1. Panorama general de la industria láser
(1) Introducción al láser
El láser (amplificación de luz por emisión estimulada de radiación, abreviado como LASER) es un haz de luz colimado, monocromático, coherente y direccional producido por la amplificación de la radiación luminosa a una frecuencia estrecha a través de la resonancia de retroalimentación excitada y la radiación.
La tecnología láser tuvo su origen 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 el panorama de la óptica antigua, expandiendo la física óptica clásica hacia una nueva disciplina de alta tecnología que abarca tanto la óptica clásica como la fotónica moderna, haciendo una contribución insustituible 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 de plasma láser, química láser, biología láser, medicina láser, espectroscopia y metrología láser de ultraprecisión, física atómica láser, incluyendo enfriamiento láser e investigación de materia condensada de Bose-Einstein, materiales funcionales láser, fabricación láser, fabricación de chips microoptoelectrónicos láser, impresión 3D láser y más de 20 disciplinas de frontera internacionales y aplicaciones tecnológicas. El Departamento de Ciencia y Tecnología Láser (DSL) se ha establecido en las siguientes áreas.
En la industria de la fabricación láser, el mundo ha entrado en la era de la "fabricación ligera". Según las estadísticas internacionales del sector, el 50 % del PIB anual de Estados Unidos¹ está relacionado con la rápida expansión del mercado de aplicaciones láser de alta tecnología. Varios países desarrollados, como Estados Unidos, Alemania y Japón, han completado prácticamente la sustitución de los procesos tradicionales por el procesamiento láser en importantes industrias manufactureras como la automotriz y la aeronáutica. El láser en la fabricación industrial ha demostrado un gran potencial para aplicaciones de fabricación especiales, de bajo costo, alta calidad y alta eficiencia, inalcanzables con la fabricación convencional, y se ha convertido en un importante motor de competencia e innovación entre los principales países industrializados del mundo. Estos países están impulsando activamente la tecnología láser como una de sus tecnologías de vanguardia más importantes y han desarrollado planes nacionales para el desarrollo de la industria láser.
(2)LáserFuente Pprincipio
El láser es un dispositivo que utiliza radiación excitada para producir luz visible o invisible, con una estructura compleja y altas barreras técnicas. El sistema óptico se compone principalmente de una fuente de bombeo (fuente de excitación), un medio de ganancia (sustancia de trabajo), una cavidad resonante y otros materiales ópticos. El medio de ganancia es la fuente de generación de fotones y, al absorber la energía generada por la fuente de bombeo, pasa del estado fundamental al estado excitado. Dado que el estado excitado es inestable, en este momento el medio de ganancia libera energía para regresar al estado fundamental. En este proceso de liberación de energía, el medio de ganancia produce fotones, los cuales presentan una alta consistencia en energía, longitud de onda y dirección. Estos fotones se reflejan constantemente en la cavidad resonante óptica, moviéndose de forma recíproca, lo que permite su amplificación continua y, finalmente, su emisión a través del reflector para formar un haz láser. Como sistema óptico central del equipo terminal, el rendimiento del láser determina directamente la calidad y la potencia del haz de salida del equipo láser, siendo este componente esencial del mismo.
La fuente de bombeo (fuente de excitación) proporciona energía de excitación al medio de ganancia. El medio de ganancia se excita para producir fotones que generan y amplifican 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 mediante el control de las oscilaciones de los fotones en la cavidad. La fuente de bombeo (fuente de excitación) proporciona energía de excitación para el medio de ganancia. El medio de ganancia se excita para producir fotones que generan y amplifican 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 mediante el control de las oscilaciones de los fotones en la cavidad.
(3)Clasificación de la fuente láser
Las fuentes láser se pueden clasificar según el medio de ganancia, la longitud de onda de salida, el modo de operación y el modo de bombeo, como se indica a continuación.
① Clasificación por medio de ganancia
Según los diferentes medios de ganancia, los láseres se pueden dividir en láseres de estado sólido (incluidos los de estado sólido, semiconductores, fibra e híbridos), láseres de líquido, láseres de gas, etc.
| LáserFuenteTipo | Ganar medios | Características principales |
| Fuente láser de estado sólido | Sólidos, semiconductores, fibra óptica, híbridos | Buena estabilidad, alta potencia, bajo coste de mantenimiento, apto para la industrialización. |
| Fuente láser líquida | líquidos químicos | Alcance de longitud de onda opcional, pero gran tamaño y alto costo de mantenimiento. |
| Fuente láser de gas | Gases | Fuente de luz láser de alta calidad, pero de mayor tamaño y con mayores costes de mantenimiento. |
| Fuente láser de electrones libres | Haz de electrones en un campo magnético específico | Se puede lograr una potencia ultra alta y una salida láser de alta calidad, pero la tecnología de fabricación y los costos de producción son muy altos. |
Gracias a su buena estabilidad, alta potencia y bajo coste de mantenimiento, la aplicación de láseres de estado sólido ofrece una ventaja absoluta.
Entre los láseres de estado sólido, los láseres semiconductores presentan ventajas como alta eficiencia, tamaño reducido, larga vida útil y bajo consumo energético. Por un lado, pueden utilizarse directamente como fuente de luz principal y soporte para aplicaciones de procesamiento láser, medicina, comunicación, detección, visualización, monitorización y defensa, y se han convertido en una base importante para el desarrollo de la tecnología láser moderna, con una relevancia estratégica.
Por otro lado, los láseres semiconductores también pueden utilizarse como fuente de luz de bombeo principal para otros láseres, como los de estado sólido y los de fibra, impulsando significativamente el progreso tecnológico de todo el campo de los láseres. Todos los principales países desarrollados del mundo lo han incluido en sus planes nacionales de desarrollo, brindándole un fuerte apoyo y logrando un rápido desarrollo.
② Según el método de bombeo
Los láseres se pueden clasificar según el método de bombeo en láseres de bombeo eléctrico, láseres de bombeo óptico, láseres de bombeo químico, etc.
Los láseres bombeados eléctricamente son aquellos que se excitan mediante corriente eléctrica; 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 los láseres líquidos son láseres de bombeo óptico, y los láseres semiconductores se utilizan como fuente de bombeo principal para los láseres de bombeo óptico.
Los láseres de bombeo químico son aquellos que utilizan la energía liberada por reacciones químicas para excitar el material de trabajo.
③Clasificación por modo de funcionamiento
Los láseres se pueden dividir en láseres continuos y láseres pulsados según su modo de funcionamiento.
Los láseres continuos presentan una distribución estable del número de partículas en cada nivel de energía y del campo de radiación en la cavidad. Su funcionamiento se caracteriza por la excitación continua del material de trabajo y la correspondiente emisión láser durante un periodo prolongado. Si bien los láseres continuos pueden emitir luz láser de forma ininterrumpida, el efecto térmico es más evidente.
Los láseres pulsados se refieren al período de tiempo durante el cual la potencia del láser se mantiene en un valor determinado y emiten luz láser de manera discontinua, con las características principales de un pequeño efecto térmico y una buena controlabilidad.
④ Clasificación por longitud de onda de salida
Los láseres se pueden clasificar según su longitud de onda en láseres infrarrojos, láseres visibles, láseres ultravioleta, láseres ultravioleta profundo, etc. El rango de longitud de onda de la luz que pueden absorber los diferentes materiales estructurados es distinto, por lo que se necesitan láseres de diferentes longitudes de onda para el procesamiento preciso de diferentes materiales o para diferentes escenarios de aplicación.Los láseres infrarrojos y los láseres UV son los dos tipos de láser más utilizados. Los láseres infrarrojos se utilizan principalmente en el "procesamiento térmico", donde el material de la superficie se calienta y vaporiza (evapora) para eliminarlo; en el procesamiento de materiales no metálicos de película delgada, corte de obleas de semiconductores, corte de vidrio orgánico, perforación, marcado y otros campos, 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 calor elevada, por lo que se suele denominar "procesamiento en frío".
Debido a la alta energía de los fotones UV, es difícil generar un láser UV continuo de alta potencia mediante una fuente de excitación externa, por lo que el láser UV generalmente se genera mediante la aplicación del método de conversión de frecuencia por efecto no lineal de material cristalino, por lo que el campo industrial actual más utilizado en láseres UV son principalmente los láseres UV de estado sólido.
(4) Cadena industrial
La fase inicial de la cadena de valor consiste en el uso de materias primas para semiconductores, equipos de alta gama y accesorios de producción relacionados para la fabricación de núcleos láser y dispositivos optoelectrónicos, lo que constituye la piedra angular de la industria láser y presenta un alto umbral de acceso. La fase intermedia de la cadena de valor consiste en el uso de chips láser y dispositivos optoelectrónicos, módulos, componentes ópticos, etc., procedentes de la fase inicial como fuentes de bombeo para la fabricación y venta de diversos láseres, incluidos láseres de semiconductores directos, láseres de dióxido de carbono, láseres de estado sólido, láseres de fibra, etc. La fase final se refiere principalmente a las áreas de aplicación de los distintos láseres, incluidos los equipos de procesamiento industrial, LIDAR, comunicaciones ópticas, estética médica y otras industrias de aplicación.
① Proveedores de la cadena de suministro
Las materias primas para productos intermedios como chips, dispositivos y módulos láser semiconductores son principalmente diversos materiales para chips, materiales de fibra y piezas mecanizadas, incluyendo sustratos, disipadores de calor, productos químicos y carcasas. El procesamiento de chips requiere materias primas de alta calidad y rendimiento, provenientes principalmente de proveedores extranjeros, pero el grado de localización está aumentando gradualmente, logrando un control independiente. El rendimiento de las principales materias primas influye directamente en la calidad de los chips láser semiconductores; la mejora continua del rendimiento de los diversos materiales para chips contribuye positivamente a la mejora del rendimiento de los productos de la industria.
②Cadena de la industria de transporte y distribución
El chip láser semiconductor es la principal fuente de luz de bombeo de diversos tipos de láseres en la etapa intermedia de la cadena de valor, y desempeña un papel fundamental en el desarrollo de los láseres de esta etapa. En el sector de los láseres de esta etapa, Estados Unidos, Alemania y otras empresas extranjeras dominan el mercado, pero tras el rápido desarrollo de la industria láser nacional en los últimos años, el mercado de láseres de esta etapa ha experimentado una rápida sustitución por productos nacionales.
③Cadena industrial aguas abajo
La industria de procesamiento tiene un papel fundamental en el desarrollo del sector, por lo que su desarrollo influye directamente en el espacio de mercado de este. El continuo crecimiento de la economía china y la aparición de oportunidades estratégicas para la transformación económica han creado mejores condiciones para el desarrollo de este sector. China está pasando de ser un país manufacturero a una potencia manufacturera, y los láseres y equipos láser de procesamiento son clave para la modernización de la industria manufacturera, lo que proporciona un entorno de demanda favorable para el crecimiento a largo plazo de este sector. Los requisitos de la industria de procesamiento en cuanto al índice de rendimiento de los chips láser semiconductores y sus dispositivos son cada vez mayores, y las empresas nacionales están entrando gradualmente en el mercado de láseres de alta potencia desde el mercado de láseres de baja potencia, por lo que el sector debe incrementar continuamente la inversión en investigación y desarrollo tecnológico e innovación independiente.
2. Estado de desarrollo de la industria de láseres semiconductores
Los láseres semiconductores poseen la mejor eficiencia de conversión de energía entre todos los tipos de láseres. Por un lado, pueden utilizarse como fuente de bombeo principal para láseres de fibra óptica, láseres de estado sólido y otros láseres de bombeo óptico. Por otro lado, gracias a los continuos avances en la tecnología de láseres semiconductores en términos de eficiencia energética, brillo, vida útil, longitud de onda múltiple, tasa de modulación, etc., estos láseres se utilizan ampliamente en el procesamiento de materiales, medicina, comunicaciones ópticas, detección óptica, defensa, etc. Según Laser Focus World, los ingresos globales totales de los láseres de diodo, es decir, láseres semiconductores y láseres no diodos, se estimaron en 18.480 millones de dólares en 2021, y los láseres semiconductores representaron el 43% de los ingresos totales.
Según Laser Focus World, el mercado global de láseres semiconductores alcanzó los 6724 millones de dólares en 2020, un 14,20 % más que el año anterior. Gracias al desarrollo de la inteligencia artificial, la creciente demanda de láseres en dispositivos inteligentes, electrónica de consumo, energías renovables y otros sectores, así como la continua expansión de los equipos médicos y de belleza, entre otras aplicaciones emergentes, los láseres semiconductores pueden utilizarse como fuente de bombeo para láseres de bombeo óptico, y su tamaño de mercado seguirá manteniendo un crecimiento estable. En 2021, el mercado global de láseres semiconductores alcanzó los 7946 millones de dólares, con una tasa de crecimiento del 18,18 %.
Gracias a los esfuerzos conjuntos de expertos técnicos, empresas y profesionales, la industria china de láseres semiconductores ha experimentado un desarrollo extraordinario, partiendo desde cero y convirtiéndose en un prototipo de la industria. En los últimos años, China ha impulsado el desarrollo de la industria láser, y diversas regiones se han dedicado a la investigación científica, el perfeccionamiento tecnológico, el desarrollo del mercado y la construcción de parques industriales láser bajo el liderazgo del gobierno y la cooperación de las empresas del sector.
3. Tendencias de desarrollo futuro de la industria láser en China
En comparación con los países desarrollados de Europa y Estados Unidos, la tecnología láser de China no está rezagada, pero en la aplicación de la tecnología láser y la tecnología central de alta gama todavía existe una brecha considerable, especialmente en lo que respecta a los chips láser semiconductores y otros componentes clave, que aún dependen de las importaciones.
Los países desarrollados, representados por Estados Unidos, Alemania y Japón, han completado prácticamente la sustitución de la tecnología de fabricación tradicional en algunos sectores industriales importantes y han entrado en la era de la "fabricación ligera". Si bien el desarrollo de las aplicaciones láser en China es rápido, su tasa de penetración sigue siendo relativamente baja. Como tecnología central de la modernización industrial, la industria láser continuará siendo un área clave de apoyo nacional, ampliando su ámbito de aplicación y, en última instancia, impulsando la industria manufacturera china hacia la era de la "fabricación ligera". A partir de la situación actual, el desarrollo de la industria láser en China muestra las siguientes tendencias.
(1) El chip láser semiconductor y otros componentes centrales logran gradualmente la localización.
Por ejemplo, en el caso de los láseres de fibra, la fuente de bombeo de alta potencia es la principal aplicación de los láseres semiconductores, y los chips y módulos láser semiconductores de alta potencia constituyen un componente importante de los láseres de fibra. En los últimos años, la industria china de láseres de fibra óptica ha experimentado un 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 por encima del 50% en los últimos años; el proceso de localización de láseres de fibra de alta potencia también está avanzando gradualmente, desde 2013 hasta 2019 para lograr "desde cero". El proceso de localización de láseres de fibra de alta potencia también está avanzando gradualmente, desde 2013 hasta 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, componentes clave como los chips láser semiconductores de alta potencia aún dependen de las importaciones, y los componentes intermedios de los láseres que utilizan chips láser semiconductores como núcleo se están localizando gradualmente, lo que, por un lado, mejora la escala de mercado de los componentes intermedios de los láseres nacionales y, por otro lado, con la localización de los componentes principales intermedios, puede mejorar la capacidad de los fabricantes nacionales de láseres para participar en la competencia internacional.
(2) Las aplicaciones láser penetran más rápido y más ampliamente
Con la localización gradual de los componentes optoelectrónicos básicos de la cadena de suministro y la disminución progresiva de los costes de aplicación de los láseres, estos penetrarán más profundamente en muchos sectores industriales.
Por un lado, para China, el procesamiento láser se sitúa entre las diez principales áreas de aplicación de la industria manufacturera china, y se prevé que sus áreas de aplicación y su mercado se expandan aún más en el futuro. Por otro lado, con la continua popularización y el desarrollo de tecnologías como la conducción autónoma, los sistemas avanzados de asistencia a la conducción, la robótica orientada a servicios y la detección 3D, se aplicará en numerosos campos como la automoción, la inteligencia artificial, la electrónica de consumo, el reconocimiento facial, las comunicaciones ópticas y la investigación en defensa nacional. Como componente fundamental de las aplicaciones láser mencionadas, el láser semiconductor también experimentará un 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 experimentado un gran progreso 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, en 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 corte, soldadura, tratamiento de superficies, etc., los requisitos de potencia de los láseres de fibra continúan aumentando. Los fabricantes de dispositivos correspondientes necesitan mejorar continuamente el rendimiento de los dispositivos centrales (como el chip láser semiconductor de alta potencia y la fibra de ganancia), 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 planteará nuevos requisitos y desafíos para los fabricantes de chips láser semiconductores de alta potencia. Además, el desarrollo de láseres de longitudes de onda más cortas, más múltiples longitudes de onda y más rápidos (ultrarrápidos) también es una dirección importante, utilizada principalmente en chips de circuitos integrados, pantallas, electrónica de consumo, aeroespacial y otros microprocesamiento de precisión, así como en ciencias de la vida, medicina, sensores y otros campos, el chip láser semiconductor también plantea nuevos requisitos.
(4) para componentes optoelectrónicos láser de alta potencia demanda de mayor crecimiento
El desarrollo e industrialización de los láseres de fibra de alta potencia es el resultado del progreso sinérgico de la cadena de valor, que requiere el apoyo de componentes optoelectrónicos clave como la fuente de bombeo, el aislador, el concentrador de haz, etc. Estos componentes son fundamentales para su desarrollo y producción, y la expansión del mercado de láseres de fibra de alta potencia impulsa la demanda de componentes clave como los chips láser semiconductores de alta potencia. Al mismo tiempo, con la mejora continua de la tecnología láser de fibra nacional, la sustitución de importaciones se ha convertido en una tendencia inevitable, y la cuota de mercado mundial de los láseres seguirá aumentando, lo que también ofrece grandes oportunidades para los fabricantes locales de componentes optoelectrónicos.
Fecha de publicación: 7 de marzo de 2023
