1. Aperçu de l'industrie laser
(1) Introduction au 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 grâce à une résonance de rétroaction excitée et à un rayonnement.
La technologie laser a vu le jour au début des années 1960 et, de par sa nature totalement 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.
L'avènement du laser a radicalement transformé l'optique classique, faisant de la physique optique une discipline de pointe qui englobe à la fois l'optique classique et la photonique moderne. Cette invention contribue de manière irremplaçable au développement de l'économie et de la société. La recherche en physique laser a permis l'essor de deux branches majeures de la photonique moderne : la photonique énergétique et la photonique de l'information. Elle couvre l'optique non linéaire, l'optique quantique, l'informatique quantique, la détection et la communication laser, la physique des plasmas laser, la chimie laser, la biologie laser, la médecine laser, 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), les matériaux fonctionnels laser, la fabrication laser, la fabrication de puces micro-optoélectroniques laser, l'impression 3D laser, ainsi que plus de 20 disciplines et applications technologiques de pointe à l'échelle internationale. Le Département des sciences et technologies laser (DSL) a été créé dans les domaines suivants.
Dans l'industrie de la fabrication laser, le monde est entré dans l'ère de la « fabrication légère ». Selon les statistiques internationales du secteur, 50 % du PIB annuel des États-Unis¹ est lié à l'expansion rapide du marché des applications laser de pointe. Plusieurs pays développés, dont les États-Unis, l'Allemagne et le Japon, ont quasiment achevé le remplacement des procédés traditionnels par le traitement laser dans des secteurs industriels majeurs tels que l'automobile et l'aéronautique. Le laser, dans la fabrication industrielle, a démontré un potentiel considérable pour des applications de fabrication spécifiques, économiques, de haute qualité et à haut rendement, inaccessibles par les méthodes conventionnelles. Il est devenu un moteur essentiel de compétitivité et d'innovation pour les principales puissances industrielles mondiales. Les pays soutiennent activement la technologie laser, la considérant comme l'une de leurs technologies de pointe les plus importantes, et ont élaboré des plans nationaux de développement de l'industrie laser.
(2)LaserSource Pprincipe
Le laser est un dispositif qui utilise un rayonnement excité pour produire de la lumière visible ou invisible. Sa structure est complexe et sa fabrication présente des défis techniques importants. Le système optique est principalement composé d'une source de pompage (source d'excitation), d'un milieu amplificateur (substance active) et d'une cavité résonante, ainsi que d'autres composants optiques. Le milieu amplificateur génère des photons en absorbant l'énergie produite par la source de pompage. Il passe alors de son état fondamental à un état excité. Cet état excité étant instable, le milieu amplificateur libère de l'énergie pour retourner à son état fondamental. Lors de cette libération d'énergie, le milieu amplificateur produit des photons. Ces photons, dont l'énergie, la longueur d'onde et la direction sont très homogènes, sont constamment réfléchis dans la cavité résonante. Ils y subissent un mouvement de va-et-vient, ce qui permet une amplification continue et, finalement, la formation d'un faisceau laser à travers un réflecteur. En tant que composant essentiel du système optique de l'équipement final, les performances du laser déterminent souvent directement la qualité et la puissance du faisceau de sortie.
La source de pompage (source d'excitation) fournit l'énergie nécessaire à l'excitation du milieu amplificateur. Ce dernier, excité, produit des photons qui génèrent et amplifient le laser. La cavité résonante permet de réguler les caractéristiques des photons (fréquence, phase et direction de propagation) afin d'obtenir une source lumineuse de haute qualité, grâce au contrôle des oscillations photoniques au sein de la cavité.
(3)Classification des sources laser
Les sources laser peuvent être classées selon le milieu amplificateur, la longueur d'onde de sortie, le mode de fonctionnement et le mode de pompage, comme suit
① Classification par milieu de gain
Selon le milieu amplificateur utilisé, les lasers peuvent être classés en lasers à l'état solide (y compris les lasers solides, semi-conducteurs, à fibre, hybrides), lasers liquides, lasers à gaz, etc.
| LaserSourceTaper | Gain Media | Caractéristiques principales |
| Source laser à semi-conducteurs | Solides, semi-conducteurs, fibres optiques, hybrides | Bonne stabilité, puissance élevée, faibles coûts de maintenance, adapté à l'industrialisation |
| Source laser liquide | liquides chimiques | Plage de longueurs d'onde optionnelle, mais encombrement important et coût de maintenance élevé |
| Source laser à gaz | Gaz | Source de lumière laser de haute qualité, mais taille plus importante et coûts de maintenance plus élevés |
| Source laser à électrons libres | Faisceau d'électrons dans un champ magnétique spécifique | Il est possible d'obtenir une puissance laser ultra-élevée et de haute qualité, mais les technologies de fabrication et les coûts de production sont très élevés. |
Grâce à leur bonne stabilité, leur puissance élevée et leurs faibles coûts de maintenance, les lasers à semi-conducteurs présentent un avantage indéniable en matière d'application.
Parmi les lasers à semi-conducteurs, ceux-ci présentent l'avantage d'un rendement élevé, d'une taille réduite, d'une longue durée de vie et d'une faible consommation d'énergie. D'une part, ils peuvent être utilisés directement comme source lumineuse principale et support pour le traitement laser, la médecine, les communications, la détection, l'affichage, la surveillance et les applications de défense, et sont devenus un fondement important du développement de la technologie laser moderne, revêtant une importance stratégique.
Par ailleurs, les lasers à semi-conducteurs peuvent également servir de source de pompage pour d'autres lasers, tels que les lasers à l'état solide et les lasers à fibre, contribuant ainsi largement au progrès technologique de l'ensemble du domaine laser. Tous les grands pays développés l'ont intégré à leurs plans nationaux de développement, lui apportant un soutien important et favorisant un développement rapide.
② Selon la méthode de pompage
Les lasers peuvent être classés en lasers à pompage électrique, lasers à pompage optique, lasers à pompage chimique, etc., selon la méthode de pompage.
Les lasers à pompage électrique sont des lasers excités par un courant électrique, les lasers à gaz sont principalement excités par une décharge de gaz, tandis que les lasers à semi-conducteurs sont principalement excités par injection de courant.
Presque tous les lasers à semi-conducteurs et les lasers à liquide sont des lasers à pompage optique, et les lasers à semi-conducteurs sont utilisés comme source de pompage principale pour les lasers à pompage optique.
Les lasers à pompage chimique sont des lasers qui utilisent l'énergie libérée par des réactions chimiques pour exciter le matériau de travail.
③ Classification par mode de fonctionnement
Les lasers peuvent être classés en lasers continus et lasers pulsés selon leur mode de fonctionnement.
Les lasers continus présentent une distribution stable du nombre de particules à chaque niveau d'énergie et du champ de rayonnement dans la cavité. Leur fonctionnement repose sur l'excitation continue du matériau et l'émission laser correspondante sur une longue période. Bien que capables d'émettre de la lumière laser en continu pendant une durée prolongée, les lasers continus génèrent un effet thermique plus important.
Les lasers pulsés se caractérisent par une durée pendant laquelle la puissance du laser est maintenue à une certaine valeur et émettent de la lumière laser de manière discontinue, leurs principales caractéristiques étant un faible effet thermique et une bonne contrôlabilité.
④ Classification par longueur d'onde de sortie
Les lasers peuvent être classés selon leur longueur d'onde : lasers infrarouges, lasers visibles, lasers ultraviolets, lasers ultraviolets profonds, etc. La gamme de longueurs d'onde absorbées par différents matériaux varie ; par conséquent, des lasers de différentes longueurs d'onde sont nécessaires pour le traitement de précision de différents matériaux ou pour différentes applications.Les lasers infrarouges et les lasers UV sont les deux types de lasers les plus utilisés. Les lasers infrarouges sont principalement employés dans le traitement thermique, où la surface d'un matériau est chauffée et vaporisée (évaporée) pour être éliminée. Dans le traitement de matériaux non métalliques en couches minces, la découpe de plaquettes de semi-conducteurs, la découpe de verre organique, le perçage, le marquage, etc., les photons UV de haute énergie brisent directement les liaisons moléculaires à la surface des matériaux non métalliques, permettant ainsi la séparation des molécules. Cette méthode ne génère pas de forte chaleur, c'est pourquoi on l'appelle généralement « traitement à froid ».
En raison de la haute énergie des photons UV, il est difficile de générer un laser UV continu de forte puissance par une source d'excitation externe. C'est pourquoi le laser UV est généralement généré par l'application d'une méthode de conversion de fréquence à effet non linéaire de matériau cristallin. Ainsi, le domaine industriel actuellement le plus utilisé pour les lasers UV est principalement celui des lasers UV à l'état solide.
(4) Chaîne industrielle
L'amont de la chaîne de valeur, qui consiste à utiliser des matières premières semi-conductrices, des équipements de pointe et les accessoires de production associés pour fabriquer des cœurs laser et des dispositifs optoélectroniques, est la pierre angulaire de l'industrie laser et présente des barrières à l'entrée élevées. Le segment intermédiaire de la chaîne de valeur utilise les puces laser et les dispositifs optoélectroniques, modules et composants optiques issus de l'amont comme sources de pompage pour la fabrication et la commercialisation de divers lasers, notamment les lasers à semi-conducteurs directs, les lasers à dioxyde de carbone, les lasers à l'état solide et les lasers à fibre. L'aval de la chaîne de valeur concerne principalement les domaines d'application des différents lasers, tels que les équipements de traitement industriel, le LIDAR, les communications optiques, l'esthétique médicale et d'autres industries applicatives.
① Fournisseurs en amont
Les matières premières nécessaires à la fabrication de produits en amont, tels que les puces, les dispositifs et les modules laser semi-conducteurs, sont principalement composées de divers matériaux pour puces, de matériaux pour fibres optiques et de pièces usinées, notamment les substrats, les dissipateurs thermiques, les produits chimiques et les boîtiers. La fabrication des puces exige des matières premières en amont de haute qualité et performantes, provenant majoritairement de fournisseurs étrangers. Toutefois, le degré de localisation augmente progressivement, permettant ainsi une autonomie croissante. Les performances des principales matières premières en amont ont un impact direct sur la qualité des puces laser semi-conductrices. L'amélioration continue des performances des différents matériaux pour puces contribue à l'amélioration des performances des produits de l'industrie.
② Chaîne de valeur intermédiaire
La puce laser à semi-conducteurs est la source de lumière de pompage essentielle de divers types de lasers au sein de la chaîne de valeur intermédiaire et contribue activement au développement de cette dernière. Dans ce secteur, les États-Unis, l'Allemagne et d'autres pays dominent le marché, mais suite au développement rapide de l'industrie laser chinoise ces dernières années, la substitution par la production nationale s'est accélérée.
③ Chaîne industrielle en aval
L'industrie en aval joue un rôle majeur dans le développement du secteur industriel, et son développement influence directement les perspectives de marché. La croissance continue de l'économie chinoise et l'émergence d'opportunités stratégiques de transformation économique ont créé des conditions favorables à l'essor de ce secteur. La Chine, en pleine transition d'un pays manufacturier à une puissance industrielle mondiale, voit dans les lasers et équipements laser en aval un élément clé de la modernisation de son industrie, assurant ainsi un environnement propice à la demande et à l'amélioration durable de ce secteur. Les exigences de l'industrie en aval concernant les performances des puces laser semi-conductrices et de leurs dispositifs augmentent, et les entreprises nationales investissent progressivement le marché des lasers de haute puissance, auparavant dominé par celui des lasers de basse puissance. Par conséquent, le secteur doit impérativement accroître ses investissements dans la recherche et le développement technologiques, ainsi que dans l'innovation indépendante.
2. État du développement de l'industrie des lasers à semi-conducteurs
Les lasers à semi-conducteurs présentent le meilleur rendement de conversion énergétique parmi tous les types de lasers. Ils peuvent notamment servir de source de pompage pour les lasers à fibre optique, les lasers à l'état solide et d'autres lasers de pompage optique. Par ailleurs, grâce aux progrès constants de la technologie des lasers à semi-conducteurs en termes d'efficacité énergétique, de brillance, de durée de vie, de compatibilité multi-longueurs d'onde, de taux de modulation, etc., ces lasers sont largement utilisés dans le traitement des matériaux, le secteur médical, les communications optiques, la détection optique, la défense, etc. Selon Laser Focus World, le chiffre d'affaires mondial total des lasers à diodes (lasers à semi-conducteurs et lasers non à diodes confondus) était estimé à 18 480 millions de dollars en 2021, les lasers à semi-conducteurs représentant 43 % de ce chiffre d'affaires.
Selon Laser Focus World, le marché mondial des lasers à semi-conducteurs atteindra 6 724 millions de dollars en 2020, soit une hausse de 14,20 % par rapport à l'année précédente. Avec le développement de l'intelligence artificielle à l'échelle mondiale, la demande croissante de lasers dans les appareils intelligents, l'électronique grand public, les énergies nouvelles et d'autres domaines, ainsi que l'expansion continue des applications médicales, esthétiques et autres applications émergentes, les lasers à semi-conducteurs peuvent être utilisés comme source de pompage pour les lasers optiques. La taille de ce marché devrait ainsi continuer de croître de manière stable. En 2021, le marché mondial des lasers à semi-conducteurs devrait atteindre 7,946 milliards de dollars, soit un taux de croissance de 18,18 %.
Grâce aux efforts conjugués des experts techniques, des entreprises et des praticiens, l'industrie chinoise des lasers à semi-conducteurs a connu un développement extraordinaire, partant de zéro et jetant ainsi les bases de son prototype. Ces dernières années, la Chine a accéléré le développement de son industrie laser et, sous l'égide du gouvernement et en collaboration avec les entreprises du secteur, différentes régions se sont consacrées à la recherche scientifique, au perfectionnement technologique, au développement du marché et à la construction de parcs industriels dédiés aux lasers.
3. Tendances futures du développement de l'industrie laser en Chine
Comparée 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 en matière d'application de cette technologie et de technologies de pointe, notamment pour les puces laser semi-conductrices en amont et autres composants essentiels qui restent dépendants des importations.
Les pays développés, représentés par les États-Unis, l'Allemagne et le Japon, ont quasiment achevé le remplacement des technologies de fabrication traditionnelles dans certains grands secteurs industriels et sont entrés dans l'ère de l'industrie légère. Bien que le développement des applications laser en Chine soit rapide, leur taux de pénétration reste relativement faible. En tant que technologie clé de la modernisation industrielle, l'industrie laser continuera de bénéficier d'un soutien national prioritaire et d'étendre son champ d'application, contribuant ainsi à propulser l'industrie manufacturière chinoise dans l'ère de l'industrie légère. Au vu de la situation actuelle, le développement de l'industrie laser en Chine présente les tendances suivantes.
(1) La puce laser semi-conductrice et les autres composants essentiels réalisent progressivement la localisation
Prenons l'exemple des lasers à fibre : les sources de pompage de haute puissance constituent le principal domaine d'application des lasers à semi-conducteurs, tandis que les puces et modules laser à semi-conducteurs de haute puissance en sont des composants essentiels. Ces dernières années, l'industrie chinoise des lasers à fibre optique a connu une croissance rapide, et son niveau de localisation augmente d'année en année.
En termes de pénétration de 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, passant d'une production entièrement nouvelle à une production nationale, entre 2013 et 2019. Ce processus de localisation a également progressé, atteignant un taux de pénétration de 55,56 % entre 2013 et 2019, et le taux de pénétration national des lasers à fibre de haute puissance devrait atteindre 57,58 % en 2020.
Cependant, les composants essentiels tels que les puces laser semi-conductrices de haute puissance restent dépendants des importations, et les composants en amont des lasers utilisant des puces laser semi-conductrices comme composant principal sont progressivement localisés, ce qui, d'une part, améliore la taille du marché des composants en amont des lasers nationaux et, d'autre part, grâce à la localisation des composants essentiels en amont, il est possible d'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 des lasers, ces derniers pénétreront plus profondément dans de nombreux secteurs industriels.
D'une part, en Chine, le traitement laser figure parmi les dix principaux domaines d'application de l'industrie manufacturière, et l'on prévoit que ses applications et le marché se développeront encore davantage à l'avenir. D'autre part, avec la popularisation et le développement continus de technologies telles que la conduite autonome, les systèmes avancés d'assistance à la conduite, la robotique de service et la détection 3D, son utilisation se généralisera dans de nombreux secteurs comme l'automobile, l'intelligence artificielle, l'électronique grand public, la reconnaissance faciale, les communications optiques et la recherche en matière de défense nationale. En tant que composant essentiel de ces applications laser, le laser à semi-conducteurs connaîtra également un développement rapide.
(3) Puissance accrue, meilleure qualité de faisceau, longueur d'onde plus courte et développement plus rapide de la direction de fréquence
Dans le domaine des lasers industriels, les lasers à fibre ont connu des progrès considérables en termes de puissance de sortie, de qualité du faisceau et de luminosité depuis leur introduction. Cependant, une puissance plus élevée permet d'améliorer la vitesse et la qualité de traitement, et d'étendre le champ d'application à l'industrie lourde, notamment dans les secteurs de l'automobile, de l'aérospatiale, de l'énergie, de la construction mécanique, de la métallurgie, du transport ferroviaire et de la recherche scientifique, pour des applications telles que la découpe, le soudage et le traitement de surface. Les exigences en matière de puissance des lasers à fibre ne cessent de croître. Les fabricants de dispositifs doivent donc améliorer en permanence les performances des composants essentiels (comme les puces laser semi-conductrices de haute puissance et les fibres amplificatrices). L'augmentation de la puissance des lasers à fibre requiert également des technologies de modulation laser avancées, telles que la combinaison de faisceaux et la synthèse de puissance, ce qui engendre de nouvelles exigences et de nouveaux défis pour les fabricants de puces laser semi-conductrices de haute puissance. Par ailleurs, le développement de lasers à longueur d'onde plus courte, plus large et plus rapide (ultrarapides) constitue une voie importante. Ces lasers sont principalement utilisés dans les circuits intégrés, les écrans, l'électronique grand public, l'aérospatiale et d'autres applications de micro-usinage de précision, ainsi que dans les sciences de la vie, la médecine et la détection. Les puces laser semi-conductrices sont également soumises à de nouvelles exigences.
(4) La demande de composants optoélectroniques pour lasers de haute puissance devrait continuer à croître.
Le développement et l'industrialisation des lasers à fibre de haute puissance résultent de la synergie de la chaîne de valeur, qui repose sur des composants optoélectroniques essentiels tels que la source de pompage, l'isolateur et le concentrateur de faisceau. Ces composants constituent la base et les éléments clés du développement et de la production des lasers à fibre de haute puissance. L'expansion du marché de ces lasers stimule également la demande en composants essentiels, comme les puces laser semi-conductrices de haute puissance. Parallèlement, l'amélioration continue de la technologie laser à fibre en Chine rend inévitable la substitution des importations. La part de marché mondiale des lasers continuera de progresser, offrant ainsi d'importantes opportunités aux fabricants locaux de composants optoélectroniques.
Date de publication : 7 mars 2023
