1. Yfirlit yfir leysigeirann
(1) Kynning á leysigeislum
Leysi (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, skammstafað sem LASER) er samsíða, einlita, samhangandi, stefnubundinn ljósgeisli sem myndast með mögnun ljósgeislunar á þröngri tíðni með örvuðum afturvirkum ómun og geislun.
Leysitækni á rætur sínar að rekja til snemma á sjöunda áratugnum og vegna þess að hún er gjörólík venjulegu ljósi varð hún fljótlega mikið notuð á ýmsum sviðum og hafði djúpstæð áhrif á þróun og umbreytingu vísinda, tækni, efnahagslífs og samfélags.
Tilkoma leysigeislans hefur gjörbreytt ásýnd fornrar ljósfræði og stækkað klassíska ljósfræði í nýja hátæknigrein sem nær yfir bæði klassíska ljósfræði og nútíma ljósfræði og hefur lagt ómetanlegt af mörkum til þróunar mannkynshagkerfisins og samfélagsins. Rannsóknir á leysigeislafræði hafa stuðlað að blómstrandi tveimur megingreinum nútíma ljósfræðieðlisfræði: orkuljósfræði og upplýsingaljósfræði. Þær ná yfir ólínulega ljósfræði, skammtafræði, skammtatölvur, leysiskynjun og samskipti, leysigeislaplasmaeðlisfræði, leysigeislaefnafræði, leysigeislalíffræði, leysigeislalæknisfræði, afar nákvæma leysigeislaspektroskopíu og mælifræði, leysigeislaatómeðlisfræði þar á meðal leysigeislakælingu og rannsóknir á þéttu efni samkvæmt Bose-Einstein, leysigeislavirk efni, leysigeislaframleiðslu, leysigeislaör-ljósraflögugerð, leysigeislaþrívíddarprentun og meira en 20 alþjóðlegar framlínugreinar og tæknileg notkunarsvið. Deild leysigeislavísinda og tækni (DSL) hefur verið stofnuð á eftirfarandi sviðum.
Í leysigeirframleiðsluiðnaðinum hefur heimurinn gengið inn í tíma „léttrar framleiðslu“. Samkvæmt alþjóðlegri tölfræði um leysigeirann tengist 50% af árlegri landsframleiðslu Bandaríkjanna1 hraðri markaðsþenslu háþróaðra leysigeiranotkunar. Nokkur þróuð lönd, þar á meðal Bandaríkin, Þýskaland og Japan, hafa í raun lokið við að skipta út hefðbundnum ferlum fyrir leysigeislavinnslu í helstu framleiðslugreinum eins og bílaiðnaði og flugi. Leysigeisli í iðnaðarframleiðslu hefur sýnt mikla möguleika fyrir lágkostnaðar-, hágæða-, skilvirkni- og sérhæfð framleiðsluforrit sem ekki er hægt að ná með hefðbundinni framleiðslu og hefur orðið mikilvægur drifkraftur samkeppni og nýsköpunar meðal helstu iðnríkja heims. Lönd styðja virkan leysigeislatækni sem eina mikilvægustu háþróuðu tækni sína og hafa þróað innlendar þróunaráætlanir fyrir leysigeirann.
(2)LeysirHeimild Pmeginregla
Leysirinn er tæki sem notar örvaða geislun til að framleiða sýnilegt eða ósýnilegt ljós, með flókinni uppbyggingu og miklum tæknilegum hindrunum. Ljóskerfið samanstendur aðallega af dælugjafa (örvunargjafa), styrkingarmiðli (vinnuefni) og ómhola og öðrum efnum í ljósbúnaði. Styrkingarmiðillinn er uppspretta ljóseindamyndunar og með því að taka upp orkuna sem dælugjafinn myndar, hoppar styrkingarmiðillinn úr grunnástandi í örvað ástand. Þar sem örvað ástand er óstöðugt mun styrkingarmiðillinn á þessum tímapunkti losa orku til að snúa aftur í stöðugt grunnástand. Í þessu ferli orkulosunar framleiðir styrkingarmiðillinn ljóseindir og þessar ljóseindir hafa mikla stöðugleika í orku, bylgjulengd og stefnu, þær endurkastast stöðugt í ljósómholinu, hreyfast gagnkvæmt, þannig að þær magnast stöðugt og að lokum skjóta leysinum út í gegnum endurskinsmerkið til að mynda leysigeisla. Sem kjarnaljóskerfi endabúnaðarins ákvarðar afköst leysisins oft beint gæði og afl útgangsgeislans frá leysibúnaðinum og er kjarninn í endabúnaði leysibúnaðarins.
Dælugjafinn (örvunargjafinn) veitir orkuörvun til styrktarmiðilsins. Styrktarmiðillinn er örvaður til að framleiða ljóseindir til að mynda og magna leysigeislann. Ómunarholið er staðurinn þar sem eiginleikar ljóseinda (tíðni, fasi og rekstrarátt) eru stýrðir til að fá hágæða ljósgjafa með því að stjórna sveiflum ljóseinda í holrýminu. Dælugjafinn (örvunargjafinn) veitir orkuörvun fyrir styrktarmiðilinn. Styrktarmiðillinn er örvaður til að framleiða ljóseindir til að mynda og magna leysigeislann. Ómunarholið er staðurinn þar sem eiginleikar ljóseinda (tíðni, fasi og rekstrarátt) eru stilltir til að fá hágæða ljósgjafa með því að stjórna sveiflum ljóseinda í holrýminu.
(3)Flokkun leysigeislagjafa
Hægt er að flokka leysigeisla eftir magnunarmiðli, úttaksbylgjulengd, rekstrarham og dæluham, á eftirfarandi hátt.
① Flokkun eftir magnunarmiðli
Samkvæmt mismunandi styrkingarmiðlum er hægt að skipta leysi í fast efni (þar á meðal fast efni, hálfleiðara, trefja, blendinga), fljótandi leysi, gas leysi og svo framvegis.
| LeysirHeimildTegund | Gain Media | Helstu eiginleikar |
| Lasergjafi í föstu formi | Föst efni, hálfleiðarar, ljósleiðarar, blendingar | Góð stöðugleiki, mikil afköst, lágur viðhaldskostnaður, hentugur til iðnaðarvæðingar |
| Fljótandi leysigeislagjafi | Efnafræðilegir vökvar | Valfrjálst bylgjulengdarsvið náð, en stór stærð og hár viðhaldskostnaður |
| Gaslasergjafi | Lofttegundir | Hágæða leysigeislagjafi, en stærri og með hærri viðhaldskostnað |
| Ókeypis rafeinda leysigeisli | Rafeindageisli í ákveðnu segulsviði | Hægt er að ná fram mjög miklum krafti og hágæða leysigeislum, en framleiðslutækni og framleiðslukostnaður eru mjög háir. |
Vegna góðs stöðugleika, mikillar afls og lágs viðhaldskostnaðar nýtur notkun fastfasa leysigeisla algjörs ávinnings.
Meðal fastfasa leysigeisla hafa hálfleiðaraleysir þá kosti að vera mikill skilvirkni, lítil stærð, langur endingartími, lítil orkunotkun o.s.frv. Annars vegar er hægt að nota þá beint sem kjarna ljósgjafa og stuðning við leysivinnslu, læknisfræði, samskipti, skynjun, skjá, eftirlit og varnarmál og hafa orðið mikilvægur grunnur fyrir þróun nútíma leysitækni með stefnumótandi þróunarþýðingu.
Á hinn bóginn er einnig hægt að nota hálfleiðaralasera sem kjarna ljósgjafa fyrir aðra leysigeisla eins og fastfasa leysigeisla og trefjalasera, sem stuðlar mjög að tækniframförum á öllu leysigeiranum. Öll helstu þróuð lönd heims hafa tekið það inn í þróunaráætlanir sínar, veitt sterkan stuðning og tryggt hraða þróun.
② Samkvæmt dælingaraðferðinni
Leysi má skipta í rafdælaða, ljósdælaða, efnadælaða leysi o.s.frv. eftir dæluaðferðinni.
Rafdæltir leysir vísa til leysira sem eru örvaðir með straumi, gasleysir eru að mestu leyti örvaðir með gasútskrift, en hálfleiðaraleysir eru að mestu leyti örvaðir með strauminnspýtingu.
Næstum allir fastfasa leysir og vökvaleysir eru ljósdæluleisar og hálfleiðaraleysir eru notaðir sem kjarninn í dælugjafa fyrir ljósdæluleisara.
Efnafræðilega dælaðir leysir vísa til leysigeisla sem nota orkuna sem losnar við efnahvörf til að örva vinnsluefnið.
③Flokkun eftir rekstrarham
Leysi má skipta í samfellda leysi og púlsaða leysi eftir því hvernig þeir virka.
Samfelldir leysir hafa stöðuga dreifingu á fjölda agna á hverju orkustigi og geislunarsviðinu í holrýminu og virkni þeirra einkennist af örvun vinnuefnisins og samsvarandi leysigeislun á samfelldan hátt yfir langan tíma. Samfelldir leysir geta gefið frá sér leysigeisla samfellt í lengri tíma, en hitaáhrifin eru augljósari.
Púlslasar vísa til þess tímalengdar þegar leysiraflið er haldið á ákveðnu gildi og gefur frá sér leysigeisla á ósamfelldan hátt, með helstu einkennum lítillar hitauppstreymisáhrifa og góðrar stjórnunar.
④ Flokkun eftir úttaksbylgjulengd
Leysi má flokka eftir bylgjulengd sem innrauða leysi, sýnilega leysi, útfjólubláa leysi, djúpa útfjólubláa leysi og svo framvegis. Bylgjulengdarsvið ljóss sem mismunandi uppbyggð efni geta gleypt er mismunandi, þannig að leysir með mismunandi bylgjulengdum eru nauðsynlegir fyrir fínvinnslu mismunandi efna eða fyrir mismunandi notkunarsvið.Innrauðir leysir og útfjólubláir leysir eru tveir algengustu leysirnir. Innrauðir leysir eru aðallega notaðir í „hitavinnslu“ þar sem efnið á yfirborði efnisins er hitað og gufað upp til að fjarlægja efnið; í vinnslu þunnfilmu úr málmlausum efnum, skurði á hálfleiðaraskífum, skurði á lífrænu gleri, borun, merkingu og öðrum sviðum, brjóta orkumiklir útfjólubláir ljóseindir beint sameindatengi á yfirborði málmlausra efna, þannig að sameindirnar geta aðskilið sig frá hlutnum, og þessi aðferð veldur ekki miklum hitaviðbrögðum, svo hún er venjulega kölluð „köld vinnsla“.
Vegna mikillar orku útfjólublárra ljóseinda er erfitt að framleiða ákveðinn, afkastamikill, samfelldan útfjólubláan leysi með ytri örvunargjafa, þannig að útfjólublái leysirinn er almennt myndaður með því að nota ólínulega tíðnibreytingaraðferð úr kristalefni. Þess vegna eru útfjólubláu leysir aðallega notaðir í föstu formi í iðnaði.
(4) Iðnaðarkeðja
Uppstreymi iðnaðarkeðjunnar er notkun á hálfleiðarahráefnum, háþróaðri búnaði og tengdum framleiðslubúnaði til að framleiða leysikjarna og ljósleiðaratæki, sem er hornsteinn leysigeirans og hefur hátt aðgangsþröskuld. Miðja iðnaðarkeðjunnar er notkun uppstreymis leysiflögna og ljósleiðaratækja, eininga, ljósleiðaraíhluta o.s.frv. sem dælugjafa fyrir framleiðslu og sölu á ýmsum leysigeislum, þar á meðal beinum hálfleiðaraleysigeislum, koltvísýringsleysigeislum, föstuefnaleysigeislum, trefjaleysigeislum o.s.frv.; niðurstreymisiðnaðurinn vísar aðallega til notkunarsviða ýmissa leysigeisla, þar á meðal iðnaðarvinnslubúnaðar, LIDAR, ljósleiðarasamskipta, læknisfræðilegrar fegurðar og annarra notkunargreina.
①Uppstreymis birgjar
Hráefnin fyrir uppstreymisvörur eins og hálfleiðara leysirflísar, tæki og einingar eru aðallega ýmis flísarefni, trefjaefni og vélrænir hlutar, þar á meðal undirlag, kælikerfi, efni og hylki. Flísvinnsla krefst hágæða og afkastamikillar uppstreymis hráefna, aðallega frá erlendum birgjum, en staðbundin aðlögun eykst smám saman og sjálfstæð stjórn næst smám saman. Afköst helstu uppstreymis hráefna hafa bein áhrif á gæði hálfleiðara leysirflísar, og með stöðugum framförum á afköstum ýmissa flísarefna gegnir jákvætt hlutverki í að bæta afköst iðnaðarafurða.
②Miðstraums iðnaðarkeðja
Hálfleiðara leysirflís er kjarninn í ljósgjafa ýmissa gerða leysigeisla í miðstraumi iðnaðarkeðjunnar og gegnir jákvæðu hlutverki í að efla þróun miðstraumsleysigeisla. Á sviði miðstraumsleysigeisla eru Bandaríkin, Þýskaland og önnur erlend fyrirtæki ráðandi, en eftir hraða þróun innlendrar leysigeirans á undanförnum árum hefur miðstraumsmarkaður iðnaðarkeðjunnar náð hraðri innlendri staðgengilsbreytingu.
③ Iðnaðarkeðja niðurstreymis
Iðnaðurinn sem byggir á framleiðslu hefur stærra hlutverk í að efla þróun iðnaðarins, þannig að þróun iðnaðarins mun hafa bein áhrif á markaðsrými iðnaðarins. Stöðugur vöxtur kínverska hagkerfisins og tilkoma stefnumótandi tækifæra til efnahagslegrar umbreytingar hafa skapað betri þróunarskilyrði fyrir þróun þessarar iðnaðar. Kína er að færast úr framleiðslulandi í framleiðsluveldi, og leysir og leysibúnaður í framleiðslu eru einn af lyklunum að því að uppfæra framleiðsluiðnaðinn, sem skapar gott eftirspurnarumhverfi fyrir langtíma umbætur á þessum iðnaði. Kröfur iðnaðarins um afköst vísitölu hálfleiðara leysirflísar og tækja þeirra eru að aukast, og innlend fyrirtæki eru smám saman að koma inn á markaðinn fyrir háaflsleysira frá lágaflsleysirmarkaði, þannig að iðnaðurinn verður stöðugt að auka fjárfestingu sína í tæknirannsóknum og þróun og sjálfstæðri nýsköpun.
2. Þróunarstaða hálfleiðara leysigeirans
Hálfleiðaralasar hafa bestu orkunýtni allra gerða leysigeisla, annars vegar er hægt að nota þá sem kjarnadælugjafa fyrir ljósleiðaralasera, fastfasalasera og aðra ljósdælulasera. Hins vegar, með stöðugri byltingu í hálfleiðaralasertækni hvað varðar orkunýtni, birtu, líftíma, fjölbylgjulengd, mótunarhraða o.s.frv., eru hálfleiðaralasar mikið notaðir í efnisvinnslu, læknisfræði, ljósfræðilegum samskiptum, ljósskynjun, varnarmálum o.s.frv. Samkvæmt Laser Focus World er áætlað að heildartekjur díóðulasera, þ.e. hálfleiðaralasera og leysigeisla án díóða, verði 18.480 milljónir Bandaríkjadala árið 2021, þar sem hálfleiðaralasar námu 43% af heildartekjunum.
Samkvæmt Laser Focus World mun heimsmarkaður fyrir hálfleiðaralasera nema 6.724 milljónum dala árið 2020, sem er 14,20% aukning frá fyrra ári. Með þróun alþjóðlegrar upplýsingaöflunar, vaxandi eftirspurn eftir leysigeislum í snjalltækjum, neytendatækni, nýrri orku og öðrum sviðum, sem og áframhaldandi stækkun lækninga-, snyrtitækja og annarra nýrra nota, er hægt að nota hálfleiðaralasera sem dælugjafa fyrir ljósleiðaralasera og markaðsstærð þeirra mun halda áfram að vera stöðugur vöxtur. Stærð heimsmarkaðarins fyrir hálfleiðaralasera árið 2021 nam 7,946 milljörðum dala, sem er 18,18% vöxtur markaðarins.
Með sameiginlegu átaki tæknisérfræðinga, fyrirtækja og sérfræðinga hefur kínverski hálfleiðaralaseriðnaðurinn náð ótrúlegum árangri, þannig að kínverski hálfleiðaralaseriðnaðurinn hefur upplifað ferlið frá grunni og upphaf frumgerðar kínverskrar hálfleiðaralaseriðnaðar. Á undanförnum árum hefur Kína aukið þróun leysigeirans og ýmis svæði hafa verið helguð vísindarannsóknum, tæknibótum, markaðsþróun og byggingu leysigeirans undir forystu stjórnvalda og í samstarfi við leysigeirfyrirtæki.
3. Framtíðarþróun kínverskrar leysigeirans
Í samanburði við þróuð lönd í Evrópu og Bandaríkjunum er leysigeislatækni Kína ekki of sein, en í notkun leysigeislatækni og háþróaðrar kjarnatækni er enn töluvert bil, sérstaklega eru leysigeislar og aðrir kjarnaíhlutir uppstreymis hálfleiðara enn háðir innflutningi.
Þróuðu löndin, sem Bandaríkin, Þýskaland og Japan eru fulltrúar fyrir, hafa í grundvallaratriðum lokið við að skipta út hefðbundinni framleiðslutækni á sumum stórum iðnaðarsviðum og gengið inn í tímabil „léttrar framleiðslu“. Þó að þróun leysigeisla í Kína sé hröð, er notkunarhlutfallið enn tiltölulega lágt. Sem kjarnatækni í iðnaðaruppfærslu mun leysigeirinn halda áfram að vera lykilþáttur í innlendum stuðningi og halda áfram að auka umfang notkunar og að lokum stuðla að framleiðsluiðnaði Kína að „léttri framleiðslu“ tímabilinu. Miðað við núverandi þróunaraðstæður sýnir þróun kínverska leysigeislaiðnaðarins eftirfarandi þróunarþróun.
(1) Hálfleiðara leysirflís og aðrir kjarnaíhlutir ná smám saman staðsetningu
Tökum ljósleiðaralaser sem dæmi. Háaflsljósleiðaralaserdæla er aðal notkunarsvið hálfleiðaralasera. Háaflsljósleiðaralaserflísar og -einingar eru mikilvægur þáttur í ljósleiðaralaserum. Á undanförnum árum hefur kínverski ljósleiðaralaseriðnaðurinn verið í örum vexti og staðbundinn notkun eykst ár frá ári.
Hvað varðar markaðshlutdeild, þá náði markaðshlutdeild innlendra leysigeisla á markaði fyrir lágafls trefjaleysigeisla 99,01% árið 2019; á markaði fyrir meðalafls trefjaleysigeisla hefur markaðshlutdeild innlendra leysigeisla haldist meira en 50% á undanförnum árum; staðsetningarferli háafls trefjaleysigeisla er einnig smám saman að þróast, frá 2013 til 2019 til að ná „frá grunni“. Staðsetningarferli háafls trefjaleysigeisla er einnig smám saman að þróast, frá 2013 til 2019, og hefur náð markaðshlutdeild upp á 55,56%, og áætlað er að innlend markaðshlutdeild háafls trefjaleysigeisla verði 57,58% árið 2020.
Hins vegar eru kjarnaíhlutir eins og aflmikil hálfleiðara leysirflísar enn háðir innflutningi og uppstreymisíhlutir leysir með hálfleiðara leysirflísum sem kjarna eru smám saman að verða staðbundnir, sem annars vegar bætir markaðsstærð uppstreymisíhluta innlendra leysir, og hins vegar, með staðbundinni uppstreymis kjarnaíhluta, getur það bætt getu innlendra leysirframleiðenda til að taka þátt í alþjóðlegri samkeppni.
(2) Leysiforrit komast hraðar og víðara inn
Með smám saman aðlögun að ljósleiðaraíhlutum í uppstreymis þróun og smám saman lækkun á kostnaði við leysigeislaumsóknir munu leysir komast dýpra inn í margar atvinnugreinar.
Annars vegar, fyrir Kína, fellur leysigeislavinnsla einnig undir tíu helstu notkunarsvið kínverskrar framleiðsluiðnaðar og búist er við að notkunarsvið leysigeislavinnslu muni stækka enn frekar og markaðsumfangið muni aukast enn frekar í framtíðinni. Á hinn bóginn, með sífelldri vinsældum og þróun tækni eins og ökumannslausra kerfa, háþróaðra aðstoðaðra aksturskerfa, þjónustumiðaðra vélmenna, þrívíddarskynjunar o.s.frv., verður hún meira notuð á mörgum sviðum eins og bifreiðum, gervigreind, neytendaraftækjum, andlitsgreiningu, sjónrænum samskiptum og rannsóknum á þjóðarvörnum. Sem kjarnatæki eða íhlutur ofangreindra leysigeislaforrita mun hálfleiðaraleysirinn einnig öðlast hraða þróunarrými.
(3) Meiri afl, betri geislagæði, styttri bylgjulengd og hraðari þróun tíðnistefnu
Á sviði iðnaðarlasera hafa trefjalasarar náð miklum framförum hvað varðar afköst, geislagæði og birtu síðan þeir voru kynntir til sögunnar. Hins vegar getur meiri afl bætt vinnsluhraða, hámarkað vinnslugæði og stækkað vinnslusviðið til þungaiðnaðarframleiðslu. Í bílaframleiðslu, flug- og geimferðaframleiðslu, orkuframleiðslu, vélaframleiðslu, málmvinnslu, járnbrautarsamgöngum, vísindarannsóknum og öðrum notkunarsviðum eins og skurði, suðu, yfirborðsmeðferð o.s.frv., heldur aflþörf trefjalasera áfram að aukast. Framleiðendur samsvarandi tækja þurfa stöðugt að bæta afköst kjarnatækja (eins og háafls hálfleiðaralaserflísa og styrktartrefja), og aukning á afli trefjalasera krefst einnig háþróaðrar leysimótunartækni eins og geislasamsetningar og aflsnýjunar, sem mun færa nýjar kröfur og áskoranir fyrir framleiðendur háafls hálfleiðaralaserflísa. Að auki er styttri bylgjulengd, fleiri bylgjulengd og hraðari (ofurhraður) leysir einnig mikilvæg stefna, aðallega notuð í samþættum hringrásarflísum, skjám, neytendarafeindatækni, flug- og geimferðaiðnaði og annarri nákvæmni örvinnslu, sem og lífvísindum, læknisfræði, skynjun og öðrum sviðum, og hálfleiðaralaserflísar setja einnig fram nýjar kröfur.
(4) frekari vöxtur eftirspurnar eftir ljósleiðaraíhlutum með mikla afköst
Þróun og iðnvæðing háafls trefjalasera er afleiðing samverkandi framfara iðnaðarkeðjunnar, sem krefst stuðnings frá kjarna ljósleiðaraeiningum eins og dælugjafa, einangrunarbúnaði, geislaþéttibúnaði o.s.frv. Ljósleiðaraeiningarnar sem notaðar eru í háafls trefjalasera eru grunnurinn og lykilþættir þróunar og framleiðslu þeirra, og vaxandi markaður fyrir háafls trefjalasera knýr einnig áfram eftirspurn eftir kjarnaeiningum eins og háafls hálfleiðara leysirflögum. Á sama tíma, með stöðugum framförum innlendrar trefjalasertækni, hefur innflutningur orðið óhjákvæmileg þróun, markaðshlutdeild leysigeisla í heiminum mun halda áfram að batna, sem einnig skapar mikil tækifæri fyrir staðbundna styrk framleiðenda ljósleiðaraeininga.
Birtingartími: 7. mars 2023
