1. Aperçu de l'industrie du laser
(1) Présentation du laser
Le laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, abrégé en LASER) est un faisceau de lumière collimaté, monochromatique, cohérent et directionnel produit par l'amplification du rayonnement lumineux à une fréquence étroite par le biais d'une résonance et d'un rayonnement de rétroaction excités.
La technologie laser est née au début des années 1960 et, en raison de sa nature complètement différente de la lumière ordinaire, le laser a rapidement été largement utilisé dans divers domaines et a profondément influencé le développement et la transformation de la science, de la technologie, de l'économie et de la société.
La naissance du laser a radicalement changé le visage de l'optique ancienne, élargissant la physique optique classique à une nouvelle discipline de haute technologie qui englobe à la fois l'optique classique et la photonique moderne, apportant ainsi une contribution irremplaçable au développement de l'économie humaine et de la société. La recherche en physique des lasers a contribué à l’épanouissement de deux branches majeures de la physique photonique moderne : la photonique énergétique et la photonique de l’information. Il couvre l'optique non linéaire, l'optique quantique, l'informatique quantique, la détection et la communication laser, la physique des plasmas laser, la chimie des lasers, la biologie des lasers, la médecine des lasers, la spectroscopie et la métrologie laser ultra-précises, la physique atomique laser, y compris le refroidissement laser et la recherche sur la matière condensée de Bose-Einstein. , matériaux fonctionnels laser, fabrication laser, fabrication de puces micro-optoélectroniques laser, impression laser 3D et plus de 20 disciplines et applications technologiques de pointe internationales. Le Département de science et technologie laser (DSL) a été créé dans les domaines suivants.
Dans l'industrie de fabrication laser, le monde est entré dans l'ère de la « fabrication légère ». Selon les statistiques internationales de l'industrie laser, 50 % du PIB annuel des États-Unis1 est lié à l'expansion rapide du marché des applications laser de haut niveau. Plusieurs pays développés, représentés par les États-Unis, l'Allemagne et le Japon, ont pratiquement achevé le remplacement des processus traditionnels par le traitement au laser dans de grandes industries manufacturières telles que l'automobile et l'aviation. Le laser dans la fabrication industrielle a montré un grand potentiel pour des applications de fabrication spéciales à faible coût, de haute qualité et à haut rendement qui ne peuvent pas être réalisées par la fabrication conventionnelle, et est devenu un moteur important de concurrence et d'innovation entre les principaux pays industriels du monde. Les pays soutiennent activement la technologie laser, qui constitue l'une de leurs technologies de pointe les plus importantes, et ont élaboré des plans nationaux de développement de l'industrie du laser.
(2)LaserSourcePprincipe
Le laser est un appareil qui utilise un rayonnement excité pour produire de la lumière visible ou invisible, avec une structure complexe et des barrières techniques élevées. Le système optique est principalement composé d'une source de pompe (source d'excitation), d'un milieu de gain (substance de travail) et d'une cavité résonante et d'autres matériaux de dispositif optique. Le milieu à gain est la source de génération de photons, et en absorbant l'énergie générée par la source de pompe, le milieu à gain passe de l'état fondamental à l'état excité. Étant donné que l’état excité est instable, à ce moment-là, le milieu à gain libérera de l’énergie pour revenir à l’état stable de l’état fondamental. Dans ce processus de libération d'énergie, le milieu de gain produit des photons, et ces photons ont un degré élevé de cohérence en termes d'énergie, de longueur d'onde et de direction, ils sont constamment réfléchis dans la cavité résonante optique, en mouvement réciproque, de manière à s'amplifier en continu, et enfin projetez le laser à travers le réflecteur pour former un faisceau laser. En tant que système optique de base de l'équipement terminal, les performances du laser déterminent souvent directement la qualité et la puissance du faisceau de sortie de l'équipement laser, et constituent le composant principal de l'équipement laser terminal.
La source de pompe (source d'excitation) fournit une excitation énergétique au milieu de gain. Le milieu de gain est excité pour produire des photons afin de générer et d'amplifier le laser. La cavité résonante est l'endroit où les caractéristiques des photons (fréquence, phase et sens de fonctionnement) sont régulées pour obtenir une source lumineuse de sortie de haute qualité en contrôlant les oscillations des photons dans la cavité. La source de pompe (source d'excitation) fournit l'énergie d'excitation pour le milieu à gain. Le milieu de gain est excité pour produire des photons afin de générer et d'amplifier le laser. La cavité résonante est l'endroit où les caractéristiques des photons (fréquence, phase et sens de fonctionnement) sont ajustées pour obtenir une source lumineuse de sortie de haute qualité en contrôlant les oscillations des photons dans la cavité.
(3)Classification de la source laser
La source laser peut être classée en fonction du gain moyen, de la longueur d'onde de sortie, du mode de fonctionnement et du mode de pompage, comme suit
① Classification par gain moyen
Selon les différents supports de gain, les lasers peuvent être divisés en lasers à semi-conducteurs (solides, semi-conducteurs, à fibre, hybrides), lasers liquides, lasers à gaz, etc.
| LaserSourceTaper | Gagner des médias | Principales caractéristiques |
| Source laser à semi-conducteurs | Solides, Semi-conducteurs, Fibre Optique, Hybride | Belle stabilité, puissance élevée, faible coût de maintenance, adapté à l'industrialisation |
| Source laser liquide | Liquides chimiques | Gamme de longueurs d'onde facultative atteinte, mais grande taille et coût de maintenance élevé |
| Source laser à gaz | Gaz | Source de lumière laser de haute qualité, mais taille plus grande et coûts de maintenance plus élevés |
| Source laser à électrons libres | Faisceau d'électrons dans un champ magnétique spécifique | Une puissance laser ultra-élevée et une sortie laser de haute qualité peuvent être obtenues, mais la technologie de fabrication et les coûts de production sont très élevés |
En raison de la bonne stabilité, de la puissance élevée et du faible coût de maintenance, l’application des lasers à solide présente un avantage absolu.
Parmi les lasers à semi-conducteurs, les lasers à semi-conducteurs présentent les avantages d'un rendement élevé, d'une petite taille, d'une longue durée de vie, d'une faible consommation d'énergie, etc. D'une part, ils peuvent être directement appliqués comme source de lumière principale et comme support pour le traitement laser, médical, applications de communication, de détection, d'affichage, de surveillance et de défense, et sont devenus une base importante pour le développement de la technologie laser moderne ayant une importance stratégique en matière de développement.
D'autre part, les lasers à semi-conducteurs peuvent également être utilisés comme source de lumière de pompage de base pour d'autres lasers tels que les lasers à solide et les lasers à fibre, favorisant grandement le progrès technologique de l'ensemble du domaine laser. Tous les principaux pays développés du monde l'ont inclus dans leurs plans de développement nationaux, lui apportant un soutien important et un développement rapide.
② Selon la méthode de pompage
Les lasers peuvent être divisés en lasers à pompage électrique, à pompage optique, à pompage chimique, etc. selon la méthode de pompage.
Les lasers pompés électriquement font référence aux lasers excités par le courant, les lasers à gaz sont principalement excités par une décharge de gaz, tandis que les lasers à semi-conducteurs sont principalement excités par l'injection de courant.
Presque tous les lasers à semi-conducteurs et les lasers liquides sont des lasers à pompe optique, et les lasers à semi-conducteurs sont utilisés comme source de pompage principale pour les lasers à pompe optique.
Les lasers à pompage chimique font référence à des lasers qui utilisent l'énergie libérée par des réactions chimiques pour exciter le matériau de travail.
③Classification par mode de fonctionnement
Les lasers peuvent être divisés en lasers continus et lasers pulsés selon leur mode de fonctionnement.
Les lasers continus ont une distribution stable du nombre de particules à chaque niveau d'énergie et du champ de rayonnement dans la cavité, et leur fonctionnement est caractérisé par l'excitation du matériau de travail et la sortie laser correspondante de manière continue sur une longue période de temps. . Les lasers continus peuvent émettre une lumière laser en continu pendant une période plus longue, mais l'effet thermique est plus évident.
Les lasers pulsés font référence à la durée pendant laquelle la puissance laser est maintenue à une certaine valeur et émettent de la lumière laser de manière discontinue, avec les principales caractéristiques d'un faible effet thermique et d'une bonne contrôlabilité.
④ Classification par longueur d'onde de sortie
Les lasers peuvent être classés selon leur longueur d'onde en lasers infrarouges, lasers visibles, lasers ultraviolets, lasers ultraviolets profonds, etc. La gamme de longueurs d'onde de la lumière qui peut être absorbée par différents matériaux structurés est différente, de sorte que des lasers de différentes longueurs d'onde sont nécessaires pour le traitement fin de différents matériaux ou pour différents scénarios d'application.Les lasers infrarouges et les lasers UV sont les deux lasers les plus utilisés. Les lasers infrarouges sont principalement utilisés dans le « traitement thermique », où le matériau à la surface du matériau est chauffé et vaporisé (évaporé) pour éliminer le matériau ; dans le traitement de matériaux non métalliques en couches minces, la découpe de plaquettes semi-conductrices, la découpe de verre organique, le perçage, le marquage et d'autres domaines, haute énergie etc., les photons UV à haute énergie brisent directement les liaisons moléculaires à la surface des matériaux non métalliques, de sorte que les molécules puissent être séparées de l'objet, et cette méthode ne produit pas de réaction thermique élevée, elle est donc généralement appelée « froid traitement".
En raison de la haute énergie des photons UV, il est difficile de générer un certain laser UV continu de haute puissance par une source d'excitation externe, de sorte que le laser UV est généralement généré par l'application d'une méthode de conversion de fréquence à effet non linéaire en matériau cristallin, de sorte que le courant est largement utilisé. Le domaine industriel des lasers UV est principalement celui des lasers UV à semi-conducteurs.
(4) Chaîne industrielle
L'amont de la chaîne industrielle est l'utilisation de matières premières semi-conductrices, d'équipements haut de gamme et d'accessoires de production associés pour fabriquer des noyaux laser et des dispositifs optoélectroniques, qui constituent la pierre angulaire de l'industrie laser et ont un seuil d'accès élevé. Le milieu de la chaîne industrielle est l'utilisation de puces laser et de dispositifs optoélectroniques, modules, composants optiques, etc. en amont comme sources de pompage pour la fabrication et la vente de divers lasers, notamment les lasers à semi-conducteurs directs, les lasers au dioxyde de carbone, les lasers à semi-conducteurs, lasers à fibre, etc. ; l'industrie en aval fait principalement référence aux domaines d'application de divers lasers, notamment les équipements de traitement industriel, le LIDAR, les communications optiques, la beauté médicale et d'autres industries d'application.
①Fournisseurs en amont
Les matières premières pour les produits en amont tels que les puces, dispositifs et modules laser à semi-conducteurs sont principalement divers matériaux de puces, matériaux fibreux et pièces usinées, notamment des substrats, des dissipateurs thermiques, des produits chimiques et des ensembles de boîtiers. Le traitement des copeaux nécessite des matières premières de haute qualité et performantes en amont, principalement provenant de fournisseurs étrangers, mais le degré de localisation augmente progressivement et atteint progressivement un contrôle indépendant. La performance des principales matières premières en amont a un impact direct sur la qualité des puces laser à semi-conducteurs, avec l'amélioration continue des performances de divers matériaux de puces, pour améliorer les performances des produits de l'industrie qui jouent un rôle positif dans la promotion.
②Chaîne industrielle intermédiaire
La puce laser à semi-conducteur est la source de lumière de pompe centrale de divers types de lasers situés au milieu de la chaîne industrielle et joue un rôle positif dans la promotion du développement des lasers intermédiaires. Dans le domaine des lasers intermédiaires, les États-Unis, l'Allemagne et d'autres entreprises étrangères dominent, mais après le développement rapide de l'industrie laser nationale ces dernières années, le marché intermédiaire de la chaîne industrielle a réalisé une substitution nationale rapide.
③Chaîne industrielle en aval
L'industrie en aval joue un rôle plus important dans la promotion du développement de l'industrie, de sorte que le développement de l'industrie en aval affectera directement l'espace de marché de l'industrie. La croissance continue de l'économie chinoise et l'émergence d'opportunités stratégiques de transformation économique ont créé de meilleures conditions de développement pour le développement de cette industrie. La Chine est en train de passer d'un pays manufacturier à une puissance manufacturière, et les lasers et équipements laser en aval sont l'une des clés de la modernisation de l'industrie manufacturière, ce qui offre un bon environnement de demande pour l'amélioration à long terme de cette industrie. Les exigences de l'industrie en aval concernant l'indice de performance des puces laser à semi-conducteurs et de leurs dispositifs augmentent, et les entreprises nationales entrent progressivement sur le marché des lasers haute puissance à partir du marché des lasers basse puissance, de sorte que l'industrie doit continuellement augmenter ses investissements dans le domaine de la recherche technologique. et développement et innovation indépendante.
2. État de développement de l'industrie des lasers à semi-conducteurs
Les lasers à semi-conducteurs ont la meilleure efficacité de conversion d'énergie parmi tous les types de lasers. D'une part, ils peuvent être utilisés comme source de pompe centrale des lasers à fibre optique, des lasers à semi-conducteurs et d'autres lasers à pompe optique. D'autre part, avec la percée continue de la technologie des lasers à semi-conducteurs en termes d'efficacité énergétique, de luminosité, de durée de vie, de multi-longueurs d'onde, de taux de modulation, etc., les lasers à semi-conducteurs sont largement utilisés dans le traitement des matériaux, la médecine, la communication optique, la détection optique, défense, etc. Selon Laser Focus World, le chiffre d'affaires mondial total des lasers à diode, c'est-à-dire les lasers à semi-conducteur et les lasers sans diode, est estimé à 18,480 millions de dollars en 2021, les lasers à semi-conducteur représentant 43% du chiffre d’affaires total.
Selon Laser Focus World, le marché mondial des lasers à semi-conducteurs s'élèvera à 6 724 millions de dollars en 2020, en hausse de 14,20 % par rapport à l'année précédente. Avec le développement de l'intelligence mondiale, la demande croissante de lasers dans les appareils intelligents, l'électronique grand public, les nouvelles énergies et d'autres domaines, ainsi que l'expansion continue des équipements médicaux et de beauté et d'autres applications émergentes, les lasers à semi-conducteurs peuvent être utilisés comme source de pompage. pour les lasers à pompe optique, et la taille de son marché continuera de maintenir une croissance stable. Taille du marché mondial des lasers à semi-conducteurs en 2021 de 7,946 milliards de dollars, soit un taux de croissance du marché de 18,18 %.
Grâce aux efforts conjoints d'experts techniques, d'entreprises et de praticiens, l'industrie chinoise des lasers à semi-conducteurs a atteint un développement extraordinaire, de sorte que l'industrie chinoise des lasers à semi-conducteurs a expérimenté le processus à partir de zéro et le début du prototype de l'industrie chinoise des lasers à semi-conducteurs. Ces dernières années, la Chine a accéléré le développement de l'industrie du laser et diverses régions se sont consacrées à la recherche scientifique, à l'amélioration technologique, au développement du marché et à la construction de parcs industriels laser sous la direction du gouvernement et la coopération des entreprises laser.
3. Tendance de développement futur de l'industrie laser chinoise
Par rapport aux pays développés d'Europe et des États-Unis, la technologie laser chinoise n'est pas en retard, mais il existe encore un écart considérable dans l'application de la technologie laser et de la technologie de base haut de gamme, en particulier la puce laser à semi-conducteurs en amont et d'autres composants de base. dépendante des importations.
Les pays développés représentés par les États-Unis, l'Allemagne et le Japon ont pratiquement achevé le remplacement de la technologie de fabrication traditionnelle dans certains grands domaines industriels et sont entrés dans l'ère de la « fabrication légère » ; bien que le développement des applications laser en Chine soit rapide, le taux de pénétration des applications reste relativement faible. En tant que technologie de base de la modernisation industrielle, l'industrie du laser continuera d'être un domaine clé de soutien national et continuera d'élargir le champ d'application et, à terme, de promouvoir l'industrie manufacturière chinoise vers l'ère de la « fabrication légère ». À partir de la situation de développement actuelle, le développement de l’industrie chinoise du laser montre les tendances de développement suivantes.
(1) La puce laser à semi-conducteur et d'autres composants de base réalisent progressivement la localisation
Prenons le laser à fibre comme exemple, la source de pompe laser à fibre haute puissance est le principal domaine d'application du laser à semi-conducteur, la puce et le module laser à semi-conducteur haute puissance sont un composant important du laser à fibre. Ces dernières années, l'industrie chinoise des lasers à fibre optique est dans une phase de croissance rapide et le degré de localisation augmente d'année en année.
En termes de pénétration du marché, sur le marché des lasers à fibre de faible puissance, la part de marché des lasers nationaux a atteint 99,01 % en 2019 ; sur le marché des lasers à fibre de moyenne puissance, le taux de pénétration des lasers nationaux s'est maintenu à plus de 50 % ces dernières années ; le processus de localisation des lasers à fibre de haute puissance progresse également progressivement, de 2013 à 2019, pour réaliser « à partir de zéro ». Le processus de localisation des lasers à fibre de haute puissance progresse également progressivement, de 2013 à 2019, et a atteint un taux de pénétration de 55,56 %, et le taux de pénétration national des lasers à fibre de haute puissance devrait être de 57,58 % en 2020.
Cependant, les composants de base tels que les puces laser à semi-conducteurs de haute puissance dépendent toujours des importations, et les composants en amont des lasers dotés de puces laser à semi-conducteurs comme noyau sont progressivement localisés, ce qui, d'une part, améliore l'échelle de marché des composants en amont de lasers nationaux, et d'autre part, avec la localisation des composants de base en amont, cela peut améliorer la capacité des fabricants de lasers nationaux à participer à la concurrence internationale.
(2) Les applications laser pénètrent plus rapidement et plus largement
Avec la localisation progressive des composants optoélectroniques de base en amont et la diminution progressive des coûts d'application du laser, les lasers pénétreront plus profondément dans de nombreuses industries.
D'une part, pour la Chine, le traitement au laser s'inscrit également dans les dix principaux domaines d'application de l'industrie manufacturière chinoise, et on s'attend à ce que les domaines d'application du traitement au laser soient encore élargis et que l'échelle du marché soit encore élargie à l'avenir. D'autre part, avec la vulgarisation et le développement continus de technologies telles que le système de conduite assistée sans conducteur, le robot orienté services, la détection 3D, etc., elles seront davantage appliquées dans de nombreux domaines tels que l'automobile, l'intelligence artificielle, l'électronique grand public. , reconnaissance faciale, communication optique et recherche sur la défense nationale. En tant que dispositif ou composant central des applications laser ci-dessus, le laser à semi-conducteur gagnera également un espace de développement rapide.
(3) Puissance plus élevée, meilleure qualité de faisceau, longueur d'onde plus courte et développement plus rapide de la direction de la fréquence
Dans le domaine des lasers industriels, les lasers à fibre ont fait de grands progrès en termes de puissance de sortie, de qualité de faisceau et de luminosité depuis leur introduction. Cependant, une puissance plus élevée peut améliorer la vitesse de traitement, optimiser la qualité du traitement et étendre le domaine de traitement à la fabrication de l'industrie lourde, à la fabrication automobile, à la fabrication aérospatiale, à l'énergie, à la fabrication de machines, à la métallurgie, à la construction de transports ferroviaires, à la recherche scientifique et à d'autres domaines d'application dans la découpe. , soudage, traitement de surface, etc., les besoins en puissance des lasers à fibre continuent d'augmenter. Les fabricants d'appareils correspondants doivent améliorer continuellement les performances des appareils de base (tels que les puces laser à semi-conducteurs de haute puissance et les fibres à gain). L'augmentation de la puissance du laser à fibre nécessite également une technologie avancée de modulation laser telle que la combinaison de faisceaux et la synthèse de puissance, ce qui apportera de nouvelles exigences. et les défis auxquels sont confrontés les fabricants de puces laser à semi-conducteurs de haute puissance. En outre, des longueurs d'onde plus courtes, plus de longueurs d'onde et un développement laser plus rapide (ultra-rapide) sont également une direction importante, principalement utilisée dans les puces de circuits intégrés, les écrans, l'électronique grand public, l'aérospatiale et autres microtraitements de précision, ainsi que les sciences de la vie, le médical, la détection et autres. domaines, la puce laser à semi-conducteur a également mis en avant de nouvelles exigences.
(4) pour les composants optoélectroniques laser de haute puissance, la demande de croissance continue
Le développement et l'industrialisation du laser à fibre de haute puissance sont le résultat du progrès synergique de la chaîne industrielle, qui nécessite le support de composants optoélectroniques de base tels que la source de pompe, l'isolateur, le concentrateur de faisceau, etc. Les composants optoélectroniques utilisés dans les lasers à fibre de haute puissance Les lasers à fibre constituent la base et les composants clés de son développement et de sa production, et le marché en expansion du laser à fibre haute puissance stimule également la demande du marché pour des composants de base tels que les puces laser à semi-conducteurs haute puissance. Dans le même temps, avec l'amélioration continue de la technologie nationale des lasers à fibre, le remplacement des importations est devenu une tendance inévitable, la part de marché du laser dans le monde continuera de s'améliorer, ce qui offre également de grandes opportunités pour la force locale des fabricants de composants optoélectroniques.
Heure de publication : 07 mars 2023
