1. Lézeripari áttekintés
(1) A lézer bevezetése
A lézer (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, rövidítve LASER) egy kollimált, monokromatikus, koherens, irányított fénysugár, amelyet szűk frekvenciájú fénysugárzás gerjesztett visszacsatolású rezonancia és sugárzás általi erősítésével állítanak elő.
A lézertechnológia az 1960-as évek elején keletkezett, és a közönséges fénytől teljesen eltérő természete miatt a lézert hamarosan széles körben alkalmazták különböző területeken, és mélyrehatóan befolyásolta a tudomány, a technológia, a gazdaság és a társadalom fejlődését és átalakulását.
A lézer megszületése drámaian megváltoztatta az ősi optika arculatát, a klasszikus optikai fizikát egy új csúcstechnológiai tudományággá terjesztette ki, amely magában foglalja a klasszikus optikát és a modern fotonikát is, pótolhatatlanul hozzájárulva az emberi gazdaság és társadalom fejlődéséhez. A lézerfizikai kutatások hozzájárultak a modern fotonikus fizika két fő ágának virágzásához: az energiafotonikához és az információs fotonikához. Lefedi a nemlineáris optikát, a kvantumoptikát, a kvantumszámítástechnikát, a lézeres érzékelést és kommunikációt, a lézerplazmafizikát, a lézerkémiát, a lézerbiológiát, a lézergyógyászatot, az ultraprecíz lézerspektroszkópiát és metrológiát, a lézer atomfizikát, beleértve a lézerhűtést és a Bose-Einstein kondenzált anyag kutatását. , lézeres funkcionális anyagok, lézergyártás, lézeres mikro-optoelektronikai chipek gyártása, lézeres 3D nyomtatás és több mint 20 nemzetközi határterület és technológiai alkalmazás. A Lézertudományi és Technológiai Tanszék (DSL) a következő területeken jött létre.
A lézergyártó iparban a világ a „könnyű gyártás” korszakába lépett, a nemzetközi lézeripari statisztika szerint az Egyesült Államok éves GDP-jének1 50%-a a magas szintű lézeralkalmazások gyors piaci bővüléséhez kapcsolódik. Több fejlett ország – az Egyesült Államok, Németország és Japán képviseletében – alapvetően befejezte a hagyományos eljárások lézeres feldolgozásra való felváltását a főbb feldolgozóiparban, például az autóiparban és a repülésben. A lézer az ipari gyártásban nagy lehetőségeket mutatott az alacsony költségű, jó minőségű, nagy hatékonyságú és speciális gyártási alkalmazásokban, amelyeket a hagyományos gyártással nem lehet megvalósítani, és a verseny és az innováció fontos motorjává vált a világ legnagyobb ipari országai között. Az országok aktívan támogatják a lézertechnológiát, mint az egyik legfontosabb élvonalbeli technológiájukat, és nemzeti lézeripari fejlesztési terveket dolgoztak ki.
(2)LézerForrás Palapelv
A lézer egy olyan eszköz, amely gerjesztett sugárzást használ látható vagy láthatatlan fény előállítására, összetett szerkezettel és magas műszaki akadályokkal. Az optikai rendszer főként szivattyúforrásból (gerjesztő forrás), erősítő közegből (munkaanyag) és rezonanciaüregből és egyéb optikai eszközök anyagaiból áll. Az erősítő közeg a fotongenerálás forrása, és a szivattyúforrás által generált energia elnyelésével az erősítő közeg alapállapotból gerjesztett állapotba ugrik. Mivel a gerjesztett állapot instabil, ebben az időben az erősítő közeg energiát szabadít fel, hogy visszatérjen az alapállapot állandó állapotába. Ebben az energiafelszabadulási folyamatban az erősítő közeg fotonokat állít elő, és ezeknek a fotonoknak nagy az összhangja az energiában, a hullámhosszban és az irányban, folyamatosan visszaverődnek az optikai rezonancia üregében, reciprok mozgással, hogy folyamatosan erősítsék, és végül lője ki a lézert a reflektoron keresztül, hogy lézersugarat képezzen. A végberendezés alapvető optikai rendszereként a lézer teljesítménye gyakran közvetlenül meghatározza a lézerberendezés kimenő nyalábjának minőségét és teljesítményét, ez a terminál lézerberendezés központi eleme.
A szivattyúforrás (gerjesztő forrás) energiagerjesztést biztosít az erősítő közeg számára. Az erősítő közeget gerjesztik, hogy fotonokat termeljenek a lézer létrehozásához és erősítéséhez. A rezonáns üreg az a hely, ahol a foton jellemzőit (frekvencia, fázis és működési irány) szabályozzák, hogy az üregben lévő fotonoszcilláció szabályozásával kiváló minőségű fényforrást kapjanak. A szivattyúforrás (gerjesztő forrás) biztosítja az energiagerjesztést az erősítő közeg számára. Az erősítő közeget gerjesztik, hogy fotonokat termeljenek a lézer létrehozásához és erősítéséhez. A rezonáns üreg az a hely, ahol a fotonjellemzők (frekvencia, fázis és működési irány) beállíthatók, hogy az üregben lévő fotonoszcilláció szabályozásával kiváló minőségű fényforrást kapjunk.
(3)A lézerforrás osztályozása
A lézerforrás az erősítési közeg, a kimeneti hullámhossz, az üzemmód és a szivattyúzási mód szerint osztályozható, az alábbiak szerint
① Osztályozás erősítési közeg szerint
A különböző erősítési közegek szerint a lézerek feloszthatók szilárd halmazállapotúra (beleértve a szilárd, félvezető, szálas, hibrid), folyékony lézereket, gázlézereket stb.
| LézerForrásÍrja be | Gain Media | Főbb jellemzők |
| Szilárdtest lézerforrás | Szilárd anyagok, félvezetők, száloptika, hibrid | Szép stabilitás, nagy teljesítmény, alacsony karbantartási költség, iparosításra alkalmas |
| Folyékony lézerforrás | Vegyi folyadékok | Opcionális hullámhossz-tartomány eltalált, de nagy méret és magas karbantartási költség |
| Gázlézerforrás | Gázok | Kiváló minőségű lézerfényforrás, de nagyobb méret és magasabb karbantartási költségek |
| Ingyenes elektron lézerforrás | Elektronsugár meghatározott mágneses térben | Rendkívül nagy teljesítmény és kiváló minőségű lézerteljesítmény érhető el, de a gyártási technológia és a gyártási költségek nagyon magasak |
A jó stabilitás, a nagy teljesítmény és az alacsony karbantartási költség miatt a szilárdtestlézerek alkalmazása abszolút előnyt jelent.
A félvezető lézerek közül a félvezető lézerek előnyei a nagy hatásfok, a kis méret, a hosszú élettartam, az alacsony energiafogyasztás stb. Egyrészt közvetlenül alkalmazhatók központi fényforrásként és lézeres feldolgozási, orvosi, orvosi, kommunikációs, érzékelési, megjelenítési, felügyeleti és védelmi alkalmazások, és fontos alapjává váltak a stratégiai fejlesztési jelentőségű modern lézertechnológia fejlesztésének.
Másrészt a félvezető lézerek más lézerek, például szilárdtestlézerek és szálas lézerek magpumpáló fényforrásaként is használhatók, nagymértékben elősegítve a teljes lézermező technológiai fejlődését. A világ minden nagyobb fejlett országa beépítette nemzeti fejlesztési tervébe, erős támogatást és gyors fejlődést biztosítva.
② A szivattyúzási módszer szerint
A lézereket a szivattyúzási módszer szerint feloszthatjuk elektromosan szivattyúzott, optikailag pumpált, kémiailag szivattyúzott lézerekre stb.
Az elektromosan pumpált lézerek az árammal gerjesztett lézereket jelentik, a gázlézereket többnyire gázkisüléssel, míg a félvezetőlézereket többnyire áraminjektálással gerjesztik.
Szinte minden szilárdtestlézer és folyékony lézer optikai pumpás lézer, és a félvezető lézereket használják az optikai pumpás lézerek magszivattyúzási forrásaként.
A kémiailag pumpált lézerek olyan lézereket jelentenek, amelyek a kémiai reakciók során felszabaduló energiát használják fel a munkaanyag gerjesztésére.
③ Üzemmód szerinti osztályozás
A lézerek működési módjuk szerint folyamatos lézerekre és impulzuslézerekre oszthatók.
A folyamatos lézerek az egyes energiaszinteken stabilan osztják el a részecskeszámot és az üregben a sugárzási mezőt, működésüket a munkaanyag és a megfelelő lézerteljesítmény hosszú időn keresztül történő folyamatos gerjesztése jellemzi. . A folyamatos lézerek képesek hosszabb ideig folyamatosan lézerfényt kibocsátani, de a hőhatás nyilvánvalóbb.
Az impulzuslézerek azt az időtartamot jelentik, amikor a lézerteljesítményt egy bizonyos értéken tartják, és szakaszosan bocsátanak ki lézerfényt, amelynek fő jellemzője a kis hőhatás és a jó szabályozhatóság.
④ Osztályozás kimeneti hullámhossz szerint
A lézerek hullámhosszuk szerint besorolhatók infravörös lézerek, látható lézerek, ultraibolya lézerek, mély ultraibolya lézerek stb. A különböző szerkezetű anyagok által elnyelhető fény hullámhossz-tartománya eltérő, ezért a különböző anyagok finom feldolgozásához, vagy eltérő alkalmazási forgatókönyvekhez különböző hullámhosszú lézerekre van szükség.Az infravörös lézer és az UV lézer a két legszélesebb körben használt lézer. Az infravörös lézereket főként "termikus feldolgozásban" használják, ahol az anyag felületén lévő anyagot felmelegítik és elpárologtatják (elpárologtatják), hogy eltávolítsák az anyagot; vékonyrétegű nemfémes anyagfeldolgozásban, félvezető ostyavágásban, szerves üvegvágásban, fúrásban, jelölésben és egyéb területeken, nagy energiájú Vékonyrétegű nemfémes anyagfeldolgozás területén, félvezető ostyavágás, szerves üvegvágás, fúrás, jelölés, stb., a nagy energiájú UV-fotonok közvetlenül megbontják a molekuláris kötéseket a nem fémes anyagok felületén, így a molekulák elválaszthatók a tárgytól, és ez a módszer nem eredményez nagy hőreakciót, ezért általában "hidegnek" nevezik. feldolgozás".
Az UV-fotonok nagy energiája miatt nehéz egy bizonyos nagy teljesítményű folyamatos UV-lézert külső gerjesztőforrással előállítani, ezért az UV-lézert általában kristályanyag nemlineáris hatású frekvenciakonverziós módszerével állítják elő, ezért az áramot széles körben használják. Az UV lézerek ipari területe elsősorban a szilárdtest UV lézerek.
(4) Ipari lánc
Az ipari lánc felfelé ívelő része a félvezető nyersanyagok, csúcsminőségű berendezések és kapcsolódó gyártási kiegészítők felhasználása lézermagok és optoelektronikai eszközök gyártásához, ami a lézeripar sarokköve, és magas hozzáférési küszöbértékkel rendelkezik. Az ipari lánc középső részét képezi az upstream lézerchipek és optoelektronikai eszközök, modulok, optikai alkatrészek stb. szivattyúforrásként történő felhasználása különféle lézerek gyártásához és értékesítéséhez, beleértve a közvetlen félvezető lézereket, szén-dioxid lézereket, szilárdtestlézereket, szálas lézerek stb.; a feldolgozóipar főként a különféle lézerek alkalmazási területeire vonatkozik, beleértve az ipari feldolgozó berendezéseket, a LIDAR-t, az optikai kommunikációt, az orvosi szépségápolást és más alkalmazási iparágakat
① Upstream beszállítók
Az upstream termékek, például a félvezető lézerchipek, eszközök és modulok nyersanyagai főként különféle chipanyagokból, rostos anyagokból és megmunkált alkatrészekből állnak, beleértve a szubsztrátumokat, hűtőbordákat, vegyi anyagokat és házkészleteket. A forgácsfeldolgozás magas minőséget és teljesítményt igényel, főként külföldi beszállítóktól származó upstream nyersanyagokat, de a lokalizáció foka fokozatosan növekszik, és fokozatosan eléri a független ellenőrzést. A fő upstream nyersanyagok teljesítménye közvetlen hatással van a félvezető lézerchipek minőségére, a különféle chip anyagok teljesítményének folyamatos javításával, az ipar termékeinek teljesítményének javítása pozitív szerepet játszik az előmozdításban.
②Midstream ipari lánc
A félvezető lézerchip az ipari lánc középső szakaszában lévő különféle típusú lézerek magszivattyú-fényforrása, és pozitív szerepet játszik a középáramú lézerek fejlesztésében. A középső lézerek területén az Egyesült Államok, Németország és más tengerentúli vállalatok dominálnak, de a hazai lézeripar elmúlt évekbeli gyors fejlődése után az ipari lánc középső piaca gyors hazai helyettesítést ért el.
③ Ipari lánc lefelé
A downstream iparnak nagyobb szerepe van az ipar fejlődésének elősegítésében, így a downstream ipar fejlődése közvetlenül érinti az ipar piaci terét. Kína gazdaságának folyamatos növekedése és a gazdasági átalakulás stratégiai lehetőségeinek megjelenése jobb fejlődési feltételeket teremtett ennek az iparágnak a fejlődéséhez. Kína termelő országból gyártási erőművé válik, és a későbbi lézerek és lézerberendezések a feldolgozóipar korszerűsítésének egyik kulcsa, amely jó keresleti környezetet biztosít az iparág hosszú távú fejlesztéséhez. Növekszik a feldolgozóipar követelményei a félvezető lézerchipek és eszközeik teljesítményindexe iránt, a kisteljesítményű lézerek piacáról fokozatosan belépnek a hazai vállalkozások a nagyteljesítményű lézerek piacára, így az iparágnak folyamatosan növelnie kell a technológiai kutatások területére fordított beruházásokat. valamint a fejlesztés és a független innováció.
2. félvezető lézeripar fejlesztési státusza
A félvezető lézerek a legjobb energiaátalakítási hatásfokkal rendelkeznek minden lézer közül, egyrészt optikai szálas lézerek, szilárdtestlézerek és egyéb optikai pumpás lézerek magszivattyú-forrásaként használhatók. Másrészt a félvezető lézertechnológia folyamatos áttörésével az energiahatékonyság, a fényerő, az élettartam, a több hullámhossz, a modulációs sebesség stb. tekintetében a félvezető lézereket széles körben használják az anyagfeldolgozásban, az orvosi, optikai kommunikációban, optikai érzékelésben, védelem stb. A Laser Focus World szerint a dióda lézerek, azaz a félvezető lézerek és a nem dióda lézerek teljes globális bevétele 2021-ben 18 480 millió dollárra becsülhető, és a félvezető lézerek a teljes bevétel 43%-át teszik ki.
A Laser Focus World szerint a félvezető lézerek globális piaca 2020-ban 6724 millió dollár lesz, ami 14,20%-os növekedés az előző évhez képest. A globális intelligencia fejlődésével, az intelligens eszközökben, a fogyasztói elektronikában, az új energetikai és más területeken a lézerek iránti növekvő kereslet, valamint az orvosi, szépségápolási berendezések és más feltörekvő alkalmazások folyamatos bővülésével a félvezető lézerek pumpaforrásként használhatók. az optikai pumpás lézerek számára, és piaci mérete továbbra is stabil növekedést fog fenntartani. 2021-ben a globális félvezetőlézer-piac mérete 7,946 milliárd dollár, a piac növekedési üteme 18,18%.
Műszaki szakértők, vállalkozások és gyakorlati szakemberek közös erőfeszítései révén a kínai félvezető lézeripar rendkívüli fejlődést ért el, így a kínai félvezető lézeripar a semmiből tapasztalta meg a folyamatot, és a kínai félvezető lézeripar prototípusának kezdetét. Az elmúlt években Kína fokozta a lézeripar fejlődését, és a kormány vezetésével és a lézeres vállalkozások együttműködésével különböző régiók foglalkoztak tudományos kutatással, technológiafejlesztéssel, piacfejlesztéssel és lézeripari parkok építésével.
3. A kínai lézeripar jövőbeli fejlődési trendje
Európa fejlett országaihoz és az Egyesült Államokhoz képest a kínai lézertechnológia nem késett, de a lézertechnológia és a csúcstechnológia alkalmazása terén még mindig jelentős a szakadék, különösen az upstream félvezető lézerchip és az egyéb magkomponensek importtól függ.
Az Egyesült Államok, Németország és Japán által képviselt fejlett országok egyes nagy ipari területeken alapvetően befejezték a hagyományos gyártástechnológia leváltását, és beléptek a „könnyű gyártás” korszakába; bár a lézeres alkalmazások fejlődése Kínában gyors, de az alkalmazás penetrációs aránya még mindig viszonylag alacsony. Az ipari korszerűsítés alapvető technológiájaként a lézeripar továbbra is a nemzeti támogatás kulcsfontosságú területe marad, és továbbra is kiterjeszti az alkalmazási kört, és végső soron elősegíti a kínai feldolgozóipart a "könnyű gyártás" korszakába. A jelenlegi fejlődési helyzetből a kínai lézeripar fejlődése a következő fejlődési trendeket mutatja.
(1) A félvezető lézerchip és más magkomponensek fokozatosan megvalósítják a lokalizációt
Vegyük például a szálas lézert, a nagy teljesítményű szálas lézer szivattyúforrás a félvezető lézer fő alkalmazási területe, a nagy teljesítményű félvezető lézer chip és a modul a szálas lézer fontos összetevője. Az elmúlt években a kínai optikai szálas lézeripar gyors növekedési szakaszban van, és a lokalizáció mértéke évről évre növekszik.
A piaci penetrációt tekintve a kis teljesítményű szálas lézerek piacán a hazai lézerek piaci részesedése 2019-ben elérte a 99,01%-ot; a közepes teljesítményű szálas lézerek piacán az elmúlt években több mint 50%-os szinten tartották a hazai lézerek penetrációját; a nagy teljesítményű szálas lézerek lokalizációs folyamata is fokozatosan halad előre, 2013-ról 2019-re, hogy „a nulláról” valósuljon meg. A nagyteljesítményű szálas lézerek lokalizációs folyamata is fokozatosan, 2013-ról 2019-re halad előre, és elérte az 55,56%-os penetrációt, a nagy teljesítményű szálas lézerek hazai penetrációs rátája pedig 2020-ban várhatóan 57,58% lesz.
Az olyan magkomponensek, mint például a nagy teljesítményű félvezető lézerchipek azonban továbbra is importfüggőek, és a magként félvezető lézerchipeket tartalmazó lézerek upstream összetevőit fokozatosan lokalizálják, ami egyrészt javítja a gyártás előtti komponensek piaci léptékét. hazai lézerek, másrészt az upstream magkomponensek lokalizálásával javíthatja a hazai lézergyártók nemzetközi versenyben való részvételi képességét.
(2) A lézeres alkalmazások gyorsabban és szélesebb körben hatolnak be
Az upstream mag optoelektronikai alkatrészek fokozatos lokalizációjával és a lézeralkalmazási költségek fokozatos csökkenésével a lézerek mélyebben behatolnak számos iparágba.
Egyrészt Kína esetében a lézeres feldolgozás is belefér a kínai feldolgozóipar tíz legnagyobb alkalmazási területébe, és várhatóan a jövőben tovább bővülnek a lézeres feldolgozás alkalmazási területei, illetve tovább bővül a piaci lépték. Másrészt az olyan technológiák folyamatos népszerűsítésével és fejlesztésével, mint a vezető nélküli, fejlett vezetési rendszer, szolgáltatás-orientált robot, 3D-s érzékelés stb., számos területen, mint például az autóipar, a mesterséges intelligencia, a fogyasztói elektronika, egyre inkább alkalmazni fogják. , arcfelismerés, optikai kommunikáció és honvédelmi kutatás. A fenti lézeres alkalmazások mageszközeként vagy alkatrészeként a félvezető lézer is gyors fejlesztési teret nyer.
(3) Nagyobb teljesítmény, jobb sugárminőség, rövidebb hullámhossz és gyorsabb frekvenciairány-fejlődés
Az ipari lézerek területén a szálas lézerek nagy előrehaladást értek el a kimeneti teljesítmény, a sugárminőség és a fényerő tekintetében bevezetésük óta. A nagyobb teljesítmény azonban javíthatja a feldolgozási sebességet, optimalizálhatja a feldolgozási minőséget, és kiterjesztheti a feldolgozási területet a nehézipari gyártásra, az autóiparban, a repülőgépgyártásban, az energetikában, a gépgyártásban, a kohászatban, a vasúti szállítás építésében, a tudományos kutatásban és a forgácsolás egyéb alkalmazási területein. , hegesztés, felületkezelés stb., a szálas lézer teljesítményigénye tovább növekszik. A megfelelő eszközgyártóknak folyamatosan javítaniuk kell a mageszközök teljesítményét (például nagy teljesítményű félvezető lézerchip és erősítőszál), a szálas lézer teljesítményének növeléséhez fejlett lézermodulációs technológiára van szükség, mint például a sugárkombináció és a teljesítményszintézis, ami új követelményeket támaszt. és kihívások a nagy teljesítményű félvezető lézerchip gyártókkal szemben. Emellett fontos irány a rövidebb hullámhossz, több hullámhossz, a gyorsabb (ultragyors) lézerfejlesztés is, főként integrált áramköri chipekben, kijelzőkben, fogyasztói elektronikában, repülőgépgyártásban és egyéb precíziós mikrofeldolgozásban, valamint élettudományi, orvosi, érzékelési és egyéb területeken. mezőkben a félvezető lézerchip is új követelményeket támaszt.
(4) a nagy teljesítményű lézeres optoelektronikai alkatrészek iránti igény további növekedésre
A nagy teljesítményű szálas lézerek fejlesztése és iparosítása az ipari lánc szinergikus fejlődésének eredménye, amelyhez olyan alapvető optoelektronikai alkatrészek támogatása szükséges, mint a szivattyúforrás, a leválasztó, a nyalábkoncentrátor stb. A nagy teljesítményű optoelektronikai alkatrészek A szálas lézer képezi fejlesztésének és gyártásának alapját és kulcselemeit, és a nagyteljesítményű szálas lézerek bővülő piaca az alapvető alkatrészek, például a nagy teljesítményű félvezető lézerchipek iránti piaci keresletet is vezérli. Ugyanakkor a hazai szálas lézertechnológia folyamatos fejlesztésével az import helyettesítés elkerülhetetlen tendenciává vált, a lézerpiaci részesedés a világon tovább javulni fog, ami az optoelektronikai alkatrészgyártók helyi erejének is nagy lehetőségeket rejt magában.
Feladás időpontja: 2023-07-07
