1. Laseritööstuse ülevaade
(1) Laseri sissejuhatus
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, lühend LASER) on kollimeeritud, monokromaatiline, koherentne, suunatud valguskiir, mis tekib valguskiirguse võimendamisel kitsal sagedusel ergastatud tagasiside resonantsi ja kiirguse kaudu.
Lasertehnoloogia sai alguse 1960. aastate alguses ning oma tavalisest valgusest täiesti erineva olemuse tõttu hakati laserit peagi laialdaselt kasutama erinevates valdkondades ning mõjutas põhjalikult teaduse, tehnoloogia, majanduse ja ühiskonna arengut ja transformatsiooni.
Laseri sünd on dramaatiliselt muutnud iidse optika palet, laiendades klassikalise optilise füüsika uueks kõrgtehnoloogiliseks distsipliiniks, mis hõlmab nii klassikalist optikat kui ka kaasaegset fotoonikat, andes sellega asendamatu panuse inimmajanduse ja ühiskonna arengusse.Laserfüüsika uuringud on aidanud kaasa kahe kaasaegse fotoonilise füüsika peamise haru õitsengule: energiafotoonika ja infofotoonika.See hõlmab mittelineaarset optikat, kvantoptikat, kvantarvutust, laserseiret ja -suhtlust, laserplasmefüüsikat, laserkeemiat, laserbioloogiat, lasermeditsiini, ülitäpset laserspektroskoopiat ja -metroloogiat, laseri aatomifüüsikat, sealhulgas laserjahutust ja Bose-Einsteini kondenseeritud aine uurimist. , laserfunktsionaalsed materjalid, laseri tootmine, lasermikrooptoelektrooniliste kiipide valmistamine, laser 3D-printimine ja enam kui 20 rahvusvahelist piiriala ja tehnoloogilised rakendused.Laserteaduse ja -tehnoloogia osakond (DSL) on loodud järgmistes valdkondades.
Laseritööstuses on maailm astunud "kergetööstuse" ajastusse, rahvusvahelise laseritööstuse statistika kohaselt on 50% Ameerika Ühendriikide aastasest SKTst1 seotud kõrgetasemeliste laserrakenduste kiire turu laienemisega.Mitmed arenenud riigid, mida esindavad USA, Saksamaa ja Jaapan, on põhiliselt lõpetanud traditsiooniliste protsesside asendamise lasertöötlusega peamistes tootmisharudes, nagu autotööstus ja lennundus.Laser tööstuslikus tootmises on näidanud suurt potentsiaali odavate, kvaliteetsete, kõrge efektiivsusega ja spetsiaalsete tootmisrakenduste jaoks, mida tavatootmine ei suuda saavutada, ning sellest on saanud oluline konkurentsi ja innovatsiooni tõukejõud maailma suuremate tööstusriikide seas.Riigid toetavad aktiivselt lasertehnoloogiat kui üht oma kõige olulisemat tipptehnoloogiat ja on välja töötanud riiklikud lasertööstuse arengukavad.
(2)LaserAllikas Ppõhimõte
Laser on keeruka struktuuri ja kõrgete tehniliste tõketega seade, mis kasutab nähtava või nähtamatu valguse tekitamiseks ergastatud kiirgust.Optiline süsteem koosneb peamiselt pumbaallikast (ergutusallikast), võimenduskeskkonnast (tööaine) ja resonantsõõnsusest ning muudest optiliste seadmete materjalidest.Võimenduskeskkond on footonite genereerimise allikas ja neelates pumba allika tekitatud energiat, hüppab võimenduskeskkond põhiolekust ergastatud olekusse.Kuna ergastatud olek on ebastabiilne, vabastab võimendusmeedium sel ajal energiat, et naasta põhioleku püsiolekusse.Selles energia vabastamise protsessis toodab võimenduskeskkond footoneid ja nende footonite energia, lainepikkuse ja suuna konsistents on kõrge, nad peegelduvad pidevalt optilises resonantsõõnes, vastastikuses liikumises, et pidevalt võimendada ja lõpuks. tulistage laser läbi peegeldi, et moodustada laserkiir.Terminalseadmete põhilise optilise süsteemina määrab laseri jõudlus sageli otseselt laserseadmete väljundkiire kvaliteedi ja võimsuse, mis on terminali laserseadmete põhikomponent.
Pumba allikas (ergutusallikas) annab võimenduskeskkonnale energia ergastuse.Võimenduskeskkond ergastatakse laseri genereerimiseks ja võimendamiseks footonite tootmiseks.Resonantsõõnsus on koht, kus footoni omadusi (sagedust, faasi ja töösuunda) reguleeritakse, et saada kõrge kvaliteediga väljundvalgusallikas, kontrollides footonite võnkumisi õõnsuses.Pumba allikas (ergutusallikas) annab võimenduskeskkonna energiaergastuse.Võimenduskeskkond ergastatakse laseri genereerimiseks ja võimendamiseks footonite tootmiseks.Resonantsõõnsus on koht, kus footoni omadusi (sagedust, faasi ja töösuunda) reguleeritakse, et saada kvaliteetne väljundvalgusallikas, reguleerides footonite võnkumisi õõnsuses.
(3)Laserallika klassifikatsioon
Laserallika saab klassifitseerida võimenduskeskkonna, väljundlainepikkuse, töörežiimi ja pumpamisrežiimi järgi järgmiselt
① Klassifikatsioon võimenduskeskkonna järgi
Erinevate võimendusmeediumite järgi saab lasereid jagada tahkislaseriteks (sh tahkis-, pooljuht-, fiiber-, hübriidlaserid), vedellaseriteks, gaaslaseriteks jne.
| LaserAllikasTüüp | Gain Media | Põhijooned |
| Tahkislaseri allikas | Tahked ained, pooljuhid, kiudoptika, hübriid | Kena stabiilsus, suur võimsus, madalad hoolduskulud, sobivad industrialiseerimiseks |
| Vedel laseri allikas | Keemilised vedelikud | Valikuline lainepikkuse vahemik tabas, kuid suur suurus ja kõrge hoolduskulu |
| Gaaslaseri allikas | Gaasid | Kvaliteetne laservalgusallikas, kuid suurem suurus ja kõrgemad hoolduskulud |
| Tasuta elektronlaseri allikas | Elektronkiir konkreetses magnetväljas | Saavutada on ülisuur võimsus ja kvaliteetne laserväljund, kuid tootmistehnoloogia ja tootmiskulud on väga kõrged |
Tänu heale stabiilsusele, suurele võimsusele ja madalatele hoolduskuludele on pooljuhtlaserite kasutamine absoluutselt kasulik.
Tahkislaserite hulgas on pooljuhtlaserite eelisteks kõrge kasutegur, väiksus, pikk kasutusiga, madal energiatarve jne. Ühest küljest saab neid otse kasutada põhivalgusallikana ja lasertöötluse, meditsiinilise, side-, tuvastus-, kuvamis-, seire- ja kaitserakendused ning on saanud oluliseks aluseks kaasaegse strateegilise arengu tähtsusega lasertehnoloogia arendamisel.
Teisest küljest saab pooljuhtlasereid kasutada ka teiste laserite, näiteks tahkislaserite ja kiudlaserite südamiku valgusallikana, edendades oluliselt kogu laservälja tehnoloogilist arengut.Kõik maailma suuremad arenenud riigid on selle oma riiklikesse arengukavadesse lisanud, andes tugeva toetuse ja saavutades kiire arengu.
② Vastavalt pumpamismeetodile
Lasereid saab pumpamismeetodi järgi jagada elektriliselt pumbatavateks, optiliselt pumbatavateks, keemiliselt pumbatavateks laseriteks jne.
Elektriliselt pumbatavad laserid tähistavad vooluga ergastavaid lasereid, gaaslasereid ergastatakse enamasti gaaslahendusega, pooljuhtlasereid aga ergastatakse enamasti voolu süstimisega.
Peaaegu kõik tahkislaserid ja vedellaserid on optilised pumplaserid ning pooljuhtlasereid kasutatakse optiliste pumplaserite südamiku pumpamisallikana.
Keemiliselt pumbatavad laserid viitavad laseritele, mis kasutavad keemiliste reaktsioonide käigus vabanevat energiat töömaterjali ergastamiseks.
③ Klassifikatsioon töörežiimi järgi
Lasereid saab nende töörežiimi järgi jagada pidevateks laseriteks ja impulsslaseriteks.
Pidevlaseritel on stabiilne osakeste arvu jaotus igal energiatasemel ja kiirgusväli õõnsuses ning nende toimimist iseloomustab töömaterjali ergastumine ja sellele vastav laseri väljund pidev pika aja jooksul. .Pidevad laserid suudavad laservalgust pidevalt väljastada pikema aja jooksul, kuid termiline efekt on ilmsem.
Impulsslaserid viitavad aja kestusele, mille jooksul laseri võimsust hoitakse teatud väärtusel ja väljastavad laservalgust katkendlikul viisil, mille peamisteks omadusteks on väike soojusefekt ja hea juhitavus.
④ Klassifikatsioon väljundi lainepikkuse järgi
Lasereid saab lainepikkuse järgi klassifitseerida infrapunalaseriteks, nähtavateks laseriteks, ultraviolettlaseriteks, sügav-ultravioletlaseriteks jne.Erinevate struktureeritud materjalidega neelduva valguse lainepikkuste vahemik on erinev, seega on erinevate materjalide peentöötluseks või erinevate rakendusstsenaariumide jaoks vaja erineva lainepikkusega lasereid.Infrapunalaserid ja UV-laserid on kaks kõige laialdasemalt kasutatavat laserit.Infrapunalasereid kasutatakse peamiselt "termilisel töötlemisel", kus materjali pinnal olevat materjali kuumutatakse ja aurustatakse (aurustatakse), et materjal eemaldada;õhukese kile mittemetalliliste materjalide töötlemisel, pooljuhtvahvlite lõikamisel, orgaanilise klaasi lõikamisel, puurimisel, märgistamisel ja muudes valdkondades, kõrge energiaga õhukese kile mittemetalliliste materjalide töötlemise, pooljuhtvahvlite lõikamise, orgaanilise klaasi lõikamise, puurimise, märgistamise, jne, suure energiaga UV-footonid lõhuvad otseselt mittemetalliliste materjalide pinnal olevad molekulaarsed sidemed, nii et molekule saab objektist eraldada ja see meetod ei tekita kõrget soojusreaktsiooni, seetõttu nimetatakse seda tavaliselt "külmaks". töötlemine".
UV-footonite suure energia tõttu on välise ergastusallika abil raske genereerida teatud suure võimsusega pidevat UV-laserit, seetõttu genereeritakse UV-laser tavaliselt kristallmaterjali mittelineaarse efekti sagedusmuundamismeetodi abil, nii et voolu kasutatakse laialdaselt. UV-laserite tööstusvaldkond on peamiselt tahkis-UV laserid.
(4) Tööstuskett
Tööstusahela ülesvoolu 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 keskosa on ülesvoolu laserkiipide ja optoelektrooniliste seadmete, moodulite, optiliste komponentide jms kasutamine pumbaallikatena erinevate laserite, sealhulgas otseste pooljuhtlaserite, süsinikdioksiidi laserite, tahkislaserite, tootmiseks ja müügiks. kiudlaserid jne;alltööstus viitab peamiselt mitmesuguste laserite rakendusvaldkondadele, sealhulgas tööstuslike töötlemisseadmete, LIDARi, optilise side, meditsiinilise ilu ja muude rakenduste tööstusharudele
① Varasemad tarnijad
Varasemate toodete (nt pooljuhtlaserkiibid, seadmed ja moodulid) tooraineks on peamiselt erinevad kiibimaterjalid, kiudmaterjalid ja töödeldud osad, sealhulgas substraadid, jahutusradiaatorid, kemikaalid ja korpusekomplektid.Kiibi töötlemine nõuab peamiselt välismaistelt tarnijatelt tulevate toorainete kõrget kvaliteeti ja jõudlust, kuid lokaliseerimise tase suureneb järk-järgult ja saavutab järk-järgult sõltumatu kontrolli.Peamiste eelnevate toorainete jõudlus mõjutab otseselt pooljuhtlaserkiipide kvaliteeti, erinevate kiibimaterjalide jõudluse pidev parandamine, et parandada tööstuse toodete jõudlust, on selle edendamisel positiivne roll.
②Midstream tööstuse kett
Pooljuhtlaserkiip on tööstusahela keskosas olevate erinevat tüüpi laserite tuumpumba valgusallikas ja mängib positiivset rolli keskvoolulaserite väljatöötamise edendamisel.Keskvoolulaserite valdkonnas domineerivad Ameerika Ühendriigid, Saksamaa ja teised välismaised ettevõtted, kuid pärast kodumaise laseritööstuse viimaste aastate kiiret arengut on tööstusahela keskvoolu turg saavutanud kiire kodumaise asendamise.
③ Tööstuskett allavoolu
Järeltööstusel on suurem roll tööstuse arengu edendamisel, seega mõjutab järgtööstuse areng otseselt tööstuse tururuumi.Hiina majanduse pidev kasv ja strateegiliste võimaluste tekkimine majanduse ümberkujundamiseks on loonud paremad arengutingimused selle tööstuse arenguks.Hiina on muutumas tootmisriigist tootmisjõujaamaks ning allavoolu laserid ja laserseadmed on töötleva tööstuse ajakohastamise üks võtmeid, mis loob hea nõudluskeskkonna selle tööstuse pikaajaliseks täiustamiseks.Järeltööstuse nõuded pooljuhtlaserkiipide ja nende seadmete jõudlusindeksile suurenevad ning kodumaised ettevõtted sisenevad väikese võimsusega laserite turult järk-järgult suure võimsusega laserite turule, seega peab tööstus pidevalt suurendama investeeringuid tehnoloogiauuringutesse. areng ja sõltumatu innovatsioon.
2. pooljuhtlaserite tööstuse arengu staatus
Pooljuhtlaseritel on kõikvõimalike laserite seas parim energia muundamise efektiivsus, ühelt poolt saab neid kasutada kiudoptilise laserite, tahkislaserite ja muude optiliste pumplaserite tuumapumba allikana.Teisest küljest, pooljuhtlaserite tehnoloogia pideva läbimurdega energiatõhususe, heleduse, eluea, mitme lainepikkuse, modulatsioonikiiruse jms osas kasutatakse pooljuhtlasereid laialdaselt materjalide töötlemisel, meditsiinis, optilises sides, optilises anduris, kaitse jne. Laser Focus Worldi andmetel on dioodlaserite, st pooljuhtlaserite ja mittedioodlaserite kogutulu 2021. aastal hinnanguliselt 18 480 miljonit dollarit, kusjuures pooljuhtlaserid moodustavad 43% kogutulust.
Laser Focus Worldi andmetel on ülemaailmne pooljuhtlaserite turg 2020. aastal 6724 miljonit dollarit, mis on 14,20% rohkem kui eelmisel aastal.Seoses ülemaailmse intelligentsi arenguga, kasvava nõudlusega laserite järele nutiseadmetes, olmeelektroonikas, uutes energeetika- ja muudes valdkondades, samuti meditsiini-, iluseadmete ja muude esilekerkivate rakenduste jätkuva laienemisega saab pooljuhtlasereid kasutada pumbaallikana. optiliste pumplaserite jaoks ja selle turu suurus jätkab stabiilset kasvu.2021. aasta ülemaailmse pooljuhtlaserite turu suurus on 7,946 miljardit dollarit, turu kasvumäär 18,18%.
Tehniliste ekspertide ning ettevõtete ja praktikute ühiste jõupingutuste kaudu on Hiina pooljuhtlaserite tööstus saavutanud erakordse arengu, nii et Hiina pooljuhtlaserite tööstus on kogenud protsessi nullist ja Hiina pooljuhtlaseritööstuse prototüübi algust.Hiina on viimastel aastatel suurendanud laseritööstuse arengut ning valitsuse juhtimisel ja laserettevõtete koostöös on eri piirkonnad pühendunud teadusuuringutele, tehnoloogia täiustamisele, turu arendamisele ja lasertööstusparkide rajamisele.
3. Hiina laseritööstuse tulevane arengusuund
Võrreldes Euroopa ja Ameerika Ühendriikide arenenud riikidega ei ole Hiina lasertehnoloogia hiljaks jäänud, kuid lasertehnoloogia ja tipptasemel põhitehnoloogia rakendamisel on endiselt märkimisväärne lõhe, eriti ülesvoolu pooljuhtlaseri kiip ja muud põhikomponendid on endiselt alles. sõltuvad impordist.
Arenenud riigid, mida esindavad Ameerika Ühendriigid, Saksamaa ja Jaapan, on põhimõtteliselt lõpetanud traditsioonilise tootmistehnoloogia väljavahetamise mõnes suures tööstusvaldkonnas ja jõudnud "kergetööstuse" ajastusse;Kuigi laserirakenduste areng Hiinas on kiire, on rakenduste levik siiski suhteliselt madal.Tööstusliku ajakohastamise põhitehnoloogiana jääb laseritööstus jätkuvalt riikliku toetuse võtmevaldkonnaks ja jätkab rakendusala laiendamist ning lõpuks edendab Hiina töötlevat tööstust "kergetööstuse" ajastule.Praeguse arenguolukorra põhjal näitab Hiina laseritööstuse areng järgmisi arengusuundi.
(1) Pooljuhtlaserkiip ja muud põhikomponendid realiseerivad järk-järgult lokaliseerimise
Võtke näiteks kiudlaser, suure võimsusega kiudlaserpumba allikas on pooljuhtlaseri peamine kasutusala, suure võimsusega pooljuhtlaseri kiip ja moodul on kiudlaseri oluline komponent.Viimastel aastatel on Hiina kiudoptilise laseritööstus kiire kasvufaasis ja lokaliseerimise tase suureneb aasta-aastalt.
Turu hõlvamise osas ulatus väikese võimsusega fiiberopsu laserite turul kodumaiste laserite turuosa 2019. aastal 99,01%-ni;keskmise võimsusega kiudlaserite turul on kodumaiste laserite läbitungimismäär viimastel aastatel püsinud enam kui 50% juures;ka suure võimsusega kiudlaserite lokaliseerimisprotsess edeneb järk-järgult, aastatel 2013–2019, et saavutada "nullist".Ka suure võimsusega kiudlaserite lokaliseerimisprotsess edeneb järk-järgult, aastatel 2013–2019, ning on saavutanud 55,56% penetratsiooni ning 2020. aastal on suure võimsusega kiudlaserite kodumaise leviku määr 57,58%.
Põhikomponendid, nagu suure võimsusega pooljuhtlaserikiibid, sõltuvad siiski endiselt impordist ning tuumaks pooljuhtlaserkiibidega laserite ülesvoolu komponente lokaliseeritakse järk-järgult, mis ühest küljest parandab ettevõtja ülesvoolu komponentide turu ulatust. kodumaised laserid ja teisest küljest võib see ülesvoolu põhikomponentide lokaliseerimisega parandada kodumaiste laseritootjate võimet osaleda rahvusvahelises konkurentsis.
(2) Laserirakendused tungivad kiiremini ja laiemalt
Eelneva tuuma optoelektrooniliste komponentide järkjärgulise lokaliseerimise ja laserrakenduse kulude järkjärgulise vähenemisega tungivad laserid paljudesse tööstusharudesse sügavamale.
Ühest küljest mahub lasertöötlemine Hiina jaoks ka Hiina töötleva tööstuse kümne parima rakendusvaldkonna hulka ning eeldatavasti laienevad lasertöötluse rakendusvaldkonnad veelgi ja laiendatakse tulevikus ka turu ulatust.Teisest küljest on selliste tehnoloogiate, nagu juhita, täiustatud juhtimissüsteemi, teenusele orienteeritud roboti, 3D-anduri jne pideva populariseerimise ja arendamisega seda enam rakendatud paljudes valdkondades, nagu autod, tehisintellekt, olmeelektroonika. , näotuvastus, optiline side ja riigikaitseuuringud.Ülaltoodud laserrakenduste põhiseadme või komponendina saab ka pooljuhtlaser kiiresti arendusruumi.
(3) Suurem võimsus, parem kiire kvaliteet, lühem lainepikkus ja kiirem sageduse suuna areng
Tööstuslike laserite valdkonnas on kiudlaserid pärast kasutuselevõttu teinud suuri edusamme väljundvõimsuse, kiire kvaliteedi ja heleduse osas.Suurem võimsus võib aga parandada töötlemiskiirust, optimeerida töötlemise kvaliteeti ja laiendada töötlemisvaldkonda rasketööstuse tootmiseks, autotööstuses, kosmosetööstuses, energeetikas, masinate tootmises, metallurgias, raudteetranspordi ehituses, teadusuuringutes ja muudes lõikamise rakendusvaldkondades. , keevitamine, pinnatöötlus jne, kiudlaseri võimsusnõuded kasvavad jätkuvalt.Vastavad seadmete tootjad peavad pidevalt parandama põhiseadmete (nagu suure võimsusega pooljuhtlaserkiip ja võimenduskiip) jõudlust, kiudlaseri võimsuse suurendamiseks on vaja ka täiustatud lasermodulatsioonitehnoloogiat, nagu kiirte kombineerimine ja võimsuse süntees, mis toob kaasa uued nõuded. ja väljakutsed suure võimsusega pooljuhtlaserkiipide tootjatele.Lisaks on oluliseks suunaks ka lühemad lainepikkused, rohkem lainepikkusi, kiirem (ülikiire) laseri arendus, mida kasutatakse peamiselt integraallülituste kiipides, kuvarites, olmeelektroonikas, kosmosetööstuses ja muus täppis-mikrotöötluses, aga ka bioteadustes, meditsiinis, sensorites jm. väljad, pooljuhtlaseri kiip esitas ka uued nõuded.
(4) suure võimsusega laseroptoelektrooniliste komponentide nõudluse edasine kasv
Suure võimsusega kiudlaseri arendamine ja industrialiseerimine on tööstusahela sünergilise arengu tulemus, mis nõuab põhiliste optoelektrooniliste komponentide, nagu pumbaallika, isolaatori, kiire kontsentraatori jne toetust. Suure võimsusega optoelektroonilised komponendid kiudlaser on selle arendamise ja tootmise aluseks ja võtmekomponendid ning suure võimsusega fiiberoplaseri turg suurendab ka turu nõudlust põhikomponentide, näiteks suure võimsusega pooljuhtlaserikiipide järele.Samal ajal on kodumaise kiudlasertehnoloogia pideva täiustamisega impordi asendamine muutunud vältimatuks trendiks, laserite turuosa maailmas paraneb jätkuvalt, mis toob kaasa ka suurepärased võimalused optoelektrooniliste komponentide tootjate kohalikule tugevusele.
Postitusaeg: 07.03.2023
