1. レーザー業界の概要
(1) レーザーの導入
レーザー (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation、略称 LASER) は、励起フィードバック共振と放射による狭い周波数での光放射の増幅によって生成される、コリメートされた単色、コヒーレントな指向性光ビームです。
レーザー技術は1960年代初頭に誕生し、通常の光とは全く異なる性質を持っていたため、やがてさまざまな分野で広く利用され、科学技術、経済、社会の発展と変革に大きな影響を与えました。
レーザーの誕生は古代の光学学の様相を劇的に変え、古典的な光物理学を古典的な光学と現代のフォトニクスの両方を包含する新しいハイテク分野に拡張し、人類の経済と社会の発展にかけがえのない貢献を果たしました。レーザー物理学の研究は、現代のフォトニクス物理学の 2 つの主要な分野、すなわちエネルギーフォトニクスと情報フォトニクスの繁栄に貢献してきました。非線形光学、量子光学、量子コンピューティング、レーザーセンシングと通信、レーザープラズマ物理学、レーザー化学、レーザー生物学、レーザー医学、超精密レーザー分光法と計測学、レーザー冷却を含むレーザー原子物理学、ボーズ・アインシュタイン凝縮物質研究をカバーします。 、レーザー機能材料、レーザー製造、レーザーマイクロオプトエレクトロニクスチップ製造、レーザー3Dプリンティング、および20を超える国際フロンティア分野および技術応用。レーザー科学技術学部（DSL）は以下の分野に設置されています。
レーザー製造業界では、世界は「光製造」の時代に突入しており、国際レーザー産業統計によれば、米国の年間 GDP の 50%1 が高レベルのレーザー用途の急速な市場拡大に関係しています。米国、ドイツ、日本に代表されるいくつかの先進国は、自動車や航空などの主要製造産業において、従来のプロセスからレーザー加工への置き換えを基本的に完了しています。工業生産におけるレーザーは、低コスト、高品質、高効率、および従来の製造では達成できない特殊な製造用途に大きな可能性を示しており、世界の主要工業国間の競争とイノベーションの重要な推進力となっています。各国は、最も重要な最先端技術の 1 つとしてレーザー技術を積極的に支援しており、国家レーザー産業発展計画を策定しています。
(2)レーザソースP原則
レーザーは、励起放射線を使用して可視光または不可視光を生成するデバイスであり、複雑な構造と高い技術的障壁を備えています。光学システムは主に、ポンプ源 (励起源)、利得媒体 (作動物質)、共鳴空洞およびその他の光学デバイス材料で構成されます。利得媒質は光子生成の源であり、ポンプ源によって生成されたエネルギーを吸収することによって、利得媒質は基底状態から励起状態にジャンプします。このとき、励起状態は不安定であるため、利得媒質はエネルギーを放出して基底状態の定常状態に戻ろうとする。このエネルギー放出のプロセスでは、利得媒体が光子を生成します。これらの光子は、エネルギー、波長、方向において高度な一貫性を持ち、光共振空洞内で常に反射され、往復運動して継続的に増幅され、最終的には反射板を通してレーザーを発射してレーザービームを形成します。端末装置のコア光学システムとして、レーザーの性能がレーザー装置の出力ビームの品質とパワーを直接決定することが多く、端末レーザー装置のコアコンポーネントです。
ポンプ源 (励起源) は、利得媒体にエネルギー励起を提供します。利得媒質は励起されて光子を生成し、レーザーを生成および増幅します。共鳴空洞は、空洞内の光子の振動を制御することによって高品質の出力光源を得るために、光子の特性 (周波数、位相、および動作の方向) が調整される場所です。ポンプ源 (励起源) は、利得媒体にエネルギー励起を提供します。利得媒質は励起されて光子を生成し、レーザーを生成および増幅します。共鳴空洞は、空洞内の光子の振動を制御することにより、高品質の出力光源を得るために光子の特性 (周波数、位相、および動作の方向) が調整される場所です。
(3)レーザー光源の分類
レーザー光源は、利得媒体、出力波長、動作モード、励起モードに従って次のように分類できます。
①利得媒体による分類
さまざまな利得媒体に応じて、レーザーは固体レーザー (固体、半導体、ファイバー、ハイブリッドを含む)、液体レーザー、気体レーザーなどに分類できます。
| レーザソースタイプ | ゲインメディア | 主な特長 |
| 固体レーザー源 | 固体、半導体、光ファイバー、ハイブリッド | 優れた安定性、高出力、低メンテナンスコスト、工業化に適しています |
| 液体レーザー源 | 薬液 | オプションの波長範囲はヒットしますが、サイズが大きく、メンテナンスコストが高くなります |
| ガスレーザー源 | ガス | 高品質のレーザー光源ですが、サイズが大きくなり、メンテナンスコストが高くなります |
| 自由電子レーザー源 | 特定の磁場中の電子ビーム | 超高出力、高品質のレーザー出力が得られるが、製造技術と製造コストが非常に高い |
安定性が高く、出力が高く、メンテナンスコストが低いため、固体レーザーの応用は絶対的な利点をもたらします。
固体レーザーの中でも半導体レーザーは、高効率、小型、長寿命、低消費電力などの利点を持っています。一方で、コア光源として直接応用でき、レーザー加工、医療、レーザー加工をサポートします。通信、センシング、ディスプレイ、監視、防衛アプリケーションなどに応用されており、戦略的開発意義を持つ最新のレーザー技術開発の重要な基盤となっています。
一方、半導体レーザーは、固体レーザーやファイバーレーザーなど他のレーザーのコア励起光源としても使用でき、レーザー分野全体の技術進歩を大きく促進します。世界の主要先進国はすべて国家開発計画に組み込んでおり、強力な支援を行っており、急速な発展を遂げています。
② 揚水方法による
レーザーは励起方法によって電気励起レーザー、光励起レーザー、化学励起レーザーなどに分類されます。
電気励起レーザーは電流によって励起されるレーザーを指し、ガスレーザーは主にガス放電によって励起されますが、半導体レーザーは主に電流注入によって励起されます。
ほとんどすべての固体レーザーと液体レーザーは光ポンプ レーザーであり、半導体レーザーは光ポンプ レーザーのコア励起光源として使用されます。
化学ポンプレーザーとは、化学反応から放出されるエネルギーを使用して加工材料を励起するレーザーを指します。
③動作モードによる分類
レーザーは、動作モードに応じて連続レーザーとパルスレーザーに分類できます。
連続レーザーは、各エネルギーレベルでの粒子数の分布とキャビティ内の放射場が安定しており、その動作は加工材料の励起とそれに対応するレーザー出力を長期間にわたって連続的に発生させることを特徴としています。 。連続レーザーは、レーザー光を長期間連続して出力できますが、熱の影響がより顕著になります。
パルスレーザーとは、レーザーパワーを一定値に保ち、レーザー光を不連続に出力する時間を指し、熱影響が少なく、制御性が良いことが大きな特徴です。
④出力波長による分類
レーザーは波長に応じて、赤外線レーザー、可視レーザー、紫外線レーザー、深紫外線レーザーなどに分類できます。異なる構造材料によって吸収できる光の波長範囲は異なるため、異なる材料の微細加工や異なるアプリケーションシナリオには異なる波長のレーザーが必要です。赤外線レーザーと UV レーザーは、最も広く使用されている 2 つのレーザーです。赤外線レーザーは主に、材料表面の材料を加熱して気化（蒸発）させて材料を除去する「熱加工」に使用されます。薄膜非金属材料加工、半導体ウエハ切断、有機ガラス切断、穴あけ、マーキング等の分野において、高エネルギー 薄膜非金属材料加工、半導体ウエハ切断、有機ガラス切断、穴あけ、マーキング等の分野において、など、高エネルギーのUV光子は非金属材料の表面の分子結合を直接破壊し、分子を物体から分離することができます。この方法は高熱反応を生じないため、通常「コールド」と呼ばれます。処理"。
UV 光子のエネルギーが高いため、外部励起源によって一定の高出力連続 UV レーザーを生成するのは困難です。そのため、UV レーザーは一般に結晶材料の非線形効果周波数変換法の応用によって生成されるため、現在広く使用されています。 UV レーザーの産業分野は主に固体 UV レーザーです。
(4) 産業チェーン
産業チェーンの上流では、レーザーコアと光電子デバイスを製造するための半導体原材料、ハイエンド機器、および関連する生産アクセサリが使用されます。これらはレーザー業界の基礎であり、アクセスの敷居が高いものです。産業チェーンの中流では、直接半導体レーザー、二酸化炭素レーザー、固体レーザー、ファイバーレーザーなど。下流産業とは主に、産業用加工装置、LIDAR、光通信、医療美容およびその他の応用産業を含む、さまざまなレーザーの応用分野を指します。
①上流サプライヤー
半導体レーザーチップ、デバイス、モジュールなどの上流製品の原材料は、主に基板、ヒートシンク、薬品、ハウジングセットなどの各種チップ材料、ファイバー材料、機械加工部品です。チップ加工には、主に海外サプライヤーからの川上原材料の高品質と性能が必要ですが、国産化の度合いは徐々に高まり、徐々に独立した制御が達成されています。主要な上流原材料の性能は半導体レーザーチップの品質に直接影響し、さまざまなチップ材料の性能が継続的に向上することで、業界の製品の性能向上を促進する積極的な役割を果たします。
②中流産業チェーン
半導体レーザーチップは、産業チェーンの中流における各種レーザーの中核励起光源であり、中流レーザーの開発促進に積極的な役割を果たしています。中流レーザーの分野では、米国、ドイツなどの海外企業が優勢ですが、近年の国内レーザー産業の急速な発展を受けて、産業チェーンの中流市場は急速な国内代替を実現しています。
③産業チェーン下流
下流業界は業界の発展を促進する上でより大きな役割を果たしているため、下流業界の発展は業界の市場スペースに直接影響します。中国経済の継続的な成長と経済変革の戦略的機会の出現により、この産業の発展にとってより良い発展条件が生み出されました。中国は製造国から製造大国へと移行しており、下流のレーザーおよびレーザー装置は製造業をアップグレードするための鍵の 1 つであり、この産業の長期的な改善に良好な需要環境を提供します。半導体レーザーチップとそのデバイスの性能指標に対する下流産業の要求は高まっており、国内企業は低出力レーザー市場から高出力レーザー市場に徐々に参入しているため、業界は技術研究分野への投資を継続的に増加する必要があります。そして開発と独立したイノベーション。
2. 半導体レーザー産業の発展状況
半導体レーザーは、あらゆる種類のレーザーの中で最も優れたエネルギー変換効率を持ち、一方では、光ファイバーレーザー、固体レーザー、その他の光ポンプレーザーのコア励起光源として使用できます。一方、電力効率、輝度、寿命、多波長、変調率などの点で半導体レーザー技術の継続的な進歩により、半導体レーザーは材料加工、医療、光通信、光センシング、 Laser Focus World によると、ダイオード レーザー、つまり半導体レーザーと非ダイオード レーザーの世界全体の収益は、2021 年に 184 億 8,000 万ドルと推定されており、半導体レーザーが総収益の 43% を占めています。
Laser Focus World によると、2020 年の世界の半導体レーザー市場は、前年比 14.20% 増の 67 億 2,400 万ドルになる見込みです。世界的なインテリジェンスの発展、スマートデバイス、家庭用電化製品、新エネルギーなどの分野でのレーザー需要の増大、医療、美容機器、その他の新たな用途の継続的な拡大に伴い、半導体レーザーはポンプ光源として使用できるようになりました。光ポンプレーザーの市場規模は今後も安定した成長を維持すると考えられます。 2021年の世界半導体レーザー市場規模は79億4,600万ドル、市場成長率は18.18％。
技術専門家と企業と実践者の共同の努力により、中国の半導体レーザー産業は並外れた発展を遂げ、中国の半導体レーザー産業はその過程をゼロから経験し、中国の半導体レーザー産業の原型の始まりを経験した。近年、中国はレーザー産業の発展を加速しており、政府の指導とレーザー企業の協力の下、各地域が科学研究、技術強化、市場開発、レーザー工業団地の建設に力を入れている。
3. 中国レーザー産業の今後の発展動向
ヨーロッパや米国の先進国と比較して、中国のレーザー技術は遅れていませんが、レーザー技術とハイエンドコア技術の応用においては依然としてかなりのギャップがあり、特に上流の半導体レーザーチップとその他のコアコンポーネントはまだ遅れています。輸入に依存している。
米国、ドイツ、日本に代表される先進国は、一部の大規模産業分野において伝統的な製造技術の代替を基本的に完了し、「軽工業」の時代に入った。中国におけるレーザーアプリケーションの開発は急速に進んでいますが、アプリケーションの普及率はまだ比較的低いです。産業高度化の中核技術として、レーザー産業は今後も国家支援の重要分野であり、適用範囲を拡大し続け、最終的には中国の製造業を「軽工業」時代へ推進するだろう。現在の発展状況から、中国のレーザー産業の発展は次のような発展傾向を示しています。
(1) 半導体レーザーチップなどのコア部品の局在化が徐々に進む
ファイバーレーザーを例にとると、高出力ファイバーレーザーポンプ光源は半導体レーザーの主な応用分野であり、高出力半導体レーザーチップとモジュールはファイバーレーザーの重要なコンポーネントです。近年、中国の光ファイバーレーザー産業は急成長段階にあり、現地化度は年々高まっている。
市場浸透率の観点から見ると、低出力ファイバーレーザー市場では、国内レーザーの市場シェアは2019年に99.01%に達しました。中出力ファイバーレーザー市場では、近年、国産レーザーの普及率が50％以上を維持しています。高出力ファイバーレーザーの位置特定プロセスも、2013 年から 2019 年にかけて「ゼロから」達成するために徐々に進歩しています。高出力ファイバーレーザーのローカライゼーションプロセスも、2013年から2019年にかけて徐々に進んでおり、普及率は55.56％に達しており、2020年には高出力ファイバーレーザーの国内普及率は57.58％になると予想されています。
しかし、高出力半導体レーザチップなどの中核部品は依然輸入に依存しており、半導体レーザチップを核とするレーザの上流部品の国産化が進む一方、上流部品の市場規模は向上している。一方、上流のコアコンポーネントを国産化することで、国内レーザーメーカーが国際競争に参加する能力を向上させることができます。
(2) レーザーアプリケーションはより速く、より広範囲に浸透します
上流のコアオプトエレクトロニクスコンポーネントが徐々にローカライズされ、レーザー応用コストが徐々に低下することにより、レーザーは多くの産業にさらに深く浸透するでしょう。
一方、中国にとっても、レーザー加工は中国製造業の応用分野トップ10に入る分野であり、今後もレーザー加工の応用分野はさらに拡大し、市場規模はさらに拡大すると予想される。一方で、無人運転、高度支援運転システム、サービス指向ロボット、3Dセンシングなどの技術の継続的な普及と開発により、自動車、人工知能、家電などの多くの分野での応用がさらに進むと考えられます。 、顔認識、光通信、国防研究。上記のレーザー応用の中核デバイスまたはコンポーネントとして、半導体レーザーも急速な開発スペースを獲得するでしょう。
(3) より高い出力、より良いビーム品質、より短い波長、より速い周波数方向の展開
産業用レーザーの分野では、ファイバーレーザーは、その登場以来、出力、ビーム品質、輝度の点で大きな進歩を遂げてきました。しかし、より高い出力により、処理速度が向上し、処理品質が最適化され、処理分野が重工業製造、自動車製造、航空宇宙製造、エネルギー、機械製造、冶金、鉄道輸送建設、科学研究、その他の切削応用分野に拡大されます。 、溶接、表面処理など、ファイバーレーザーの出力要件は増加し続けています。対応するデバイスメーカーは、コアデバイス（高出力半導体レーザーチップやゲインファイバーなど）の性能を継続的に向上させる必要があり、ファイバーレーザーの出力増加には、ビーム結合や出力合成などの高度なレーザー変調技術も必要となり、新たな要件がもたらされます。そして高出力半導体レーザーチップメーカーへの挑戦。さらに、より短い波長、より多くの波長、より高速（超高速）レーザーの開発も重要な方向性であり、主に集積回路チップ、ディスプレイ、家庭用電化製品、航空宇宙およびその他の精密微細加工、ならびにライフサイエンス、医療、センシングなどの分野で使用されています。半導体レーザーチップにも新たな要求が提起されています。
(4) さらなる成長が見込まれる高出力レーザー光電子部品需要向け
高出力ファイバーレーザーの開発と工業化は、産業チェーンの相乗的な進歩の結果であり、これにはポンプ源、アイソレータ、ビーム集光器などのコアオプトエレクトロニクスコンポーネントのサポートが必要です。ファイバーレーザーはその開発と生産の基礎および主要コンポーネントであり、高出力ファイバーレーザーの市場拡大により、高出力半導体レーザーチップなどのコアコンポーネントの市場需要も促進されています。同時に、国内のファイバーレーザー技術の継続的な改善により、輸入代替は避けられない傾向となり、世界のレーザー市場シェアは引き続き向上し、これは光電子部品メーカーの現地の強みにも大きな機会をもたらします。
投稿時間: 2023 年 3 月 7 日
