1. Преглед на лазерната индустрия
(1) Въведение в лазера
Лазер (усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на радиация, съкратено като ЛАЗЕР) е колимиран, монохроматичен, кохерентен, насочен лъч светлина, произведен от усилване на светлинно лъчение при тясна честота чрез възбуден резонанс и радиация с обратна връзка.
Лазерната технология възниква в началото на 60-те години на миналия век и поради напълно различното си естество от обикновената светлина, лазерът скоро се използва широко в различни области и оказва дълбоко влияние върху развитието и трансформацията на науката, технологиите, икономиката и обществото.
Раждането на лазера драматично промени лицето 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 на лазерната физика допринесоха за процъфтяването на два основни клона на съвременната фотонна физика: енергийна фотоника и информационна фотоника.Обхваща нелинейна оптика, квантова оптика, квантово изчисление, лазерно отчитане и комуникация, физика на лазерната плазма, лазерна химия, лазерна биология, лазерна медицина, свръхпрецизна лазерна спектроскопия и метрология, лазерна атомна физика, включително лазерно охлаждане и изследване на кондензираната материя на Бозе-Айнщайн , лазерни функционални материали, лазерно производство, лазерно производство на микро-оптоелектронни чипове, лазерен 3D печат и повече от 20 международни гранични дисциплини и технологични приложения.Катедрата по лазерна наука и технологии (DSL) е създадена в следните области.
В индустрията за лазерно производство светът навлезе в ерата на „лекото производство“, според международната статистика на лазерната индустрия 50% от годишния БВП на Съединените щати1 е свързан с бързото разширяване на пазара на лазерни приложения на високо ниво.Няколко развити страни, представени от Съединените щати, Германия и Япония, завършиха основно замяната на традиционните процеси с лазерна обработка в основните производствени индустрии като автомобилостроенето и авиацията.Лазерът в промишленото производство показа голям потенциал за евтини, 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 лазерната технология като една от най-важните им авангардни технологии и са разработили национални планове за развитие на лазерната индустрия.
(2)ЛазерИзточник Ппринцип
Лазерът е устройство, което използва възбудено лъчение за производство на видима или невидима светлина със сложна структура и високи технически бариери.Оптичната система се състои главно от източник на помпа (източник на възбуждане), усилваща среда (работно вещество) и резонансна кухина и други материали за оптични устройства.Средата за усилване е източникът на генериране на фотони и чрез абсорбиране на енергията, генерирана от източника на помпа, средата за усилване скача от основното състояние към възбуденото състояние.Тъй като възбуденото състояние е нестабилно, по това време усилващата среда ще освободи енергия, за да се върне към стабилното състояние на основното състояние.В този процес на освобождаване на енергия усилващата среда произвежда фотони и тези фотони имат висока степен на последователност в енергията, дължината на вълната и посоката, те постоянно се отразяват в оптичната резонансна кухина, реципрочно движение, така че непрекъснато да се усилват и накрая изстреляйте лазера през рефлектора, за да образувате лазерен лъч.Като основна оптична система на крайното оборудване, работата на лазера често директно определя качеството и мощността на изходния лъч на лазерното оборудване, е основният компонент на терминалното лазерно оборудване.
Източникът на помпата (източник на възбуждане) осигурява енергийно възбуждане на усилващата среда.Усилващата среда се възбужда да произвежда фотони за генериране и усилване на 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 помпата (източник на възбуждане) осигурява енергийното възбуждане за усилващата среда.Усилващата среда се възбужда да произвежда фотони за генериране и усилване на лазера.Резонансната кухина е мястото, където фотонните характеристики (честота, фаза и посока на действие) се регулират, за да се получи висококачествен изходен светлинен източник чрез контролиране на фотонните трептения в кухината.
(3)Класификация на лазерния източник
Лазерният източник може да бъде класифициран според средата на усилване, изходната дължина на вълната, режима на работа и режима на изпомпване, както следва
① Класификация по среда на усилване
Според различните усилващи среди лазерите могат да бъдат разделени на твърдотелни (включително твърди, полупроводникови, влакнести, хибридни), течни лазери, газови лазери и др.
| ЛазерИзточникТип | Печелете медии | Основните функции |
| Твърдотелен лазерен източник | Твърди тела, полупроводници, оптични влакна, хибридни | Добра стабилност, висока мощност, ниски разходи за поддръжка, подходящи за индустриализация |
| Течен лазерен източник | Химически течности | Допълнителен обхват на дължината на вълната, но голям размер и високи разходи за поддръжка |
| Газов лазерен източник | Газове | Висококачествен лазерен светлинен източник, но с по-голям размер и по-високи разходи за поддръжка |
| Лазерен източник със свободни електрони | Електронен лъч в специфично магнитно поле | Могат да се постигнат свръхвисока мощност и висококачествен лазерен изход, но производствената технология и производствените разходи са много високи |
Благодарение на добрата стабилност, висока мощност и ниски разходи за поддръжка, приложението на твърдотелни лазери има абсолютно предимство.
Сред твърдотелните лазери, полупроводниковите лазери имат предимствата на висока ефективност, малък размер, дълъг живот, ниска консумация на енергия и т.н. От една страна, те могат да бъдат директно приложени като основен източник на светлина и поддръжка за лазерна обработка, медицински, комуникационни, сензорни, дисплейни, мониторингови и отбранителни приложения и се превърнаха във важна основа за развитието на модерни лазерни технологии със стратегическо значение за развитие.
От друга страна, полупроводниковите лазери могат също да се използват като основен изпомпващ източник на светлина за други лазери, като лазери в твърдо състояние и лазери с влакна, което значително насърчава технологичния прогрес на цялото лазерно поле.Всички големи развити страни в света са го включили в националните си планове за развитие, оказвайки силна подкрепа и постигайки бързо развитие.
② Според метода на изпомпване
Лазерите могат да бъдат разделени на електрически изпомпвани, оптически изпомпвани, химически изпомпвани лазери и т.н. според метода на изпомпване.
Електрически изпомпваните лазери се отнасят за лазери, възбуждани от ток, газовите лазери се възбуждат предимно от газов разряд, докато полупроводниковите лазери се възбуждат предимно от инжектиране на ток.
Почти всички твърдотелни лазери и течни лазери са лазери с оптична помпа, а полупроводниковите лазери се използват като основен източник на помпа за лазери с оптична помпа.
Лазерите с химическо изпомпване се отнасят за лазери, които използват енергията, освободена от химичните реакции, за да възбудят 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 и тяхната работа 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 за продължителността на времето, когато мощността на лазера се поддържа на определена стойност и излъчва лазерна светлина по прекъснат начин, с основните характеристики на малък топлинен ефект и добра управляемост.
④ Класификация по изходна дължина на вълната
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, който може да бъде абсорбиран от различни структурирани материали, е различен, така че са необходими лазери с различни дължини на вълната за фина обработка на различни материали или за различни сценарии на приложение.Инфрачервените лазери и UV лазерите са двата най-широко използвани лазери.Инфрачервените лазери се използват главно в "термична обработка", където материалът на повърхността на материала се нагрява и изпарява (изпарява), за да се отстрани материалът;в обработката на тънкослойни неметални материали, рязане на полупроводникови пластини, рязане на органично стъкло, пробиване, маркиране и други области, висока енергия В областта на обработката на тънкослойни неметални материали, рязане на полупроводникови пластини, рязане на органично стъкло, пробиване, маркиране, и т.н., високоенергийните UV фотони директно разрушават молекулярните връзки на повърхността на неметалните материали, така че молекулите да могат да бъдат отделени от обекта и този метод не произвежда висока топлинна реакция, така че обикновено се нарича "студен обработка“.
Поради високата енергия на UV фотоните е трудно да се генерира определен високомощен непрекъснат UV лазер чрез външен източник на възбуждане, така че UV лазерът обикновено се генерира чрез прилагане на метод за преобразуване на честота с нелинеен ефект на кристален материал, така че сегашният широко използван промишленото поле на UV лазерите са предимно UV лазери в твърдо състояние.
(4) Индустриална верига
Нагоре по веригата на индустрията е използването на полупроводникови суровини, оборудване от висок клас и свързани производствени аксесоари за производство на лазерни ядра и оптоелектронни устройства, което е крайъгълният камък на лазерната индустрия и има висок праг на достъп.Средният поток на индустриалната верига е използването на лазерни чипове нагоре по веригата и оптоелектронни устройства, модули, оптични компоненти и т.н. като източници на помпа за производството и продажбата на различни лазери, включително директни полупроводникови лазери, лазери с въглероден диоксид, лазери в твърдо състояние, фибролазери и др.;индустрията надолу по веригата се отнася главно до областите на приложение на различни лазери, включително индустриално оборудване за обработка, LIDAR, оптични комуникации, медицинска красота и други индустрии на приложение
①Доставчици нагоре по веригата
Суровините за продукти нагоре по веригата, като полупроводникови лазерни чипове, устройства и модули, са главно различни материали за чипове, влакнести материали и машинно обработени части, включително субстрати, радиатори, химикали и корпусни комплекти.Обработката на чипове изисква високо качество и производителност на суровини 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 различни материали за чипове, за подобряване на производителността на продуктите на индустрията играят положителна роля в популяризирането.
②Midstream индустриална верига
Полупроводниковият лазерен чип е основният светлинен източник на помпа за различни видове лазери в средата на индустриалната верига и играе положителна роля в насърчаването на развитието на средните лазери.В областта на средните лазери доминират Съединените щати, Германия и други задгранични предприятия, но след бързото развитие на местната лазерна индустрия през последните години, средният пазар на индустриалната верига постигна бързо вътрешно заместване.
③Индустриална верига надолу по веригата
Индустрията надолу по веригата има по-голяма роля в насърчаването на развитието на индустрията, така че развитието на индустрията надолу по веригата ще засегне пряко 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 движи от страна производител към производствена мощ, а лазерите и лазерното оборудване надолу по веригата са един от ключовете за надграждане на производствената индустрия, което осигурява добра среда на търсене за дългосрочно подобряване на тази индустрия.Изискванията на индустрията надолу по веригата за индекса на производителност на полупроводникови лазерни чипове и техните устройства се увеличават и местните предприятия постепенно навлизат на пазара на лазери с висока мощност от пазара на лазери с ниска мощност, така че индустрията трябва непрекъснато да увеличава инвестициите в областта на технологичните изследвания и развитие и независими иновации.
2. състояние на развитие на полупроводниковата лазерна индустрия
Полупроводниковите лазери имат най-добрата ефективност на преобразуване на енергия сред всички видове лазери, от една страна, те могат да се използват като основен източник на помпа на лазери с оптични влакна, лазери в твърдо състояние и други лазери с оптична помпа.От друга страна, с непрекъснатия пробив на полупроводниковата лазерна технология по отношение на енергийна ефективност, яркост, живот, дължина на вълната, скорост на модулация и т.н., полупроводниковите лазери се използват широко в обработката на материали, медицината, оптичната комуникация, оптичните сензори, отбраната и т.н. Според Laser Focus World общият глобален приход от диодни лазери, т.е. полупроводникови лазери и недиодни лазери, се оценява на 18 480 милиона долара през 2021 г., като полупроводниковите лазери представляват 43% от общите приходи.
Според Laser Focus World глобалният пазар на полупроводникови лазери ще бъде $6,724 милиона през 2020 г., което е ръст от 14,20% спрямо предходната година.С развитието на глобалната интелигентност, нарастващото търсене на лазери в интелигентни устройства, потребителска електроника, нова енергия и други области, както и непрекъснатото разширяване на медицинското, козметичното оборудване и други нововъзникващи приложения, полупроводниковите лазери могат да се използват като източник на помпа за лазери с оптична помпа и пазарният му размер ще продължи да поддържа стабилен растеж.2021 г. глобален размер на пазара на полупроводникови лазери от $7,946 милиарда, пазарен темп на растеж от 18,18%.
Чрез съвместните усилия на технически експерти и предприятия и практици китайската индустрия за полупроводникови лазери постигна изключително развитие, така че китайската индустрия за полупроводникови лазери изпита процеса от нулата и началото на прототипа на китайската индустрия за полупроводникови лазери.През последните години Китай увеличи развитието на лазерната индустрия и различни региони бяха посветени на научни изследвания, подобряване на технологиите, развитие на пазара и изграждане на лазерни индустриални паркове под ръководството на правителството и сътрудничеството на лазерни предприятия.
3. Бъдеща тенденция на развитие на китайската лазерна индустрия
В сравнение с развитите страни в Европа и Съединените щати, лазерната технология на Китай не е закъсняла, но в прилагането на лазерна технология и висок клас основна технология все още има значителна празнина, особено полупроводниковият лазерен чип нагоре по веригата и други основни компоненти все още са зависим от вноса.
Развитите страни, представени от Съединените щати, Германия и Япония, основно завършиха замяната на традиционната производствена технология в някои големи промишлени области и навлязоха в ерата на "лекото производство";въпреки че развитието на лазерни приложения в Китай е бързо, но степента на проникване на приложения все още е относително ниска.Като основна технология за индустриално надграждане, лазерната индустрия ще продължи да бъде ключова област на национална подкрепа и ще продължи да разширява обхвата на приложение и в крайна сметка да насърчи китайската производствена индустрия към ерата на „лекото производство“.От текущата ситуация на развитие, развитието на китайската лазерна индустрия показва следните тенденции на развитие.
(1) Полупроводников лазерен чип и други основни компоненти постепенно реализират локализация
Вземете фибролазер като пример, високомощният източник на фибролазерна помпа е основната област на приложение на полупроводниковия лазер, чипът и модулът на полупроводниковия лазер с висока мощност са важен компонент на фибролазера.През последните години китайската лазерна индустрия с оптични влакна е в етап на бърз растеж и степента на локализация се увеличава всяка година.
По отношение на навлизането на пазара, на пазара на лазерни влакна с ниска мощност пазарният дял на домашните лазери достигна 99,01% през 2019 г.;на пазара на оптични лазери със средна мощност степента на проникване на домашните лазери се поддържа на повече от 50% през последните години;процесът на локализиране на високомощни влакнести лазери също постепенно напредва, от 2013 до 2019 г., за да се постигне „от нулата“.Процесът на локализиране на високомощните влакнести лазери също постепенно напредва, от 2013 до 2019 г., и е достигнал процент на проникване от 55,56%, а вътрешният процент на проникване на високомощни влакнести лазери се очаква да бъде 57,58% през 2020 г.
Въпреки това основните компоненти, като високомощни полупроводникови лазерни чипове, все още зависят от вноса и 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 вътрешни 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 международна конкуренция.
(2) Лазерните приложения проникват по-бързо и по-широко
С постепенното локализиране на основните оптоелектронни компоненти нагоре по веригата и постепенното намаляване на разходите за лазерно приложение, лазерите ще навлязат по-дълбоко в много индустрии.
От една страна, за Китай лазерната обработка също се вписва в десетте най-добри области на приложение на китайската производствена индустрия и се очаква, че областите на приложение на лазерната обработка ще бъдат допълнително разширени и пазарният мащаб ще бъде допълнително разширен в бъдеще.От друга страна, с непрекъснатото популяризиране и развитие на технологии като без шофьор, усъвършенствана асистирана система за шофиране, ориентиран към обслужване робот, 3D сензори и т.н., той ще бъде по-приложен в много области като автомобили, изкуствен интелект, потребителска електроника , разпознаване на лица, оптична комуникация и изследвания в областта на националната отбрана.Като основно устройство или компонент на горните 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 промишлените лазери, лазерите с влакна постигнаха голям напредък по отношение на изходна мощност, качество на лъча и яркост от тяхното въвеждане.Въпреки това, по-високата мощност може да подобри скоростта на обработка, да оптимизира качеството на обработка и да разшири полето на обработка до производството на тежка промишленост, в автомобилостроенето, аерокосмическото производство, енергетиката, производството на машини, металургията, строителството на железопътен транспорт, научни изследвания и други области на приложение при рязане , заваряване, повърхностна обработка и т.н., изискванията за мощност на фибролазера продължават да се увеличават.Съответните производители на устройства трябва непрекъснато да подобряват производителността на основните устройства (като високомощен полупроводников лазерен чип и усилващо влакно), увеличаването на мощността на влакнестия лазер също изисква 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.В допълнение, по-къси дължини на вълните, повече дължини на вълните, по-бързо (ултрабързо) лазерно развитие също е важна посока, използвана главно в чипове с интегрални схеми, дисплеи, потребителска електроника, аерокосмическа и друга прецизна микрообработка, както и в науките за живота, медицината, сензорите и други полета, полупроводниковият лазерен чип също изложи нови изисквания.
(4) търсенето на високомощни лазерни оптоелектронни компоненти за по-нататъшен растеж
Разработването и индустриализирането на високомощния фибролазер е резултат от синергичния напредък на индустриалната верига, което изисква поддръжката на основни оптоелектронни компоненти като източник на помпа, изолатор, концентратор на лъч и т.н. Оптоелектронните компоненти, използвани при висока мощност влакнестият лазер е основата и ключовите компоненти на неговото разработване и производство, а разширяващият се пазар на високомощен влакнест лазер също стимулира пазарното търсене на основни компоненти като мощни полупроводникови лазерни чипове.В същото време, с непрекъснатото усъвършенстване на вътрешната фибролазерна технология, заместването на вноса се превърна в неизбежна тенденция, пазарният дял на лазерите в света ще продължи да се подобрява, което също носи големи възможности за местна сила на производителите на оптоелектронни компоненти.
Време на публикуване: 07 март 2023 г
