1. Descripción general de la industria del láser
(1) Introducción al láser
El láser (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación, abreviado como LÁSER) es un haz de luz direccional, coherente, monocromático y colimado producido por la amplificación de la radiación luminosa a una frecuencia estrecha a través de radiación y resonancia de retroalimentación excitada.
La tecnología láser se originó a principios de la década de 1960 y, debido a su naturaleza completamente diferente a la de la luz ordinaria, pronto se utilizó ampliamente en diversos campos e influyó profundamente en el desarrollo y la transformación de la ciencia, la tecnología, la economía y la sociedad.
El nacimiento del láser ha cambiado drásticamente la faz de la óptica antigua, expandiendo la física óptica clásica a una nueva disciplina de alta tecnología que abarca tanto la óptica clásica como la fotónica moderna, haciendo una contribución irremplazable al desarrollo de la economía y la sociedad humanas. La investigación en física láser ha contribuido al florecimiento de dos ramas principales de la física fotónica moderna: la fotónica de la energía y la fotónica de la información. Cubre óptica no lineal, óptica cuántica, computación cuántica, detección y comunicación láser, física del plasma láser, química láser, biología láser, medicina láser, espectroscopia y metrología láser ultraprecisas, física atómica láser, incluido el enfriamiento por láser, e investigación de materia condensada de Bose-Einstein. , materiales funcionales láser, fabricación láser, fabricación de chips microoptoelectrónicos láser, impresión láser 3D y más de 20 disciplinas y aplicaciones tecnológicas de vanguardia internacional. El Departamento de Ciencia y Tecnología Láser (DSL) se ha establecido en las siguientes áreas.
En la industria de fabricación de láser, el mundo ha entrado en la era de la "fabricación ligera". Según las estadísticas internacionales de la industria del láser, el 50% del PIB anual de los Estados Unidos1 está relacionado con la rápida expansión del mercado de aplicaciones de láser de alto nivel. Varios países desarrollados, representados por Estados Unidos, Alemania y Japón, básicamente han completado la sustitución de los procesos tradicionales por el procesamiento láser en las principales industrias manufactureras, como la automotriz y la aviación. El láser en la fabricación industrial ha demostrado un gran potencial para aplicaciones de fabricación especiales, de alta calidad, alta eficiencia y de bajo costo que no pueden lograrse mediante la fabricación convencional, y se ha convertido en un importante impulsor de la competencia y la innovación entre los principales países industriales del mundo. Los países están apoyando activamente la tecnología láser como una de sus tecnologías de vanguardia más importantes y han desarrollado planes nacionales de desarrollo de la industria láser.
(2)LáserFuente Pprincipio
El láser es un dispositivo que utiliza radiación excitada para producir luz visible o invisible, con estructura compleja y altas barreras técnicas. El sistema óptico se compone principalmente de una fuente de bomba (fuente de excitación), un medio de ganancia (sustancia de trabajo) y una cavidad resonante y otros materiales de dispositivos ópticos. El medio de ganancia es la fuente de generación de fotones y, al absorber la energía generada por la fuente de la bomba, el medio de ganancia salta del estado fundamental al estado excitado. Dado que el estado excitado es inestable, en este momento, el medio de ganancia liberará energía para volver al estado estable del estado fundamental. En este proceso de liberación de energía, el medio de ganancia produce fotones, y estos fotones tienen un alto grado de consistencia en energía, longitud de onda y dirección, se reflejan constantemente en la cavidad resonante óptica, movimiento recíproco, para amplificarse continuamente, y finalmente Dispare el láser a través del reflector para formar un rayo láser. Como sistema óptico central del equipo terminal, el rendimiento del láser a menudo determina directamente la calidad y la potencia del haz de salida del equipo láser, es el componente central del equipo láser terminal.
La fuente de bombeo (fuente de excitación) proporciona excitación de energía al medio de ganancia. El medio de ganancia se excita para producir fotones para generar y amplificar el láser. La cavidad resonante es el lugar donde se regulan las características de los fotones (frecuencia, fase y dirección de operación) para obtener una fuente de luz de salida de alta calidad controlando las oscilaciones de los fotones en la cavidad. La fuente de bombeo (fuente de excitación) proporciona la excitación de energía para el medio de ganancia. El medio de ganancia se excita para producir fotones para generar y amplificar el láser. La cavidad resonante es el lugar donde se ajustan las características de los fotones (frecuencia, fase y dirección de operación) para obtener una fuente de luz de salida de alta calidad controlando las oscilaciones de los fotones en la cavidad.
(3)Clasificación de fuente láser
La fuente láser se puede clasificar según el medio de ganancia, la longitud de onda de salida, el modo de operación y el modo de bombeo, de la siguiente manera
① Clasificación por medio de ganancia
Según los diferentes medios de ganancia, los láseres se pueden dividir en láseres de estado sólido (incluidos sólidos, semiconductores, de fibra, híbridos), láseres líquidos, láseres de gas, etc.
| LáserFuenteTipo | Ganar medios | Características principales |
| Fuente láser de estado sólido | Sólidos, Semiconductores, Fibra Óptica, Híbridos | Buena estabilidad, alta potencia, bajo costo de mantenimiento, adecuado para la industrialización. |
| Fuente de láser líquido | Líquidos químicos | Se alcanza el rango de longitud de onda opcional, pero es de gran tamaño y tiene un alto costo de mantenimiento. |
| Fuente láser de gas | gases | Fuente de luz láser de alta calidad, pero de mayor tamaño y mayores costes de mantenimiento. |
| Fuente láser de electrones libres | Haz de electrones en un campo magnético específico. | Se puede lograr una potencia ultraalta y una producción láser de alta calidad, pero la tecnología de fabricación y los costos de producción son muy altos. |
Debido a su buena estabilidad, alta potencia y bajo costo de mantenimiento, la aplicación de láseres de estado sólido tiene una ventaja absoluta.
Entre los láseres de estado sólido, los láseres semiconductores tienen las ventajas de alta eficiencia, tamaño pequeño, larga vida útil, bajo consumo de energía, etc. Por un lado, pueden aplicarse directamente como fuente de luz central y soporte para procesamiento láser, médico, aplicaciones de comunicación, detección, visualización, monitoreo y defensa, y se han convertido en una base importante para el desarrollo de la tecnología láser moderna con importancia para el desarrollo estratégico.
Por otro lado, los láseres semiconductores también se pueden utilizar como fuente de luz de bombeo central para otros láseres, como los de estado sólido y los de fibra, lo que promueve en gran medida el progreso tecnológico de todo el campo del láser. Todos los principales países desarrollados del mundo lo han incluido en sus planes nacionales de desarrollo, brindándole un fuerte apoyo y obteniendo un rápido desarrollo.
② Según el método de bombeo
Los láseres se pueden dividir en láseres bombeados eléctricamente, bombeados ópticamente, bombeados químicamente, etc. según el método de bombeo.
Los láseres bombeados eléctricamente se refieren a láseres excitados por corriente, los láseres de gas se excitan principalmente mediante descarga de gas, mientras que los láseres semiconductores se excitan principalmente mediante inyección de corriente.
Casi todos los láseres de estado sólido y líquidos son láseres de bomba óptica, y los láseres semiconductores se utilizan como fuente de bombeo central para los láseres de bomba óptica.
Los láseres bombeados químicamente se refieren a láseres que utilizan la energía liberada por reacciones químicas para excitar el material de trabajo.
③Clasificación por modo de operación
Los láseres se pueden dividir en láseres continuos y láseres pulsados según su modo de funcionamiento.
Los láseres continuos tienen una distribución estable del número de partículas en cada nivel de energía y el campo de radiación en la cavidad, y su funcionamiento se caracteriza por la excitación del material de trabajo y la correspondiente salida del láser de forma continua durante un largo período de tiempo. . Los láseres continuos pueden emitir luz láser de forma continua durante un período de tiempo más largo, pero el efecto térmico es más obvio.
Los láseres pulsados se refieren al tiempo de duración en el que la potencia del láser se mantiene en un cierto valor y emiten luz láser de manera discontinua, con las características principales de un pequeño efecto térmico y buena controlabilidad.
④ Clasificación por longitud de onda de salida
Los láseres se pueden clasificar según la longitud de onda en láseres infrarrojos, láseres visibles, láseres ultravioleta, láseres ultravioleta profundos, etc. El rango de longitud de onda de la luz que pueden absorber diferentes materiales estructurados es diferente, por lo que se necesitan láseres de diferentes longitudes de onda para el procesamiento fino de diferentes materiales o para diferentes escenarios de aplicación.Los láseres infrarrojos y los láseres UV son los dos láseres más utilizados. Los láseres infrarrojos se utilizan principalmente en el "procesamiento térmico", donde el material de la superficie del material se calienta y se vaporiza (evapora) para eliminar el material; en el procesamiento de materiales no metálicos de película delgada, corte de obleas semiconductoras, corte de vidrio orgánico, perforación, marcado y otros campos, alta energía En el campo del procesamiento de materiales no metálicos de película delgada, corte de obleas semiconductoras, corte, perforación, marcado de vidrio orgánico, etc., los fotones UV de alta energía rompen directamente los enlaces moleculares en la superficie de los materiales no metálicos, de modo que las moléculas se pueden separar del objeto, y este método no produce una reacción de alto calor, por lo que generalmente se le llama "frío". tratamiento".
Debido a la alta energía de los fotones UV, es difícil generar un cierto láser UV continuo de alta potencia mediante una fuente de excitación externa, por lo que el láser UV generalmente se genera mediante la aplicación de un método de conversión de frecuencia de efecto no lineal de material cristalino, por lo que la corriente es ampliamente utilizada. El campo industrial de los láseres UV son principalmente láseres UV de estado sólido.
(4) Cadena industrial
La fase inicial de la cadena industrial es el uso de materias primas semiconductoras, equipos de alta gama y accesorios de producción relacionados para fabricar núcleos láser y dispositivos optoelectrónicos, que es la piedra angular de la industria del láser y tiene un alto umbral de acceso. La etapa intermedia de la cadena industrial es el uso de chips láser y dispositivos optoelectrónicos, módulos, componentes ópticos, etc. como fuentes de bombeo para la fabricación y venta de diversos láseres, incluidos láseres semiconductores directos, láseres de dióxido de carbono, láseres de estado sólido, láseres de fibra, etc.; la industria transformadora se refiere principalmente a las áreas de aplicación de varios láseres, incluidos equipos de procesamiento industrial, LIDAR, comunicaciones ópticas, belleza médica y otras industrias de aplicaciones.
①Proveedores ascendentes
Las materias primas para productos upstream, como chips, dispositivos y módulos láser semiconductores, son principalmente diversos materiales de chips, materiales de fibra y piezas mecanizadas, incluidos sustratos, disipadores de calor, productos químicos y conjuntos de carcasas. El procesamiento de chips requiere alta calidad y rendimiento de las materias primas ascendentes, principalmente de proveedores extranjeros, pero el grado de localización está aumentando gradualmente y gradualmente se logra un control independiente. El rendimiento de las principales materias primas tiene un impacto directo en la calidad de los chips láser semiconductores, y la mejora continua del rendimiento de diversos materiales de chips, para mejorar el rendimiento de los productos de la industria, desempeña un papel positivo en la promoción.
②Cadena de la industria intermedia
El chip láser semiconductor es la fuente de luz de bombeo central de varios tipos de láseres en la mitad de la cadena industrial y desempeña un papel positivo en la promoción del desarrollo de láseres intermedios. En el campo de los láseres intermedios, dominan los Estados Unidos, Alemania y otras empresas extranjeras, pero después del rápido desarrollo de la industria láser nacional en los últimos años, el mercado intermedio de la cadena industrial ha logrado una rápida sustitución nacional.
③Cadena industrial aguas abajo
La industria downstream tiene un papel más importante en la promoción del desarrollo de la industria, por lo que el desarrollo de la industria downstream afectará directamente el espacio de mercado de la industria. El crecimiento continuo de la economía de China y el surgimiento de oportunidades estratégicas para la transformación económica han creado mejores condiciones de desarrollo para el desarrollo de esta industria. China está pasando de ser un país manufacturero a una potencia manufacturera, y los láseres y equipos láser posteriores son una de las claves para mejorar la industria manufacturera, lo que proporciona un buen entorno de demanda para la mejora a largo plazo de esta industria. Los requisitos de la industria transformadora para el índice de rendimiento de los chips láser semiconductores y sus dispositivos están aumentando, y las empresas nacionales están ingresando gradualmente al mercado de láseres de alta potencia desde el mercado de láseres de baja potencia, por lo que la industria debe aumentar continuamente la inversión en el campo de la investigación tecnológica. y desarrollo e innovación independiente.
2. Estado de desarrollo de la industria del láser semiconductor.
Los láseres semiconductores tienen la mejor eficiencia de conversión de energía entre todos los tipos de láseres; por un lado, pueden usarse como fuente de bomba central de láseres de fibra óptica, láseres de estado sólido y otros láseres de bomba óptica. Por otro lado, con el avance continuo de la tecnología de láser semiconductor en términos de eficiencia energética, brillo, vida útil, longitud de onda múltiple, velocidad de modulación, etc., los láseres semiconductores se utilizan ampliamente en el procesamiento de materiales, medicina, comunicación óptica, detección óptica, defensa, etc. Según Laser Focus World, los ingresos globales totales de los láseres de diodo, es decir, láseres semiconductores y láseres sin diodo, se estiman en 18.480 millones de dólares en 2021, y los láseres semiconductores representan el 43% de los ingresos totales.
Según Laser Focus World, el mercado mundial de láseres semiconductores alcanzará los 6.724 millones de dólares en 2020, un 14,20% más que el año anterior. Con el desarrollo de la inteligencia global, la creciente demanda de láseres en dispositivos inteligentes, electrónica de consumo, nuevas energías y otros campos, así como la continua expansión de los equipos médicos, de belleza y otras aplicaciones emergentes, los láseres semiconductores se pueden utilizar como fuente de bombeo. para láseres de bomba óptica, y su tamaño de mercado seguirá manteniendo un crecimiento estable. En 2021, el tamaño del mercado mundial de láseres semiconductores fue de 7.946 millones de dólares, y la tasa de crecimiento del mercado fue del 18,18%.
Gracias a los esfuerzos conjuntos de expertos técnicos, empresas y profesionales, la industria de láseres semiconductores de China ha logrado un desarrollo extraordinario, de modo que la industria de láseres semiconductores de China ha experimentado el proceso desde cero y el comienzo del prototipo de la industria de láseres semiconductores de China. En los últimos años, China ha aumentado el desarrollo de la industria del láser y varias regiones se han dedicado a la investigación científica, la mejora de la tecnología, el desarrollo del mercado y la construcción de parques industriales de láser bajo el liderazgo del gobierno y la cooperación de empresas de láser.
3. Tendencia de desarrollo futuro de la industria láser de China
En comparación con los países desarrollados de Europa y Estados Unidos, la tecnología láser de China no llega tarde, pero todavía existe una brecha considerable en la aplicación de la tecnología láser y la tecnología central de alta gama, especialmente el chip láser semiconductor ascendente y otros componentes centrales. dependiente de las importaciones.
Los países desarrollados representados por Estados Unidos, Alemania y Japón básicamente han completado el reemplazo de la tecnología de fabricación tradicional en algunos grandes campos industriales y han entrado en la era de la "fabricación ligera"; Aunque el desarrollo de aplicaciones láser en China es rápido, la tasa de penetración de las aplicaciones sigue siendo relativamente baja. Como tecnología central de la modernización industrial, la industria del láser seguirá siendo un área clave de apoyo nacional, seguirá ampliando el alcance de su aplicación y, en última instancia, promoverá la industria manufacturera de China hacia la era de la "fabricación ligera". A partir de la situación de desarrollo actual, el desarrollo de la industria láser de China muestra las siguientes tendencias de desarrollo.
(1) El chip láser semiconductor y otros componentes centrales realizan gradualmente la localización
Tomemos el láser de fibra como ejemplo, la fuente de bomba de láser de fibra de alta potencia es el área de aplicación principal del láser semiconductor, el chip y módulo de láser semiconductor de alta potencia es un componente importante del láser de fibra. En los últimos años, la industria del láser de fibra óptica de China se encuentra en una etapa de rápido crecimiento y el grado de localización aumenta año tras año.
En términos de penetración de mercado, en el mercado de láseres de fibra de baja potencia, la cuota de mercado de los láseres nacionales alcanzó el 99,01% en 2019; en el mercado de láseres de fibra de potencia media, la tasa de penetración de los láseres nacionales se ha mantenido en más del 50% en los últimos años; El proceso de localización de láseres de fibra de alta potencia también avanza paulatinamente, de 2013 a 2019 para lograrlo "desde cero". El proceso de localización de láseres de fibra de alta potencia también está avanzando gradualmente, de 2013 a 2019, y ha alcanzado una tasa de penetración del 55,56%, y se espera que la tasa de penetración nacional de láseres de fibra de alta potencia sea del 57,58% en 2020.
Sin embargo, los componentes centrales, como los chips láser semiconductores de alta potencia, todavía dependen de las importaciones, y los componentes ascendentes de los láseres con chips láser semiconductores como núcleo se están localizando gradualmente, lo que, por un lado, mejora la escala de mercado de los componentes ascendentes de láseres nacionales y, por otro lado, con la localización de los componentes principales ascendentes, puede mejorar la capacidad de los fabricantes de láseres nacionales para participar en la competencia internacional.
(2) Las aplicaciones láser penetran más rápido y más ampliamente
Con la localización gradual de los componentes optoelectrónicos centrales y la disminución gradual de los costos de las aplicaciones láser, los láseres penetrarán más profundamente en muchas industrias.
Por un lado, para China, el procesamiento láser también se encuentra entre las diez principales áreas de aplicación de la industria manufacturera de China, y se espera que las áreas de aplicación del procesamiento láser se amplíen aún más y la escala del mercado se amplíe aún más en el futuro. Por otro lado, con la popularización y el desarrollo continuos de tecnologías como los sistemas avanzados de conducción asistida sin conductor, los robots orientados a servicios, la detección 3D, etc., se aplicarán más en muchos campos como el automóvil, la inteligencia artificial y la electrónica de consumo. , reconocimiento facial, comunicación óptica e investigación de defensa nacional. Como dispositivo central o componente de las aplicaciones láser anteriores, el láser semiconductor también ganará espacio de rápido desarrollo.
(3) Mayor potencia, mejor calidad del haz, longitud de onda más corta y desarrollo más rápido de la dirección de frecuencia
En el campo de los láseres industriales, los láseres de fibra han logrado grandes avances en términos de potencia de salida, calidad del haz y brillo desde su introducción. Sin embargo, una mayor potencia puede mejorar la velocidad de procesamiento, optimizar la calidad del procesamiento y expandir el campo de procesamiento a la fabricación de la industria pesada, la fabricación de automóviles, la fabricación aeroespacial, la energía, la fabricación de maquinaria, la metalurgia, la construcción de transporte ferroviario, la investigación científica y otros campos de aplicación en el corte. , soldadura, tratamiento de superficies, etc., los requisitos de potencia del láser de fibra continúan aumentando. Los fabricantes de dispositivos correspondientes deben mejorar continuamente el rendimiento de los dispositivos centrales (como el chip láser semiconductor de alta potencia y la fibra de ganancia), y el aumento de la potencia del láser de fibra también requiere tecnología avanzada de modulación láser, como la combinación de haces y la síntesis de potencia, lo que traerá nuevos requisitos. y desafíos para los fabricantes de chips láser semiconductores de alta potencia. Además, el desarrollo de láseres con longitudes de onda más cortas, más longitudes de onda y más rápido (ultrarrápido) también es una dirección importante, que se utiliza principalmente en chips de circuitos integrados, pantallas, electrónica de consumo, microprocesamiento aeroespacial y otros microprocesamientos de precisión, así como en ciencias biológicas, medicina, detección y otros. campos, el chip láser semiconductor también planteó nuevos requisitos.
(4) para la demanda de componentes optoelectrónicos láser de alta potencia para un mayor crecimiento
El desarrollo y la industrialización del láser de fibra de alta potencia es el resultado del progreso sinérgico de la cadena industrial, que requiere el soporte de componentes optoelectrónicos centrales como fuente de bomba, aislador, concentrador de haz, etc. Los componentes optoelectrónicos utilizados en alta potencia El láser de fibra es la base y los componentes clave de su desarrollo y producción, y el mercado en expansión del láser de fibra de alta potencia también impulsa la demanda del mercado de componentes centrales, como chips láser semiconductores de alta potencia. Al mismo tiempo, con la mejora continua de la tecnología nacional de láser de fibra, la sustitución de importaciones se ha convertido en una tendencia inevitable, la participación del mercado de láser en el mundo seguirá mejorando, lo que también brinda grandes oportunidades para la fortaleza local de los fabricantes de componentes optoelectrónicos.
Hora de publicación: 07-mar-2023
