1. Gambaran umum industri laser
(1) Pengenalan Laser
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, disingkat LASER) adalah berkas cahaya terkolimasi, monokromatik, koheren, dan terarah yang dihasilkan oleh amplifikasi radiasi cahaya pada frekuensi sempit melalui resonansi umpan balik dan radiasi yang tereksitasi.
Teknologi laser bermula pada awal tahun 1960-an, dan karena sifatnya yang sangat berbeda dari cahaya biasa, laser segera digunakan secara luas di berbagai bidang dan sangat memengaruhi perkembangan dan transformasi ilmu pengetahuan, teknologi, ekonomi, dan masyarakat.
Munculnya laser telah secara dramatis mengubah wajah optik kuno, memperluas fisika optik klasik menjadi disiplin ilmu berteknologi tinggi baru yang mencakup optik klasik dan fotonika modern, memberikan kontribusi yang tak tergantikan bagi perkembangan ekonomi dan masyarakat manusia. Penelitian fisika laser telah berkontribusi pada perkembangan dua cabang utama fisika fotonika modern: fotonika energi dan fotonika informasi. Bidang 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 materi terkondensasi Bose-Einstein, material fungsional laser, manufaktur laser, fabrikasi chip mikro-optoelektronik laser, pencetakan 3D laser, dan lebih dari 20 disiplin ilmu dan aplikasi teknologi terdepan internasional. Departemen Ilmu 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% dari PDB tahunan Amerika Serikat¹ terkait dengan ekspansi pasar yang pesat dari 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 utama seperti otomotif dan penerbangan. Laser dalam manufaktur industri telah menunjukkan potensi besar untuk aplikasi manufaktur khusus yang berbiaya rendah, berkualitas tinggi, dan efisien yang tidak dapat dicapai oleh manufaktur konvensional, dan telah menjadi pendorong penting persaingan dan inovasi di antara negara-negara industri utama dunia. Negara-negara secara aktif mendukung teknologi laser sebagai salah satu teknologi mutakhir terpenting mereka dan telah mengembangkan rencana pengembangan industri laser nasional.
(2)LaserSumber Pprinsip
Laser adalah perangkat yang menggunakan radiasi tereksitasi untuk menghasilkan cahaya tampak atau tak tampak, dengan struktur kompleks dan hambatan teknis yang tinggi. Sistem optik terutama terdiri dari sumber pompa (sumber eksitasi), medium penguat (zat kerja), rongga resonansi, dan material perangkat optik lainnya. Medium penguat adalah sumber pembangkitan foton, dan dengan menyerap energi yang dihasilkan oleh sumber pompa, medium penguat melompat dari keadaan dasar ke keadaan tereksitasi. Karena keadaan tereksitasi tidak stabil, pada saat ini, medium penguat akan melepaskan energi untuk kembali ke keadaan stabil dari keadaan dasar. Dalam proses pelepasan energi ini, medium penguat menghasilkan foton, dan foton-foton ini memiliki tingkat konsistensi yang tinggi dalam energi, panjang gelombang, dan arah, mereka terus-menerus dipantulkan dalam rongga resonansi optik, bergerak bolak-balik, sehingga terus-menerus diperkuat, dan akhirnya ditembakkan keluar laser melalui reflektor untuk membentuk berkas laser. Sebagai sistem optik inti dari peralatan terminal, kinerja laser seringkali secara langsung menentukan kualitas dan daya berkas keluaran peralatan laser, dan merupakan komponen inti dari peralatan laser terminal.
Sumber pompa (sumber eksitasi) memberikan eksitasi energi ke medium penguatan. Medium penguatan dieksitasi untuk menghasilkan foton guna menghasilkan dan memperkuat laser. Rongga resonansi adalah tempat di mana karakteristik foton (frekuensi, fase, dan arah operasi) diatur untuk mendapatkan sumber cahaya keluaran berkualitas tinggi dengan mengendalikan osilasi foton di dalam rongga. Sumber pompa (sumber eksitasi) memberikan eksitasi energi untuk medium penguatan. Medium penguatan dieksitasi untuk menghasilkan foton guna menghasilkan dan memperkuat laser. Rongga resonansi adalah tempat di mana karakteristik foton (frekuensi, fase, dan arah operasi) disesuaikan untuk mendapatkan sumber cahaya keluaran berkualitas tinggi dengan mengendalikan osilasi foton di dalam rongga.
(3)Klasifikasi Sumber Laser
Sumber laser dapat diklasifikasikan berdasarkan medium penguatan, panjang gelombang keluaran, mode operasi, dan mode pemompaan, sebagai berikut:
① Klasifikasi berdasarkan medium penguatan
Berdasarkan media penguat yang berbeda, laser dapat dibagi menjadi laser padat (termasuk laser padat, semikonduktor, serat optik, dan hibrida), laser cair, laser gas, dan lain sebagainya.
| LaserSumberJenis | Gain Media | Fitur Utama |
| Sumber Laser Padat | Zat Padat, Semikonduktor, Serat Optik, Hibrida | Stabilitas yang baik, 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 Bebas | Berkas elektron dalam medan magnet tertentu | Output laser dengan daya sangat tinggi dan kualitas tinggi dapat dicapai, tetapi teknologi manufaktur dan biaya produksinya sangat tinggi. |
Karena stabilitas yang baik, daya yang tinggi, dan biaya perawatan yang rendah, penerapan laser solid-state mendapatkan keuntungan mutlak.
Di antara laser solid-state, laser semikonduktor memiliki keunggulan efisiensi tinggi, ukuran kecil, umur panjang, konsumsi energi rendah, dan lain-lain. Di satu sisi, laser semikonduktor dapat langsung diaplikasikan sebagai sumber cahaya inti dan pendukung untuk pemrosesan laser, aplikasi medis, komunikasi, penginderaan, tampilan, pemantauan, dan pertahanan, serta telah menjadi dasar penting bagi pengembangan teknologi laser modern dengan signifikansi pengembangan strategis.
Di sisi lain, laser semikonduktor juga dapat digunakan sebagai sumber cahaya pemompaan inti untuk laser lain seperti laser solid-state dan laser serat optik, yang sangat mendorong kemajuan teknologi di seluruh bidang laser. Semua negara maju utama di dunia telah memasukkannya dalam rencana pembangunan nasional mereka, memberikan dukungan yang kuat dan mendapatkan perkembangan yang pesat.
② Menurut metode pemompaan
Laser dapat dibagi menjadi laser yang dipompa secara elektrik, laser yang dipompa secara optik, laser yang dipompa secara kimia, dan lain sebagainya, berdasarkan metode pemompaannya.
Laser yang dipompa secara elektrik merujuk pada laser yang digerakkan oleh arus, laser gas sebagian besar digerakkan oleh lucutan gas, sedangkan laser semikonduktor sebagian besar digerakkan 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 mengeksitasi material yang sedang digunakan.
③Klasifikasi berdasarkan mode operasi
Laser dapat dibagi menjadi laser kontinu dan laser pulsa berdasarkan cara kerjanya.
Laser kontinu memiliki distribusi jumlah partikel yang stabil pada setiap tingkat energi dan medan radiasi di dalam rongga, dan pengoperasiannya dicirikan oleh eksitasi material kerja dan keluaran laser yang sesuai secara kontinu dalam jangka waktu yang lama. Laser kontinu dapat memancarkan cahaya laser secara terus menerus untuk jangka waktu yang lebih lama, tetapi efek termalnya lebih jelas.
Laser pulsa merujuk pada durasi waktu ketika daya laser dipertahankan pada nilai tertentu, dan menghasilkan cahaya laser secara terputus-putus, dengan karakteristik utama efek termal yang kecil dan kemampuan kontrol yang baik.
④ Klasifikasi berdasarkan panjang gelombang keluaran
Laser dapat diklasifikasikan berdasarkan panjang gelombang sebagai laser inframerah, laser tampak, laser ultraviolet, laser ultraviolet dalam, dan sebagainya. Rentang panjang gelombang cahaya yang dapat diserap oleh berbagai material terstruktur berbeda, sehingga laser dengan panjang gelombang berbeda dibutuhkan untuk pemrosesan halus berbagai material atau untuk berbagai skenario aplikasi.Laser inframerah dan laser UV adalah dua laser yang paling banyak digunakan. Laser inframerah terutama digunakan dalam "pemrosesan termal", di mana material pada permukaan bahan dipanaskan dan diuapkan (diuapkan) untuk menghilangkan material tersebut; dalam pemrosesan material non-logam film tipis, pemotongan wafer semikonduktor, pemotongan kaca organik, pengeboran, penandaan, dan bidang lainnya, foton UV berenergi tinggi secara langsung memutus ikatan molekuler pada permukaan material non-logam, sehingga molekul dapat dipisahkan dari objek, dan metode ini tidak menghasilkan reaksi panas yang tinggi, sehingga biasanya disebut "pemrosesan dingin".
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 menerapkan metode konversi frekuensi efek nonlinier material kristal, sehingga bidang industri laser UV yang banyak digunakan saat ini terutama adalah laser UV solid-state.
(4) Rantai industri
Hulu rantai industri adalah penggunaan bahan baku semikonduktor, peralatan canggih, dan aksesori produksi terkait untuk memproduksi inti laser dan perangkat optoelektronik, yang merupakan landasan industri laser dan memiliki ambang batas akses yang tinggi. Tengah rantai industri adalah penggunaan chip laser dan perangkat optoelektronik, modul, komponen optik, dan lain-lain dari hulu sebagai sumber pasokan untuk pembuatan dan penjualan berbagai laser, termasuk laser semikonduktor langsung, laser karbon dioksida, laser solid-state, laser serat optik, dan lain-lain; industri hilir terutama mengacu pada bidang aplikasi berbagai laser, termasuk peralatan pengolahan industri, LIDAR, komunikasi optik, kecantikan medis, dan industri aplikasi lainnya.
①Pemasok hulu
Bahan baku untuk produk hulu seperti chip laser semikonduktor, perangkat, dan modul terutama terdiri dari berbagai material chip, material serat, dan komponen yang dikerjakan dengan mesin, termasuk substrat, pendingin panas, bahan kimia, dan set casing. Pemrosesan chip membutuhkan bahan baku hulu berkualitas tinggi dan berkinerja tinggi, yang sebagian besar berasal dari pemasok luar negeri, tetapi tingkat lokalisasi secara bertahap meningkat, dan secara bertahap mencapai kendali independen. Kinerja bahan baku hulu utama memiliki dampak langsung pada kualitas chip laser semikonduktor, dan dengan peningkatan kinerja berbagai material chip secara berkelanjutan, peningkatan kinerja produk industri akan berperan positif dalam mendorong kemajuan.
②Rantai industri midstream
Chip laser semikonduktor merupakan sumber cahaya pompa inti dari berbagai jenis laser di bagian tengah rantai industri, dan berperan positif dalam mendorong perkembangan laser di bagian tengah rantai industri. Di bidang laser bagian tengah rantai industri, Amerika Serikat, Jerman, dan perusahaan luar negeri lainnya mendominasi, tetapi setelah perkembangan pesat industri laser domestik dalam beberapa tahun terakhir, pasar bagian tengah rantai industri telah mencapai substitusi domestik yang cepat.
③Rantai industri hilir
Industri hilir memiliki peran yang lebih besar dalam mendorong perkembangan industri, sehingga perkembangan industri hilir akan secara langsung memengaruhi ruang pasar industri tersebut. Pertumbuhan ekonomi Tiongkok yang berkelanjutan dan munculnya peluang strategis untuk transformasi ekonomi telah menciptakan kondisi pengembangan yang lebih baik untuk perkembangan industri ini. Tiongkok sedang beralih dari negara manufaktur menjadi kekuatan manufaktur, dan laser serta peralatan laser hilir merupakan salah satu kunci untuk meningkatkan industri manufaktur, yang menyediakan lingkungan permintaan yang baik untuk peningkatan 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 daya tinggi dari pasar laser daya rendah, sehingga industri harus terus meningkatkan investasi di bidang penelitian dan pengembangan teknologi serta inovasi independen.
2. Status perkembangan industri laser semikonduktor
Laser semikonduktor memiliki efisiensi konversi energi terbaik di antara semua jenis laser. Di satu sisi, laser ini 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 pengolahan 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, meningkat 14,20% dari tahun sebelumnya. Dengan perkembangan kecerdasan global, meningkatnya permintaan laser di perangkat pintar, elektronik konsumen, energi baru, dan bidang lainnya, serta terus berkembangnya aplikasi medis, peralatan 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 adalah $7,946 miliar, dengan tingkat pertumbuhan pasar sebesar 18,18%.
Melalui upaya bersama para ahli teknik, perusahaan, dan praktisi, industri laser semikonduktor Tiongkok telah mencapai perkembangan luar biasa, sehingga industri laser semikonduktor Tiongkok telah mengalami proses dari awal, dan awal mula prototipe industri laser semikonduktor Tiongkok. Dalam beberapa tahun terakhir, Tiongkok telah meningkatkan pengembangan industri laser, dan berbagai daerah telah mencurahkan perhatian pada penelitian ilmiah, peningkatan teknologi, pengembangan pasar, dan pembangunan kawasan industri laser di bawah kepemimpinan pemerintah dan kerja sama perusahaan laser.
3. Tren perkembangan industri laser Tiongkok di masa depan
Dibandingkan dengan negara-negara maju di Eropa dan Amerika Serikat, teknologi laser Tiongkok tidak tertinggal, tetapi dalam penerapan teknologi laser dan teknologi inti kelas atas masih terdapat kesenjangan yang cukup besar, terutama chip laser semikonduktor hulu dan komponen inti lainnya yang masih 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 Tiongkok pesat, namun tingkat penetrasi aplikasinya masih relatif rendah. Sebagai teknologi inti peningkatan industri, industri laser akan terus menjadi area kunci dukungan nasional, dan terus memperluas cakupan aplikasinya, 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 optik. Sumber pompa laser serat optik daya tinggi adalah area aplikasi utama laser semikonduktor, dan chip serta modul laser semikonduktor daya tinggi merupakan komponen penting dari laser serat optik. Dalam beberapa tahun terakhir, industri laser serat optik di Tiongkok berada dalam tahap pertumbuhan yang pesat, dan tingkat lokalisasinya meningkat dari tahun ke tahun.
Dari segi penetrasi pasar, di pasar laser serat optik daya rendah, pangsa pasar laser domestik mencapai 99,01% pada tahun 2019; di pasar laser serat optik daya menengah, tingkat penetrasi laser domestik tetap berada di atas 50% dalam beberapa tahun terakhir; proses lokalisasi laser serat optik daya tinggi juga secara bertahap maju, dari tahun 2013 hingga 2019 mencapai tahap "dari nol". Proses lokalisasi laser serat optik daya tinggi juga secara bertahap maju, dari tahun 2013 hingga 2019, dan telah mencapai tingkat penetrasi 55,56%, dan tingkat penetrasi laser serat optik daya tinggi domestik diperkirakan akan mencapai 57,58% pada tahun 2020.
Namun, komponen inti seperti chip laser semikonduktor daya 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 domestik, dan di sisi lain, dengan lokalisasi komponen inti hulu, dapat meningkatkan kemampuan produsen laser domestik untuk berpartisipasi dalam persaingan internasional.
(2) Aplikasi laser menembus lebih cepat dan lebih luas
Dengan lokalisasi bertahap komponen optoelektronik inti hulu dan penurunan bertahap biaya aplikasi laser, laser akan semakin meresap ke dalam banyak industri.
Di satu sisi, bagi Tiongkok, pemrosesan laser juga termasuk dalam sepuluh bidang aplikasi teratas industri manufaktur Tiongkok, dan diharapkan bidang aplikasi pemrosesan laser akan semakin diperluas dan skala pasarnya akan semakin besar di masa mendatang. Di sisi lain, dengan semakin populernya dan berkembangnya teknologi seperti kendaraan tanpa pengemudi, sistem bantuan pengemudi canggih, robot berorientasi layanan, penginderaan 3D, dan lain-lain, teknologi ini akan lebih banyak diterapkan di berbagai bidang seperti otomotif, kecerdasan buatan, elektronik konsumen, pengenalan wajah, komunikasi optik, dan penelitian pertahanan nasional. Sebagai perangkat atau komponen inti dari aplikasi laser di atas, laser semikonduktor juga akan mendapatkan ruang pengembangan yang pesat.
(3) Daya lebih tinggi, kualitas berkas lebih baik, panjang gelombang lebih pendek dan pengembangan arah frekuensi lebih cepat
Di bidang laser industri, laser serat telah mengalami kemajuan besar dalam hal daya keluaran, kualitas berkas, 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 kedirgantaraan, energi, manufaktur mesin, metalurgi, konstruksi transportasi kereta api, penelitian ilmiah, dan bidang aplikasi lainnya dalam pemotongan, pengelasan, perawatan permukaan, dll., sehingga kebutuhan daya laser serat terus meningkat. Produsen perangkat terkait perlu terus meningkatkan kinerja perangkat inti (seperti chip laser semikonduktor daya tinggi dan serat penguat), peningkatan daya laser serat juga membutuhkan teknologi modulasi laser canggih seperti penggabungan berkas dan sintesis daya, yang akan membawa persyaratan dan tantangan baru bagi produsen chip laser semikonduktor daya tinggi. Selain itu, pengembangan laser dengan panjang gelombang lebih pendek, lebih banyak panjang gelombang, dan lebih cepat (ultrafast) juga merupakan arah penting, terutama digunakan dalam chip sirkuit terpadu, tampilan, elektronik konsumen, kedirgantaraan dan pemrosesan mikro presisi lainnya, serta ilmu hayati, medis, penginderaan, dan bidang lainnya, sehingga chip laser semikonduktor juga mengajukan persyaratan baru.
(4) untuk permintaan komponen optoelektronik laser daya tinggi untuk pertumbuhan lebih lanjut
Pengembangan dan industrialisasi laser serat daya tinggi merupakan hasil kemajuan sinergis dari rantai industri, yang membutuhkan dukungan komponen optoelektronik inti seperti sumber pompa, isolator, konsentrator berkas, dll. Komponen optoelektronik yang digunakan dalam laser serat daya tinggi merupakan dasar dan komponen kunci dari pengembangan dan produksinya, dan perluasan pasar laser serat daya tinggi juga mendorong permintaan pasar untuk komponen inti seperti chip laser semikonduktor daya tinggi. Pada saat yang sama, dengan peningkatan berkelanjutan teknologi laser serat domestik, substitusi impor telah menjadi tren yang tak terhindarkan, pangsa pasar laser di dunia akan terus meningkat, yang juga membawa peluang besar bagi kekuatan lokal produsen komponen optoelektronik.
Waktu posting: 07-03-2023
