1. Panoramica del settore laser
(1) Introduzione al laser
Il laser (amplificazione della luce tramite emissione stimolata di radiazioni, abbreviato in LASER) è un fascio di luce collimato, monocromatico, coerente e direzionale prodotto dall'amplificazione della radiazione luminosa a una frequenza stretta attraverso risonanza e radiazione di feedback eccitato.
La tecnologia laser ha avuto origine nei primi anni '60 e, a causa della sua natura completamente diversa dalla luce ordinaria, il laser è stato presto ampiamente utilizzato in vari campi e ha influenzato 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 antica, espandendo la fisica ottica classica in una nuova disciplina high-tech che comprende sia l’ottica classica che la fotonica moderna, fornendo un contributo insostituibile allo sviluppo dell’economia e della società umana.La ricerca sulla fisica dei laser ha contribuito al fiorire di due rami principali della fisica fotonica moderna: la fotonica dell’energia e la fotonica dell’informazione.Copre l'ottica non lineare, l'ottica quantistica, l'informatica quantistica, il rilevamento e la comunicazione laser, la fisica del plasma laser, la chimica del laser, la biologia del laser, la medicina laser, la spettroscopia e metrologia laser ultraprecisa, la fisica atomica del laser compreso il raffreddamento del laser e la ricerca sulla materia condensata Bose-Einstein. , materiali funzionali laser, produzione laser, fabbricazione di chip micro-optoelettronici laser, stampa laser 3D e oltre 20 discipline e applicazioni tecnologiche di frontiera internazionali.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 leggera", secondo le statistiche internazionali del settore laser, il 50% del PIL annuale degli Stati Uniti1 è legato alla rapida espansione del mercato delle applicazioni laser di alto livello.Diversi paesi sviluppati, rappresentati da Stati Uniti, Germania e Giappone, hanno sostanzialmente completato la sostituzione dei processi tradizionali con la lavorazione laser nelle principali industrie manifatturiere come quella automobilistica e aeronautica.Il laser nella produzione industriale ha mostrato un grande potenziale per applicazioni produttive speciali a basso costo, di alta qualità, ad alta efficienza che non possono essere raggiunte dalla produzione convenzionale ed è diventato un importante motore di concorrenza e innovazione tra i principali paesi industriali del mondo.I paesi sostengono attivamente la tecnologia laser come una delle tecnologie all’avanguardia più importanti e hanno sviluppato piani nazionali di sviluppo del settore laser.
(2)LaserFonte Pprincipio
Il laser è un dispositivo che utilizza la radiazione eccitata per produrre luce visibile o invisibile, con struttura complessa ed elevate barriere tecniche.Il sistema ottico è composto principalmente dalla sorgente della pompa (fonte di eccitazione), dal mezzo di guadagno (sostanza di lavoro), dalla cavità risonante e da altri materiali del dispositivo ottico.Il mezzo di guadagno è la fonte della generazione di fotoni e, assorbendo l'energia generata dalla sorgente della pompa, il mezzo di guadagno salta dallo stato fondamentale allo stato eccitato.Poiché lo stato eccitato è instabile, in questo momento il mezzo di guadagno rilascerà energia per tornare allo stato stazionario dello stato fondamentale.In questo processo di rilascio di energia, il mezzo di guadagno produce fotoni, e questi fotoni hanno un alto grado di consistenza in energia, lunghezza d'onda e direzione, si riflettono costantemente nella cavità ottica risonante, movimento reciproco, in modo da amplificarsi continuamente, e infine sparare il laser attraverso il riflettore per formare un raggio laser.Essendo il sistema ottico principale dell'apparecchiatura terminale, le prestazioni del laser spesso determinano direttamente la qualità e la potenza del raggio di uscita dell'apparecchiatura laser ed è il componente principale dell'apparecchiatura laser terminale.
La sorgente della pompa (sorgente di eccitazione) fornisce eccitazione di energia al mezzo di guadagno.Il mezzo di guadagno è eccitato per produrre fotoni per generare e amplificare 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 in uscita di alta qualità controllando le oscillazioni dei fotoni nella cavità.La sorgente della pompa (sorgente di eccitazione) fornisce l'eccitazione energetica per il mezzo di guadagno.Il mezzo di guadagno è eccitato per produrre fotoni per generare e amplificare il laser.La cavità risonante è il luogo in cui le caratteristiche dei fotoni (frequenza, fase e direzione operativa) vengono regolate per ottenere una sorgente luminosa in uscita di alta qualità controllando le oscillazioni dei fotoni nella cavità.
(3)Classificazione della sorgente laser
La sorgente laser può essere classificata in base al mezzo di guadagno, alla lunghezza d'onda di uscita, alla modalità operativa e alla modalità di pompaggio, come segue
① Classificazione per mezzo di guadagno
In base ai diversi mezzi di guadagno, i laser possono essere suddivisi in laser a stato solido (compresi solido, semiconduttore, fibra, ibrido), laser liquidi, laser a gas, ecc.
| LaserFonteTipo | Guadagna media | Caratteristiche principali |
| Sorgente laser a stato solido | Solidi, Semiconduttori, Fibre Ottiche, Ibridi | Bella stabilità, alta potenza, bassi costi di manutenzione, adatti all'industrializzazione |
| Sorgente laser liquida | Liquidi chimici | Gamma di lunghezze d'onda opzionale colpita, ma di grandi dimensioni e costi di manutenzione elevati |
| Sorgente laser a gas | Gas | Sorgente di luce laser di alta qualità, ma dimensioni maggiori e costi di manutenzione più elevati |
| Sorgente laser a elettroni liberi | Fascio di elettroni in un campo magnetico specifico | È possibile ottenere una potenza ultraelevata e un output laser di alta qualità, ma la tecnologia di produzione e i costi di produzione sono molto elevati |
Grazie alla buona stabilità, all'elevata potenza e ai bassi costi di manutenzione, l'applicazione dei laser a stato solido è assolutamente vantaggiosa.
Tra i laser a stato solido, i laser a semiconduttore presentano i vantaggi di alta efficienza, dimensioni ridotte, lunga durata, basso consumo energetico, ecc. Da un lato, possono essere applicati direttamente come sorgente luminosa principale e supporto per l'elaborazione laser, medica, applicazioni di comunicazione, rilevamento, visualizzazione, monitoraggio e difesa e sono diventati una base importante per lo sviluppo della moderna tecnologia laser con un significato di sviluppo strategico.
D'altro canto, i laser a semiconduttore possono essere utilizzati anche come sorgente luminosa di pompaggio centrale per altri laser come i laser a stato solido e i laser a fibra, promuovendo notevolmente il progresso tecnologico dell'intero campo laser.Tutti i principali paesi sviluppati del mondo lo hanno incluso nei loro piani di sviluppo nazionali, dando un forte sostegno e ottenendo un rapido sviluppo.
② Secondo il metodo di pompaggio
I laser possono essere suddivisi in laser pompati elettricamente, pompati otticamente, pompati chimicamente, ecc. in base al metodo di pompaggio.
I laser pompati elettricamente si riferiscono a laser eccitati dalla corrente, i laser a gas sono per lo più eccitati dalla scarica di gas, mentre i laser a semiconduttore sono per lo più eccitati dall'iniezione di corrente.
Quasi tutti i laser a stato solido e i laser liquidi sono laser a pompa ottica e i laser a semiconduttore sono utilizzati come sorgente di pompaggio principale per i laser a pompa ottica.
I laser pompati chimicamente si riferiscono a laser che utilizzano l'energia rilasciata dalle reazioni chimiche per eccitare il materiale di lavoro.
③Classificazione per modalità operativa
I laser possono essere suddivisi in laser continui e laser pulsati a seconda della loro modalità di funzionamento.
I laser continui hanno una distribuzione stabile del numero di particelle ad ogni 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 continui possono emettere luce laser ininterrottamente per un periodo di tempo più lungo, ma l'effetto termico è più evidente.
I laser pulsati si riferiscono alla durata di tempo in cui la potenza del laser viene mantenuta a un certo valore e la luce laser emessa in modo discontinuo, con le caratteristiche principali di un piccolo effetto termico e una buona controllabilità.
④ Classificazione per lunghezza d'onda in uscita
I laser possono essere classificati in base alla lunghezza d'onda come laser infrarossi, laser visibili, laser ultravioletti, laser ultravioletti profondi e così via.La gamma di lunghezze d'onda della luce che può essere assorbita da materiali strutturati diversi è diversa, quindi sono necessari laser con lunghezze d'onda diverse per la lavorazione fine di materiali diversi o per scenari applicativi diversi.I laser a infrarossi e i laser UV sono i due laser più utilizzati.I laser a infrarossi vengono utilizzati principalmente nella "lavorazione termica", dove il materiale sulla superficie del materiale viene riscaldato e vaporizzato (evaporato) per rimuovere il materiale;nella lavorazione di materiali non metallici a film sottile, taglio di wafer semiconduttori, taglio di vetro organico, perforazione, marcatura e altri campi, alta energia Nel campo della lavorazione di materiali non metallici a film sottile, taglio di wafer semiconduttori, taglio di vetro organico, perforazione, marcatura, ecc., 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, e questo metodo non produce una reazione ad alto calore, quindi viene solitamente chiamato "freddo" in lavorazione".
A causa dell'elevata energia dei fotoni UV, è difficile generare un certo laser UV continuo ad alta potenza mediante una fonte di eccitazione esterna, quindi il laser UV è generalmente generato dall'applicazione del metodo di conversione della frequenza con effetto non lineare del materiale cristallino, quindi l'attuale ampiamente utilizzato campo industriale dei laser UV sono principalmente laser UV a stato solido.
(4) Filiera
A monte della catena industriale c’è l’uso di materie prime semiconduttori, apparecchiature di fascia alta e relativi accessori di produzione per produrre nuclei laser e dispositivi optoelettronici, che costituisce la pietra angolare dell’industria laser e ha un’elevata soglia di accesso.Il segmento intermedio della catena industriale è l'uso di chip laser a monte e dispositivi optoelettronici, moduli, componenti ottici, ecc. come sorgenti di pompa per la produzione e la vendita di vari laser, inclusi laser diretti a semiconduttore, laser a biossido di carbonio, laser a stato solido, laser a fibra e così via;l'industria a valle si riferisce principalmente alle aree di applicazione di vari laser, comprese apparecchiature di elaborazione industriale, LIDAR, comunicazioni ottiche, bellezza medica e altri settori applicativi
①Fornitori a monte
Le materie prime per i prodotti a monte come chip laser a semiconduttore, dispositivi e moduli sono principalmente vari materiali per chip, materiali in fibra e parti lavorate, inclusi substrati, dissipatori di calore, prodotti chimici e set di alloggiamenti.La lavorazione dei trucioli richiede alta qualità e prestazioni delle materie prime a monte, principalmente da fornitori esteri, ma il grado di localizzazione sta gradualmente aumentando e raggiunge gradualmente un controllo indipendente.Le prestazioni delle principali materie prime a monte hanno un impatto diretto sulla qualità dei chip laser a semiconduttore, con il continuo miglioramento delle prestazioni di vari materiali dei chip, per migliorare le prestazioni dei prodotti del settore svolgono un ruolo positivo nella promozione.
②Catena industriale di fascia media
Il chip laser a semiconduttore è la sorgente luminosa principale della pompa di vari tipi di laser nel midstream della catena industriale e svolge un ruolo positivo nel promuovere lo sviluppo dei laser midstream.Nel campo dei laser midstream, dominano gli Stati Uniti, la Germania e altre imprese estere, ma dopo il rapido sviluppo dell'industria laser nazionale negli ultimi anni, il mercato midstream della catena industriale ha raggiunto una rapida sostituzione interna.
③Catena industriale a valle
L'industria a valle ha un ruolo maggiore nel promuovere lo sviluppo del settore, quindi lo sviluppo dell'industria a valle influenzerà direttamente lo spazio di mercato del settore.La continua crescita dell'economia cinese e l'emergere di opportunità strategiche per la trasformazione economica hanno creato migliori condizioni di sviluppo per lo sviluppo di questo settore.La Cina si sta trasformando da paese manifatturiero a potenza manifatturiera, e i laser e le apparecchiature laser a valle sono una delle chiavi per potenziare l’industria manifatturiera, che fornisce un buon ambiente di domanda per il miglioramento a lungo termine di questo settore.I requisiti dell'industria a valle per l'indice di prestazione dei chip laser a semiconduttore e dei loro dispositivi sono in aumento e le imprese nazionali stanno gradualmente entrando nel mercato dei laser ad alta potenza dal mercato dei laser a bassa potenza, quindi l'industria deve aumentare continuamente gli investimenti nel campo della ricerca tecnologica sviluppo e innovazione indipendente.
2. Stato di sviluppo del settore dei laser a semiconduttore
I laser a semiconduttore hanno la migliore efficienza di conversione energetica tra tutti i tipi di laser e, da un lato, possono essere utilizzati come sorgente di pompa principale di laser a fibra ottica, laser a stato solido e altri laser a pompa ottica.D'altra parte, con il continuo progresso della tecnologia laser a semiconduttore in termini di efficienza energetica, luminosità, durata, multi-lunghezza d'onda, velocità di modulazione, ecc., i laser a semiconduttore sono ampiamente utilizzati nella lavorazione dei materiali, nella medicina, nella comunicazione ottica, nel rilevamento ottico, difesa, ecc. Secondo Laser Focus World, il ricavo globale totale dei laser a diodi, ovvero laser a semiconduttore e laser non a diodi, è stimato a 18.480 milioni di dollari nel 2021, con i laser a semiconduttore che rappresentano il 43% del ricavo totale.
Secondo Laser Focus World, il mercato globale dei laser a semiconduttore ammonterà a 6.724 milioni di dollari nel 2020, in crescita del 14,20% rispetto all’anno precedente.Con lo sviluppo dell'intelligenza globale, la crescente domanda di laser nei dispositivi intelligenti, nell'elettronica di consumo, nelle nuove energie e in altri campi, nonché la continua espansione di apparecchiature mediche, di bellezza e altre applicazioni emergenti, i laser a semiconduttore possono essere utilizzati come sorgente di pompaggio per i laser a pompa ottica e le sue dimensioni del mercato continueranno a mantenere una crescita stabile.Nel 2021 la dimensione del mercato globale dei laser a semiconduttore sarà pari a 7,946 miliardi di dollari, con un tasso di crescita del mercato del 18,18%.
Attraverso gli sforzi congiunti di esperti tecnici, imprese e professionisti, l'industria cinese del laser a semiconduttore ha raggiunto uno sviluppo straordinario, tanto che l'industria cinese del laser a semiconduttore ha sperimentato il processo da zero e l'inizio del prototipo dell'industria cinese del laser a semiconduttore.Negli ultimi anni, la Cina ha aumentato lo sviluppo dell’industria del laser e varie regioni si sono dedicate alla ricerca scientifica, al miglioramento della tecnologia, allo sviluppo del mercato e alla costruzione di parchi industriali laser sotto la guida del governo e la cooperazione delle imprese laser.
3. Tendenza allo sviluppo futuro dell'industria laser cinese
Rispetto ai paesi sviluppati in Europa e negli Stati Uniti, la tecnologia laser cinese non è in ritardo, ma nell'applicazione della tecnologia laser e della tecnologia di base di fascia alta c'è ancora un divario considerevole, in particolare il chip laser a semiconduttore a monte e altri componenti principali sono ancora dipendente dalle importazioni.
I paesi sviluppati rappresentati da Stati Uniti, Germania e Giappone hanno sostanzialmente completato la sostituzione della tecnologia manifatturiera tradizionale in alcuni grandi settori industriali ed sono entrati nell'era della “manifattura leggera”;sebbene lo sviluppo delle applicazioni laser in Cina sia rapido, il tasso di penetrazione delle applicazioni è ancora relativamente basso.In quanto tecnologia chiave del potenziamento industriale, l'industria del laser continuerà a essere un'area chiave di sostegno nazionale, continuerà ad espandere l'ambito di applicazione e, in ultima analisi, promuoverà l'industria manifatturiera cinese nell'era della "produzione leggera".Dall'attuale situazione di sviluppo, lo sviluppo dell'industria laser cinese mostra le seguenti tendenze di sviluppo.
(1) Il chip laser a semiconduttore e altri componenti principali realizzano gradualmente la localizzazione
Prendiamo come esempio il laser a fibra: la sorgente della pompa laser a fibra ad alta potenza è la principale area di applicazione del laser a semiconduttore, il chip e il modulo laser a semiconduttore ad alta potenza sono un componente importante del laser a fibra.Negli ultimi anni, l'industria cinese dei laser a fibra ottica è in una fase di 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 domestici ha raggiunto il 99,01% nel 2019;nel mercato dei laser fibra di media potenza, il tasso di penetrazione dei laser domestici si è mantenuto negli ultimi anni sopra il 50%;sta avanzando gradualmente anche il processo di localizzazione dei laser a fibra ad alta potenza, dal 2013 al 2019 per realizzarli “da zero”.Anche il processo di localizzazione dei laser a fibra ad alta potenza sta avanzando gradualmente, dal 2013 al 2019, e ha raggiunto un tasso di penetrazione del 55,56%, e il tasso di penetrazione nazionale dei laser a fibra ad alta potenza dovrebbe essere del 57,58% nel 2020.
Tuttavia, i componenti principali come i chip laser a semiconduttore ad alta potenza dipendono ancora dalle importazioni, mentre i componenti a monte dei laser con chip laser a semiconduttore come nucleo vengono gradualmente localizzati, il che da un lato migliora la scala di mercato dei componenti a monte di laser domestici e, d'altro canto, con la localizzazione dei componenti principali a monte, può migliorare la capacità dei produttori nazionali di laser di partecipare alla concorrenza internazionale.
(2) Le applicazioni laser penetrano più velocemente e in modo più ampio
Con la progressiva localizzazione dei componenti optoelettronici principali a monte e la graduale diminuzione dei costi delle applicazioni laser, i laser penetreranno più profondamente in molti settori.
Da un lato, per la Cina, la lavorazione laser rientra anche tra le prime dieci aree di applicazione dell'industria manifatturiera cinese, e si prevede che in futuro i campi di applicazione della lavorazione laser verranno ulteriormente ampliati e la scala del mercato.D'altra parte, con la continua divulgazione e sviluppo di tecnologie come sistemi di guida assistita senza conducente, robot orientati ai servizi, rilevamento 3D, ecc., saranno maggiormente applicati in molti campi come l'automobile, l'intelligenza artificiale, l'elettronica di consumo , riconoscimento facciale, comunicazione ottica e ricerca sulla difesa nazionale.In quanto dispositivo o componente principale delle applicazioni laser di cui sopra, anche il laser a semiconduttore guadagnerà un rapido spazio di sviluppo.
(3) Maggiore potenza, migliore qualità del raggio, lunghezza d'onda più corta e sviluppo della direzione della frequenza più rapido
Nel campo dei laser industriali, i laser a fibra hanno fatto grandi progressi in termini di potenza di uscita, qualità del raggio e luminosità sin dalla loro introduzione.Tuttavia, una potenza maggiore può migliorare la velocità di lavorazione, ottimizzare la qualità della lavorazione ed espandere il campo di lavorazione alla produzione dell'industria pesante, alla produzione automobilistica, alla produzione aerospaziale, all'energia, alla produzione di macchinari, alla metallurgia, alla costruzione di trasporti ferroviari, alla ricerca scientifica e ad altri campi di applicazione nel taglio , saldatura, trattamento superficiale, ecc., i requisiti di potenza del laser a fibra continuano ad aumentare.I produttori di dispositivi corrispondenti devono migliorare continuamente le prestazioni dei dispositivi principali (come chip laser a semiconduttore ad alta potenza e fibra di guadagno), l'aumento della potenza del laser a fibra richiede anche una tecnologia avanzata di modulazione laser come la combinazione di raggi e la sintesi di potenza, che porterà nuovi requisiti e sfide per i produttori di chip laser a semiconduttore ad alta potenza.Inoltre, lunghezze d'onda più corte, più lunghezze d'onda, uno sviluppo laser più veloce (ultraveloce) rappresentano anche una direzione importante, utilizzata principalmente nei chip di circuiti integrati, display, elettronica di consumo, aerospaziale e altri microprocessori di precisione, nonché scienze della vita, medicina, rilevamento e altri campi, anche il chip laser a semiconduttore presenta nuove esigenze.
(4) per i componenti optoelettronici laser ad alta potenza la domanda di ulteriore crescita
Lo sviluppo e l'industrializzazione del laser a fibra ad alta potenza è il risultato del progresso sinergico della catena industriale, che richiede il supporto di componenti optoelettronici fondamentali come la sorgente della pompa, l'isolatore, il concentratore del fascio, ecc. I componenti optoelettronici utilizzati nei laser a fibra ad alta potenza i laser a fibra sono la base e i componenti chiave del suo sviluppo e produzione, e il mercato in espansione del laser a fibra ad alta potenza guida anche la domanda del mercato di componenti fondamentali come i chip laser a semiconduttore ad alta potenza.Allo stesso tempo, con il continuo miglioramento della tecnologia laser a fibra domestica, la sostituzione delle importazioni è diventata una tendenza inevitabile, la quota di mercato del laser nel mondo continuerà a migliorare, il che offre anche grandi opportunità per la forza locale dei produttori di componenti optoelettronici.
Orario di pubblicazione: 07-marzo-2023
