1. Преглед ласерске индустрије
(1) Увод у ласер
Ласер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, скраћено ЛАСЕР) је колимирани, монохроматски, кохерентни, усмерени сноп светлости произведен појачавањем светлосног зрачења на уској фреквенцији путем побуђене повратне резонанције и зрачења.
Ласерска технологија је настала почетком 1960-их, и због своје потпуно другачије природе од обичне светлости, ласер је убрзо добио широку примену у различитим областима и дубоко је утицао на развој и трансформацију науке, технологије, економије и друштва.
Рођење ласера драматично је променило лице древне оптике, проширујући класичну оптичку физику у нову високотехнолошку дисциплину која обухвата и класичну оптику и модерну фотонику, дајући незаменљив допринос развоју људске економије и друштва. Истраживање ласерске физике допринело је процвату две главне гране модерне фотонске физике: енергетске фотонике и информационе фотонике. Она обухвата нелинеарну оптику, квантну оптику, квантно рачунарство, ласерско сензорство и комуникацију, физику ласерске плазме, ласерску хемију, ласерску биологију, ласерску медицину, ултрапрецизну ласерску спектроскопију и метрологију, ласерску атомску физику укључујући ласерско хлађење и истраживање Бозе-Ајнштајнове кондензоване материје, ласерске функционалне материјале, производњу ласера, израду ласерских микро-оптоелектронских чипова, ласерско 3Д штампање и више од 20 међународних граничних дисциплина и технолошких примена. Катедра за ласерску науку и технологију (DSL) основана је у следећим областима.
У индустрији производње ласера, свет је ушао у еру „лакше производње“. Према међународној статистици ласерске индустрије, 50% годишњег БДП-а Сједињених Држава1 повезано је са брзим ширењем тржишта висококвалитетних ласерских апликација. Неколико развијених земаља, које представљају Сједињене Државе, Немачка и Јапан, у основи су завршиле замену традиционалних процеса ласерском обрадом у главним производним индустријама као што су аутомобилска и авијација. Ласер у индустријској производњи показао је велики потенцијал за јефтине, висококвалитетне, високо ефикасне и посебне производне примене које се не могу постићи конвенционалном производњом и постао је важан покретач конкуренције и иновација међу главним индустријским земљама света. Земље активно подржавају ласерску технологију као једну од својих најважнијих најсавременијих технологија и развиле су националне планове развоја ласерске индустрије.
(2)ЛасерИзвор Ппринцип
Ласер је уређај који користи побуђено зрачење за производњу видљиве или невидљиве светлости, са сложеном структуром и високим техничким баријерама. Оптички систем се углавном састоји од извора пумпе (извор побуђивања), медијума појачања (радне супстанце) и резонантне шупљине и других материјала оптичког уређаја. Медијум појачања је извор генерисања фотона, и апсорбујући енергију коју генерише извор пумпе, медијум појачања прелази из основног стања у побуђено стање. Пошто је побуђено стање нестабилно, у овом тренутку медијум појачања ће ослободити енергију да би се вратио у стабилно стање основног стања. У овом процесу ослобађања енергије, медијум појачања производи фотоне, а ови фотони имају висок степен конзистентности у енергији, таласној дужини и правцу, они се стално рефлектују у оптичкој резонантној шупљини, реципрочно се крећу, тако да континуирано појачавају и коначно избацују ласер кроз рефлектор да би формирали ласерски сноп. Као основни оптички систем терминалне опреме, перформансе ласера често директно одређују квалитет и снагу излазног снопа ласерске опреме, што је основна компонента терминалне ласерске опреме.
Извор пумпе (извор побуде) обезбеђује енергетску побуду медијуму појачања. Медијум појачања се побуђује да би произвео фотоне за генерисање и појачавање ласера. Резонантна шупљина је место где се регулишу карактеристике фотона (фреквенција, фаза и смер рада) како би се добио висококвалитетни излазни извор светлости контролисањем осцилација фотона у шупљини. Извор пумпе (извор побуде) обезбеђује енергетску побуду за медијум појачања. Медијум појачања се побуђује да би произвео фотоне за генерисање и појачавање ласера. Резонантна шупљина је место где се карактеристике фотона (фреквенција, фаза и смер рада) подешавају како би се добио висококвалитетни излазни извор светлости контролисањем осцилација фотона у шупљини.
(3)Класификација ласерског извора
Ласерски извор се може класификовати према медијуму појачања, излазној таласној дужини, режиму рада и режиму пумпања, на следећи начин
① Класификација према медијуму појачања
Према различитим медијумима појачања, ласери се могу поделити на чврсте ласере (укључујући чврсте, полупроводничке, влакнасте, хибридне), течне ласере, гасне ласере итд.
| ЛасерИзворТип | Gain Media | Главне карактеристике |
| Извор чврстог ласера | Чврста тела, полупроводници, оптичка влакна, хибриди | Лепа стабилност, велика снага, ниски трошкови одржавања, погодно за индустријализацију |
| Течни ласерски извор | Хемијске течности | Опциони опсег таласних вала је погодио, али је велика величина и високи трошкови одржавања |
| Извор гасног ласера | Гасови | Висококвалитетни ласерски извор светлости, али веће димензије и већи трошкови одржавања |
| Извор слободног електронског ласера | Електронски сноп у специфичном магнетном пољу | Може се постићи ултра велика снага и висококвалитетни ласерски излаз, али су технологија производње и трошкови производње веома високи |
Због добре стабилности, велике снаге и ниских трошкова одржавања, примена чврстих ласера има апсолутну предност.
Међу чврстим ласерима, полупроводнички ласери имају предности високе ефикасности, мале величине, дугог века трајања, мале потрошње енергије итд. С једне стране, могу се директно применити као основни извор светлости и подршка за ласерску обраду, медицину, комуникацију, сензоре, дисплеје, праћење и одбрамбене примене, и постали су важна основа за развој модерне ласерске технологије са стратешким развојним значајем.
С друге стране, полупроводнички ласери се такође могу користити као основни извор светлости за друге ласере, као што су чврстофазни ласери и влакнасти ласери, што значајно промовише технолошки напредак целе области ласера. Све главне развијене земље света су га укључиле у своје националне планове развоја, пружајући снажну подршку и постижући брзи развој.
② Према методи пумпања
Ласери се могу поделити на електрично пумпане, оптички пумпане, хемијски пумпане ласере итд. према методи пумпања.
Електрично пумпани ласери односе се на ласере који се побуђују струјом, гасни ласери се углавном побуђују гасним пражњењем, док се полупроводнички ласери углавном побуђују убризгавањем струје.
Скоро сви чврсти ласери и течни ласери су оптички пумпни ласери, а полупроводнички ласери се користе као основни извор пумпања за оптичке пумпне ласере.
Хемијски пумпани ласери односе се на ласере који користе енергију ослобођену хемијским реакцијама за побуђивање радног материјала.
③Класификација према режиму рада
Ласери се могу поделити на континуиране ласере и импулсне ласере према начину рада.
Континуирани ласери имају стабилну расподелу броја честица на сваком енергетском нивоу и поље зрачења у шупљини, а њихов рад карактерише побуђивање радног материјала и одговарајући ласерски излаз на континуиран начин током дужег временског периода. Континуирани ласери могу континуирано емитовати ласерску светлост током дужег временског периода, али је термички ефекат очигледнији.
Пулсни ласери се односе на временски период када се снага ласера одржава на одређеној вредности, а ласерска светлост се емитује дисконтинуирано, са главним карактеристикама малог термичког ефекта и добре управљивости.
④ Класификација према излазној таласној дужини
Ласери се могу класификовати према таласној дужини као инфрацрвени ласери, видљиви ласери, ултраљубичасти ласери, дубоки ултраљубичасти ласери и тако даље. Распон таласних дужина светлости коју могу апсорбовати различити структурирани материјали је различит, па су за фину обраду различитих материјала или за различите сценарије примене потребни ласери различитих таласних дужина.Инфрацрвени ласери и УВ ласери су два најчешће коришћена ласера. Инфрацрвени ласери се углавном користе у „термичкој обради“, где се материјал на површини материјала загрева и испарава (испарава) да би се уклонио материјал; у обради танких филмова неметалних материјала, сечењу полупроводничких плочица, сечењу органског стакла, бушењу, обележавању и другим областима, високоенергетски У области обраде танких филмова неметалних материјала, сечења полупроводничких плочица, сечења органског стакла, бушења, обележавања итд., високоенергетски УВ фотони директно кидају молекуларне везе на површини неметалних материјала, тако да се молекули могу одвојити од објекта, а ова метода не производи реакцију високе топлоте, па се обично назива „хладна обрада“.
Због високе енергије УВ фотона, тешко је генерисати одређени континуирани УВ ласер велике снаге помоћу спољашњег извора побуђивања, па се УВ ласер генерално генерише применом методе конверзије фреквенције нелинеарног ефекта кристалног материјала, тако да се тренутно широко коришћено индустријско поље УВ ласера углавном односи на чврсте УВ ласере.
(4) Индустријски ланац
Узводни део индустријског ланца је употреба полупроводничких сировина, врхунске опреме и сродне производне додатне опреме за производњу ласерских језгара и оптоелектронских уређаја, што је темељ ласерске индустрије и има висок праг приступа. Средњи део индустријског ланца је употреба узводних ласерских чипова и оптоелектронских уређаја, модула, оптичких компоненти итд. као извора пумпе за производњу и продају различитих ласера, укључујући директне полупроводничке ласере, угљен-диоксидне ласере, чврстофазне ласере, влакнасте ласере итд.; низводна индустрија се углавном односи на области примене различитих ласера, укључујући индустријску опрему за обраду, ЛИДАР, оптичке комуникације, медицинску лепоту и друге индустрије примене.
①Узводни добављачи
Сировине за производе као што су полупроводнички ласерски чипови, уређаји и модули углавном су различити материјали за чипове, влакнасти материјали и обрађени делови, укључујући подлоге, хладњаке, хемикалије и кућишта. Обрада чипова захтева висок квалитет и перформансе сировина, углавном од страних добављача, али степен локализације се постепено повећава и постепено се постиже независна контрола. Перформансе главних сировина директно утичу на квалитет полупроводничких ласерских чипова, а континуирано побољшање перформанси различитих материјала за чипове игра позитивну улогу у промоцији перформанси производа у индустрији.
②Ланац средње индустрије
Полупроводнички ласерски чип је основни извор светлости пумпе различитих типова ласера у средњем току индустријског ланца и игра позитивну улогу у промоцији развоја средњих ласера. У области средњих ласера, доминирају Сједињене Државе, Немачка и друга инострана предузећа, али након брзог развоја домаће ласерске индустрије последњих година, средње тржиште индустријског ланца постигло је брзу домаћу супституцију.
③Низводни индустријски ланац
Низводна индустрија има већу улогу у промоцији развоја индустрије, тако да ће развој низводне индустрије директно утицати на тржишни простор индустрије. Континуирани раст кинеске економије и појава стратешких могућности за економску трансформацију створили су боље услове за развој ове индустрије. Кина се креће од земље производње до производне силе, а низводни ласери и ласерска опрема су један од кључева за унапређење производне индустрије, што пружа добро окружење за потражњу за дугорочно унапређење ове индустрије. Захтеви низводне индустрије за индексом перформанси полупроводничких ласерских чипова и њихових уређаја расту, а домаћа предузећа постепено улазе на тржиште ласера велике снаге са тржишта ласера мале снаге, тако да индустрија мора континуирано повећавати инвестиције у област технолошког истраживања и развоја и независних иновација.
2. статус развоја индустрије полупроводничких ласера
Полупроводнички ласери имају најбољу ефикасност конверзије енергије међу свим врстама ласера, с једне стране, могу се користити као основни извор пумпе оптичких влакнастих ласера, чврстих ласера и других оптичких пумпних ласера. С друге стране, са континуираним продором технологије полупроводничких ласера у погледу енергетске ефикасности, осветљености, животног века, вишеструких таласних дужина, брзине модулације итд., полупроводнички ласери се широко користе у обради материјала, медицини, оптичкој комуникацији, оптичком сензорству, одбрани итд. Према подацима Laser Focus World-а, укупни глобални приход од диодних ласера, тј. полупроводничких ласера и недиодних ласера, процењује се на 18.480 милиона долара у 2021. години, при чему полупроводнички ласери чине 43% укупног прихода.
Према подацима компаније Laser Focus World, глобално тржиште полупроводничких ласера ће 2020. године достићи вредност од 6.724 милијарди долара, што је повећање од 14,20% у односу на претходну годину. Са развојем глобалне интелигенције, растућом потражњом за ласерима у паметним уређајима, потрошачкој електроници, новој енергији и другим областима, као и континуираним ширењем медицинске, козметичке опреме и других нових апликација, полупроводнички ласери се могу користити као извор пумпе за оптичке пумпне ласере, а њихова величина тржишта ће наставити да одржава стабилан раст. Величина глобалног тржишта полупроводничких ласера у 2021. години износила је 7,946 милијарди долара, а стопа раста тржишта била је 18,18%.
Заједничким напорима техничких стручњака и предузећа и практичара, кинеска индустрија полупроводничких ласера постигла је изузетан развој, тако да је кинеска индустрија полупроводничких ласера искусила процес од нуле и почетак прототипа кинеске индустрије полупроводничких ласера. Последњих година, Кина је повећала развој ласерске индустрије, а различити региони су посвећени научним истраживањима, унапређењу технологије, развоју тржишта и изградњи ласерских индустријских паркова под вођством владе и сарадњом ласерских предузећа.
3. Будући тренд развоја кинеске ласерске индустрије
У поређењу са развијеним земљама у Европи и Сједињеним Државама, кинеска ласерска технологија не касни, али у примени ласерске технологије и врхунске језгрене технологије и даље постоји значајан јаз, посебно узводни полупроводнички ласерски чип и друге основне компоненте и даље зависе од увоза.
Развијене земље, које представљају Сједињене Америчке Државе, Немачка и Јапан, у основи су завршиле замену традиционалне производне технологије у неким великим индустријским областима и ушле у еру „лаке производње“; иако је развој ласерских апликација у Кини брз, стопа пенетрације примене је и даље релативно ниска. Као основна технологија индустријске надоградње, ласерска индустрија ће наставити да буде кључно подручје националне подршке и наставиће да шири обим примене, што ће на крају промовисати кинеску производну индустрију у еру „лаке производње“. Из тренутне развојне ситуације, развој кинеске ласерске индустрије показује следеће трендове.
(1) Полупроводнички ласерски чип и друге основне компоненте постепено остварују локализацију
Узмимо за пример влакнасти ласер, извор пумпе за високоенергетски влакнасти ласер је главна област примене полупроводничког ласера, чипови и модули високоенергетског полупроводничког ласера су важна компонента влакнастог ласера. Последњих година, индустрија оптичких влакнастих ласера у Кини је у фази брзог раста, а степен локализације се повећава из године у годину.
Што се тиче тржишне пенетрације, на тржишту влакнастих ласера мале снаге, тржишни удео домаћих ласера достигао је 99,01% у 2019. години; на тржишту влакнастих ласера средње снаге, стопа пенетрације домаћих ласера одржава се на више од 50% последњих година; процес локализације влакнастих ласера велике снаге такође постепено напредује, од 2013. до 2019. године постижући „од нуле“. Процес локализације влакнастих ласера велике снаге такође постепено напредује, од 2013. до 2019. године, и достигао је стопу пенетрације од 55,56%, а очекује се да ће домаћа стопа пенетрације влакнастих ласера велике снаге бити 57,58% у 2020. години.
Међутим, основне компоненте као што су чипови полупроводничких ласера велике снаге и даље зависе од увоза, а узводне компоненте ласера са полупроводничким ласерским чиповима као језгром се постепено локализују, што с једне стране побољшава тржишну скалу узводних компоненти домаћих ласера, а с друге стране, локализацијом узводних основних компоненти може побољшати способност домаћих произвођача ласера да учествују у међународној конкуренцији.
(2) Ласерске примене продиру брже и шире
Са постепеном локализацијом узводних оптоелектронских компоненти и постепеним смањењем трошкова примене ласера, ласери ће дубље продрети у многе индустрије.
С једне стране, за Кину, ласерска обрада се такође уклапа у десет водећих области примене у кинеској производној индустрији, и очекује се да ће се области примене ласерске обраде додатно проширити, а тржишна скала у будућности. С друге стране, уз континуирану популаризацију и развој технологија као што су безвозачна вожња, напредни системи за помоћ у вожњи, роботи оријентисани на услуге, 3Д сензори итд., биће све више примењена у многим областима као што су аутомобилска индустрија, вештачка интелигенција, потрошачка електроника, препознавање лица, оптичка комуникација и истраживање националне одбране. Као основни уређај или компонента горе наведених ласерских примена, полупроводнички ласер ће такође добити простор за брзи развој.
(3) Већа снага, бољи квалитет снопа, краћа таласна дужина и бржи развој фреквентног правца
У области индустријских ласера, влакнасти ласери су од свог увођења постигли велики напредак у погледу излазне снаге, квалитета снопа и осветљености. Међутим, већа снага може побољшати брзину обраде, оптимизовати квалитет обраде и проширити област обраде на тешку индустрију. У аутомобилској производњи, ваздухопловству, енергетици, производњи машина, металургији, изградњи железничког транспорта, научним истраживањима и другим областима примене у резању, заваривању, обради површина итд., захтеви за снагом влакнастих ласера настављају да расту. Произвођачи одговарајућих уређаја морају континуирано побољшавати перформансе основних уређаја (као што су високоенергетски полупроводнички ласерски чипови и влакна са појачањем). Повећање снаге влакнастих ласера такође захтева напредну технологију ласерске модулације, као што је комбиновање снопа и синтеза снаге, што ће донети нове захтеве и изазове произвођачима високоенергетских полупроводничких ласерских чипова. Поред тога, краће таласне дужине, веће таласне дужине, бржи (ултрабрзи) развој ласера су такође важан правац, који се углавном користи у интегрисаним колима, дисплејима, потрошачкој електроници, ваздухопловству и другим прецизним микропроцесорским процесима, као и у природним наукама, медицини, сензорским и другим областима, полупроводнички ласерски чипови такође постављају нове захтеве.
(4) потражња за оптоелектронским компонентама ласера велике снаге захтева даљи раст
Развој и индустријализација високоенергетских влакнастих ласера резултат је синергијског напретка индустријског ланца, који захтева подршку основних оптоелектронских компоненти као што су извор пумпе, изолатор, концентратор снопа итд. Оптоелектронске компоненте које се користе у високоенергетским влакнастим ласерима су основа и кључне компоненте његовог развоја и производње, а растуће тржиште високоенергетских влакнастих ласера такође покреће тржишну потражњу за основним компонентама као што су високоенергетски полупроводнички ласерски чипови. Истовремено, уз континуирано унапређење домаће технологије влакнастих ласера, супституција увоза је постала неизбежан тренд, удео ласера на светском тржишту ће наставити да се побољшава, што такође доноси велике могућности за локалну снагу произвођача оптоелектронских компоненти.
Време објаве: 07.03.2023.
