1. Überblick über die Laserindustrie
(1) Einführung in den Laser
Ein Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, abgekürzt LASER) ist ein kollimierter, monochromatischer, kohärenter, gerichteter Lichtstrahl, der durch die Verstärkung von Lichtstrahlung bei einer schmalen Frequenz mittels angeregter Rückkopplungsresonanz und -strahlung erzeugt wird.
Die Lasertechnologie entstand Anfang der 1960er Jahre, und aufgrund ihrer völlig anderen Natur als gewöhnliches Licht wurde der Laser bald in verschiedenen Bereichen weit verbreitet eingesetzt und beeinflusste die Entwicklung und den Wandel von Wissenschaft, Technologie, Wirtschaft und Gesellschaft tiefgreifend.
Die Entwicklung des Lasers hat die Optik grundlegend verändert und die klassische optische Physik zu einer neuen, hochmodernen Disziplin ausgebaut, die sowohl klassische Optik als auch moderne Photonik umfasst und einen unersetzlichen Beitrag zur Entwicklung von Wirtschaft und Gesellschaft leistet. Die Laserphysikforschung hat maßgeblich zur Blüte zweier wichtiger Zweige der modernen Photonik beigetragen: der Energiephotonik und der Informationsphotonik. Sie umfasst nichtlineare Optik, Quantenoptik, Quantencomputing, Lasersensorik und -kommunikation, Laserplasmaphysik, Laserchemie, Laserbiologie, Lasermedizin, hochpräzise Laserspektroskopie und -messtechnik, Laseratomphysik einschließlich Laserkühlung und Forschung zu kondensierter Materie mit Bose-Einstein-Gleichgewicht, funktionale Lasermaterialien, Laserfertigung, Herstellung lasermikro-optoelektronischer Chips, Laser-3D-Druck sowie über 20 internationale Spitzenforschungsgebiete und technologische Anwendungen. Das Department für Laserwissenschaft und -technologie (DSL) wurde in den folgenden Bereichen eingerichtet.
In der Laserfertigungsindustrie hat die Welt das Zeitalter der „Lichtfertigung“ erreicht. Laut internationalen Statistiken der Laserindustrie entfallen 50 % des jährlichen BIP der USA¹ auf die rasante Marktexpansion von Hochleistungslaseranwendungen. Mehrere Industrieländer, allen voran die USA, Deutschland und Japan, haben die Ablösung traditioneller Verfahren durch Laserbearbeitung in wichtigen Fertigungsbranchen wie der Automobil- und Luftfahrtindustrie weitgehend abgeschlossen. Laser in der industriellen Fertigung haben großes Potenzial für kostengünstige, qualitativ hochwertige, hocheffiziente und spezielle Fertigungsanwendungen gezeigt, die mit konventionellen Verfahren nicht realisierbar sind. Sie haben sich zu einem wichtigen Motor für Wettbewerb und Innovation unter den führenden Industrienationen der Welt entwickelt. Die Länder fördern die Lasertechnologie aktiv als eine ihrer wichtigsten Spitzentechnologien und haben nationale Entwicklungspläne für die Laserindustrie erarbeitet.
(2)LaserQuelle PPrinzip
Der Laser ist ein Gerät, das angeregte Strahlung nutzt, um sichtbares oder unsichtbares Licht zu erzeugen. Er zeichnet sich durch einen komplexen Aufbau und hohe technische Anforderungen aus. Das optische System besteht hauptsächlich aus einer Pumpquelle (Anregungsquelle), einem Verstärkungsmedium (Arbeitsmedium), einem Resonator und weiteren optischen Komponenten. Das Verstärkungsmedium ist die Quelle der Photonenerzeugung. Durch Absorption der von der Pumpquelle erzeugten Energie springt das Verstärkungsmedium vom Grundzustand in den angeregten Zustand. Da der angeregte Zustand instabil ist, gibt das Verstärkungsmedium dabei Energie ab, um in den Grundzustand zurückzukehren. Bei dieser Energieabgabe entstehen Photonen. Diese Photonen weisen eine hohe Übereinstimmung in Energie, Wellenlänge und Richtung auf. Sie werden im optischen Resonator kontinuierlich reflektiert und durchlaufen eine Hin- und Herbewegung, wodurch sie stetig verstärkt werden. Schließlich werden sie durch den Reflektor als Laserstrahl ausgesendet. Als zentrales optisches System des Endgeräts bestimmt die Leistung des Lasers oft direkt die Qualität und Leistung des Ausgangsstrahls und ist somit dessen Kernkomponente.
Die Pumpquelle (Anregungsquelle) liefert die Energie für die Anregung des Verstärkungsmediums. Das Verstärkungsmedium wird angeregt, um Photonen zu erzeugen, die den Laser erzeugen und verstärken. Im Resonator werden die Photoneneigenschaften (Frequenz, Phase und Schwingungsrichtung) so eingestellt, dass durch die Steuerung der Photonenschwingungen im Resonator eine hochwertige Ausgangslichtquelle entsteht.
(3)Klassifizierung von Laserquellen
Laserquellen können nach Verstärkungsmedium, Ausgangswellenlänge, Betriebsmodus und Pumpmodus wie folgt klassifiziert werden:
① Klassifizierung nach Verstärkungsmedium
Je nach Verstärkungsmedium lassen sich Laser in Festkörperlaser (einschließlich Festkörper-, Halbleiter-, Faser- und Hybridlaser), Flüssigkeitslaser, Gaslaser usw. unterteilen.
| LaserQuelleTyp | Gain Media | Hauptmerkmale |
| Festkörperlaserquelle | Festkörper, Halbleiter, Glasfasertechnik, Hybridtechnologie | Gute Stabilität, hohe Leistung, geringe Wartungskosten, geeignet für die Industrialisierung |
| Flüssiglaserquelle | Chemische Flüssigkeiten | Optionaler Wellenlängenbereich wird erreicht, jedoch sind die Abmessungen und der Wartungsaufwand hoch. |
| Gaslaserquelle | Gase | Hochwertige Laserlichtquelle, jedoch größere Abmessungen und höhere Wartungskosten |
| Freie-Elektronen-Laserquelle | Elektronenstrahl in einem bestimmten Magnetfeld | Es lassen sich extrem hohe Laserleistungen und eine hohe Laserqualität erzielen, allerdings sind die Fertigungstechnologie und die Produktionskosten sehr hoch. |
Aufgrund ihrer guten Stabilität, hohen Leistung und geringen Wartungskosten bietet die Anwendung von Festkörperlasern absolute Vorteile.
Unter den Festkörperlasern zeichnen sich Halbleiterlaser durch hohe Effizienz, geringe Größe, lange Lebensdauer, niedrigen Energieverbrauch usw. aus. Einerseits können sie direkt als zentrale Lichtquelle und Unterstützung für Laserbearbeitung, Medizin, Kommunikation, Sensorik, Displays, Überwachung und Verteidigungsanwendungen eingesetzt werden und haben sich zu einer wichtigen Grundlage für die Entwicklung moderner Lasertechnologie mit strategischer Bedeutung entwickelt.
Andererseits können Halbleiterlaser auch als zentrale Pumplichtquelle für andere Laser wie Festkörperlaser und Faserlaser eingesetzt werden und so den technologischen Fortschritt im gesamten Laserbereich erheblich vorantreiben. Alle wichtigen Industrieländer der Welt haben diese Technologie in ihre nationalen Entwicklungspläne aufgenommen, fördern sie nachdrücklich und erleben eine rasante Entwicklung.
② Nach der Pumpmethode
Je nach Pumpmethode lassen sich Laser in elektrisch gepumpte, optisch gepumpte, chemisch gepumpte Laser usw. unterteilen.
Bei elektrisch gepumpten Lasern handelt es sich um Laser, die durch Strom angeregt werden; Gaslaser werden meist durch Gasentladung angeregt, während Halbleiterlaser meist durch Strominjektion angeregt werden.
Fast alle Festkörperlaser und Flüssigkeitslaser sind optische Pumplaser, und Halbleiterlaser werden als zentrale Pumpquelle für optische Pumplaser verwendet.
Chemisch gepumpte Laser sind Laser, die die bei chemischen Reaktionen freigesetzte Energie nutzen, um das Arbeitsmaterial anzuregen.
③ Klassifizierung nach Betriebsmodus
Laser lassen sich nach ihrer Betriebsart in kontinuierliche Laser und gepulste Laser unterteilen.
Kontinuierliche Laser weisen eine stabile Verteilung der Teilchenanzahl auf jedem Energieniveau und des Strahlungsfeldes im Resonator auf. Ihr Betrieb ist durch die kontinuierliche Anregung des Arbeitsmaterials und die entsprechende Laserleistung über einen langen Zeitraum gekennzeichnet. Kontinuierliche Laser können Laserlicht über einen längeren Zeitraum kontinuierlich abgeben, jedoch ist der thermische Effekt deutlich ausgeprägter.
Bei gepulsten Lasern wird die Laserleistung über einen bestimmten Zeitraum konstant gehalten und das Laserlicht diskontinuierlich abgegeben. Hauptmerkmale sind ein geringer thermischer Effekt und eine gute Steuerbarkeit.
④ Klassifizierung nach Ausgangswellenlänge
Laser lassen sich nach ihrer Wellenlänge in Infrarotlaser, sichtbare Laser, Ultraviolettlaser, Tief-Ultraviolettlaser usw. einteilen. Da der Wellenlängenbereich, in dem Licht absorbiert wird, von verschiedenen Materialien unterschiedlich ist, werden für die Feinbearbeitung verschiedener Materialien oder für unterschiedliche Anwendungsbereiche Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen benötigt.Infrarotlaser und UV-Laser sind die beiden am häufigsten verwendeten Laserarten. Infrarotlaser werden hauptsächlich in der thermischen Bearbeitung eingesetzt, bei der das Oberflächenmaterial erhitzt und verdampft wird, um es abzutragen. In der Bearbeitung dünner, nichtmetallischer Werkstoffe, beim Schneiden von Halbleiterwafern und organischem Glas sowie beim Bohren und Markieren kommen hochenergetische UV-Laser zum Einsatz. Die hochenergetischen UV-Photonen brechen direkt die Molekülbindungen an der Oberfläche nichtmetallischer Werkstoffe auf, sodass sich die Moleküle vom Werkstück lösen können. Da bei diesem Verfahren keine starke Wärmereaktion entsteht, wird es üblicherweise als „Kaltbearbeitung“ bezeichnet.
Aufgrund der hohen Energie von UV-Photonen ist es schwierig, einen kontinuierlichen UV-Laser mit einer bestimmten Leistung durch eine externe Anregungsquelle zu erzeugen. Daher wird der UV-Laser im Allgemeinen durch die Anwendung des nichtlinearen Effekts in Kristallmaterialien und der Frequenzumwandlungsmethode erzeugt. Aus diesem Grund sind die derzeit in der Industrie weit verbreiteten UV-Laser hauptsächlich Festkörper-UV-Laser.
(4) Industriekette
Die vorgelagerte Stufe der industriellen Wertschöpfungskette umfasst die Herstellung von Laserkernen und optoelektronischen Bauelementen aus Halbleiterrohstoffen, High-End-Anlagen und zugehörigem Produktionszubehör. Dies bildet das Fundament der Laserindustrie und ist mit hohen Markteintrittsbarrieren verbunden. Die mittlere Stufe der Wertschöpfungskette beinhaltet die Verwendung von Laserchips und optoelektronischen Bauelementen, Modulen, optischen Komponenten usw. als Pumpquellen für die Herstellung und den Vertrieb verschiedener Laser, darunter Halbleiterlaser, Kohlendioxidlaser, Festkörperlaser und Faserlaser. Die nachgelagerte Industrie bezieht sich hauptsächlich auf die Anwendungsbereiche verschiedener Laser, darunter industrielle Prozessanlagen, LIDAR, optische Kommunikation, Medizintechnik und weitere Branchen.
① Upstream-Lieferanten
Die Rohstoffe für vorgelagerte Produkte wie Halbleiterlaserchips, -bauelemente und -module bestehen hauptsächlich aus verschiedenen Chipmaterialien, Fasermaterialien und bearbeiteten Teilen, darunter Substrate, Kühlkörper, Chemikalien und Gehäuse. Die Chipverarbeitung erfordert hochwertige und leistungsfähige Rohstoffe, die vorwiegend von ausländischen Lieferanten bezogen werden. Der Lokalisierungsgrad steigt jedoch stetig und führt zunehmend zu einer unabhängigen Kontrolle. Die Leistungsfähigkeit der wichtigsten Rohstoffe hat direkten Einfluss auf die Qualität der Halbleiterlaserchips. Die kontinuierliche Verbesserung der Leistungsfähigkeit verschiedener Chipmaterialien trägt daher positiv zur Steigerung der Produktleistung der Branche bei.
② Mittelindustriekette
Halbleiterlaserchips bilden die zentrale Pumplichtquelle verschiedener Lasertypen im mittleren Bereich der industriellen Wertschöpfungskette und tragen maßgeblich zur Entwicklung von Midstream-Lasern bei. Bislang dominieren US-amerikanische, deutsche und andere ausländische Unternehmen den Markt für Midstream-Laser. Nach der rasanten Entwicklung der heimischen Laserindustrie in den letzten Jahren hat sich der Midstream-Markt jedoch schnell durch inländische Anbieter diversifiziert.
③Industriekette nachgelagert
Die nachgelagerte Industrie spielt eine entscheidende Rolle für die Entwicklung der gesamten Branche, weshalb deren Entwicklung den Markt direkt beeinflusst. Das kontinuierliche Wachstum der chinesischen Wirtschaft und die sich bietenden strategischen Chancen für den wirtschaftlichen Wandel haben günstige Entwicklungsbedingungen für diese Branche geschaffen. China wandelt sich von einem Produktionsland zu einer Produktionsmacht, und Laser und Laseranlagen sind ein Schlüsselfaktor für die Modernisierung der Fertigungsindustrie. Dies schafft ein günstiges Nachfrageumfeld für die langfristige Weiterentwicklung dieser Branche. Die Anforderungen der nachgelagerten Industrie an die Leistungsmerkmale von Halbleiterlaserchips und deren Geräten steigen, und chinesische Unternehmen dringen zunehmend vom Markt für Niedrigleistungslaser in den Markt für Hochleistungslaser vor. Daher muss die Branche ihre Investitionen in Forschung und Entwicklung sowie in eigenständige Innovationen kontinuierlich steigern.
2. Entwicklungsstand der Halbleiterlaserindustrie
Halbleiterlaser weisen die höchste Energieumwandlungseffizienz aller Laserarten auf. Sie dienen als zentrale Pumpquelle für Faserlaser, Festkörperlaser und andere optische Pumplaser. Dank kontinuierlicher technologischer Fortschritte hinsichtlich Leistungseffizienz, Helligkeit, Lebensdauer, Multiwellenlängen-Emission, Modulationsrate etc. finden Halbleiterlaser breite Anwendung in der Materialbearbeitung, Medizin, optischen Kommunikation, optischen Sensorik, Verteidigung und weiteren Bereichen. Laut Laser Focus World wird der weltweite Umsatz mit Diodenlasern (Halbleiterlaser und Nicht-Diodenlaser) im Jahr 2021 auf 18,48 Milliarden US-Dollar geschätzt, wobei Halbleiterlaser 43 % des Gesamtumsatzes ausmachen.
Laut Laser Focus World wird der globale Markt für Halbleiterlaser im Jahr 2020 ein Volumen von 6.724 Millionen US-Dollar erreichen, was einem Anstieg von 14,20 % gegenüber dem Vorjahr entspricht. Mit der zunehmenden Verbreitung intelligenter Technologien, der steigenden Nachfrage nach Lasern in intelligenten Geräten, Unterhaltungselektronik, neuen Energien und anderen Bereichen sowie der kontinuierlichen Expansion in der Medizintechnik, der Kosmetikindustrie und weiteren aufstrebenden Anwendungsgebieten können Halbleiterlaser als Pumpquelle für optische Pumplaser eingesetzt werden. Der Markt wird daher weiterhin ein stabiles Wachstum verzeichnen. Für 2021 wird ein globales Marktvolumen von 7,946 Milliarden US-Dollar prognostiziert, was einem Marktwachstum von 18,18 % entspricht.
Durch die gemeinsamen Anstrengungen von technischen Experten, Unternehmen und Anwendern hat Chinas Halbleiterlaserindustrie eine außergewöhnliche Entwicklung erfahren. Sie hat den gesamten Prozess von Grund auf durchlaufen und die Anfänge der Halbleiterlaserindustrie in China erlebt. In den letzten Jahren hat China die Entwicklung der Laserindustrie weiter vorangetrieben, und verschiedene Regionen widmen sich unter der Führung der Regierung und in Zusammenarbeit mit Laserunternehmen der wissenschaftlichen Forschung, der technologischen Weiterentwicklung, der Marktentwicklung und dem Aufbau von Laserindustrieparks.
3. Zukünftige Entwicklungstrends der chinesischen Laserindustrie
Im Vergleich zu den entwickelten Ländern Europas und den Vereinigten Staaten hinkt Chinas Lasertechnologie nicht hinterher, aber bei der Anwendung der Lasertechnologie und der High-End-Kerntechnologie besteht noch eine beträchtliche Lücke, insbesondere die vorgelagerten Halbleiterlaserchips und andere Kernkomponenten sind noch immer von Importen abhängig.
Die Industrieländer, allen voran die USA, Deutschland und Japan, haben in einigen großen Industriezweigen die traditionelle Fertigungstechnologie weitgehend abgelöst und sind in das Zeitalter der Leichtindustrie eingetreten. Obwohl sich Laseranwendungen in China rasant entwickeln, ist ihre Verbreitung noch relativ gering. Als Kerntechnologie der industriellen Modernisierung wird die Laserindustrie weiterhin ein wichtiger Bereich staatlicher Förderung bleiben und ihren Anwendungsbereich stetig erweitern, um Chinas Fertigungsindustrie letztendlich in das Zeitalter der Leichtindustrie zu führen. Die aktuelle Entwicklung lässt folgende Trends für die chinesische Laserindustrie erkennen.
(1) Halbleiterlaserchips und andere Kernkomponenten realisieren schrittweise die Lokalisierung
Nehmen wir Faserlaser als Beispiel: Hochleistungs-Faserlaserpumpenquellen sind das Hauptanwendungsgebiet von Halbleiterlasern, und Hochleistungs-Halbleiterlaserchips und -module sind wichtige Komponenten von Faserlasern. In den letzten Jahren hat sich Chinas optische Faserlaserindustrie rasant entwickelt, und der Lokalisierungsgrad steigt stetig.
Hinsichtlich der Marktdurchdringung erreichte der Marktanteil inländischer Laser im Markt für Niederleistungs-Faserlaser im Jahr 2019 99,01 %. Im Markt für Mittelleistungs-Faserlaser lag die Durchdringungsrate inländischer Laser in den letzten Jahren konstant bei über 50 %. Auch der Lokalisierungsprozess von Hochleistungs-Faserlasern schreitet stetig voran und erreichte zwischen 2013 und 2019 eine Durchdringungsrate von 55,56 %. Für 2020 wird eine Durchdringungsrate inländischer Laser von 57,58 % erwartet.
Allerdings sind Kernkomponenten wie Hochleistungs-Halbleiterlaserchips weiterhin von Importen abhängig, und die vorgelagerten Komponenten von Lasern mit Halbleiterlaserchips als Kern werden zunehmend lokalisiert. Dies verbessert einerseits die Marktgröße der vorgelagerten Komponenten inländischer Laser und kann andererseits durch die Lokalisierung der vorgelagerten Kernkomponenten die Fähigkeit inländischer Laserhersteller verbessern, am internationalen Wettbewerb teilzunehmen.
(2) Laseranwendungen dringen schneller und breiter ein.
Mit der zunehmenden Lokalisierung der vorgelagerten optoelektronischen Kernkomponenten und der allmählichen Senkung der Kosten für Laseranwendungen werden Laser immer stärker in viele Branchen vordringen.
Einerseits zählt die Laserbearbeitung in China zu den zehn wichtigsten Anwendungsbereichen der chinesischen Fertigungsindustrie, und es wird erwartet, dass sich die Anwendungsbereiche und der Markt in Zukunft weiter ausdehnen werden. Andererseits wird die Laserbearbeitung mit der kontinuierlichen Verbreitung und Weiterentwicklung von Technologien wie autonomem Fahren, fortschrittlichen Fahrassistenzsystemen, serviceorientierter Robotik und 3D-Sensorik etc. in vielen Bereichen wie der Automobilindustrie, der künstlichen Intelligenz, der Unterhaltungselektronik, der Gesichtserkennung, der optischen Kommunikation und der Verteidigungsforschung verstärkt eingesetzt werden. Als Kernkomponente dieser Laseranwendungen wird der Halbleiterlaser dadurch ein rasantes Wachstum erfahren.
(3) Höhere Leistung, bessere Strahlqualität, kürzere Wellenlänge und schnellere Frequenzrichtungsentwicklung
Im Bereich der Industrielaser haben Faserlaser seit ihrer Einführung große Fortschritte hinsichtlich Ausgangsleistung, Strahlqualität und Helligkeit erzielt. Höhere Leistungen ermöglichen jedoch eine schnellere Bearbeitung, eine optimierte Bearbeitungsqualität und erweitern das Anwendungsgebiet auf die Schwerindustrie, die Automobil-, Luft- und Raumfahrtindustrie, die Energiewirtschaft, den Maschinenbau, die Metallurgie, den Schienenverkehr, die Forschung und weitere Bereiche wie Schneiden, Schweißen und Oberflächenbehandlung. Der Leistungsbedarf von Faserlasern steigt daher kontinuierlich. Gerätehersteller müssen die Leistung ihrer Kernkomponenten (wie Hochleistungs-Halbleiterlaserchips und Verstärkungsfasern) stetig verbessern. Die Leistungssteigerung von Faserlasern erfordert zudem fortschrittliche Lasermodulationstechnologien wie Strahlkombination und Leistungssynthese, was neue Anforderungen und Herausforderungen für Hersteller von Hochleistungs-Halbleiterlaserchips mit sich bringt. Darüber hinaus ist die Entwicklung von Lasern mit kürzeren Wellenlängen, einem breiteren Wellenlängenspektrum und höheren (ultrakurzen) Geschwindigkeiten ein wichtiger Forschungszweig. Diese Laser werden hauptsächlich in integrierten Schaltkreisen, Displays, Unterhaltungselektronik, der Luft- und Raumfahrt sowie in der Präzisionsmikroverarbeitung eingesetzt. Auch in den Bereichen Biowissenschaften, Medizin und Sensorik stellen sie neue Anforderungen an Halbleiterlaserchips.
(4) Der Bedarf an optoelektronischen Hochleistungslaserkomponenten erfordert weiteres Wachstum
Die Entwicklung und Industrialisierung von Hochleistungsfaserlasern ist das Ergebnis des synergistischen Fortschritts der gesamten Wertschöpfungskette und erfordert den Einsatz zentraler optoelektronischer Komponenten wie Pumpquellen, Isolatoren und Strahlkonzentratoren. Diese Komponenten bilden die Grundlage und den Schlüssel für die Entwicklung und Produktion von Hochleistungsfaserlasern. Der wachsende Markt für Hochleistungsfaserlaser treibt zudem die Nachfrage nach Kernkomponenten wie Hochleistungs-Halbleiterlaserchips an. Gleichzeitig ist die Importsubstitution mit der kontinuierlichen Verbesserung der heimischen Faserlasertechnologie ein unaufhaltsamer Trend. Der weltweite Marktanteil von Lasern wird weiter steigen, was wiederum große Chancen für lokale Hersteller optoelektronischer Komponenten eröffnet.
Veröffentlichungsdatum: 07.03.2023
