1. Преглед на лазерната индустрия
(1) Въведение в лазера
Лазерът (Усилване на Светлината чрез Стимулирана Емисия на Радиация, съкратено ЛАЗЕР) е колимиран, монохроматичен, кохерентен, насочен лъч светлина, произведен чрез усилване на светлинното излъчване с тясна честота чрез възбуден резонанс на обратната връзка и радиация.
Лазерната технология е възникнала в началото на 60-те години на миналия век и поради напълно различната си природа от обикновената светлина, лазерът скоро е бил широко използван в различни области и е оказал дълбоко влияние върху развитието и трансформацията на науката, технологиите, икономиката и обществото.
Раждането на лазера промени драстично облика на древната оптика, разширявайки класическата оптична физика в нова високотехнологична дисциплина, която обхваща както класическата оптика, така и съвременната фотоника, правейки незаменим принос за развитието на човешката икономика и общество. Изследванията в областта на лазерната физика допринесоха за разцвета на два основни клона на съвременната фотонна физика: енергийна фотоника и информационна фотоника. Те обхващат нелинейна оптика, квантова оптика, квантови изчисления, лазерно измерване и комуникация, лазерна плазмена физика, лазерна химия, лазерна биология, лазерна медицина, ултрапрецизна лазерна спектроскопия и метрология, лазерна атомна физика, включително лазерно охлаждане и изследвания на кондензираната материя Бозе-Айнщайн, лазерни функционални материали, лазерно производство, лазерно микро-оптоелектронно производство на чипове, лазерен 3D печат и повече от 20 международни гранични дисциплини и технологични приложения. Катедрата по лазерни науки и технологии (DSL) е създадена в следните области.
В индустрията за лазерно производство светът навлезе в ерата на „лекото производство“. Според международната статистика за лазерната индустрия, 50% от годишния БВП на Съединените щати1 е свързан с бързото разширяване на пазара на високоефективни лазерни приложения. Няколко развити страни, представени от Съединените щати, Германия и Япония, по същество завършиха замяната на традиционните процеси с лазерна обработка в основни производствени индустрии като автомобилната и авиационната. Лазерът в промишленото производство показа голям потенциал за нискобюджетни, висококачествени, високоефективни и специални производствени приложения, които не могат да бъдат постигнати чрез конвенционално производство, и се превърна във важен двигател на конкуренцията и иновациите сред големите индустриални страни в света. Държавите активно подкрепят лазерните технологии като една от най-важните си авангардни технологии и са разработили национални планове за развитие на лазерната индустрия.
(2)ЛазерИзточник Ппринцип
Лазерът е устройство, което използва възбудено лъчение за генериране на видима или невидима светлина, със сложна структура и високи технически бариери. Оптичната система се състои главно от помпен източник (източник на възбуждане), усилваща среда (работно вещество) и резонансна кухина, както и други оптични материали. Усилващата среда е източникът на генериране на фотони и чрез абсорбиране на генерираната от помпения източник енергия, усилващата среда преминава от основно състояние във възбудено състояние. Тъй като възбуденото състояние е нестабилно, в този момент усилващата среда ще освободи енергия, за да се върне в стационарното състояние на основното състояние. В този процес на освобождаване на енергия, усилващата среда произвежда фотони, които имат висока степен на постоянство по отношение на енергия, дължина на вълната и посока. Те постоянно се отразяват в оптичната резонансна кухина, движат се реципрочно, така че непрекъснато да се усилват и накрая да изстрелват лазера през рефлектора, за да образуват лазерен лъч. Като основна оптична система на крайното оборудване, производителността на лазера често директно определя качеството и мощността на изходния лъч на лазерното оборудване, което е основният компонент на крайното лазерно оборудване.
Източникът на помпа (източник на възбуждане) осигурява енергийно възбуждане на усилващата среда. Усилващата среда се възбужда, за да произвежда фотони, които да генерират и усилят лазера. Резонансната кухина е мястото, където характеристиките на фотоните (честота, фаза и посока на работа) се регулират, за да се получи висококачествен изходен светлинен източник чрез контролиране на фотонните трептения в кухината. Източникът на помпа (източник на възбуждане) осигурява енергийното възбуждане на усилващата среда. Усилващата среда се възбужда, за да произвежда фотони, които да генерират и усилят лазера. Резонансната кухина е мястото, където характеристиките на фотоните (честота, фаза и посока на работа) се регулират, за да се получи висококачествен изходен светлинен източник чрез контролиране на фотонните трептения в кухината.
(3)Класификация на лазерния източник
Лазерните източници могат да бъдат класифицирани според усилващата среда, дължината на изходната вълна, режима на работа и режима на изпомпване, както следва
① Класификация по усилваща среда
Според различните среди за усилване, лазерите могат да бъдат разделени на твърдотелни (включително твърдотелни, полупроводникови, влакнести, хибридни), течни лазери, газови лазери и др.
| ЛазерИзточникТип | Gain Media | Основни характеристики |
| Твърдотелен лазерен източник | Твърди тела, полупроводници, оптични влакна, хибриди | Добра стабилност, висока мощност, ниски разходи за поддръжка, подходящи за индустриализация |
| Течен лазерен източник | Химически течности | Достъпен е опционален диапазон на дължината на вълната, но има голям размер и високи разходи за поддръжка. |
| Източник на газов лазер | Газове | Висококачествен лазерен източник на светлина, но по-голям размер и по-високи разходи за поддръжка |
| Източник на свободен електронен лазер | Електронен лъч в специфично магнитно поле | Може да се постигне ултрависока мощност и висококачествен лазерен изход, но производствената технология и производствените разходи са много високи. |
Поради добрата стабилност, високата мощност и ниските разходи за поддръжка, приложението на твърдотелни лазери е абсолютно предимство.
Сред твърдотелните лазери, полупроводниковите лазери имат предимствата на висока ефективност, малък размер, дълъг живот, ниска консумация на енергия и др. От една страна, те могат да бъдат директно приложени като основен източник на светлина и поддръжка за лазерна обработка, медицина, комуникация, сензори, дисплеи, мониторинг и отбранителни приложения и са се превърнали във важна основа за развитието на съвременни лазерни технологии със стратегическо значение за развитието.
От друга страна, полупроводниковите лазери могат да се използват и като основен източник на светлина за други лазери, като например твърдотелни лазери и влакнести лазери, което значително насърчава технологичния прогрес в цялата лазерна област. Всички големи развити страни в света са ги включили в своите национални планове за развитие, като са им оказали силна подкрепа и са постигнали бързо развитие.
② Според метода на изпомпване
Лазерите могат да бъдат разделени на електрически напомпвани, оптично напомпвани, химически напомпвани лазери и др. според метода на напомпване.
Електрически напомпваните лазери се отнасят до лазери, възбуждани от ток, газовите лазери се възбуждат предимно от газов разряд, докато полупроводниковите лазери се възбуждат предимно чрез инжектиране на ток.
Почти всички твърдотелни лазери и течни лазери са оптични помпени лазери, а полупроводниковите лазери се използват като основен помпен източник за оптични помпени лазери.
Химически напомпваните лазери се отнасят до лазери, които използват енергията, освободена от химични реакции, за възбуждане на работния материал.
③Класификация по режим на работа
Лазерите могат да бъдат разделени на непрекъснати лазери и импулсни лазери според начина им на работа.
Непрекъснатите лазери имат стабилно разпределение на броя на частиците на всяко енергийно ниво и радиационното поле в кухината, а работата им се характеризира с възбуждане на работния материал и съответния лазерен изход по непрекъснат начин за дълъг период от време. Непрекъснатите лазери могат да излъчват лазерна светлина непрекъснато за по-дълъг период от време, но топлинният ефект е по-очевиден.
Импулсните лазери се отнасят до времето, през което мощността на лазера се поддържа на определена стойност и излъчват лазерна светлина прекъснато, с основни характеристики на малък топлинен ефект и добра управляемост.
④ Класификация по дължина на вълната на изхода
Лазерите могат да бъдат класифицирани според дължината на вълната като инфрачервени лазери, видими лазери, ултравиолетови лазери, дълбоки ултравиолетови лазери и т.н. Диапазонът на дължината на вълната на светлината, която може да бъде абсорбирана от различни структурирани материали, е различен, така че за фина обработка на различни материали или за различни сценарии на приложение са необходими лазери с различна дължина на вълната.Инфрачервените лазери и UV лазерите са двата най-широко използвани лазера. Инфрачервените лазери се използват главно в „термична обработка“, където материалът на повърхността се нагрява и изпарява, за да се отстрани материалът; в обработката на тънкослойни неметални материали, рязането на полупроводникови пластини, рязането на органично стъкло, пробиването, маркирането и други области, високоенергийните UV фотони директно разкъсват молекулните връзки на повърхността на неметалните материали, така че молекулите могат да бъдат отделени от обекта, и този метод не произвежда висока топлинна реакция, така че обикновено се нарича „студена обработка“.
Поради високата енергия на UV фотоните е трудно да се генерира определен високоенергиен непрекъснат UV лазер от външен източник на възбуждане. UV лазерът обикновено се генерира чрез прилагане на метод за честотно преобразуване с нелинеен ефект на кристален материал. Така че в момента широко използваната индустриална област на UV лазерите са предимно твърдотелни UV лазери.
(4) Индустриална верига
Нагоре по веригата на индустрията е използването на полупроводникови суровини, висококачествено оборудване и свързани с тях производствени аксесоари за производство на лазерни ядра и оптоелектронни устройства, което е крайъгълният камък на лазерната индустрия и има висок праг на достъп. Средната част на веригата на индустрията е използването на нагоре по веригата на лазерни чипове и оптоелектронни устройства, модули, оптични компоненти и др. като източници на помпи за производството и продажбата на различни лазери, включително директни полупроводникови лазери, въглеродно-диоксидни лазери, твърдотелни лазери, влакнести лазери и др.; индустрията надолу по веригата се отнася главно до областите на приложение на различни лазери, включително промишлено оборудване за обработка, LIDAR, оптични комуникации, медицинска козметика и други приложни индустрии.
①Доставчици нагоре по веригата
Суровините за продукти нагоре по веригата, като например полупроводникови лазерни чипове, устройства и модули, са главно различни чип материали, влакнести материали и машинно обработени части, включително подложки, радиатори, химикали и корпуси. Обработката на чипове изисква високо качество и производителност на суровините нагоре по веригата, главно от чуждестранни доставчици, но степента на локализация постепенно се увеличава и постепенно се постига независим контрол. Производителността на основните суровини нагоре по веригата има пряко въздействие върху качеството на полупроводниковите лазерни чипове, като непрекъснатото подобряване на производителността на различните чип материали играе положителна роля за насърчаване на производителността на продуктите в индустрията.
②Верига на среднопроходимите индустрии
Полупроводниковият лазерен чип е основният източник на светлина за различни видове лазери в средния поток на индустриалната верига и играе положителна роля за насърчаване на развитието на среднопоточните лазери. В областта на среднопоточните лазери доминират Съединените щати, Германия и други чуждестранни предприятия, но след бързото развитие на местната лазерна индустрия през последните години, пазарът на среднопоточните лазери в индустриалната верига постигна бързо местно заместване.
③Индустриална верига надолу по веригата
Преработвателната промишленост има по-голяма роля в насърчаването на развитието на индустрията, така че развитието на преработвателната промишленост ще повлияе пряко на пазарното пространство на индустрията. Непрекъснатият растеж на китайската икономика и появата на стратегически възможности за икономическа трансформация създадоха по-добри условия за развитие на тази индустрия. Китай се превръща от страна производител в производствена сила, а преработвателните лазери и лазерното оборудване са един от ключовете за модернизиране на производствената индустрия, което осигурява добра среда за търсене за дългосрочното ѝ подобрение. Изискванията на преработвателната промишленост към индекса на производителност на полупроводниковите лазерни чипове и техните устройства се увеличават и местните предприятия постепенно навлизат от пазара на нискоенергийни лазери на пазара на лазери с висока мощност, така че индустрията трябва непрекъснато да увеличава инвестициите в областта на технологичните изследвания и разработки и независимите иновации.
2. състояние на развитието на индустрията за полупроводникови лазери
Полупроводниковите лазери имат най-добра ефективност на преобразуване на енергия сред всички видове лазери. От една страна, те могат да се използват като основен източник на помпена енергия за оптични влакнести лазери, твърдотелни лазери и други оптични помпени лазери. От друга страна, с непрекъснатия пробив на полупроводниковите лазерни технологии по отношение на енергийна ефективност, яркост, живот, многовълнова дължина, скорост на модулация и др., полупроводниковите лазери се използват широко в обработката на материали, медицината, оптичната комуникация, оптичното наблюдение, отбраната и др. Според Laser Focus World, общите глобални приходи от диодни лазери, т.е. полупроводникови лазери и недиодни лазери, се оценяват на 18 480 милиона долара през 2021 г., като полупроводниковите лазери представляват 43% от общите приходи.
Според Laser Focus World, световният пазар на полупроводникови лазери ще достигне 6 724 милиона долара през 2020 г., което е с 14,20% повече спрямо предходната година. С развитието на глобалния интелект, нарастващото търсене на лазери в интелигентните устройства, потребителската електроника, новата енергия и други области, както и с продължаващото разширяване на медицинското, козметичното оборудване и други нововъзникващи приложения, полупроводниковите лазери могат да се използват като източник на помпена енергия за оптични помпени лазери, а пазарният им размер ще продължи да поддържа стабилен растеж. Размерът на световния пазар на полупроводникови лазери през 2021 г. е 7,946 милиарда долара, а темпът на растеж на пазара е 18,18%.
Чрез съвместните усилия на технически експерти, предприятия и практикуващи, китайската индустрия за полупроводникови лазери постигна изключително развитие, така че тя премина през целия процес от нулата и постави началото на прототипа на китайската индустрия за полупроводникови лазери. През последните години Китай засили развитието на лазерната индустрия, като различни региони се посветиха на научни изследвания, технологично усъвършенстване, развитие на пазара и изграждане на лазерни индустриални паркове под ръководството на правителството и в сътрудничество с лазерни предприятия.
3. Бъдеща тенденция на развитие на лазерната индустрия в Китай
В сравнение с развитите страни в Европа и Съединените щати, лазерните технологии на Китай не са закъснели, но все още има значителна разлика в прилагането на лазерни технологии и висококачествени основни технологии, особено в производството на полупроводникови лазерни чипове и други основни компоненти, които все още зависят от вноса.
Развитите страни, представени от Съединените щати, Германия и Япония, са завършили основно подмяната на традиционните производствени технологии в някои големи индустриални области и са навлезли в ерата на „лекото производство“; въпреки че развитието на лазерните приложения в Китай е бързо, степента на проникване на приложенията все още е сравнително ниска. Като основна технология за индустриално обновление, лазерната индустрия ще продължи да бъде ключова област на национална подкрепа и ще продължи да разширява обхвата на приложение, като в крайна сметка ще насърчи китайската производствена индустрия да премине към ерата на „лекото производство“. От настоящата ситуация на развитие, развитието на китайската лазерна индустрия показва следните тенденции.
(1) Полупроводниковият лазерен чип и други основни компоненти постепенно реализират локализация
Вземете за пример фибро лазера, чипът и модулът за високомощни фибро лазери е основната област на приложение на полупроводниковия лазер, а чипът и модулът за високомощни полупроводникови лазери е важен компонент на фибро лазера. През последните години индустрията за оптични фибро лазери в Китай е в етап на бърз растеж и степента на локализация се увеличава с всяка изминала година.
По отношение на проникването на пазара, на пазара на нискомощни влакнести лазери, пазарният дял на местните лазери достигна 99,01% през 2019 г.; на пазара на средномогъщи влакнести лазери, степента на проникване на местните лазери се поддържа на над 50% през последните години; процесът на локализация на високомощни влакнести лазери също постепенно напредва, като от 2013 до 2019 г. се постига „от нулата“. Процесът на локализация на високомощни влакнести лазери също постепенно напредва, като от 2013 до 2019 г. достигна степен на проникване от 55,56%, а се очаква степента на проникване на местния пазар на високомощни влакнести лазери да бъде 57,58% през 2020 г.
Въпреки това, основните компоненти, като например високомощните полупроводникови лазерни чипове, все още зависят от вноса, а компонентите нагоре по веригата на лазерите с полупроводникови лазерни чипове като ядро постепенно се локализират, което от една страна подобрява пазарния мащаб на компонентите нагоре по веригата на местните лазери, а от друга страна, с локализирането на основните компоненти нагоре по веригата, може да подобри способността на местните производители на лазери да участват в международната конкуренция.
(2) Лазерните приложения проникват по-бързо и по-широко
С постепенната локализация на основните оптоелектронни компоненти и постепенното намаляване на разходите за лазерни приложения, лазерите ще проникнат по-дълбоко в много индустрии.
От една страна, за Китай лазерната обработка също се вписва в десетте най-важни области на приложение в китайската преработваща промишленост и се очаква областите на приложение на лазерната обработка да се разширят допълнително, а пазарният мащаб да се разшири още повече в бъдеще. От друга страна, с непрекъснатото популяризиране и развитие на технологии като безпилотни системи, усъвършенствани системи за подпомагане на шофирането, сервизно ориентирани роботи, 3D сензори и др., тя ще намери по-голямо приложение в много области като автомобилостроенето, изкуствения интелект, потребителската електроника, разпознаването на лица, оптичната комуникация и изследванията в областта на националната отбрана. Като основно устройство или компонент на гореспоменатите лазерни приложения, полупроводниковият лазер също ще получи бързо пространство за развитие.
(3) По-висока мощност, по-добро качество на лъча, по-къса дължина на вълната и по-бързо развитие на честотната посока
В областта на индустриалните лазери, влакнестите лазери постигнаха голям напредък по отношение на изходната мощност, качеството на лъча и яркостта от въвеждането си. Въпреки това, по-високата мощност може да подобри скоростта на обработка, да оптимизира качеството на обработка и да разшири областта на обработка до тежката промишленост. В автомобилостроенето, аерокосмическата индустрия, енергетиката, машиностроенето, металургията, железопътния транспорт, научните изследвания и други области на приложение при рязане, заваряване, обработка на повърхности и др., изискванията за мощност на влакнестите лазери продължават да се увеличават. Съответните производители на устройства трябва непрекъснато да подобряват производителността на основните си устройства (като високомощни полупроводникови лазерни чипове и усилващи влакна). Увеличаването на мощността на влакнестите лазери изисква и усъвършенствана технология за лазерна модулация, като комбиниране на лъчи и синтез на мощност, което ще доведе до нови изисквания и предизвикателства пред производителите на високомощни полупроводникови лазерни чипове. Освен това, по-късите дължини на вълната, по-големите дължини на вълната и по-бързите (ултрабързи) лазери са също важна насока за развитие, използвана главно в интегрални схеми, дисплеи, потребителска електроника, аерокосмическа и други прецизни микропроцесорни процеси, както и в науките за живота, медицината, сензорните технологии и други области. Полупроводниковите лазерни чипове също поставят нови изисквания.
(4) търсенето на високомощни лазерни оптоелектронни компоненти ще продължи да расте
Развитието и индустриализацията на високомощните влакнести лазери е резултат от синергичния напредък на индустриалната верига, който изисква подкрепа от основни оптоелектронни компоненти, като източник на помпа, изолатор, концентратор на лъч и др. Оптоелектронните компоненти, използвани във високомощните влакнести лазери, са основата и ключовите компоненти на тяхното разработване и производство, а разширяващият се пазар на високомощни влакнести лазери също така стимулира пазарното търсене на основни компоненти, като например високомощни полупроводникови лазерни чипове. В същото време, с непрекъснатото усъвършенстване на местната технология за влакнести лазери, заместването на вноса се превърна в неизбежна тенденция, делът на лазерния пазар в света ще продължи да се увеличава, което също така носи големи възможности за местната сила на производителите на оптоелектронни компоненти.
Време на публикуване: 07 март 2023 г.
