1. Lézeripar áttekintése
(1) Lézeres bevezetés
A lézer (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, röviden LASER) egy kollimált, monokromatikus, koherens, irányított fénysugár, amelyet keskeny frekvenciájú fénysugárzás gerjesztett visszacsatolási rezonancia és sugárzás útján történő erősítésével hoznak létre.
A lézertechnológia az 1960-as évek elején jelent meg, és mivel teljesen eltér a hagyományos fénytől, hamarosan széles körben elterjedt a különböző területeken, és mélyrehatóan befolyásolta a tudomány, a technológia, a gazdaság és a társadalom fejlődését és átalakulását.
A lézer születése drámaian megváltoztatta az ókori optika arculatát, a klasszikus optikai fizikát egy új, high-tech diszciplínává bővítve, amely magában foglalja mind a klasszikus optikát, mind a modern fotonikát, pótolhatatlanul hozzájárulva az emberi gazdaság és társadalom fejlődéséhez. A lézerfizikai kutatások a modern fotonikus fizika két fő ágának, az energiafotonikának és az információfotonikának a virágzásához járultak hozzá. Lefedi a nemlineáris optikát, a kvantupoptikát, a kvantumszámítástechnikát, a lézeres érzékelést és kommunikációt, a lézerplazmafizikát, a lézerkémiát, a lézerbiológiát, a lézermedicinát, az ultraprecíz lézerspektroszkópiát és metrológiát, a lézeratomfizikát, beleértve a lézerhűtést és a Bose-Einstein kondenzáltanyag-kutatást, a lézerfunkcionális anyagokat, a lézergyártást, a lézeres mikrooptoelektronikai chipgyártást, a lézeres 3D nyomtatást, valamint több mint 20 nemzetközi határterületi tudományágat és technológiai alkalmazást. A Lézertudományi és Technológiai Tanszék (DSL) a következő területeken jött létre.
A lézergyártó iparban a világ belépett a „könnyűgyártás” korszakába. A nemzetközi lézeripari statisztikák szerint az Egyesült Államok éves GDP-jének 50%-a1 a nagy teljesítményű lézeralkalmazások gyors piaci bővüléséhez kapcsolódik. Számos fejlett ország, köztük az Egyesült Államok, Németország és Japán, lényegében befejezte a hagyományos eljárások lézeres megmunkálással való felváltását az olyan főbb feldolgozóiparágakban, mint az autóipar és a repülés. A lézer az ipari gyártásban nagy potenciált mutatott az alacsony költségű, kiváló minőségű, nagy hatékonyságú és speciális gyártási alkalmazások terén, amelyeket a hagyományos gyártással nem lehet elérni, és a világ főbb ipari országai között a verseny és az innováció fontos mozgatórugójává vált. Az országok aktívan támogatják a lézertechnológiát, mint az egyik legfontosabb élvonalbeli technológiájukat, és nemzeti lézeripari fejlesztési terveket dolgoztak ki.
(2)LézerP forrásalapelv
A lézer egy olyan eszköz, amely gerjesztett sugárzást használ látható vagy láthatatlan fény előállítására, összetett szerkezettel és magas technikai korlátokkal. Az optikai rendszer főként pumpáló forrásból (gerjesztőforrás), erősítő közegből (munkaközeg), rezonáns üregből és egyéb optikai eszközanyagokból áll. Az erősítő közeg a fotonképződés forrása, és a pumpáló forrás által generált energia elnyelésével az erősítő közeg az alapállapotból a 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 termel, és ezek a fotonok nagyfokú konzisztenciával rendelkeznek energiában, hullámhosszban és irányban, folyamatosan visszaverődnek az optikai rezonáns üregben, kölcsönösen mozognak, így folyamatosan erősítik, és végül a lézert a reflektoron keresztül lézersugárrá lőve ki. A terminálberendezés központi optikai rendszereként a lézer teljesítménye gyakran közvetlenül meghatározza a lézerberendezés kimeneti nyalábjának minőségét és teljesítményét, és a terminállézerberendezés központi alkotóeleme.
A pumpáló forrás (gerjesztőforrás) energiát gerjeszt az erősítő közeg számára. Az erősítő közeg gerjesztése fotonokat hoz létre a lézer generálásához és erősítéséhez. A rezonáns üreg az a hely, ahol a fotonjellemzőket (frekvencia, fázis és működési irány) szabályozzák, hogy kiváló minőségű kimeneti fényforrást kapjanak az üregben lévő fotonrezgések szabályozásával. A pumpáló forrás (gerjesztőforrás) biztosítja az energiagerjesztést az erősítő közeg számára. Az erősítő közeg gerjesztése fotonokat hoz létre a lézer generálásához és erősítéséhez. A rezonáns üreg az a hely, ahol a fotonjellemzőket (frekvencia, fázis és működési irány) állítják be, hogy kiváló minőségű kimeneti fényforrást kapjanak az üregben lévő fotonrezgések szabályozásával.
(3)A lézerforrás osztályozása
A lézerforrásokat az erősítőközeg, a kimeneti hullámhossz, az üzemmód és a pumpálási mód szerint lehet osztályozni az alábbiak szerint
① Osztályozás erősítő közeg szerint
A különböző erősítőközegek szerint a lézerek feloszthatók szilárd fázisú (beleértve a szilárd, félvezető, száloptikai, hibrid), folyadéklézerekre, gázlézerekre stb.
| LézerForrásTípus | Gain Media | Főbb jellemzők |
| Szilárdtest lézerforrás | Szilárdtestek, félvezetők, száloptika, hibrid | Jó stabilitás, nagy teljesítmény, alacsony karbantartási költség, alkalmas iparosításra |
| Folyékony lézerforrás | Vegyi folyékony anyagok | Opcionális hullámhossztartomány-érintés, de nagy méret és magas karbantartási költség |
| Gázlézer forrás | Gázok | Kiváló minőségű lézerfényforrás, de nagyobb méret és magasabb karbantartási költségek |
| Szabad elektronlézer forrás | Elektronsugár egy adott mágneses térben | Rendkívül nagy teljesítményű és kiváló minőségű lézerkimenet érhető el, de a gyártási technológia és a termelési költségek nagyon magasak. |
A jó stabilitás, a nagy teljesítmény és az alacsony karbantartási költségek miatt a szilárdtest lézerek alkalmazása abszolút előnyt élvez.
A szilárdtest lézerek közül a félvezető lézerek előnyei közé tartozik a nagy hatásfok, a kis méret, a hosszú élettartam, az alacsony energiafogyasztás stb. Egyrészt közvetlenül alkalmazhatók központi fényforrásként és lézeres feldolgozási, orvosi, kommunikációs, érzékelési, kijelzői, monitorozó és védelmi alkalmazások támogatására, és fontos alapjává váltak a modern lézertechnológia fejlesztésének, stratégiai fejlesztési jelentőséggel.
Másrészt a félvezető lézerek más lézerek, például a szilárdtest lézerek és a száloptikás lézerek magpumpáló fényforrásaként is használhatók, nagyban elősegítve a teljes lézertechnikai terület technológiai fejlődését. A világ összes jelentős fejlett országa felvette a nemzeti fejlesztési terveibe, határozottan támogatva és gyors fejlődést elérve.
② A szivattyúzási módszer szerint
A lézerek a pumpálási módszer szerint elektromosan pumpált, optikailag pumpált, kémiailag pumpált stb. lézerekre oszthatók.
Az elektromosan pumpált lézerek árammal gerjesztett lézerekre vonatkoznak, a gázlézerek főként gázkisüléssel gerjesztettek, míg a félvezető lézerek főként árambefecskendezéssel.
Szinte az összes szilárdtest lézer és folyadéklézer optikai pumpáló lézer, és a félvezető lézereket az optikai pumpáló lézerek magpumpáló forrásaként használják.
A kémiailag pumpált lézerek olyan lézerek, amelyek a kémiai reakciókból felszabaduló energiát használják fel a munkadarab gerjesztésére.
③Működési mód szerinti osztályozás
A lézerek működési módjuk szerint folyamatos lézerekre és impulzuslézerekre oszthatók.
A folyamatos lézerek esetében az egyes energiaszinteken lévő részecskék száma és az üreg sugárzási mezője stabil eloszlású, működésüket pedig a munkadarab gerjesztése és a megfelelő lézerteljesítmény folyamatos módon, hosszú időn keresztül jellemzi. A folyamatos lézerek hosszabb ideig képesek folyamatosan lézerfényt kibocsátani, de a termikus hatás nyilvánvalóbb.
Az impulzuslézerek azt az időtartamot jelölik, amely alatt a lézer teljesítményét egy bizonyos értéken tartják, és szakaszosan bocsátanak ki lézerfényt, fő jellemzői a kis hőhatás és a jó szabályozhatóság.
④ Kimeneti hullámhossz szerinti osztályozás
A lézerek hullámhosszuk szerint infravörös lézerek, látható lézerek, ultraibolya lézerek, mély ultraibolya lézerek stb. lehetnek. A különböző strukturált anyagok által elnyelt fény hullámhossztartománya eltérő, ezért különböző hullámhosszú lézerekre van szükség a különböző anyagok finommegmunkálásához vagy a különböző alkalmazási forgatókönyvekhez.Az infravörös lézerek és az UV lézerek a két legszélesebb körben használt lézer. Az infravörös lézereket főként a "termikus feldolgozásban" használják, ahol az anyag felületén lévő anyagot melegítik és elpárologtatják (elpárologtatják) az anyag eltávolítása érdekében; a vékonyrétegű nemfémes anyagfeldolgozásban, a félvezető ostyavágásban, a szerves üvegvágásban, fúrásban, jelölésben és más területeken, nagy energiájú UV-fotonok közvetlenül megszakítják a molekuláris kötéseket a nemfémes anyagok felületén, így a molekulák elválaszthatók a tárgytól, és ez a módszer nem eredményez nagy hőreakciót, ezért általában "hidegen feldolgozásnak" nevezik.
Az UV-fotonok nagy energiája miatt nehéz külső gerjesztőforrással nagy teljesítményű folyamatos UV-lézert előállítani, ezért az UV-lézert általában kristályanyag nemlineáris hatású frekvenciakonverziós módszerével állítják elő, így az UV-lézerek jelenlegi széles körben használt ipari területe főként szilárdtest UV-lézerek.
(4) Iparági lánc
Az iparági lánc felső szakasza a félvezető alapanyagok, a csúcskategóriás berendezések és a kapcsolódó gyártási tartozékok felhasználása lézermagok és optoelektronikai eszközök gyártásához, ami a lézeripar sarokköve, és magas hozzáférési küszöbértékkel rendelkezik. Az iparági lánc középső szakasza a lézerchipek és optoelektronikai eszközök, modulok, optikai alkatrészek stb. felhasználása szivattyúforrásként különféle lézerek gyártásához és értékesítéséhez, beleértve a közvetlen félvezető lézereket, szén-dioxid lézereket, szilárdtest lézereket, szálas lézereket stb.; a downstream iparág főként a különféle lézerek alkalmazási területeire utal, beleértve az ipari feldolgozó berendezéseket, a LIDAR-t, az optikai kommunikációt, az orvosi szépségápolást és más alkalmazási iparágakat.
①Upstream beszállítók
Az olyan upstream termékek alapanyagai, mint a félvezető lézerchipek, eszközök és modulok, főként különféle chipanyagok, szálas anyagok és megmunkált alkatrészek, beleértve az aljzatokat, hűtőbordákat, vegyszereket és házkészleteket. A chipfeldolgozás magas minőségű és teljesítményű upstream alapanyagokat igényel, főként külföldi beszállítóktól, de a lokalizáció mértéke fokozatosan növekszik, és fokozatosan független ellenőrzést ér el. A fő upstream alapanyagok teljesítménye közvetlen hatással van a félvezető lézerchipek minőségére, és a különböző chipanyagok teljesítményének folyamatos javítása pozitív szerepet játszik az iparági termékek teljesítményének javításában.
②Középáramú iparági lánc
A félvezető lézerchip a különféle lézerek központi pumpáló fényforrása az iparági lánc középső szakaszában, és pozitív szerepet játszik a középáramú lézerek fejlesztésének előmozdításában. A középáramú lézerek területén az Egyesült Államok, Németország és más külföldi vállalatok dominálnak, de a hazai lézeripar gyors fejlődése után az iparági lánc középső szakaszú piaca gyors hazai helyettesítést ért el.
③Ipari lánc lefelé
A downstream iparágnak nagyobb szerepe van az iparág fejlődésének előmozdításában, így a downstream iparág fejlődése közvetlenül befolyásolja az iparág piaci terét. Kína gazdaságának folyamatos növekedése és a gazdasági átalakulásra vonatkozó stratégiai lehetőségek megjelenése jobb fejlődési feltételeket teremtett az iparág fejlődéséhez. Kína a gyártó országból a gyártó nagyhatalommá válik, és a downstream lézerek és lézerberendezések a feldolgozóipar korszerűsítésének egyik kulcsát jelentik, ami jó keresleti környezetet biztosít az iparág hosszú távú fejlődéséhez. A downstream iparág követelményei a félvezető lézerchipek és eszközeik teljesítménymutatójával szemben egyre nőnek, és a hazai vállalkozások fokozatosan belépnek a kis teljesítményű lézerek piacáról a nagy teljesítményű lézerek piacára, ezért az iparágnak folyamatosan növelnie kell a beruházásokat a technológiai kutatás és fejlesztés, valamint a független innováció területén.
2. a félvezető lézeripar fejlesztési állapota
A félvezető lézerek rendelkeznek a legjobb energiaátalakítási hatásfokkal az összes lézertípus közül, egyrészt optikai szálas lézerek, szilárdtest lézerek és más optikai pumpáló lézerek magpumpa forrásaként használhatók. Másrészt a félvezető lézertechnológia folyamatos áttörésének köszönhetően az energiahatékonyság, a fényerő, az élettartam, a több hullámhossz, a modulációs sebesség stb. tekintetében a félvezető lézereket széles körben használják az anyagfeldolgozásban, az orvostudományban, az optikai kommunikációban, az optikai érzékelésben, a védelemben stb. A Laser Focus World szerint a diódalézerek, azaz a félvezető lézerek és a nem diódalézerek teljes globális bevétele 2021-ben 18 480 millió dollárra becsülhető, a félvezető lézerek pedig a teljes bevétel 43%-át teszik ki.
A Laser Focus World szerint a globális félvezető lézerpiac 2020-ban 6,724 millió dollár lesz, ami 14,20%-os növekedést jelent az előző évhez képest. A globális intelligencia fejlődésével, az intelligens eszközökben, a szórakoztató elektronikában, az új energiaforrásokban és más területeken a lézerek iránti növekvő kereslettel, valamint az orvosi, szépségápolási berendezések és egyéb feltörekvő alkalmazások folyamatos bővülésével a félvezető lézerek szivattyúforrásként használhatók optikai szivattyúlézerek számára, és piaci mérete továbbra is stabil növekedést fog mutatni. A 2021-es globális félvezető lézerpiac mérete 7,946 milliárd dollár volt, ami 18,18%-os piaci növekedési ütemet jelent.
Műszaki szakértők, vállalkozások és gyakorlati szakemberek közös erőfeszítéseinek köszönhetően Kína félvezető lézeripara rendkívüli fejlődést ért el, így a kínai félvezető lézeripara a nulláról indulva megtapasztalta a folyamatot, és megszületett a kínai félvezető lézeripar prototípusa. Az elmúlt években Kína fokozta a lézeripar fejlődését, és számos régióban tudományos kutatásra, technológiafejlesztésre, piacfejlesztésre és lézeripari parkok építésére összpontosítottak a kormány vezetésével és a lézeripari vállalkozások együttműködésével.
3. Kína lézeriparának jövőbeli fejlődési trendjei
Az európai és amerikai fejlett országokhoz képest Kína lézertechnológiája nem késett, de a lézertechnológia és a csúcskategóriás magtechnológia alkalmazásában még mindig jelentős a lemaradás, különösen az upstream félvezető lézerchip és más magkomponensek továbbra is importfüggőek.
Az Egyesült Államok, Németország és Japán által képviselt fejlett országok alapvetően befejezték a hagyományos gyártástechnológia lecserélését néhány nagy ipari területen, és beléptek a „könnyűgyártás” korszakába; bár a lézeralkalmazások fejlődése Kínában gyors, az alkalmazások penetrációs aránya még mindig viszonylag alacsony. Az ipari korszerűsítés központi technológiájaként a lézeripar továbbra is a nemzeti támogatás kulcsfontosságú területe marad, és továbbra is bővíti az alkalmazási kört, végső soron elősegítve Kína feldolgozóiparának a „könnyűgyártás” korszakába való eljutását. A jelenlegi fejlesztési helyzetből kiindulva a kínai lézeripar fejlődése a következő fejlődési trendeket mutatja.
(1) A félvezető lézerchip és más alapvető alkatrészek fokozatosan felismerik a lokalizációt
Vegyük például a szálas lézert. A félvezető lézer fő alkalmazási területe a nagy teljesítményű szálas lézer szivattyúforrás, a nagy teljesítményű félvezető lézer chip és modul pedig a szálas lézer fontos alkotóeleme. Az elmúlt években Kína optikai szálas lézeripara gyors növekedési szakaszban van, és a lokalizáció mértéke évről évre növekszik.
A piaci penetráció tekintetében a kis teljesítményű szálas lézerek piacán a hazai lézerek piaci részesedése 2019-ben elérte a 99,01%-ot; a közepes teljesítményű szálas lézerek piacán a hazai lézerek penetrációs aránya az elmúlt években több mint 50%-on maradt; a nagy teljesítményű szálas lézerek lokalizációs folyamata is fokozatosan halad előre, 2013 és 2019 között a "semmiből való" megközelítést valósították meg. A nagy teljesítményű szálas lézerek lokalizációs folyamata is fokozatosan halad előre, 2013 és 2019 között elérte az 55,56%-os penetrációs arányt, a nagy teljesítményű szálas lézerek hazai penetrációs aránya pedig várhatóan 57,58% lesz 2020-ban.
Azonban az olyan alapvető alkatrészek, mint a nagy teljesítményű félvezető lézerchipek, továbbra is importfüggőek, és a félvezető lézerchipeket magként használó lézerek upstream alkatrészei fokozatosan lokalizálódnak, ami egyrészt javítja a hazai lézerek upstream alkatrészeinek piaci méretét, másrészt az upstream alapvető alkatrészek lokalizációjával javíthatja a hazai lézergyártók azon képességét, hogy részt vegyenek a nemzetközi versenyben.
(2) A lézeralkalmazások gyorsabban és szélesebb körben hatolnak be
Az upstream központi optoelektronikai komponensek fokozatos lokalizációjával és a lézeralkalmazási költségek fokozatos csökkenésével a lézerek mélyebben behatolnak számos iparágba.
Egyrészt Kína számára a lézeres megmunkálás a kínai feldolgozóipar tíz legfontosabb alkalmazási területébe is beilleszkedik, és várható, hogy a lézeres megmunkálás alkalmazási területei tovább bővülnek, a piaci méret pedig a jövőben is bővülni fog. Másrészt a vezető nélküli technológiák, a fejlett segített vezetési rendszerek, a szolgáltatásorientált robotok, a 3D-s érzékelés stb. folyamatos népszerűsítésével és fejlesztésével egyre több területen fogják alkalmazni, például az autóiparban, a mesterséges intelligenciában, a szórakoztató elektronikában, az arcfelismerésben, az optikai kommunikációban és a nemzetvédelmi kutatásokban. A fenti lézeralkalmazások központi eszközeként vagy alkotóelemeként a félvezető lézer is gyorsan fejlődni fog.
(3) Nagyobb teljesítmény, jobb nyalábminőség, rövidebb hullámhossz és gyorsabb frekvenciairány-fejlesztés
Az ipari lézerek területén a szálas lézerek bevezetése óta nagy előrelépést tettek a kimenő teljesítmény, a nyalábminőség és a fényerő tekintetében. A nagyobb teljesítmény azonban javíthatja a feldolgozási sebességet, optimalizálhatja a feldolgozás minőségét, és kiterjesztheti a feldolgozási területet a nehézipari gyártásra, az autóiparra, a repülőgépiparra, az energetikára, a gépgyártásra, a kohászatra, a vasúti közlekedésre, a tudományos kutatásra és más alkalmazási területekre, mint például a vágás, hegesztés, felületkezelés stb. A szálas lézer teljesítményigénye folyamatosan növekszik. A megfelelő eszközgyártóknak folyamatosan javítaniuk kell az alapvető eszközök (például a nagy teljesítményű félvezető lézerchipek és az erősítőszálak) teljesítményét. A szálas lézer teljesítményének növelése fejlett lézermodulációs technológiát is igényel, mint például a nyalábkombináció és a teljesítményszintézis, ami új követelményeket és kihívásokat támaszt a nagy teljesítményű félvezető lézerchip-gyártók számára. Ezenkívül a rövidebb hullámhosszak, a nagyobb hullámhosszak, a gyorsabb (ultragyors) lézerfejlesztés is fontos irány, főként integrált áramköri chipekben, kijelzőkben, szórakoztató elektronikában, repülőgépiparban és más precíziós mikrofeldolgozásban, valamint az élettudományokban, az orvostudományban, az érzékelésben és más területeken. A félvezető lézerchipek is új követelményeket támasztanak.
(4) a nagy teljesítményű lézeroptoelektronikai alkatrészek iránti kereslet további növekedésre számíthat
A nagy teljesítményű szálas lézerek fejlesztése és iparosítása az iparági lánc szinergikus fejlődésének eredménye, amely megköveteli az olyan alapvető optoelektronikai komponensek támogatását, mint a szivattyúforrás, az izolátor, a nyalábkoncentrátor stb. A nagy teljesítményű szálas lézerekben használt optoelektronikai komponensek képezik fejlesztésük és gyártásuk alapját és kulcsfontosságú elemeit, és a nagy teljesítményű szálas lézerek bővülő piaca a főbb komponensek, például a nagy teljesítményű félvezető lézerchipek iránti piaci keresletet is növeli. Ugyanakkor a hazai szálas lézertechnológia folyamatos fejlesztésével az importhelyettesítés elkerülhetetlen trenddé vált, a lézerpiaci részesedés a világon tovább javul, ami nagyszerű lehetőségeket teremt az optoelektronikai alkatrészgyártók helyi erősségeire is.
Közzététel ideje: 2023. márc. 7.
