1. Visão geral da indústria de laser
(1) Introdução ao laser
Laser (Amplificação de 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 por meio de ressonância e radiação de feedback excitado.
A tecnologia laser teve origem no início da década de 1960 e, devido à sua natureza completamente diferente da luz comum, o laser logo foi amplamente utilizado em vários campos e influenciou profundamente o desenvolvimento e a transformação da ciência, tecnologia, economia e sociedade.
O nascimento do laser mudou drasticamente a face da óptica antiga, expandindo a física óptica clássica numa nova disciplina de alta tecnologia que abrange tanto a óptica clássica como a fotónica moderna, dando um contributo insubstituível para o desenvolvimento da economia humana e da sociedade.A pesquisa em física do laser contribuiu para o florescimento de dois ramos principais da física fotônica moderna: fotônica de energia e fotônica de informação.Abrange óptica não linear, óptica quântica, computação quântica, detecção e comunicação a laser, física de plasma a laser, química a laser, biologia a laser, medicina a laser, espectroscopia e metrologia a laser ultraprecisa, física atômica a laser, incluindo resfriamento a laser e pesquisa de matéria condensada de Bose-Einstein. , materiais funcionais a laser, fabricação a laser, fabricação de chips microoptoeletrônicos a laser, impressão 3D a laser e mais de 20 disciplinas de fronteira internacional e aplicações tecnológicas.O Departamento de Ciência e Tecnologia Laser (DSL) foi estabelecido nas seguintes áreas.
Na indústria de fabricação de laser, o mundo entrou na era da "fabricação leve", de acordo com as estatísticas internacionais da indústria de laser, 50% do PIB anual dos Estados Unidos1 está relacionado à rápida expansão do mercado de aplicações de laser de alto nível.Vários países desenvolvidos, representados pelos Estados Unidos, Alemanha e Japão, concluíram basicamente a substituição dos processos tradicionais pelo processamento a laser nas principais indústrias transformadoras, como a automóvel e a aviação.O laser na produção industrial demonstrou um grande potencial para aplicações de produção especial, de baixo custo, de alta qualidade e de alta eficiência, que não podem ser alcançadas pela produção convencional, e tornou-se um importante motor de concorrência e inovação entre os principais países industriais do mundo.Os países estão a apoiar activamente a tecnologia laser como uma das suas tecnologias de ponta mais importantes e desenvolveram planos nacionais de desenvolvimento da indústria laser.
(2)LaserFonte Pprincípio
O laser é um dispositivo que utiliza radiação excitada para produzir luz visível ou invisível, com estrutura complexa e elevadas barreiras técnicas.O sistema óptico é composto principalmente de fonte de bomba (fonte de excitação), meio de ganho (substância de trabalho) e cavidade ressonante e outros materiais de dispositivos ópticos.O meio de ganho é a fonte de geração de fótons e, ao absorver a energia gerada pela fonte da bomba, o meio de ganho salta do estado fundamental para o estado excitado.Como o estado excitado é instável, neste momento, o meio de ganho liberará energia para retornar ao estado estacionário do estado fundamental.Neste processo de liberação de energia, o meio de ganho produz fótons, e esses fótons possuem alto grau de consistência em energia, comprimento de onda e direção, são constantemente refletidos na cavidade ressonante óptica, movimento recíproco, de modo a amplificar continuamente, e finalmente atire o laser através do refletor para formar um feixe de laser.Como o sistema óptico central do equipamento terminal, o desempenho do laser muitas vezes determina diretamente a qualidade e a potência do feixe de saída do equipamento laser, é o componente principal do equipamento laser terminal.
A fonte da bomba (fonte de excitação) fornece excitação de energia ao meio de ganho.O meio de ganho é excitado para produzir fótons para gerar e amplificar o laser.A cavidade ressonante é o local onde as características do fóton (frequência, fase e direção de operação) são reguladas para obter uma fonte de luz de saída de alta qualidade, controlando as oscilações do fóton na cavidade.A fonte da bomba (fonte de excitação) fornece a excitação de energia para o meio de ganho.O meio de ganho é excitado para produzir fótons para gerar e amplificar o laser.A cavidade ressonante é o local onde as características do fóton (frequência, fase e direção de operação) são ajustadas para obter uma fonte de luz de saída de alta qualidade, controlando as oscilações do fóton na cavidade.
(3)Classificação da fonte de laser
A fonte do laser pode ser classificada de acordo com o meio de ganho, comprimento de onda de saída, modo de operação e modo de bombeamento, como segue
① Classificação por meio de ganho
De acordo com os diferentes meios de ganho, os lasers podem ser divididos em estado sólido (incluindo sólido, semicondutor, fibra, híbrido), lasers líquidos, lasers a gás, etc.
| LaserFonteTipo | Ganhe mídia | Principais características |
| Fonte de laser de estado sólido | Sólidos, Semicondutores, Fibra Óptica, Híbrido | Boa estabilidade, alta potência, baixo custo de manutenção, adequado para industrialização |
| Fonte de laser líquido | Líquidos químicos | Faixa de comprimento de onda opcional atingida, mas tamanho grande e alto custo de manutenção |
| Fonte de laser a gás | Gases | Fonte de luz laser de alta qualidade, mas tamanho maior e custos de manutenção mais elevados |
| Fonte de laser de elétrons grátis | Feixe de elétrons em um campo magnético específico | Potência ultra-alta e saída de laser de alta qualidade podem ser alcançadas, mas a tecnologia de fabricação e os custos de produção são muito altos |
Devido à boa estabilidade, alta potência e baixo custo de manutenção, a aplicação de lasers de estado sólido leva vantagem absoluta.
Entre os lasers de estado sólido, os lasers semicondutores têm as vantagens de alta eficiência, tamanho pequeno, longa vida, baixo consumo de energia, etc. Por um lado, eles podem ser aplicados diretamente como fonte de luz central e suporte para processamento de laser, médico, aplicações de comunicação, detecção, exibição, monitoramento e defesa, e se tornaram uma base importante para o desenvolvimento da moderna tecnologia laser com importância estratégica para o desenvolvimento.
Por outro lado, os lasers semicondutores também podem ser usados como fonte de luz de bombeamento central para outros lasers, como lasers de estado sólido e lasers de fibra, promovendo grandemente o progresso tecnológico de todo o campo do laser.Todos os principais países desenvolvidos do mundo incluíram-no nos seus planos nacionais de desenvolvimento, dando um forte apoio e obtendo um rápido desenvolvimento.
② De acordo com o método de bombeamento
Os lasers podem ser divididos em lasers bombeados eletricamente, bombeados opticamente, bombeados quimicamente, etc., de acordo com o método de bombeamento.
Lasers bombeados eletricamente referem-se a lasers excitados por corrente, os lasers de 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 bomba óptica, e os lasers semicondutores são usados como fonte de bombeamento central para lasers de bomba óptica.
Lasers bombeados quimicamente referem-se a lasers que usam a energia liberada de 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 possuem uma distribuição estável do número de partículas em cada nível de energia e do campo de radiação na cavidade, e sua operação é caracterizada pela excitação do material de trabalho e pela saída correspondente do laser de maneira contínua durante um longo período de tempo .Os lasers contínuos podem emitir luz laser continuamente por um longo período de tempo, mas o efeito térmico é mais óbvio.
Lasers pulsados referem-se ao tempo em que a potência do laser é mantida em um determinado valor, e emitem luz laser de forma descontínua, tendo como principais características pequeno 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 como 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 fino de diferentes materiais ou para diferentes cenários de aplicação.Lasers infravermelhos e lasers UV são os dois lasers mais utilizados.Os lasers infravermelhos são usados principalmente em "processamento térmico", onde o material na superfície do material é aquecido e vaporizado (evaporado) para remover o material;no processamento de material não metálico de filme fino, corte de wafer semicondutor, corte de vidro orgânico, perfuração, marcação e outros campos, alta energia No campo de processamento de material não metálico de filme fino, corte de wafer semicondutor, corte de vidro orgânico, perfuração, marcação, etc., os fótons UV de alta energia quebram diretamente as ligações moleculares na superfície de materiais não metálicos, de modo que as moléculas podem ser separadas do objeto, e este método não produz alta reação térmica, por isso é geralmente chamado de "frio em processamento".
Devido à alta energia dos fótons UV, é difícil gerar um certo laser UV contínuo de alta potência por fonte de excitação externa, de modo que o laser UV é geralmente gerado pela aplicação do método de conversão de frequência de efeito não linear de material cristalino, de modo que a corrente é amplamente utilizada O campo industrial de lasers UV são principalmente lasers UV de estado sólido.
(4) Cadeia industrial
A montante da cadeia industrial está o uso de matérias-primas semicondutoras, equipamentos de última geração e acessórios de produção relacionados para fabricar núcleos de laser e dispositivos optoeletrônicos, que é a pedra angular da indústria de laser e tem um alto limite de acesso.O meio da cadeia da indústria é o uso de chips laser upstream e dispositivos optoeletrônicos, módulos, componentes ópticos, etc. como fontes de bomba para a fabricação e venda de vários lasers, incluindo lasers semicondutores diretos, lasers de dióxido de carbono, lasers de estado sólido, lasers de fibra, etc.;a indústria downstream refere-se principalmente às áreas de aplicação de vários lasers, incluindo equipamentos de processamento industrial, LIDAR, comunicações ópticas, beleza médica e outras indústrias de aplicação
①Fornecedores upstream
As matérias-primas para produtos upstream, como chips, dispositivos e módulos de laser semicondutores, são principalmente vários materiais de chips, materiais de fibra e peças usinadas, incluindo substratos, dissipadores de calor, produtos químicos e conjuntos de caixas.O processamento de chips requer alta qualidade e desempenho de matérias-primas upstream, principalmente de fornecedores estrangeiros, mas o grau de localização está aumentando gradualmente e gradualmente alcançando controle independente.O desempenho das principais matérias-primas upstream tem um impacto direto na qualidade dos chips laser semicondutores, com a melhoria contínua do desempenho de diversos materiais de chips, para melhorar o desempenho dos produtos da indústria desempenham um papel positivo na promoção.
②Cadeia da indústria midstream
O chip laser semicondutor é a fonte de luz da bomba central de vários tipos de lasers no meio da cadeia da indústria e desempenha um papel positivo na promoção do desenvolvimento de lasers intermediários.No campo dos lasers intermediários, os Estados Unidos, a Alemanha e outras empresas estrangeiras dominam, mas após o rápido desenvolvimento da indústria doméstica de laser nos últimos anos, o mercado intermediário da cadeia industrial alcançou uma rápida substituição doméstica.
③Cadeia industrial a jusante
A indústria a jusante tem um papel maior na promoção do desenvolvimento da indústria, pelo que o desenvolvimento da indústria a jusante afectará directamente o espaço de mercado da indústria.O crescimento contínuo da economia da China e o surgimento de oportunidades estratégicas para a transformação económica criaram melhores condições de desenvolvimento para o desenvolvimento desta indústria.A China está passando de um país manufatureiro para uma potência manufatureira, e os lasers e equipamentos a laser a jusante são uma das chaves para a atualização da indústria manufatureira, o que fornece um bom ambiente de demanda para a melhoria a longo prazo desta indústria.Os requisitos da indústria a jusante para o índice de desempenho de chips laser semicondutores e seus dispositivos estão aumentando, e as empresas nacionais estão gradualmente entrando no mercado de laser de alta potência a partir do mercado de laser de baixa potência, portanto, a indústria deve aumentar continuamente o investimento no campo da pesquisa tecnológica e desenvolvimento e inovação independente.
2. Status de desenvolvimento da indústria de laser semicondutor
Os lasers semicondutores têm a melhor eficiência de conversão de energia entre todos os tipos de lasers; por um lado, podem ser usados como fonte de bomba central de lasers de fibra óptica, lasers de estado sólido e outros lasers de bomba óptica.Por outro lado, com o avanço contínuo da tecnologia de laser semicondutor em termos de eficiência energética, brilho, vida útil, comprimento de onda múltiplo, taxa de modulação, etc., os lasers semicondutores são amplamente utilizados no processamento de materiais, medicina, comunicação óptica, detecção óptica, defesa, etc. De acordo com a Laser Focus World, a receita global total de lasers de diodo, ou seja, lasers semicondutores e lasers sem diodo, é estimada em US$ 18.480 milhões em 2021, com lasers semicondutores representando 43% da receita total.
De acordo com a Laser Focus World, o mercado global de laser semicondutor será de US$ 6.724 milhões em 2020, um aumento de 14,20% em relação ao ano anterior.Com o desenvolvimento da inteligência global, a crescente demanda por lasers em dispositivos inteligentes, eletrônicos de consumo, novas energias e outros campos, bem como a expansão contínua de equipamentos médicos, de beleza e outras aplicações emergentes, os lasers semicondutores podem ser usados como fonte de bomba para lasers de bomba óptica, e seu tamanho de mercado continuará a manter um crescimento estável.Tamanho do mercado global de laser semicondutor em 2021 de US$ 7,946 bilhões, a taxa de crescimento do mercado de 18,18%.
Através dos esforços conjuntos de especialistas técnicos, empresas e profissionais, a indústria de laser semicondutor da China alcançou um desenvolvimento extraordinário, de modo que a indústria de laser semicondutor da China experimentou o processo do zero e o início do protótipo da indústria de laser semicondutor da China.Nos últimos anos, a China aumentou o desenvolvimento da indústria de laser e várias regiões têm se dedicado à pesquisa científica, ao aprimoramento tecnológico, ao desenvolvimento de mercado e à construção de parques industriais de laser sob a liderança do governo e à cooperação de empresas de laser.
3. Tendência de desenvolvimento futuro da indústria laser da 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 da tecnologia central de ponta ainda existe uma lacuna considerável, especialmente o chip laser semicondutor upstream e outros componentes principais ainda são dependente de importações.
Os países desenvolvidos representados pelos Estados Unidos, Alemanha e Japão concluíram basicamente a substituição da tecnologia de produção tradicional em alguns grandes campos industriais e entraram na era da "fabricação leve";embora o desenvolvimento de aplicações de laser na China seja rápido, a taxa de penetração da aplicação ainda é relativamente baixa.Como tecnologia central da atualização industrial, a indústria do laser continuará a ser uma área-chave de apoio nacional e continuará a expandir o escopo de aplicação e, em última análise, promoverá a indústria manufatureira da China para a era da "fabricação leve".A partir da atual situação de desenvolvimento, o desenvolvimento da indústria de laser da China mostra as seguintes tendências de desenvolvimento.
(1) O chip laser semicondutor e outros componentes principais realizam gradualmente a localização
Tomemos o laser de fibra como exemplo, a fonte da bomba de laser de fibra de alta potência é a principal área de aplicação do laser semicondutor, o chip e módulo de laser semicondutor de alta potência é um componente importante do laser de fibra.Nos últimos anos, a indústria de laser de fibra óptica da China está em um estágio de rápido crescimento e o grau de localização está aumentando ano a ano.
Em termos de penetração no mercado, no mercado de laser de fibra de baixa potência, a quota de mercado dos lasers domésticos atingiu 99,01% em 2019;no mercado de laser de fibra de média potência, a taxa de penetração dos lasers domésticos tem sido mantida em mais de 50% nos últimos anos;o processo de localização de lasers de fibra de alta potência também está avançando gradativamente, de 2013 a 2019 para chegar "do zero".O processo de localização de lasers de fibra de alta potência também está avançando gradativamente, de 2013 a 2019, e atingiu uma taxa de penetração de 55,56%, e a taxa de penetração doméstica de lasers de fibra de alta potência deverá ser de 57,58% em 2020.
No entanto, os componentes principais, como chips laser semicondutores de alta potência, ainda dependem de importações, e os componentes a montante de lasers com chips laser semicondutores como núcleo estão gradualmente sendo localizados, o que, por um lado, melhora a escala de mercado dos componentes a montante de lasers domésticos e, por outro lado, com a localização dos componentes principais a montante, pode melhorar a capacidade dos fabricantes nacionais de laser de participarem da competição internacional.
(2) As aplicações a laser penetram de forma mais rápida e ampla
Com a localização gradual dos principais componentes optoeletrônicos a montante e a diminuição gradual dos custos de aplicação do laser, os lasers penetrarão mais profundamente em muitas indústrias.
Por um lado, para a China, o processamento a laser também se enquadra nas dez principais áreas de aplicação da indústria manufatureira da China, e espera-se que as áreas de aplicação do processamento a laser sejam ainda mais expandidas e a escala de mercado seja ainda mais expandida no futuro.Por outro lado, com a contínua popularização e desenvolvimento de tecnologias como sem condutor, sistema de condução assistida avançada, robô orientado para serviços, detecção 3D, etc., será mais aplicado em muitos campos, como automóvel, inteligência artificial, electrónica de consumo. , reconhecimento facial, comunicação óptica e pesquisa de defesa nacional.Como dispositivo ou componente central das aplicações de laser acima, o laser semicondutor também ganhará espaço de rápido desenvolvimento.
(3) Maior potência, melhor qualidade de feixe, comprimento de onda mais curto e desenvolvimento mais rápido da direção de frequência
No campo dos lasers industriais, os lasers de fibra fizeram grandes progressos em termos de potência de saída, qualidade do feixe e brilho desde a sua introdução.No entanto, maior potência pode melhorar a velocidade de processamento, otimizar a qualidade do processamento e expandir o campo de processamento para a indústria pesada, na fabricação automotiva, na fabricação aeroespacial, na energia, na fabricação de máquinas, na metalurgia, na construção de transporte ferroviário, na pesquisa científica e em outros campos de aplicação no corte. , soldagem, tratamento de superfície, etc., os requisitos de energia do laser de fibra continuam a aumentar.Os fabricantes de dispositivos correspondentes precisam melhorar continuamente o desempenho dos dispositivos principais (como chip de laser semicondutor de alta potência e fibra de ganho), o aumento da potência do laser de fibra também requer tecnologia avançada de modulação de laser, como combinação de feixe e síntese de energia, o que trará novos requisitos e desafios para fabricantes de chips laser semicondutores de alta potência.Além disso, comprimentos de onda mais curtos, mais comprimentos de onda, desenvolvimento de laser mais rápido (ultra-rápido) também é uma direção importante, usada principalmente em chips de circuitos integrados, displays, eletrônicos de consumo, aeroespacial e outros microprocessamentos de precisão, bem como ciências biológicas, medicina, detecção e outros campos, o chip laser semicondutor também apresentou novos requisitos.
(4) para componentes optoeletrônicos de laser de alta potência, demanda por maior crescimento
O desenvolvimento e industrialização do laser de fibra de alta potência é o resultado do progresso sinérgico da cadeia industrial, que requer o suporte de componentes optoeletrônicos centrais, como fonte de bomba, isolador, concentrador de feixe, etc. laser de fibra são a base e os principais componentes de seu desenvolvimento e produção, e o mercado em expansão de laser de fibra de alta potência também impulsiona a demanda do mercado por componentes principais, como chips de laser semicondutores de alta potência.Ao mesmo tempo, com a melhoria contínua da tecnologia nacional de laser de fibra, a substituição de importações tornou-se uma tendência inevitável, a participação no mercado de laser no mundo continuará a melhorar, o que também traz grandes oportunidades para a força local dos fabricantes de componentes optoeletrônicos.
Horário da postagem: 07 de março de 2023
