1. Panoramica del settore laser
(1) Introduzione al laser
Il laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, abbreviato in LASER) è un fascio di luce collimato, monocromatico, coerente e direzionale prodotto dall'amplificazione della radiazione luminosa a una frequenza ristretta tramite risonanza di feedback e radiazione eccitate.
La tecnologia laser ha avuto origine all'inizio degli anni '60 e, grazie alla sua natura completamente diversa dalla luce ordinaria, è stata presto ampiamente utilizzata in vari campi, influenzando profondamente lo sviluppo e la trasformazione della scienza, della tecnologia, dell'economia e della società.
La nascita del laser ha cambiato radicalmente il volto dell'ottica classica, espandendo la fisica ottica tradizionale in una nuova disciplina altamente tecnologica che abbraccia sia l'ottica classica che la fotonica moderna, apportando un contributo insostituibile allo sviluppo dell'economia e della società umana. La ricerca sulla fisica laser ha contribuito alla fioritura di due importanti branche della fisica fotonica moderna: la fotonica energetica e la fotonica dell'informazione. Essa comprende ottica non lineare, ottica quantistica, calcolo quantistico, rilevamento e comunicazione laser, fisica del plasma laser, chimica laser, biologia laser, medicina laser, spettroscopia e metrologia laser di altissima precisione, fisica atomica laser, inclusi raffreddamento laser e ricerca sulla materia condensata di Bose-Einstein, materiali funzionali laser, produzione laser, fabbricazione di chip micro-optoelettronici laser, stampa 3D laser e oltre 20 discipline e applicazioni tecnologiche di frontiera a livello internazionale. Il Dipartimento di Scienza e Tecnologia Laser (DSL) è stato istituito nelle seguenti aree.
Nel settore della produzione laser, il mondo è entrato nell'era della "produzione a luce". Secondo le statistiche internazionali del settore, il 50% del PIL annuo degli Stati Uniti¹ è legato alla rapida espansione del mercato delle applicazioni laser di alto livello. Diversi paesi sviluppati, tra cui Stati Uniti, Germania e Giappone, hanno sostanzialmente completato la sostituzione dei processi tradizionali con la lavorazione laser nei principali settori manifatturieri, come quello automobilistico e aeronautico. Il laser nella produzione industriale ha dimostrato un grande potenziale per applicazioni di produzione speciali, a basso costo, di alta qualità e ad alta efficienza, non realizzabili con i metodi di produzione convenzionali, ed è diventato un importante motore di competizione e innovazione tra i principali paesi industrializzati del mondo. I paesi sostengono attivamente la tecnologia laser come una delle loro tecnologie all'avanguardia più importanti e hanno sviluppato piani nazionali per lo sviluppo dell'industria laser.
(2)LaserFonte PPrincipio
Il laser è un dispositivo che utilizza radiazioni eccitate per produrre luce visibile o invisibile, caratterizzato da una struttura complessa e da elevate barriere tecniche. Il sistema ottico è composto principalmente da una sorgente di pompaggio (sorgente di eccitazione), un mezzo di guadagno (sostanza di lavoro), una cavità risonante e altri materiali ottici. Il mezzo di guadagno è la sorgente di generazione dei fotoni e, assorbendo l'energia generata dalla sorgente di pompaggio, passa dallo stato fondamentale allo stato eccitato. Poiché lo stato eccitato è instabile, in questa fase il mezzo di guadagno rilascia energia per tornare allo stato fondamentale. In questo processo di rilascio di energia, il mezzo di guadagno produce fotoni, che presentano un elevato grado di uniformità in termini di energia, lunghezza d'onda e direzione. Questi fotoni vengono costantemente riflessi nella cavità risonante ottica, subendo un movimento reciproco e amplificandosi continuamente, per poi essere emessi attraverso il riflettore, formando un fascio laser. Essendo il sistema ottico centrale di un'apparecchiatura terminale, le prestazioni del laser determinano direttamente la qualità e la potenza del fascio di uscita dell'apparecchiatura stessa, rappresentandone quindi il componente fondamentale.
La sorgente di pompaggio (sorgente di eccitazione) fornisce l'energia di eccitazione al mezzo di guadagno. Il mezzo di guadagno viene eccitato per produrre fotoni che generano e amplificano il laser. La cavità risonante è il luogo in cui le caratteristiche dei fotoni (frequenza, fase e direzione di funzionamento) vengono regolate per ottenere una sorgente luminosa di alta qualità controllando le oscillazioni dei fotoni nella cavità. La sorgente di pompaggio (sorgente di eccitazione) fornisce l'energia di eccitazione per il mezzo di guadagno. Il mezzo di guadagno viene eccitato per produrre fotoni che generano e amplificano il laser. La cavità risonante è il luogo in cui le caratteristiche dei fotoni (frequenza, fase e direzione di funzionamento) vengono regolate per ottenere una sorgente luminosa di alta qualità controllando le oscillazioni dei fotoni nella cavità.
(3)Classificazione delle sorgenti laser
Le sorgenti laser possono essere classificate in base al mezzo di guadagno, alla lunghezza d'onda di uscita, alla modalità operativa e alla modalità di pompaggio, come segue:
① Classificazione in base al mezzo di guadagno
In base al mezzo di guadagno, i laser possono essere suddivisi in laser a stato solido (inclusi laser a stato solido, a semiconduttore, a fibra, ibridi), laser a liquido, laser a gas, ecc.
| LaserFonteTipo | Gain Media | Caratteristiche principali |
| Sorgente laser a stato solido | Solidi, semiconduttori, fibre ottiche, ibridi | Ottima stabilità, elevata potenza, bassi costi di manutenzione, adatto all'industrializzazione |
| Sorgente laser a liquido | liquidi chimici | Gamma di lunghezze d'onda opzionale, ma dimensioni ingombranti e costi di manutenzione elevati |
| Sorgente laser a gas | Gas | Sorgente laser di alta qualità, ma di dimensioni maggiori e con costi di manutenzione più elevati. |
| Sorgente laser a elettroni liberi | Fascio di elettroni in uno specifico campo magnetico | È possibile ottenere una potenza laser elevatissima e una qualità elevata, ma la tecnologia di produzione e i costi di fabbricazione sono molto elevati. |
Grazie alla buona stabilità, all'elevata potenza e ai bassi costi di manutenzione, l'applicazione dei laser a stato solido risulta assolutamente vantaggiosa.
Tra i laser a stato solido, i laser a semiconduttore presentano vantaggi quali elevata efficienza, dimensioni ridotte, lunga durata, basso consumo energetico, ecc. Da un lato, possono essere applicati direttamente come sorgente luminosa principale e supporto per applicazioni di elaborazione laser, mediche, di comunicazione, di rilevamento, di visualizzazione, di monitoraggio e di difesa, e sono diventati una base importante per lo sviluppo della moderna tecnologia laser con un significato strategico per lo sviluppo.
D'altro canto, i laser a semiconduttore possono essere utilizzati anche come sorgente luminosa di pompaggio principale per altri laser, come i laser a stato solido e i laser a fibra, promuovendo notevolmente il progresso tecnologico dell'intero settore laser. Tutti i principali paesi sviluppati del mondo li hanno inclusi nei loro piani di sviluppo nazionali, fornendo un forte supporto e ottenendo un rapido sviluppo.
② Secondo il metodo di pompaggio
In base al metodo di pompaggio, i laser possono essere suddivisi in laser a pompaggio elettrico, a pompaggio ottico, a pompaggio chimico, ecc.
I laser a pompaggio elettrico sono laser eccitati da corrente elettrica, i laser a gas sono per lo più eccitati da scarica di gas, mentre i laser a semiconduttore sono per lo più eccitati da iniezione di corrente.
Quasi tutti i laser a stato solido e i laser a liquido sono laser a pompaggio ottico, e i laser a semiconduttore vengono utilizzati come sorgente di pompaggio principale per i laser a pompaggio ottico.
I laser a pompaggio chimico sono laser che utilizzano l'energia rilasciata dalle reazioni chimiche per eccitare il materiale di lavoro.
③Classificazione in base alla modalità operativa
In base alla loro modalità di funzionamento, i laser possono essere suddivisi in laser a emissione continua e laser a impulsi.
I laser a emissione continua presentano una distribuzione stabile del numero di particelle a ciascun livello di energia e del campo di radiazione nella cavità, e il loro funzionamento è caratterizzato dall'eccitazione del materiale di lavoro e dalla corrispondente emissione laser in modo continuo per un lungo periodo di tempo. I laser a emissione continua possono emettere luce laser ininterrottamente per periodi di tempo più lunghi, ma l'effetto termico è più evidente.
I laser pulsati si riferiscono a intervalli di tempo in cui la potenza del laser viene mantenuta a un determinato valore, emettendo luce laser in modo discontinuo, con le caratteristiche principali di un basso effetto termico e una buona controllabilità.
④ Classificazione in base alla lunghezza d'onda di uscita
I laser possono essere classificati in base alla lunghezza d'onda in laser a infrarossi, laser a luce visibile, laser a ultravioletti, laser a ultravioletti profondi e così via. L'intervallo di lunghezze d'onda della luce che può essere assorbito da materiali con strutture diverse è differente, pertanto sono necessari laser di diverse lunghezze d'onda per la lavorazione di precisione di materiali diversi o per diversi scenari applicativi.I laser a infrarossi e i laser UV sono i due tipi di laser più utilizzati. I laser a infrarossi sono impiegati principalmente nella "lavorazione termica", dove il materiale sulla superficie viene riscaldato e vaporizzato (evaporato) per rimuoverlo; nella lavorazione di materiali non metallici a film sottile, nel taglio di wafer di semiconduttori, nel taglio del vetro organico, nella foratura, nella marcatura e in altri campi, i fotoni UV ad alta energia rompono direttamente i legami molecolari sulla superficie dei materiali non metallici, in modo che le molecole possano essere separate dall'oggetto; questo metodo non produce reazioni ad alto calore, quindi viene solitamente chiamato "lavorazione a freddo".
A causa dell'elevata energia dei fotoni UV, è difficile generare un laser UV continuo ad alta potenza mediante una sorgente di eccitazione esterna; pertanto, il laser UV viene generalmente generato applicando il metodo di conversione di frequenza basato sull'effetto non lineare del materiale cristallino. Di conseguenza, i laser UV attualmente più diffusi in ambito industriale sono principalmente laser UV a stato solido.
(4) Catena industriale
La fase a monte della catena industriale consiste nell'utilizzo di materie prime semiconduttrici, apparecchiature di fascia alta e relativi accessori di produzione per la fabbricazione di nuclei laser e dispositivi optoelettronici, che rappresenta la pietra angolare dell'industria laser e presenta un'elevata soglia di accesso. La fase intermedia della catena industriale consiste nell'utilizzo di chip laser e dispositivi optoelettronici, moduli, componenti ottici, ecc. provenienti dalla fase a monte come sorgenti di pompaggio per la produzione e la vendita di vari laser, tra cui laser a semiconduttore diretti, laser ad anidride carbonica, laser a stato solido, laser a fibra, ecc.; la fase a valle si riferisce principalmente ai settori di applicazione dei vari laser, tra cui apparecchiature per la lavorazione industriale, LIDAR, comunicazioni ottiche, medicina estetica e altri settori applicativi.
① Fornitori a monte
Le materie prime per i prodotti a monte, come chip laser a semiconduttore, dispositivi e moduli, sono principalmente costituite da vari materiali per chip, materiali in fibra e componenti lavorati, tra cui substrati, dissipatori di calore, prodotti chimici e involucri. La lavorazione dei chip richiede materie prime a monte di alta qualità e prestazioni elevate, provenienti principalmente da fornitori esteri, ma il grado di localizzazione sta gradualmente aumentando, fino al raggiungimento di un controllo indipendente. Le prestazioni delle principali materie prime a monte hanno un impatto diretto sulla qualità dei chip laser a semiconduttore; il continuo miglioramento delle prestazioni dei vari materiali per chip contribuisce positivamente a migliorare le prestazioni dei prodotti del settore.
②Catena industriale intermedia
Il chip laser a semiconduttore è la sorgente luminosa di pompaggio fondamentale per vari tipi di laser nella fase intermedia della catena industriale e svolge un ruolo positivo nel promuovere lo sviluppo dei laser di fascia media. Nel settore dei laser di fascia media, dominato da aziende statunitensi, tedesche e di altri paesi, a seguito del rapido sviluppo dell'industria laser nazionale negli ultimi anni, il mercato dei laser di fascia media ha registrato una rapida sostituzione a livello nazionale.
③ Catena industriale a valle
Il settore a valle riveste un ruolo sempre più importante nella promozione dello sviluppo dell'industria, pertanto il suo sviluppo influenzerà direttamente il mercato. La continua crescita dell'economia cinese e l'emergere di opportunità strategiche per la trasformazione economica hanno creato condizioni di sviluppo più favorevoli per questo settore. La Cina si sta trasformando da paese manifatturiero a potenza manifatturiera, e i laser e le apparecchiature laser a valle rappresentano una delle chiavi per l'ammodernamento del settore manifatturiero, il che crea un ambiente favorevole alla crescita a lungo termine di questo settore. I requisiti del settore a valle in termini di prestazioni dei chip laser a semiconduttore e dei relativi dispositivi sono in aumento, e le imprese nazionali stanno gradualmente entrando nel mercato dei laser ad alta potenza provenendo da quello dei laser a bassa potenza; pertanto, il settore deve incrementare costantemente gli investimenti in ricerca e sviluppo tecnologico e in innovazione indipendente.
2. Stato di sviluppo dell'industria dei laser a semiconduttore
I laser a semiconduttore vantano la migliore efficienza di conversione energetica tra tutti i tipi di laser e, da un lato, possono essere utilizzati come sorgente di pompaggio principale per laser a fibra ottica, laser a stato solido e altri laser di pompaggio ottico. Dall'altro lato, grazie ai continui progressi della tecnologia laser a semiconduttore in termini di efficienza energetica, luminosità, durata, multi-lunghezza d'onda, frequenza di modulazione, ecc., i laser a semiconduttore sono ampiamente utilizzati nella lavorazione dei materiali, in campo medico, nelle comunicazioni ottiche, nella sensoristica ottica, nella difesa, ecc. Secondo Laser Focus World, il fatturato globale totale dei laser a diodi, ovvero laser a semiconduttore e laser non a diodi, è stimato in 18.480 milioni di dollari nel 2021, con i laser a semiconduttore che rappresentano il 43% del fatturato totale.
Secondo Laser Focus World, il mercato globale dei laser a semiconduttore raggiungerà i 6.724 milioni di dollari nel 2020, con un aumento del 14,20% rispetto all'anno precedente. Con lo sviluppo dell'intelligenza artificiale a livello globale, la crescente domanda di laser in dispositivi intelligenti, elettronica di consumo, nuove energie e altri settori, nonché la continua espansione di applicazioni emergenti in ambito medico, estetico e per apparecchiature mediche, i laser a semiconduttore possono essere utilizzati come sorgenti di pompaggio per laser a pompaggio ottico, e le dimensioni del suo mercato continueranno a mantenere una crescita stabile. Nel 2021, il mercato globale dei laser a semiconduttore raggiungerà i 7,946 miliardi di dollari, con un tasso di crescita del 18,18%.
Grazie agli sforzi congiunti di esperti tecnici, imprese e professionisti, l'industria laser a semiconduttore cinese ha raggiunto uno sviluppo straordinario, partendo da zero e diventando il prototipo dell'industria laser a semiconduttore cinese. Negli ultimi anni, la Cina ha intensificato lo sviluppo dell'industria laser e diverse regioni si sono dedicate alla ricerca scientifica, al miglioramento tecnologico, allo sviluppo del mercato e alla costruzione di parchi industriali laser sotto la guida del governo e la collaborazione delle imprese del settore.
3. Tendenze di sviluppo future dell'industria laser in Cina
Rispetto ai paesi sviluppati in Europa e negli Stati Uniti, la tecnologia laser cinese non è arretrata, ma nell'applicazione della tecnologia laser e delle tecnologie di base di fascia alta esiste ancora un divario considerevole, soprattutto per quanto riguarda i chip laser a semiconduttore a monte e altri componenti chiave, che dipendono ancora dalle importazioni.
I paesi sviluppati, rappresentati da Stati Uniti, Germania e Giappone, hanno sostanzialmente completato la sostituzione delle tecnologie di produzione tradizionali in alcuni importanti settori industriali, entrando nell'era della "produzione leggera". Sebbene lo sviluppo delle applicazioni laser in Cina sia rapido, il tasso di penetrazione applicativa è ancora relativamente basso. In quanto tecnologia chiave per l'ammodernamento industriale, l'industria laser continuerà a essere un settore fondamentale per il sostegno nazionale, ampliando costantemente il proprio campo di applicazione e promuovendo, in definitiva, l'industria manifatturiera cinese verso l'era della "produzione leggera". Sulla base dell'attuale situazione di sviluppo, l'industria laser cinese mostra le seguenti tendenze.
(1) Il chip laser a semiconduttore e altri componenti principali realizzano gradualmente la localizzazione
Prendiamo ad esempio i laser a fibra: le sorgenti di pompaggio laser a fibra ad alta potenza rappresentano la principale area di applicazione dei laser a semiconduttore, mentre i chip e i moduli laser a semiconduttore ad alta potenza sono componenti importanti dei laser a fibra. Negli ultimi anni, l'industria cinese dei laser a fibra ottica è in rapida crescita e il grado di localizzazione aumenta di anno in anno.
In termini di penetrazione del mercato, nel mercato dei laser a fibra a bassa potenza, la quota di mercato dei laser nazionali ha raggiunto il 99,01% nel 2019; nel mercato dei laser a fibra a media potenza, il tasso di penetrazione dei laser nazionali si è mantenuto superiore al 50% negli ultimi anni; anche il processo di localizzazione dei laser a fibra ad alta potenza sta gradualmente avanzando, passando dal 2013 al 2019 a una produzione "da zero". Il processo di localizzazione dei laser a fibra ad alta potenza sta anch'esso gradualmente avanzando, raggiungendo un tasso di penetrazione del 55,56% dal 2013 al 2019, e si prevede che il tasso di penetrazione nazionale dei laser a fibra ad alta potenza sarà del 57,58% nel 2020.
Tuttavia, i componenti principali, come i chip laser a semiconduttore ad alta potenza, dipendono ancora dalle importazioni, mentre la produzione dei componenti a monte dei laser che utilizzano chip laser a semiconduttore come nucleo sta gradualmente procedendo a livello locale. Questo, da un lato, amplia le possibilità di mercato dei componenti a monte dei laser nazionali e, dall'altro, grazie alla localizzazione dei componenti principali a monte, migliora la capacità dei produttori di laser nazionali di competere a livello internazionale.
(2) Le applicazioni laser penetrano più velocemente e più ampiamente
Grazie alla progressiva localizzazione dei componenti optoelettronici di base a monte della filiera e alla graduale diminuzione dei costi di applicazione dei laser, questi ultimi si diffonderanno sempre più in numerosi settori industriali.
Da un lato, per la Cina, la lavorazione laser rientra tra le prime dieci aree di applicazione dell'industria manifatturiera cinese, e si prevede che in futuro le sue applicazioni e il mercato si espanderanno ulteriormente. Dall'altro lato, con la continua diffusione e lo sviluppo di tecnologie come la guida autonoma, i sistemi di assistenza alla guida avanzati, la robotica di servizio, il rilevamento 3D, ecc., la lavorazione laser troverà sempre più applicazione in settori quali l'industria automobilistica, l'intelligenza artificiale, l'elettronica di consumo, il riconoscimento facciale, le comunicazioni ottiche e la ricerca per la difesa nazionale. In quanto dispositivo o componente fondamentale delle suddette applicazioni laser, anche i laser a semiconduttore godranno di un rapido sviluppo.
(3) Maggiore potenza, migliore qualità del fascio, lunghezza d'onda più corta e sviluppo più rapido della direzione della frequenza
Nel campo dei laser industriali, i laser a fibra hanno compiuto grandi progressi in termini di potenza di uscita, qualità del fascio e luminosità sin dalla loro introduzione. Tuttavia, una maggiore potenza può migliorare la velocità di lavorazione, ottimizzare la qualità del processo ed espandere il campo di applicazione alla produzione industriale pesante, alla produzione automobilistica, aerospaziale, energetica, meccanica, metallurgica, ferroviaria, alla ricerca scientifica e ad altri settori di applicazione come taglio, saldatura, trattamento superficiale, ecc., e i requisiti di potenza dei laser a fibra continuano ad aumentare. I produttori di dispositivi corrispondenti devono migliorare continuamente le prestazioni dei dispositivi principali (come i chip laser a semiconduttore ad alta potenza e le fibre di guadagno). L'aumento della potenza dei laser a fibra richiede anche tecnologie di modulazione laser avanzate come la combinazione del fascio e la sintesi di potenza, che porteranno nuovi requisiti e sfide ai produttori di chip laser a semiconduttore ad alta potenza. Inoltre, lo sviluppo di laser a lunghezze d'onda più corte, con un maggior numero di lunghezze d'onda e velocità (ultrarapidi) rappresenta un'importante direzione, utilizzata principalmente in circuiti integrati, display, elettronica di consumo, aerospaziale e altri settori di microelaborazione di precisione, nonché in scienze della vita, medicina, sensoristica e altri campi, ponendo anche nuovi requisiti ai chip laser a semiconduttore.
(4) per la domanda di componenti optoelettronici laser ad alta potenza per un'ulteriore crescita
Lo sviluppo e l'industrializzazione dei laser a fibra ad alta potenza sono il risultato del progresso sinergico della filiera industriale, che richiede il supporto di componenti optoelettronici fondamentali come sorgenti di pompaggio, isolatori, concentratori di fascio, ecc. I componenti optoelettronici utilizzati nei laser a fibra ad alta potenza sono la base e gli elementi chiave del loro sviluppo e della loro produzione, e l'espansione del mercato dei laser a fibra ad alta potenza stimola anche la domanda di componenti fondamentali come i chip laser a semiconduttore ad alta potenza. Allo stesso tempo, con il continuo miglioramento della tecnologia laser a fibra a livello nazionale, la sostituzione delle importazioni è diventata una tendenza inevitabile, la quota di mercato dei laser a livello mondiale continuerà a crescere, il che offre anche grandi opportunità per i produttori locali di componenti optoelettronici.
Data di pubblicazione: 7 marzo 2023
