1. Panoramica di l'industria laser
(1) Introduzione à u laser
U laser (Amplificazione di Luce per Emissione Stimulata di Radiazione, abbreviatu cum'è LASER) hè un fasciu di luce collimatu, monocromaticu, coerente è direzionale pruduttu da l'amplificazione di a radiazione luminosa à una frequenza stretta per via di a risonanza di feedback eccitata è di a radiazione.
A tecnulugia laser hè nata à l'iniziu di l'anni 1960, è per via di a so natura cumpletamente diversa da a luce ordinaria, u laser hè statu prestu largamente utilizatu in diversi campi è hà influenzatu prufundamente u sviluppu è a trasfurmazione di a scienza, a tecnulugia, l'ecunumia è a sucietà.
A nascita di u laser hà cambiatu dramaticamente a faccia di l'ottica antica, espandendu a fisica ottica classica in una nova disciplina high-tech chì abbraccia sia l'ottica classica sia a fotonica muderna, dendu un cuntributu insustituibile à u sviluppu di l'ecunumia è di a sucietà umana. A ricerca in fisica di u laser hà cuntribuitu à u fiorimentu di duie branche maiò di a fisica fotonica muderna: a fotonica energetica è a fotonica di l'infurmazione. Copre l'ottica non lineare, l'ottica quantica, l'informatica quantica, u rilevamentu è a cumunicazione laser, a fisica di u plasma laser, a chimica laser, a biologia laser, a medicina laser, a spettroscopia è a metrologia laser ultra-precise, a fisica atomica laser cumprese u raffreddamentu laser è a ricerca di materia condensata Bose-Einstein, i materiali funziunali laser, a fabricazione laser, a fabricazione di chip micro-optoelettronici laser, a stampa 3D laser è più di 20 discipline di frontiera internaziunali è applicazioni tecnologiche. U Dipartimentu di Scienza è Tecnulugia Laser (DSL) hè statu stabilitu in e seguenti aree.
In l'industria di a fabricazione laser, u mondu hè entratu in l'era di a "fabricazione ligera", secondu e statistiche internaziunali di l'industria laser, u 50% di u PIB annuale di i Stati Uniti1 hè ligatu à a rapida espansione di u mercatu di l'applicazioni laser di altu livellu. Parechji paesi sviluppati, rapprisentati da i Stati Uniti, a Germania è u Giappone, anu basicamente cumpletatu a sustituzione di i prucessi tradiziunali cù a trasfurmazione laser in e principali industrie manifatturiere cum'è l'automobile è l'aviazione. U laser in a fabricazione industriale hà dimustratu un grande putenziale per applicazioni di fabricazione à bassu costu, alta qualità, alta efficienza è speciali chì ùn ponu esse ottenute da a fabricazione cunvinziunale, è hè diventatu un mutore impurtante di cumpetizione è innovazione trà i principali paesi industriali di u mondu. I paesi sustenenu attivamente a tecnulugia laser cum'è una di e so tecnulugie d'avanguardia più impurtanti è anu sviluppatu piani naziunali di sviluppu di l'industria laser.
(2)LaserFonte Pprincipiu
U laser hè un dispusitivu chì usa a radiazione eccitata per pruduce luce visibile o invisibile, cù una struttura cumplessa è alte barriere tecniche. U sistema otticu hè cumpostu principalmente da una fonte di pompa (fonte d'eccitazione), un mediu di guadagnu (sustanza di travagliu) è una cavità risonante è altri materiali di u dispusitivu otticu. U mediu di guadagnu hè a fonte di generazione di fotoni, è assorbendu l'energia generata da a fonte di pompa, u mediu di guadagnu salta da u statu fundamentale à u statu eccitatu. Siccomu u statu eccitatu hè instabile, in questu mumentu, u mediu di guadagnu libererà energia per vultà à u statu stabile di u statu fundamentale. In questu prucessu di liberazione d'energia, u mediu di guadagnu produce fotoni, è questi fotoni anu un altu gradu di consistenza in energia, lunghezza d'onda è direzzione, sò constantemente riflessi in a cavità risonante ottica, muvimentu reciprocu, in modu da amplificà continuamente, è infine sparà u laser attraversu u riflettore per furmà un fasciu laser. Cum'è u sistema otticu principale di l'equipaggiu terminale, a prestazione di u laser determina spessu direttamente a qualità è a putenza di u fasciu di uscita di l'equipaggiu laser, hè u cumpunente principale di l'equipaggiu laser terminale.
A fonte di pompa (fonte d'eccitazione) furnisce l'eccitazione d'energia à u mediu di guadagnu. U mediu di guadagnu hè eccitatu per pruduce fotoni per generà è amplificà u laser. A cavità risonante hè u locu induve e caratteristiche di i fotoni (frequenza, fase è direzzione di funziunamentu) sò regulate per ottene una fonte di luce di uscita di alta qualità cuntrullendu l'oscillazioni di i fotoni in a cavità. A fonte di pompa (fonte d'eccitazione) furnisce l'eccitazione d'energia per u mediu di guadagnu. U mediu di guadagnu hè eccitatu per pruduce fotoni per generà è amplificà u laser. A cavità risonante hè u locu induve e caratteristiche di i fotoni (frequenza, fase è direzzione di funziunamentu) sò aghjustate per ottene una fonte di luce di uscita di alta qualità cuntrullendu l'oscillazioni di i fotoni in a cavità.
(3)Classificazione di a fonte laser
A fonte laser pò esse classificata secondu u mediu di guadagnu, a lunghezza d'onda di uscita, u modu di funziunamentu è u modu di pompaggio, cum'è seguita.
① Classificazione per mezu di guadagnu
Sicondu i sfarenti mezi di guadagnu, i laser ponu esse divisi in laser à statu solidu (cumpresi laser solidi, semiconduttori, fibre, ibridi), laser liquidi, laser à gas, ecc.
| LaserFonteTipu | Guadagnà i media | Caratteristiche principali |
| Fonte Laser à Statu Solidu | Solidi, Semiconduttori, Fibre Ottiche, Ibridi | Bella stabilità, alta putenza, bassu costu di mantenimentu, adattatu per l'industrializazione |
| Fonte Laser Liquida | Liquidi chimichi | Gamma di lunghezza d'onda opzionale colpita, ma grande dimensione è altu costu di manutenzione |
| Fonte Laser à Gas | Gasi | Fonte di luce laser di alta qualità, ma di dimensioni più grande è costi di manutenzione più elevati |
| Fonte Laser à Elettroni Liberi | Fasciu elettronicu in un campu magneticu specificu | Si pò ottene una putenza ultra-alta è una pruduzzione laser di alta qualità, ma a tecnulugia di fabricazione è i costi di pruduzzione sò assai alti. |
A causa di a bona stabilità, l'alta putenza è u bassu costu di mantenimentu, l'applicazione di laser à statu solidu ne piglia un vantaghju assolutu.
Trà i laser à statu solidu, i laser à semiconduttore anu i vantaghji di alta efficienza, dimensioni ridotte, longa durata, bassu cunsumu energeticu, ecc. Da una parte, ponu esse applicati direttamente cum'è fonte di luce principale è supportu per l'applicazioni di trasfurmazione laser, mediche, di cumunicazione, di rilevamentu, di visualizazione, di monitoraghju è di difesa, è sò diventati una basa impurtante per u sviluppu di a tecnulugia laser muderna cù un significatu di sviluppu strategicu.
Da l'altra parte, i laser à semiconduttori ponu ancu esse aduprati cum'è fonte di luce di pompaggio principale per altri laser cum'è i laser à statu solidu è i laser à fibra, prumovendu assai u prugressu tecnologicu di tuttu u campu laser. Tutti i principali paesi sviluppati di u mondu l'anu inclusu in i so piani di sviluppu naziunali, dendu un forte sustegnu è ottenendu un sviluppu rapidu.
② Sicondu u metudu di pompaggio
I laser ponu esse divisi in laser pompati elettricamente, pompati otticamente, pompati chimicamente, ecc. secondu u metudu di pompaggio.
I laser pompati elettricamente si riferiscenu à laser eccitati da a corrente, i laser à gas sò per u più eccitati da a scarica di gas, mentre chì i laser à semiconduttori sò per u più eccitati da l'iniezione di corrente.
Quasi tutti i laser à statu solidu è i laser liquidi sò laser à pompa ottica, è i laser à semiconduttore sò aduprati cum'è fonte di pompaggio principale per i laser à pompa ottica.
I laser pompati chimicamente si riferiscenu à laser chì utilizanu l'energia liberata da reazioni chimiche per eccità u materiale di travagliu.
③Classificazione per modu di funziunamentu
I laser ponu esse divisi in laser cuntinui è laser pulsati secondu u so modu di funziunamentu.
I laser cuntinui anu una distribuzione stabile di u numeru di particelle à ogni livellu d'energia è di u campu di radiazione in a cavità, è u so funziunamentu hè carattarizatu da l'eccitazione di u materiale di travagliu è da a pruduzzione laser currispundente in modu cuntinuu per un longu periodu di tempu. I laser cuntinui ponu emette luce laser cuntinuamente per un periodu di tempu più longu, ma l'effettu termicu hè più evidente.
I laser pulsati si riferiscenu à a durata di u tempu quandu a putenza di u laser hè mantenuta à un certu valore, è emettenu luce laser in modu discontinuu, cù e caratteristiche principali di un picculu effettu termicu è una bona cuntrollabilità.
④ Classificazione per lunghezza d'onda di uscita
I laser ponu esse classificati secondu a lunghezza d'onda cum'è laser infrarossi, laser visibili, laser ultravioletti, laser ultravioletti profondi, ecc. A gamma di lunghezze d'onda di a luce chì pò esse assorbita da diversi materiali strutturati hè diversa, dunque i laser di diverse lunghezze d'onda sò necessarii per a trasfurmazione fine di diversi materiali o per diversi scenarii d'applicazione.I laser infrarossi è i laser UV sò i dui laser i più aduprati. I laser infrarossi sò principalmente aduprati in u "trattamentu termicu", induve u materiale nantu à a superficia di u materiale hè riscaldatu è vaporizatu (evaporatu) per rimuovere u materiale; in u trattamentu di materiali non metallici à film sottile, u tagliu di wafer semiconduttori, u tagliu di vetru organicu, a perforazione, a marcatura è altri campi, alta energia In u campu di u trattamentu di materiali non metallici à film sottile, u tagliu di wafer semiconduttori, u tagliu di vetru organicu, a perforazione, a marcatura, ecc., i fotoni UV d'alta energia rompenu direttamente i ligami moleculari nantu à a superficia di materiali non metallici, in modu chì e molecule possinu esse separate da l'ughjettu, è questu metudu ùn produce micca reazione à calore elevatu, dunque hè generalmente chjamatu "trattamentu à fretu".
A causa di l'alta energia di i fotoni UV, hè difficiule di generà un certu laser UV cuntinuu di alta putenza da una fonte d'eccitazione esterna, dunque u laser UV hè generalmente generatu da l'applicazione di u metudu di cunversione di frequenza à effettu non lineare di materiale cristallinu, dunque u campu industriale attuale largamente utilizatu di laser UV sò principalmente laser UV à statu solidu.
(4) Catena industriale
A parte superiore di a catena industriale hè l'usu di materie prime semiconduttori, apparecchiature di alta gamma è accessori di pruduzzione cunnessi per fabricà nuclei laser è dispositivi optoelettronici, chì hè a petra angulare di l'industria laser è hà una alta soglia d'accessu. A parte media di a catena industriale hè l'usu di chip laser a monte è dispositivi optoelettronici, moduli, cumpunenti ottici, ecc. cum'è fonti di pompa per a fabricazione è a vendita di vari laser, cumpresi laser semiconduttori diretti, laser à diossidu di carbonu, laser à statu solidu, laser à fibra, ecc.; l'industria a valle si riferisce principalmente à e zone d'applicazione di vari laser, cumpresi apparecchiature di trasfurmazione industriale, LIDAR, cumunicazioni ottiche, bellezza medica è altre industrie d'applicazione.
①Fornitori à monte
E materie prime per i prudutti upstream cum'è i chip laser à semiconduttore, i dispusitivi è i moduli sò principalmente diversi materiali di chip, materiali di fibra è pezzi machinati, cumpresi substrati, dissipatori di calore, prudutti chimichi è insemi di alloggiamenti. U trattamentu di i chip richiede alta qualità è prestazioni di materie prime upstream, principalmente da fornitori stranieri, ma u gradu di lucalizazione aumenta gradualmente, è ottene gradualmente un cuntrollu indipendente. E prestazioni di e principali materie prime upstream anu un impattu direttu nantu à a qualità di i chip laser à semiconduttore, cù u miglioramentu cuntinuu di e prestazioni di vari materiali di chip, per migliurà e prestazioni di i prudutti di l'industria ghjocanu un rolu pusitivu in a prumuzione.
② Catena industriale di midstream
U chip laser à semiconduttore hè a fonte luminosa di a pompa principale di vari tipi di laser in u settore midstream di a catena industriale, è ghjoca un rolu pusitivu in a prumuzione di u sviluppu di laser midstream. In u campu di i laser midstream, i Stati Uniti, a Germania è altre imprese straniere dominanu, ma dopu à u rapidu sviluppu di l'industria laser naziunale in l'ultimi anni, u mercatu midstream di a catena industriale hà ottenutu una rapida sustituzione domestica.
③Catena industriale à valle
L'industria downstream hà un rollu più impurtante in a prumuzione di u sviluppu di l'industria, dunque u sviluppu di l'industria downstream affetterà direttamente u spaziu di mercatu di l'industria. A crescita cuntinua di l'ecunumia cinese è l'emergenza di opportunità strategiche per a trasfurmazione ecunomica anu creatu migliori cundizioni di sviluppu per u sviluppu di sta industria. A Cina si move da un paese manifatturiero à una putenza manifatturiera, è i laser downstream è l'equipaggiamenti laser sò una di e chjave per a migliurazione di l'industria manifatturiera, chì furnisce un bonu ambiente di dumanda per u miglioramentu à longu andà di sta industria. I requisiti di l'industria downstream per l'indice di prestazione di i chip laser à semiconduttori è i so dispositivi sò in crescita, è l'imprese domestiche stanu entrendu gradualmente in u mercatu di i laser d'alta putenza da u mercatu di i laser di bassa putenza, dunque l'industria deve aumentà continuamente l'investimentu in u campu di a ricerca è u sviluppu tecnologicu è di l'innuvazione indipendente.
2. statu di sviluppu di l'industria di i laser à semiconduttori
I laser à semiconduttori anu a megliu efficienza di cunversione energetica trà tutti i tipi di laser, da una parte, ponu esse aduprati cum'è fonte di pompa principale di laser à fibra ottica, laser à statu solidu è altri laser à pompa ottica. Da l'altra parte, cù a cuntinua svolta di a tecnulugia laser à semiconduttori in termini di efficienza energetica, luminosità, durata di vita, multi-lunghezza d'onda, velocità di modulazione, ecc., i laser à semiconduttori sò largamente aduprati in a trasfurmazione di materiali, in medicina, in a cumunicazione ottica, in u rilevamentu otticu, in a difesa, ecc. Sicondu Laser Focus World, u fatturatu mundiale tutale di i laser à diodi, vale à dì, laser à semiconduttori è laser senza diodi, hè stimatu à 18.480 milioni di dollari in u 2021, cù i laser à semiconduttori chì rapprisentanu u 43% di u fatturatu tutale.
Sicondu Laser Focus World, u mercatu mundiale di i laser à semiconduttori serà di $ 6.724 milioni in u 2020, un aumentu di 14,20% paragunatu à l'annu precedente. Cù u sviluppu di l'intelligenza mundiale, a crescente dumanda di laser in i dispositivi intelligenti, l'elettronica di cunsumu, e nuove energie è altri campi, è ancu a cuntinua espansione di l'apparecchiature mediche, di bellezza è altre applicazioni emergenti, i laser à semiconduttori ponu esse aduprati cum'è fonte di pompa per i laser à pompa ottica, è a so dimensione di u mercatu continuerà à mantene una crescita stabile. A dimensione di u mercatu mundiale di i laser à semiconduttori in u 2021 hè di $ 7,946 miliardi, u tassu di crescita di u mercatu di 18,18%.
Grazie à i sforzi cumuni di esperti tecnichi, imprese è praticanti, l'industria laser à semiconduttori di a Cina hà ottenutu un sviluppu straordinariu, cusì chì l'industria laser à semiconduttori di a Cina hà sperimentatu u prucessu da zero, è l'iniziu di u prototipu di l'industria laser à semiconduttori di a Cina. In l'ultimi anni, a Cina hà aumentatu u sviluppu di l'industria laser, è diverse regioni sò state dedicate à a ricerca scientifica, u miglioramentu di a tecnulugia, u sviluppu di u mercatu è a custruzzione di parchi industriali laser sottu a dirigenza di u guvernu è a cuuperazione di l'imprese laser.
3. Tendenza di sviluppu futuru di l'industria laser di a Cina
In paragone cù i paesi sviluppati in Europa è in i Stati Uniti, a tecnulugia laser di a Cina ùn hè micca in ritardu, ma in l'applicazione di a tecnulugia laser è di a tecnulugia core di fascia alta ci hè sempre una lacuna considerable, in particulare u chip laser semiconduttore upstream è altri cumpunenti core sò sempre dipendenti da l'impurtazioni.
I paesi sviluppati rapprisentati da i Stati Uniti, a Germania è u Giappone anu basicamente cumpletatu a sustituzione di a tecnulugia di fabricazione tradiziunale in certi grandi campi industriali è sò entrati in l'era di a "fabricazione ligera"; ancu s'è u sviluppu di l'applicazioni laser in Cina hè rapidu, u tassu di penetrazione di l'applicazione hè sempre relativamente bassu. Cum'è a tecnulugia principale di a mudernizazione industriale, l'industria laser continuerà à esse un'area chjave di sustegnu naziunale, è cuntinuerà à allargà u scopu di l'applicazione, è infine prumove l'industria manifatturiera cinese versu l'era di a "fabricazione ligera". Da a situazione attuale di sviluppu, u sviluppu di l'industria laser cinese mostra e seguenti tendenze di sviluppu.
(1) U chip laser semiconduttore è altri cumpunenti principali si rendenu gradualmente contu di a lucalizazione
Pigliate cum'è esempiu u laser à fibra, a fonte di pompa laser à fibra d'alta putenza hè u principale duminiu d'applicazione di u laser à semiconduttore, u chip è u modulu laser à semiconduttore d'alta putenza hè un cumpunente impurtante di u laser à fibra. In l'ultimi anni, l'industria laser à fibra ottica di a Cina hè in una fase di crescita rapida, è u gradu di lucalizazione cresce annu dopu annu.
In termini di penetrazione di u mercatu, in u mercatu di i laser à fibra di bassa putenza, a quota di mercatu di i laser domestichi hà righjuntu u 99,01% in u 2019; in u mercatu di i laser à fibra di media putenza, u tassu di penetrazione di i laser domestichi hè statu mantinutu à più di u 50% in l'ultimi anni; u prucessu di lucalizazione di i laser à fibra d'alta putenza avanza ancu gradualmente, da u 2013 à u 2019 per ottene "da zero". U prucessu di lucalizazione di i laser à fibra d'alta putenza avanza ancu gradualmente, da u 2013 à u 2019, è hà righjuntu un tassu di penetrazione di u 55,56%, è u tassu di penetrazione domestica di i laser à fibra d'alta putenza hè previstu di esse di u 57,58% in u 2020.
Tuttavia, i cumpunenti principali cum'è i chip laser semiconduttori d'alta putenza sò sempre dipendenti da l'impurtazioni, è i cumpunenti a monte di i laser cù chip laser semiconduttori cum'è core sò gradualmente lucalizati, ciò chì da una parte migliora a scala di u mercatu di i cumpunenti a monte di i laser domestici, è da l'altra parte, cù a lucalizazione di i cumpunenti principali a monte, pò migliurà a capacità di i pruduttori di laser domestici di participà à a cumpetizione internaziunale.
(2) L'applicazioni laser penetranu più rapidamente è più largamente
Cù a lucalizazione graduale di i cumpunenti optoelettronici core upstream è a diminuzione graduale di i costi di l'applicazione laser, i laser penetreranu più profondamente in parechje industrie.
Da una parte, per a Cina, u trattamentu laser si trova ancu trà i primi dece campi d'applicazione di l'industria manifatturiera cinese, è si prevede chì i campi d'applicazione di u trattamentu laser saranu ulteriormente allargati è a scala di u mercatu serà ulteriormente allargata in u futuru. Da l'altra parte, cù a cuntinua pupularizazione è u sviluppu di tecnulugie cum'è u sistema di guida assistita avanzata senza cunduttore, u robot orientatu à u serviziu, u rilevamentu 3D, ecc., serà più applicatu in parechji campi cum'è l'automobile, l'intelligenza artificiale, l'elettronica di cunsumu, u ricunniscenza faciale, a cumunicazione ottica è a ricerca di difesa naziunale. Cum'è u dispusitivu o cumpunente principale di l'applicazioni laser sopra menzionate, u laser à semiconduttore guadagnerà ancu un spaziu di sviluppu rapidu.
(3) Potenza più alta, migliore qualità di u fasciu, lunghezza d'onda più corta è sviluppu di a direzzione di frequenza più veloce
In u campu di i laser industriali, i laser à fibra anu fattu grandi progressi in termini di putenza di uscita, qualità di u fasciu è luminosità dapoi a so introduzione. Tuttavia, una putenza più alta pò migliurà a velocità di trasfurmazione, ottimizà a qualità di trasfurmazione è allargà u campu di trasfurmazione à a fabricazione di l'industria pesante, in a fabricazione automobilistica, a fabricazione aerospaziale, l'energia, a fabricazione di macchine, a metallurgia, a custruzzione di trasporti ferroviari, a ricerca scientifica è altri campi d'applicazione in u tagliu, a saldatura, u trattamentu di e superfici, ecc., i requisiti di putenza di i laser à fibra continuanu à cresce. I pruduttori di dispositivi currispondenti anu bisognu di migliurà continuamente e prestazioni di i dispositivi principali (cum'è u chip laser à semiconduttore d'alta putenza è a fibra à guadagnu), l'aumentu di a putenza di i laser à fibra richiede ancu una tecnulugia avanzata di modulazione laser cum'è a cumminazione di fasci è a sintesi di putenza, chì porterà novi requisiti è sfide à i pruduttori di chip laser à semiconduttore d'alta putenza. Inoltre, lunghezze d'onda più corte, più lunghezze d'onda, u sviluppu di laser più veloce (ultraveloce) hè ancu una direzzione impurtante, principalmente aduprata in chip di circuiti integrati, display, elettronica di cunsumu, aerospaziale è altri microprocessori di precisione, è ancu scienze di a vita, medicale, sensori è altri campi, u chip laser à semiconduttore hà ancu presentatu novi requisiti.
(4) per a dumanda di cumpunenti optoelettronici laser d'alta putenza per una crescita ulteriore
U sviluppu è l'industrializazione di u laser à fibra d'alta putenza hè u risultatu di u prugressu sinergicu di a catena industriale, chì richiede u sustegnu di cumpunenti optoelettronici core cum'è a fonte di pompa, l'isolatore, u concentratore di fasciu, ecc. I cumpunenti optoelettronici utilizati in u laser à fibra d'alta putenza sò a basa è i cumpunenti chjave di u so sviluppu è di a so pruduzzione, è u mercatu in espansione di u laser à fibra d'alta putenza spinge ancu a dumanda di u mercatu per cumpunenti core cum'è i chip laser à semiconduttore d'alta putenza. À u listessu tempu, cù u miglioramentu cuntinuu di a tecnulugia laser à fibra naziunale, a sustituzione di l'impurtazioni hè diventata una tendenza inevitabile, a quota di mercatu di i laser in u mondu continuerà à migliurà, ciò chì porta ancu grandi opportunità per a forza lucale di i pruduttori di cumpunenti optoelettronici.
Data di publicazione: 07 marzu 2023
