1. Tinjauan industri laser
(1) Pengenalan Laser
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, disingkat LASER) adalah berkas cahaya terkolimasi, monokromatik, koheren, terarah yang dihasilkan oleh amplifikasi radiasi cahaya pada frekuensi sempit melalui resonansi umpan balik tereksitasi dan radiasi.
Teknologi laser dimulai pada awal tahun 1960-an, dan karena sifatnya yang sangat berbeda dari cahaya biasa, laser segera digunakan secara luas di berbagai bidang dan sangat mempengaruhi perkembangan dan transformasi ilmu pengetahuan, teknologi, ekonomi, dan masyarakat.
Kelahiran laser telah secara dramatis mengubah wajah optik kuno, memperluas fisika optik klasik menjadi disiplin teknologi tinggi baru yang mencakup optik klasik dan fotonik modern, sehingga memberikan kontribusi yang tak tergantikan bagi perkembangan ekonomi manusia dan masyarakat.Penelitian fisika laser telah berkontribusi pada berkembangnya dua cabang utama fisika fotonik modern: fotonik energi dan fotonik informasi.Ini mencakup optik nonlinier, optik kuantum, komputasi kuantum, penginderaan dan komunikasi laser, fisika plasma laser, kimia laser, biologi laser, kedokteran laser, spektroskopi dan metrologi laser ultra-presisi, fisika atom laser termasuk pendinginan laser dan penelitian benda terkondensasi Bose-Einstein , bahan fungsional laser, manufaktur laser, fabrikasi chip mikro-optoelektronik laser, pencetakan laser 3D dan lebih dari 20 disiplin ilmu dan aplikasi teknologi perbatasan internasional.Departemen Sains dan Teknologi Laser (DSL) telah didirikan di bidang-bidang berikut.
Dalam industri manufaktur laser, dunia telah memasuki era "manufaktur ringan", menurut statistik industri laser internasional, 50% PDB tahunan Amerika Serikat1 terkait dengan pesatnya perluasan pasar aplikasi laser tingkat tinggi.Beberapa negara maju yang diwakili oleh Amerika Serikat, Jerman dan Jepang pada dasarnya telah menyelesaikan penggantian proses tradisional dengan pemrosesan laser di industri manufaktur besar seperti otomotif dan penerbangan.Laser dalam manufaktur industri telah menunjukkan potensi besar untuk aplikasi manufaktur berbiaya rendah, berkualitas tinggi, berefisiensi tinggi, dan khusus yang tidak dapat dicapai oleh manufaktur konvensional, dan telah menjadi pendorong penting persaingan dan inovasi di antara negara-negara industri besar di dunia.Negara-negara secara aktif mendukung teknologi laser sebagai salah satu teknologi mutakhir yang paling penting dan telah mengembangkan rencana pengembangan industri laser nasional.
(2)LaserSumber Pprinsip
Laser adalah perangkat yang menggunakan radiasi tereksitasi untuk menghasilkan cahaya tampak atau tidak terlihat, dengan struktur kompleks dan hambatan teknis tinggi.Sistem optik terutama terdiri dari sumber pompa (sumber eksitasi), media penguatan (zat kerja) dan rongga resonansi serta bahan perangkat optik lainnya.Media penguatan adalah sumber pembangkitan foton, dan dengan menyerap energi yang dihasilkan oleh sumber pompa, media penguatan berpindah dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi.Karena keadaan tereksitasi tidak stabil, pada saat ini media penguatan akan melepaskan energi untuk kembali ke keadaan stabil dari keadaan dasar.Dalam proses pelepasan energi ini, media penguatan menghasilkan foton, dan foton-foton ini memiliki tingkat konsistensi energi, panjang gelombang dan arah yang tinggi, mereka terus-menerus dipantulkan dalam rongga resonansi optik, gerakan timbal balik, sehingga terus menguatkan, dan akhirnya menembakkan laser melalui reflektor untuk membentuk sinar laser.Sebagai sistem optik inti dari peralatan terminal, kinerja laser sering kali secara langsung menentukan kualitas dan kekuatan sinar keluaran peralatan laser, yang merupakan komponen inti dari peralatan laser terminal.
Sumber pompa (sumber eksitasi) memberikan eksitasi energi ke media penguatan.Media penguatan bersemangat untuk menghasilkan foton untuk menghasilkan dan memperkuat laser.Rongga resonansi merupakan tempat pengaturan karakteristik foton (frekuensi, fasa dan arah kerja) untuk memperoleh sumber cahaya keluaran berkualitas tinggi dengan cara mengendalikan osilasi foton di dalam rongga tersebut.Sumber pompa (sumber eksitasi) menyediakan energi eksitasi untuk media penguatan.Media penguatan bersemangat untuk menghasilkan foton untuk menghasilkan dan memperkuat laser.Rongga resonansi merupakan tempat pengaturan karakteristik foton (frekuensi, fasa dan arah kerja) untuk memperoleh sumber cahaya keluaran berkualitas tinggi dengan cara mengendalikan osilasi foton di dalam rongga tersebut.
(3)Klasifikasi Sumber Laser
Sumber laser dapat diklasifikasikan menurut media penguatan, panjang gelombang keluaran, mode operasi, dan mode pemompaan, sebagai berikut
① Klasifikasi berdasarkan media penguatan
Menurut media penguatan yang berbeda, laser dapat dibagi menjadi laser padat (termasuk padat, semikonduktor, serat, hibrida), laser cair, laser gas, dll.
| LaserSumberJenis | Dapatkan Media | Fitur utama |
| Sumber Laser Keadaan Padat | Padatan, Semikonduktor, Serat Optik, Hibrida | Stabilitas bagus, daya tinggi, biaya perawatan rendah, cocok untuk industrialisasi |
| Sumber Laser Cair | Cairan kimia | Rentang panjang gelombang opsional tercapai, tetapi ukurannya besar dan biaya perawatannya tinggi |
| Sumber Laser Gas | Gas | Sumber cahaya laser berkualitas tinggi, tetapi ukurannya lebih besar dan biaya perawatannya lebih tinggi |
| Sumber Laser Elektron Gratis | Berkas elektron dalam medan magnet tertentu | Daya ultra-tinggi dan keluaran laser berkualitas tinggi dapat dicapai, tetapi teknologi manufaktur dan biaya produksi sangat tinggi |
Karena stabilitas yang baik, daya tinggi, dan biaya perawatan yang rendah, penerapan laser solid-state memiliki keunggulan mutlak.
Di antara laser solid-state, laser semikonduktor memiliki keunggulan efisiensi tinggi, ukuran kecil, umur panjang, konsumsi energi rendah, dll. Di satu sisi, laser dapat langsung diterapkan sebagai sumber cahaya inti dan dukungan untuk pemrosesan laser, medis, aplikasi komunikasi, penginderaan, tampilan, pemantauan dan pertahanan, dan telah menjadi dasar penting bagi pengembangan teknologi laser modern dengan signifikansi pengembangan strategis.
Di sisi lain, laser semikonduktor juga dapat digunakan sebagai sumber cahaya pemompa inti untuk laser lain seperti laser solid-state dan laser serat, sehingga sangat mendorong kemajuan teknologi di seluruh bidang laser.Semua negara maju besar di dunia telah memasukkannya ke dalam rencana pembangunan nasional mereka, memberikan dukungan yang kuat dan mengalami perkembangan yang pesat.
② Menurut metode pemompaan
Laser dapat dibagi menjadi laser yang dipompa secara elektrik, dipompa secara optik, dipompa secara kimia, dll. Sesuai dengan metode pemompaannya.
Laser yang dipompa secara elektrik mengacu pada laser yang tereksitasi oleh arus, laser gas sebagian besar tereksitasi oleh pelepasan gas, sedangkan laser semikonduktor sebagian besar tereksitasi oleh injeksi arus.
Hampir semua laser solid state dan laser cair adalah laser pompa optik, dan laser semikonduktor digunakan sebagai sumber pemompaan inti untuk laser pompa optik.
Laser yang dipompa secara kimia mengacu pada laser yang menggunakan energi yang dilepaskan dari reaksi kimia untuk merangsang material yang bekerja.
③Klasifikasi berdasarkan mode operasi
Laser dapat dibagi menjadi laser kontinu dan laser berdenyut sesuai dengan mode operasinya.
Laser kontinu memiliki distribusi jumlah partikel yang stabil pada setiap tingkat energi dan medan radiasi di dalam rongga, dan pengoperasiannya ditandai dengan eksitasi bahan kerja dan keluaran laser yang sesuai secara terus menerus dalam jangka waktu yang lama. .Laser kontinu dapat mengeluarkan sinar laser secara terus menerus untuk jangka waktu yang lebih lama, namun efek termalnya lebih jelas.
Laser berdenyut mengacu pada durasi waktu ketika daya laser dipertahankan pada nilai tertentu, dan mengeluarkan sinar laser secara terputus-putus, dengan karakteristik utama efek termal kecil dan kemampuan pengendalian yang baik.
④ Klasifikasi berdasarkan panjang gelombang keluaran
Laser dapat diklasifikasikan menurut panjang gelombangnya menjadi laser inframerah, laser tampak, laser ultraviolet, laser ultraviolet dalam, dan sebagainya.Rentang panjang gelombang cahaya yang dapat diserap oleh material berstruktur berbeda berbeda-beda, sehingga laser dengan panjang gelombang berbeda diperlukan untuk pemrosesan halus material berbeda atau untuk skenario aplikasi berbeda.Laser inframerah dan laser UV adalah dua laser yang paling banyak digunakan.Laser inframerah terutama digunakan dalam "pemrosesan termal", di mana bahan pada permukaan bahan dipanaskan dan diuapkan (diuapkan) untuk menghilangkan bahan tersebut;dalam pemrosesan bahan non-logam film tipis, pemotongan wafer semikonduktor, pemotongan kaca organik, pengeboran, penandaan dan bidang lainnya, energi tinggi. Di bidang pemrosesan bahan non-logam film tipis, pemotongan wafer semikonduktor, pemotongan kaca organik, pengeboran, penandaan, Dll, foton UV berenergi tinggi secara langsung memutus ikatan molekul pada permukaan bahan nonlogam, sehingga molekul dapat terpisah dari benda, dan cara ini tidak menghasilkan reaksi panas tinggi, sehingga biasa disebut "dingin pengolahan".
Karena energi foton UV yang tinggi, sulit untuk menghasilkan laser UV kontinu berdaya tinggi tertentu dengan sumber eksitasi eksternal, sehingga laser UV umumnya dihasilkan dengan penerapan metode konversi frekuensi efek nonlinier bahan kristal, sehingga arus banyak digunakan bidang industri laser UV terutama laser UV solid-state.
(4) Rantai industri
Bagian hulu dari rantai industri adalah penggunaan bahan baku semikonduktor, peralatan kelas atas, dan aksesori produksi terkait untuk memproduksi inti laser dan perangkat optoelektronik, yang merupakan landasan industri laser dan memiliki ambang akses yang tinggi.Bagian tengah rantai industri adalah penggunaan chip laser hulu dan perangkat optoelektronik, modul, komponen optik, dll. sebagai sumber pompa untuk pembuatan dan penjualan berbagai laser, termasuk laser semikonduktor langsung, laser karbon dioksida, laser solid-state, laser serat, dll.;industri hilir terutama mengacu pada area penerapan berbagai laser, termasuk peralatan pemrosesan industri, LIDAR, komunikasi optik, kecantikan medis, dan industri aplikasi lainnya
①Pemasok hulu
Bahan baku untuk produk hulu seperti chip, perangkat, dan modul laser semikonduktor sebagian besar berupa berbagai bahan chip, bahan serat, dan suku cadang mesin, termasuk substrat, unit pendingin, bahan kimia, dan perangkat rumah.Pemrosesan chip memerlukan bahan baku hulu berkualitas tinggi dan berkinerja tinggi, terutama dari pemasok asing, tetapi tingkat lokalisasi secara bertahap meningkat, dan secara bertahap mencapai kendali independen.Kinerja bahan baku hulu utama berdampak langsung pada kualitas chip laser semikonduktor, dengan peningkatan terus-menerus kinerja berbagai bahan chip, untuk meningkatkan kinerja produk industri memainkan peran positif dalam promosi.
②Rantai industri menengah
Chip laser semikonduktor adalah sumber cahaya pompa inti dari berbagai jenis laser di tengah-tengah rantai industri, dan memainkan peran positif dalam mendorong pengembangan laser tengah-tengah.Di bidang laser arus tengah, Amerika Serikat, Jerman, dan perusahaan luar negeri lainnya mendominasi, namun setelah pesatnya perkembangan industri laser dalam negeri dalam beberapa tahun terakhir, pasar arus tengah dari rantai industri telah mencapai substitusi domestik yang cepat.
③Rantai industri hilir
Industri hilir mempunyai peranan yang lebih besar dalam mendorong perkembangan industri tersebut, sehingga berkembangnya industri hilir akan berdampak langsung pada ruang pasar industri tersebut.Pertumbuhan ekonomi Tiongkok yang berkelanjutan dan munculnya peluang strategis untuk transformasi ekonomi telah menciptakan kondisi perkembangan yang lebih baik bagi perkembangan industri ini.Tiongkok sedang beralih dari negara manufaktur menjadi negara manufaktur yang kuat, dan laser hilir serta peralatan laser adalah salah satu kunci untuk meningkatkan industri manufaktur, sehingga menyediakan lingkungan permintaan yang baik untuk perbaikan jangka panjang industri ini.Persyaratan industri hilir terhadap indeks kinerja chip laser semikonduktor dan perangkatnya semakin meningkat, dan perusahaan domestik secara bertahap memasuki pasar laser berdaya tinggi dari pasar laser berdaya rendah, sehingga industri harus terus meningkatkan investasi di bidang penelitian teknologi dan pengembangan dan inovasi mandiri.
2. status pengembangan industri laser semikonduktor
Laser semikonduktor memiliki efisiensi konversi energi terbaik di antara semua jenis laser, di satu sisi, laser dapat digunakan sebagai sumber pompa inti laser serat optik, laser solid-state, dan laser pompa optik lainnya.Di sisi lain, dengan terobosan berkelanjutan teknologi laser semikonduktor dalam hal efisiensi daya, kecerahan, masa pakai, multi-panjang gelombang, laju modulasi, dll., laser semikonduktor banyak digunakan dalam pemrosesan material, medis, komunikasi optik, penginderaan optik, pertahanan, dll. Menurut Laser Focus World, total pendapatan global laser dioda, yaitu laser semikonduktor dan laser non-dioda, diperkirakan mencapai $18.480 juta pada tahun 2021, dengan laser semikonduktor menyumbang 43% dari total pendapatan.
Menurut Laser Focus World, pasar laser semikonduktor global akan mencapai $6.724 juta pada tahun 2020, naik 14,20% dari tahun sebelumnya.Dengan perkembangan kecerdasan global, meningkatnya permintaan laser pada perangkat pintar, elektronik konsumen, energi baru, dan bidang lainnya, serta perluasan berkelanjutan pada peralatan medis, kecantikan, dan aplikasi baru lainnya, laser semikonduktor dapat digunakan sebagai sumber pompa. untuk laser pompa optik, dan ukuran pasarnya akan terus mempertahankan pertumbuhan yang stabil.Ukuran pasar laser semikonduktor global tahun 2021 sebesar $7,946 miliar, tingkat pertumbuhan pasar sebesar 18,18%.
Melalui upaya bersama para pakar teknis, perusahaan, dan praktisi, industri laser semikonduktor Tiongkok telah mencapai perkembangan yang luar biasa, sehingga industri laser semikonduktor Tiongkok telah mengalami proses dari awal, dan awal dari prototipe industri laser semikonduktor Tiongkok.Dalam beberapa tahun terakhir, Tiongkok telah meningkatkan pengembangan industri laser, dan berbagai wilayah telah dikhususkan untuk penelitian ilmiah, peningkatan teknologi, pengembangan pasar, dan pembangunan kawasan industri laser di bawah kepemimpinan pemerintah dan kerja sama perusahaan laser.
3. Tren perkembangan masa depan industri laser Tiongkok
Dibandingkan dengan negara-negara maju di Eropa dan Amerika Serikat, teknologi laser Tiongkok tidak terlambat, namun dalam penerapan teknologi laser dan teknologi inti kelas atas masih terdapat kesenjangan yang cukup besar, terutama chip laser semikonduktor hulu dan komponen inti lainnya masih ada. bergantung pada impor.
Negara-negara maju yang diwakili oleh Amerika Serikat, Jerman dan Jepang pada dasarnya telah menyelesaikan penggantian teknologi manufaktur tradisional di beberapa bidang industri besar dan memasuki era “manufaktur ringan”;Meskipun perkembangan aplikasi laser di China pesat, namun tingkat penetrasi aplikasinya masih tergolong rendah.Sebagai teknologi inti dalam peningkatan industri, industri laser akan terus menjadi bidang utama dukungan nasional, dan terus memperluas cakupan penerapannya, dan pada akhirnya mendorong industri manufaktur Tiongkok ke era "manufaktur ringan".Dari situasi perkembangan saat ini, perkembangan industri laser Tiongkok menunjukkan tren perkembangan sebagai berikut.
(1) Chip laser semikonduktor dan komponen inti lainnya secara bertahap mewujudkan lokalisasi
Ambil contoh laser serat, sumber pompa laser serat daya tinggi adalah area aplikasi utama laser semikonduktor, chip dan modul laser semikonduktor daya tinggi merupakan komponen penting dari laser serat.Dalam beberapa tahun terakhir, industri laser serat optik Tiongkok berada dalam tahap pertumbuhan pesat, dan tingkat lokalisasi meningkat dari tahun ke tahun.
Dari segi penetrasi pasar, di pasar laser fiber berdaya rendah, pangsa pasar laser dalam negeri mencapai 99,01% pada tahun 2019;di pasar laser serat berkekuatan menengah, tingkat penetrasi laser domestik dipertahankan lebih dari 50% dalam beberapa tahun terakhir;proses lokalisasi laser serat berkekuatan tinggi juga secara bertahap mengalami kemajuan, dari tahun 2013 hingga 2019 untuk mencapai "dari awal".Proses lokalisasi laser serat berkekuatan tinggi juga mengalami kemajuan secara bertahap, dari tahun 2013 hingga 2019, dan telah mencapai tingkat penetrasi sebesar 55,56%, dan tingkat penetrasi laser serat berkekuatan tinggi dalam negeri diperkirakan mencapai 57,58% pada tahun 2020.
Namun, komponen inti seperti chip laser semikonduktor berdaya tinggi masih bergantung pada impor, dan komponen hulu laser dengan chip laser semikonduktor sebagai intinya secara bertahap dilokalisasi, yang di satu sisi meningkatkan skala pasar komponen hulu. laser dalam negeri, dan di sisi lain, dengan lokalisasi komponen inti hulu, dapat meningkatkan kemampuan produsen laser dalam negeri untuk berpartisipasi dalam persaingan internasional.
(2) Aplikasi laser menembus lebih cepat dan lebih luas
Dengan lokalisasi bertahap komponen optoelektronik inti hulu dan penurunan biaya penerapan laser secara bertahap, laser akan menembus lebih dalam ke banyak industri.
Di satu sisi, bagi Tiongkok, pemrosesan laser juga termasuk dalam sepuluh besar bidang penerapan industri manufaktur Tiongkok, dan diharapkan bidang penerapan pemrosesan laser akan semakin diperluas dan skala pasar akan semakin diperluas di masa depan.Di sisi lain, dengan mempopulerkan dan mengembangkan teknologi seperti tanpa pengemudi, sistem mengemudi berbantuan canggih, robot berorientasi layanan, penginderaan 3D, dll., teknologi ini akan lebih banyak diterapkan di banyak bidang seperti mobil, kecerdasan buatan, elektronik konsumen. , pengenalan wajah, komunikasi optik dan penelitian pertahanan nasional.Sebagai perangkat inti atau komponen dari aplikasi laser di atas, laser semikonduktor juga akan mendapatkan ruang pengembangan yang pesat.
(3) Daya lebih tinggi, kualitas pancaran lebih baik, panjang gelombang lebih pendek, dan pengembangan arah frekuensi lebih cepat
Di bidang laser industri, laser serat telah membuat kemajuan besar dalam hal daya keluaran, kualitas sinar, dan kecerahan sejak diperkenalkan.Namun, daya yang lebih tinggi dapat meningkatkan kecepatan pemrosesan, mengoptimalkan kualitas pemrosesan, dan memperluas bidang pemrosesan ke manufaktur industri berat, manufaktur otomotif, manufaktur dirgantara, energi, manufaktur mesin, metalurgi, konstruksi transportasi kereta api, penelitian ilmiah, dan bidang penerapan lainnya dalam pemotongan. , pengelasan, perawatan permukaan, dll., kebutuhan daya laser serat terus meningkat.Produsen perangkat terkait perlu terus meningkatkan kinerja perangkat inti (seperti chip laser semikonduktor berdaya tinggi dan mendapatkan serat), peningkatan daya laser serat juga memerlukan teknologi modulasi laser canggih seperti penggabungan sinar dan sintesis daya, yang akan membawa persyaratan baru dan tantangan bagi produsen chip laser semikonduktor berdaya tinggi.Selain itu, panjang gelombang yang lebih pendek, panjang gelombang yang lebih banyak, pengembangan laser yang lebih cepat (ultracepat) juga merupakan arah yang penting, terutama digunakan dalam chip sirkuit terpadu, layar, elektronik konsumen, dirgantara dan mikroprosesor presisi lainnya, serta ilmu kehidupan, medis, penginderaan dan lainnya. bidang, chip laser semikonduktor juga mengajukan persyaratan baru.
(4) untuk permintaan komponen optoelektronik laser daya tinggi untuk pertumbuhan lebih lanjut
Pengembangan dan industrialisasi laser serat berdaya tinggi merupakan hasil kemajuan sinergis rantai industri yang memerlukan dukungan komponen inti optoelektronik seperti sumber pompa, isolator, konsentrator berkas, dll. Komponen optoelektronik yang digunakan dalam laser berdaya tinggi laser serat adalah dasar dan komponen kunci dalam pengembangan dan produksinya, dan perluasan pasar laser serat berdaya tinggi juga mendorong permintaan pasar akan komponen inti seperti chip laser semikonduktor berdaya tinggi.Pada saat yang sama, dengan peningkatan berkelanjutan teknologi laser serat dalam negeri, substitusi impor telah menjadi tren yang tak terelakkan, pangsa pasar laser di dunia akan terus meningkat, yang juga membawa peluang besar bagi kekuatan lokal produsen komponen optoelektronik.
Waktu posting: 07-03-2023
