1. Visão geral da indústria de lasers
(1) Introdução ao laser
O laser (amplificação da luz por emissão estimulada de radiação, abreviado como LASER) é um feixe de luz colimado, monocromático, coerente e direcional, produzido pela amplificação da radiação luminosa em uma frequência estreita através da excitação de ressonância de feedback e radiação.
A tecnologia laser surgiu no início da década de 1960 e, devido à sua natureza completamente diferente da luz comum, logo passou a ser amplamente utilizada em diversos campos, influenciando profundamente o desenvolvimento e a transformação da ciência, da tecnologia, da economia e da sociedade.
O surgimento do laser transformou drasticamente a face da óptica antiga, expandindo a física óptica clássica para uma nova disciplina de alta tecnologia que engloba tanto a óptica clássica quanto a fotônica moderna, contribuindo de forma insubstituível para o desenvolvimento da economia e da sociedade humanas. A pesquisa em física de lasers contribuiu para o florescimento de dois grandes ramos da física fotônica moderna: fotônica energética e fotônica informacional. Abrange óptica não linear, óptica quântica, computação quântica, sensoriamento e comunicação a laser, física de plasma a laser, química de lasers, biologia de lasers, medicina a laser, espectroscopia e metrologia a laser de ultraprecisão, física atômica a laser, incluindo resfriamento a laser e pesquisa em matéria condensada de Bose-Einstein, materiais funcionais a laser, manufatura a laser, fabricação de chips micro-optoeletrônicos a laser, impressão 3D a laser e mais de 20 disciplinas e aplicações tecnológicas de vanguarda internacionais. O Departamento de Ciência e Tecnologia de Lasers (DSL) foi estabelecido nas seguintes áreas.
Na indústria de fabricação a laser, o mundo entrou na era da "manufatura leve". Segundo estatísticas internacionais do setor, 50% do PIB anual dos Estados Unidos¹ está relacionado à rápida expansão do mercado de aplicações a laser de alta tecnologia. Diversos países desenvolvidos, como Estados Unidos, Alemanha e Japão, já concluíram a substituição de processos tradicionais por processamento a laser em importantes indústrias, como a automotiva e a aeroespacial. O laser na manufatura industrial demonstra grande potencial para aplicações de baixo custo, alta qualidade, alta eficiência e fabricação especial, impossíveis de serem alcançadas pelos métodos convencionais, tornando-se um importante motor de competitividade e inovação entre as principais potências industriais do mundo. Os países estão investindo ativamente em tecnologia laser, considerando-a uma de suas tecnologias de ponta mais importantes, e desenvolveram planos nacionais para o desenvolvimento da indústria a laser.
(2)LaserFonte Pprincípio
O laser é um dispositivo que utiliza radiação excitada para produzir luz visível ou invisível, com estrutura complexa e altas barreiras técnicas. O sistema óptico é composto principalmente por uma fonte de bombeamento (fonte de excitação), um meio ativo (substância ativa) e uma cavidade ressonante, entre outros materiais ópticos. O meio ativo é a fonte de geração de fótons e, ao absorver a energia gerada pela fonte de bombeamento, salta do estado fundamental para o estado excitado. Como o estado excitado é instável, o meio ativo libera energia para retornar ao estado fundamental. Nesse processo de liberação de energia, o meio ativo produz fótons, que possuem alta consistência em energia, comprimento de onda e direção. Esses fótons são constantemente refletidos na cavidade ressonante óptica, onde sofrem movimento recíproco, sendo amplificados continuamente e, finalmente, emitidos através do refletor para formar um feixe de laser. Como componente central do sistema óptico do equipamento terminal, o desempenho do laser geralmente determina diretamente a qualidade e a potência do feixe de saída do equipamento, sendo, portanto, um componente essencial do equipamento laser terminal.
A fonte de bombeamento (fonte de excitação) fornece energia de excitação ao meio ativo. O meio ativo é excitado para produzir fótons que geram e amplificam o laser. A cavidade ressonante é o local onde as características dos fótons (frequência, fase e direção de operação) são reguladas para obter uma fonte de luz de alta qualidade, controlando as oscilações dos fótons na cavidade.
(3)Classificação de fontes de laser
As fontes de laser podem ser classificadas de acordo com o meio de ganho, o comprimento de onda de saída, o modo de operação e o modo de bombeamento, conforme descrito a seguir.
① Classificação por meio de ganho
De acordo com os diferentes meios de ganho, os lasers podem ser divididos em lasers de estado sólido (incluindo lasers sólidos, semicondutores, de fibra, híbridos), lasers líquidos, lasers a gás, etc.
| LaserFonteTipo | Ganho de Mídia | Principais características |
| Fonte de laser de estado sólido | Sólidos, semicondutores, fibra óptica, híbridos | Boa estabilidade, alta potência, baixo custo de manutenção, adequado para industrialização. |
| Fonte de laser líquido | Líquidos químicos | A faixa de comprimento de onda opcional é atingida, mas o tamanho grande e o alto custo de manutenção são fatores a serem considerados. |
| Fonte de laser a gás | Gases | Fonte de luz laser de alta qualidade, porém de tamanho maior e com custos de manutenção mais elevados. |
| Fonte de laser de elétrons livres | Feixe de elétrons em um campo magnético específico | É possível obter uma potência ultra-alta e uma saída de laser de alta qualidade, mas a tecnologia de fabricação e os custos de produção são muito elevados. |
Devido à boa estabilidade, alta potência e baixo custo de manutenção, a aplicação de lasers de estado sólido apresenta vantagens absolutas.
Entre os lasers de estado sólido, os lasers semicondutores apresentam vantagens como alta eficiência, tamanho reduzido, longa vida útil e baixo consumo de energia. Por um lado, podem ser aplicados diretamente como fonte de luz principal e suporte para processamento a laser, aplicações médicas, de comunicação, sensoriamento, exibição, monitoramento e defesa, tornando-se uma base importante para o desenvolvimento da tecnologia laser moderna, com significado estratégico.
Por outro lado, os lasers semicondutores também podem ser usados como fonte de luz de bombeamento principal para outros lasers, como lasers de estado sólido e lasers de fibra, impulsionando significativamente o progresso tecnológico de todo o campo do laser. Todos os principais países desenvolvidos do mundo incluíram essa tecnologia em seus planos nacionais de desenvolvimento, oferecendo forte apoio e obtendo rápido crescimento.
② De acordo com o método de bombeamento
Os lasers podem ser divididos em lasers bombeados eletricamente, lasers bombeados opticamente, lasers bombeados quimicamente, etc., de acordo com o método de bombeamento.
Os lasers bombeados eletricamente são lasers excitados por corrente elétrica, os lasers a gás são excitados principalmente por descarga de gás, enquanto os lasers semicondutores são excitados principalmente por injeção de corrente.
Quase todos os lasers de estado sólido e lasers líquidos são lasers de bombeamento óptico, e os lasers semicondutores são usados como fonte principal de bombeamento para lasers de bombeamento óptico.
Os lasers bombeados quimicamente são lasers que utilizam a energia liberada por reações químicas para excitar o material de trabalho.
③Classificação por modo de operação
Os lasers podem ser divididos em lasers contínuos e lasers pulsados, de acordo com seu modo de operação.
Os lasers contínuos apresentam uma distribuição estável do número de partículas em cada nível de energia e do campo de radiação na cavidade, e seu funcionamento é caracterizado pela excitação do material de trabalho e pela emissão contínua de laser correspondente por um longo período de tempo. Embora possam emitir luz laser continuamente por um período prolongado, o efeito térmico é mais evidente.
Os lasers pulsados referem-se ao período de tempo em que a potência do laser é mantida em um determinado valor, emitindo luz laser de forma descontínua, com as principais características de baixo efeito térmico e boa controlabilidade.
④ Classificação por comprimento de onda de saída
Os lasers podem ser classificados de acordo com o comprimento de onda em lasers infravermelhos, lasers visíveis, lasers ultravioleta, lasers ultravioleta profundos e assim por diante. A faixa de comprimento de onda da luz que pode ser absorvida por diferentes materiais estruturados é diferente, portanto, lasers de diferentes comprimentos de onda são necessários para o processamento preciso de diferentes materiais ou para diferentes cenários de aplicação.Os lasers infravermelhos e os lasers ultravioleta são os dois tipos de laser mais utilizados. Os lasers infravermelhos são usados principalmente no "processamento térmico", onde o material na superfície é aquecido e vaporizado (evaporado) para remoção do material; no processamento de materiais não metálicos em filmes finos, corte de wafers semicondutores, corte de vidro orgânico, perfuração, marcação e outros campos, os fótons ultravioleta de alta energia quebram diretamente as ligações moleculares na superfície dos materiais não metálicos, permitindo que as moléculas se separem do objeto. Esse método não produz reações de alta temperatura, sendo geralmente chamado de "processamento a frio".
Devido à alta energia dos fótons UV, é difícil gerar um laser UV contínuo de alta potência por meio de uma fonte de excitação externa. Portanto, o laser UV é geralmente gerado pela aplicação do método de conversão de frequência por efeito não linear de material cristalino, sendo assim, o campo industrial atualmente mais utilizado para lasers UV é o de lasers UV de estado sólido.
(4) Cadeia industrial
O segmento a montante da cadeia produtiva consiste na utilização de matérias-primas semicondutoras, equipamentos de ponta e acessórios de produção relacionados para a fabricação de núcleos de laser e dispositivos optoeletrônicos, sendo este o pilar da indústria de lasers e apresentando um alto nível de complexidade. O segmento intermediário da cadeia produtiva compreende a utilização de chips de laser e dispositivos optoeletrônicos, módulos, componentes ópticos, etc., como fontes de bombeamento para a fabricação e venda de diversos lasers, incluindo lasers semicondutores diretos, lasers de dióxido de carbono, lasers de estado sólido, lasers de fibra, etc.; o segmento a jusante refere-se principalmente às áreas de aplicação de diversos lasers, incluindo equipamentos de processamento industrial, LIDAR, comunicações ópticas, estética médica e outras indústrias de aplicação.
① Fornecedores a montante
As matérias-primas para produtos a montante, como chips, dispositivos e módulos de laser semicondutor, são principalmente diversos materiais para chips, materiais de fibra e peças usinadas, incluindo substratos, dissipadores de calor, produtos químicos e conjuntos de encapsulamento. O processamento de chips exige matérias-primas a montante de alta qualidade e desempenho, provenientes principalmente de fornecedores estrangeiros, mas o grau de nacionalização está aumentando gradualmente, alcançando, aos poucos, controle independente. O desempenho das principais matérias-primas a montante tem um impacto direto na qualidade dos chips de laser semicondutor; com a melhoria contínua do desempenho de diversos materiais para chips, o aprimoramento do desempenho dos produtos da indústria desempenha um papel positivo na promoção do setor.
②Cadeia industrial de transporte e armazenamento
O chip laser semicondutor é a principal fonte de luz de bombeamento de vários tipos de lasers na cadeia produtiva intermediária, desempenhando um papel positivo na promoção do desenvolvimento desses lasers. No setor de lasers intermediários, empresas dos Estados Unidos, Alemanha e outros países dominam o mercado, mas, após o rápido desenvolvimento da indústria de lasers na China nos últimos anos, o mercado intermediário da cadeia produtiva tem experimentado uma rápida substituição por produtos nacionais.
③Cadeia industrial a jusante
O setor de transformação desempenha um papel fundamental na promoção do desenvolvimento da indústria, e, consequentemente, seu desenvolvimento impacta diretamente o mercado. O crescimento contínuo da economia chinesa e o surgimento de oportunidades estratégicas para a transformação econômica criaram condições favoráveis para o desenvolvimento desse setor. A China está se consolidando como uma potência industrial, e os lasers e equipamentos a laser são essenciais para a modernização da indústria, o que proporciona um ambiente favorável para o aprimoramento contínuo do setor. As exigências do setor de transformação em relação ao desempenho de chips de laser semicondutores e seus dispositivos estão aumentando, e as empresas nacionais estão gradualmente migrando do mercado de lasers de baixa potência para o mercado de alta potência. Portanto, o setor precisa investir continuamente em pesquisa e desenvolvimento tecnológico e em inovação independente.
2. Situação atual do desenvolvimento da indústria de lasers semicondutores
Dentre todos os tipos de lasers, os lasers semicondutores possuem a melhor eficiência de conversão de energia. Por um lado, podem ser utilizados como fonte de bombeamento principal em lasers de fibra óptica, lasers de estado sólido e outros lasers de bombeamento óptico. Por outro lado, com os avanços contínuos na tecnologia de lasers semicondutores em termos de eficiência energética, brilho, vida útil, multi-comprimento de onda, taxa de modulação, etc., esses lasers são amplamente utilizados em processamento de materiais, medicina, comunicação óptica, sensoriamento óptico, defesa, entre outras aplicações. Segundo a Laser Focus World, a receita global total de lasers de diodo, incluindo lasers semicondutores e não-diodos, foi estimada em US$ 18,48 bilhões em 2021, sendo que os lasers semicondutores representaram 43% dessa receita total.
Segundo a Laser Focus World, o mercado global de lasers semicondutores atingirá US$ 6,724 bilhões em 2020, um aumento de 14,20% em relação ao ano anterior. Com o desenvolvimento da inteligência artificial global, a crescente demanda por lasers em dispositivos inteligentes, eletrônicos de consumo, novas energias e outros campos, bem como a expansão contínua de aplicações emergentes em equipamentos médicos e de beleza, os lasers semicondutores podem ser usados como fonte de bombeamento para lasers ópticos, e seu tamanho de mercado continuará a manter um crescimento estável. Em 2021, o mercado global de lasers semicondutores atingiu US$ 7,946 bilhões, com uma taxa de crescimento de 18,18%.
Graças aos esforços conjuntos de especialistas técnicos, empresas e profissionais da área, a indústria de lasers semicondutores da China alcançou um desenvolvimento extraordinário, passando por um processo de desenvolvimento desde o início até a criação de um protótipo para esse setor no país. Nos últimos anos, a China intensificou o desenvolvimento da indústria de lasers, com diversas regiões dedicadas à pesquisa científica, ao aprimoramento tecnológico, ao desenvolvimento de mercado e à construção de parques industriais de laser, sob a liderança do governo e a cooperação de empresas do setor.
3. Tendências futuras de desenvolvimento da indústria de laser na China
Em comparação com os países desenvolvidos da Europa e dos Estados Unidos, a tecnologia laser da China não está atrasada, mas na aplicação da tecnologia laser e na tecnologia de ponta ainda existe uma lacuna considerável, especialmente no que diz respeito aos chips semicondutores para laser e outros componentes essenciais, que ainda dependem de importações.
Os países desenvolvidos, representados pelos Estados Unidos, Alemanha e Japão, basicamente concluíram a substituição da tecnologia de manufatura tradicional em alguns grandes setores industriais e entraram na era da "manufatura leve". Embora o desenvolvimento de aplicações a laser na China seja rápido, a taxa de penetração dessas aplicações ainda é relativamente baixa. Como tecnologia central para a modernização industrial, a indústria a laser continuará sendo uma área-chave de apoio nacional, expandindo seu escopo de aplicação e, em última instância, impulsionando a indústria manufatureira chinesa para a era da "manufatura leve". A partir do cenário atual, o desenvolvimento da indústria a laser na China apresenta as seguintes tendências.
(1) O chip laser semicondutor e outros componentes principais gradualmente realizam a localização
Tomando como exemplo o laser de fibra, a fonte de bombeamento de laser de fibra de alta potência é a principal área de aplicação do laser semicondutor, sendo o chip e o módulo de laser semicondutor de alta potência componentes importantes do laser de fibra. Nos últimos anos, a indústria de laser de fibra óptica da China tem apresentado um rápido crescimento, com um grau de nacionalização cada vez maior.
Em termos de penetração de mercado, no mercado de lasers de fibra de baixa potência, a participação de mercado dos lasers nacionais atingiu 99,01% em 2019; no mercado de lasers de fibra de média potência, a taxa de penetração dos lasers nacionais tem se mantido acima de 50% nos últimos anos; o processo de nacionalização de lasers de fibra de alta potência também está avançando gradualmente, tendo atingido uma taxa de penetração de 55,56% entre 2013 e 2019, e a expectativa é que a taxa de penetração nacional de lasers de fibra de alta potência seja de 57,58% em 2020.
No entanto, componentes essenciais, como chips de laser semicondutores de alta potência, ainda dependem de importações, e os componentes a montante de lasers que utilizam chips de laser semicondutores como núcleo estão sendo gradualmente nacionalizados. Isso, por um lado, melhora a escala de mercado dos componentes a montante de lasers nacionais e, por outro lado, com a nacionalização dos componentes essenciais a montante, pode aumentar a capacidade dos fabricantes nacionais de lasers de participar da competição internacional.
(2) As aplicações a laser penetram mais rápida e amplamente
Com a localização gradual dos componentes optoeletrônicos essenciais a montante e a diminuição gradual dos custos de aplicação do laser, os lasers penetrarão mais profundamente em muitos setores industriais.
Por um lado, na China, o processamento a laser também se enquadra nas dez principais áreas de aplicação da indústria manufatureira chinesa, e espera-se que as áreas de aplicação do processamento a laser se expandam ainda mais e que a escala de mercado cresça ainda mais no futuro. Por outro lado, com a contínua popularização e desenvolvimento de tecnologias como direção autônoma, sistemas avançados de assistência à direção, robôs orientados a serviços, sensores 3D, etc., o processamento a laser será cada vez mais aplicado em diversos campos, como automotivo, inteligência artificial, eletrônicos de consumo, reconhecimento facial, comunicação óptica e pesquisa de defesa nacional. Como dispositivo ou componente central das aplicações a laser mencionadas, o laser semicondutor também ganhará espaço para rápido desenvolvimento.
(3) Maior potência, melhor qualidade do feixe, comprimento de onda mais curto e desenvolvimento mais rápido da direção da frequência
No campo dos lasers industriais, os lasers de fibra têm apresentado grandes avanços em termos de potência de saída, qualidade do feixe e brilho desde a sua introdução. Contudo, o aumento da potência permite melhorar a velocidade de processamento, otimizar a qualidade do processamento e expandir o campo de aplicação para a indústria pesada, em setores como o automotivo, aeroespacial, energético, de máquinas, metalúrgico, ferroviário, de pesquisa científica e outros, em aplicações como corte, soldagem e tratamento de superfícies. A demanda por potência dos lasers de fibra continua a crescer. Os fabricantes de dispositivos precisam aprimorar continuamente o desempenho dos componentes principais (como chips de laser semicondutor de alta potência e fibras de ganho). O aumento da potência dos lasers de fibra também exige tecnologias avançadas de modulação a laser, como a combinação de feixes e a síntese de potência, o que trará novos requisitos e desafios para os fabricantes de chips de laser semicondutor de alta potência. Além disso, o desenvolvimento de lasers com comprimentos de onda mais curtos, em maior número e mais rápidos (ultrarrápidos) também é uma direção importante, sendo utilizados principalmente em circuitos integrados, displays, eletrônicos de consumo, aeroespacial e outros microprocessadores de precisão, bem como em ciências da vida, medicina, sensoriamento e outras áreas. Os chips de laser semicondutor também apresentam novas exigências para essas aplicações.
(4) para componentes optoeletrônicos de laser de alta potência demanda por crescimento adicional
O desenvolvimento e a industrialização do laser de fibra de alta potência são resultado do progresso sinérgico da cadeia produtiva, que requer o suporte de componentes optoeletrônicos essenciais, como fonte de bombeamento, isolador, concentrador de feixe, etc. Os componentes optoeletrônicos utilizados em lasers de fibra de alta potência são a base e os principais componentes de seu desenvolvimento e produção, e a expansão do mercado de lasers de fibra de alta potência também impulsiona a demanda por componentes essenciais, como chips semicondutores para lasers de alta potência. Ao mesmo tempo, com o aprimoramento contínuo da tecnologia nacional de lasers de fibra, a substituição de importações tornou-se uma tendência inevitável, a participação do mercado de lasers no mundo continuará a crescer, o que também traz grandes oportunidades para os fabricantes locais de componentes optoeletrônicos.
Data da publicação: 07/03/2023
