise etapi tööstuse nõuded pooljuhtlaserikiipide ja nende seadmete jõudlusindeksile suurenevad ning kodumaised ettevõtted sisenevad järk-järgult väikese võimsusega laserite turult suure võimsusega laserite turule, seega peab tööstusharu pidevalt suurendama investeeringuid tehnoloogia uurimis- ja arendustegevusse ning iseseisvasse innovatsiooni.
2. pooljuhtlaseritööstuse arengu staatus
Pooljuhtlaseritel on kõigi laserite seas parim energia muundamise efektiivsus, ühelt poolt saab neid kasutada optiliste kiudlaserite, tahkislaserite ja muude optiliste pumplaserite põhilise pumbaallikana. Teisest küljest on pooljuhtlaserite tehnoloogia pideva läbimurdega energiatõhususe, heleduse, eluea, mitme lainepikkuse, modulatsioonikiiruse jms osas pooljuhtlasereid laialdaselt kasutatud materjalide töötlemisel, meditsiinis, optilises kommunikatsioonis, optilises sensoris, kaitses jne. Laser Focus Worldi andmetel on dioodlaserite, st pooljuhtlaserite ja mittedioodlaserite ülemaailmne kogutulu 2021. aastal hinnanguliselt 18 480 miljonit dollarit, millest pooljuhtlaserid moodustavad 43% kogutulust.
Laser Focus Worldi andmetel on ülemaailmne pooljuhtlaserite turg 2020. aastal 6,724 miljonit dollarit, mis on 14,20% rohkem kui eelmisel aastal. Globaalse intelligentsuse arengu, laserite kasvava nõudluse tõttu nutiseadmetes, tarbeelektroonikas, uutes energia- ja muudes valdkondades ning meditsiini-, iluseadmete ja muude uute rakenduste jätkuva laienemisega saab pooljuhtlasereid kasutada optiliste pumplaserite pumpallikana ning selle turuosa kasvab jätkuvalt stabiilselt. 2021. aastal oli ülemaailmne pooljuhtlaserite turg 7,946 miljardit dollarit, mis teeb turu kasvumääraks 18,18%.
Tehniliste ekspertide, ettevõtete ja praktikute ühiste jõupingutuste tulemusena on Hiina pooljuhtlaserite tööstus saavutanud erakordse arengu, nii et Hiina pooljuhtlaserite tööstus on protsessi nullist läbi elanud ja Hiina pooljuhtlaserite tööstuse prototüübi alguseks saanud. Viimastel aastatel on Hiina laseritööstuse areng suurenenud ning valitsuse juhtimisel ja laseriettevõtete koostöös on erinevates piirkondades pühendatud teadusuuringutele, tehnoloogia täiustamisele, turu arendamisele ja laseritööstusparkide ehitamisele.
3. Hiina laseritööstuse tulevane arengusuund
Võrreldes Euroopa ja Ameerika Ühendriikide arenenud riikidega pole Hiina lasertehnoloogia hilinenud, kuid lasertehnoloogia ja tipptasemel põhitehnoloogia rakendamisel on endiselt märkimisväärne lõhe, eriti pooljuhtlaserkiip ja muud põhikomponendid sõltuvad endiselt impordist.
Arenenud riigid, mida esindavad Ameerika Ühendriigid, Saksamaa ja Jaapan, on mõnes suures tööstusvaldkonnas traditsioonilise tootmistehnoloogia asendamise lõpetanud ja sisenenud "kergtootmise" ajastusse; kuigi laserrakenduste areng Hiinas on kiire, on rakenduste leviku määr siiski suhteliselt madal. Tööstusliku uuendamise põhitehnoloogiana jääb laseritööstus jätkuvalt riikliku toetusvaldkonna võtmevaldkonnaks ning laiendab jätkuvalt rakendusala ja viib lõpuks Hiina töötleva tööstuse "kergtootmise" ajastusse. Praegusest arengusituatsioonist lähtuvalt näitab Hiina laseritööstuse areng järgmisi arengusuundi.
(1) Pooljuhtlaserkiip ja muud põhikomponendid teostavad järk-järgult lokaliseerimist
Näiteks kiudlaser: suure võimsusega kiudlaserpumba allikas on pooljuhtlaseri peamine rakendusala ning suure võimsusega pooljuhtlaserkiip ja -moodul on kiudlaseri oluline komponent. Viimastel aastatel on Hiina kiudlaseritööstus kiires kasvufaasis ja lokaliseerimise aste suureneb aasta-aastalt.
Turuosa osas ulatus väikese võimsusega kiudlaserite turul kodumaiste laserite turuosa 2019. aastal 99,01%-ni; keskmise võimsusega kiudlaserite turul on kodumaiste laserite turuosa viimastel aastatel püsinud üle 50%; suure võimsusega kiudlaserite lokaliseerimisprotsess edeneb samuti järk-järgult, aastatel 2013–2019 saavutati "nullist" algus. Suure võimsusega kiudlaserite lokaliseerimisprotsess edeneb samuti järk-järgult, aastatel 2013–2019, ja on saavutanud 55,56% turuosa ning suure võimsusega kiudlaserite kodumaine turuosa peaks 2020. aastal olema 57,58%.
Siiski sõltuvad põhikomponendid, näiteks suure võimsusega pooljuhtlaserkiibid, endiselt impordist ning pooljuhtlaserkiibidega laserite ülesvoolu komponendid lokaliseeritakse järk-järgult, mis ühelt poolt parandab kodumaiste laserite ülesvoolu komponentide turu ulatust ja teiselt poolt saab ülesvoolu põhikomponentide lokaliseerimisega parandada kodumaiste laseritootjate võimet osaleda rahvusvahelises konkurentsis.
(2) Laserrakendused tungivad kiiremini ja laiemalt
Ülesvoolu põhiliste optoelektrooniliste komponentide järkjärgulise lokaliseerimise ja laserrakenduste kulude järkjärgulise vähenemisega tungivad laserid paljudesse tööstusharudesse sügavamale.
Ühelt poolt kuulub lasertöötlus Hiina töötleva tööstuse kümne peamise rakendusvaldkonna hulka ning eeldatakse, et lasertöötluse rakendusalad ja turu ulatus laienevad tulevikus veelgi. Teisest küljest, tänu selliste tehnoloogiate nagu juhita, täiustatud abistava juhtimissüsteemi, teenustele orienteeritud roboti, 3D-sensori jms pidevale populariseerimisele ja arendamisele rakendatakse seda üha enam paljudes valdkondades, nagu autotööstus, tehisintellekt, tarbeelektroonika, näotuvastus, optiline side ja riigikaitsealased uuringud. Ülaltoodud laserrakenduste põhiseadme või komponendina saavutab ka pooljuhtlaser kiire arenguruumi.
(3) Suurem võimsus, parem kiire kvaliteet, lühem lainepikkus ja kiirem sagedussuuna areng
Tööstuslaserite valdkonnas on kiudlaserid oma kasutuselevõtust alates teinud suuri edusamme väljundvõimsuse, kiire kvaliteedi ja heleduse osas. Suurem võimsus võib aga parandada töötlemiskiirust, optimeerida töötlemiskvaliteeti ja laiendada töötlemisvaldkonda rasketööstusele, autotööstusele, lennundusele, energeetikale, masinaehitusele, metallurgiale, raudteetranspordi ehitusele, teadusuuringutele ja muudele rakendusvaldkondadele, nagu lõikamine, keevitamine, pinnatöötlus jne. Kiudlaseri võimsusnõuded kasvavad jätkuvalt. Vastavate seadmete tootjad peavad pidevalt parandama põhiseadmete (näiteks suure võimsusega pooljuhtlaserkiipide ja võimenduskiud) jõudlust. Kiudlaseri võimsuse suurendamine nõuab ka täiustatud lasermodulatsioonitehnoloogiat, näiteks kiirete kombineerimist ja võimsussünteesi, mis toob suure võimsusega pooljuhtlaserkiipide tootjatele uusi nõudeid ja väljakutseid. Lisaks on lühemate lainepikkuste, suuremate lainepikkuste ja kiiremate (ülikiirete) laserite arendamine samuti oluline suund, mida kasutatakse peamiselt integraallülituste kiipides, ekraanides, tarbeelektroonikas, lennunduses ja muudes täppismikrotöötlustes, samuti bioteaduste, meditsiini, sensorite ja muude valdkondade puhul. Pooljuhtlaserkiip esitab uusi nõudeid.
(4) suure võimsusega laseroptoelektrooniliste komponentide nõudluse edasine kasv
Suure võimsusega kiudlaseri arendamine ja industrialiseerimine on tööstusahela sünergilise arengu tulemus, mis nõuab selliste põhiliste optoelektrooniliste komponentide nagu pumpallikas, isolaator, kiirekontsentraator jne tuge. Suure võimsusega kiudlaseris kasutatavad optoelektroonilised komponendid on selle arendamise ja tootmise alus ja põhikomponendid ning suure võimsusega kiudlaseri laienev turg suurendab ka turunõudlust selliste põhikomponentide nagu suure võimsusega pooljuhtlaserkiibid järele. Samal ajal on impordi asendamine muutunud vältimatuks trendiks kodumaise kiudlaseritehnoloogia pideva täiustamisega ning laserite turuosa maailmas jätkab paranemist, mis avab ka suurepäraseid võimalusi optoelektrooniliste komponentide tootjate kohalikuks tugevnemiseks.
Postituse aeg: 07.03.2023
