1. Laser industriaren ikuspegi orokorra
(1) Laseraren sarrera
Laserra (erradiazio-igorpen estimulatuaren bidezko argi-anplifikazioa, LASER gisa laburtua) maiztasun estuko argi-erradiazioaren anplifikazioaz sortutako argi-izpi kolimatu, monokromatiko, koherente eta direkzionala da, erreakzio-feedback kitzikatuaren eta erradiazioaren bidez sortua.
Laser teknologia 1960ko hamarkadaren hasieran sortu zen, eta ohiko argiarekiko guztiz desberdina zenez, laserra laster erabili zen hainbat arlotan eta eragin handia izan zuen zientziaren, teknologiaren, ekonomiaren eta gizartearen garapenean eta eraldaketan.
Laserraren sorrerak antzinako optikaren itxura izugarri aldatu du, fisika optiko klasikoa optika klasikoa eta fotonika modernoa biltzen dituen goi-mailako teknologiako diziplina berri batera zabalduz, giza ekonomiaren eta gizartearen garapenean ekarpen ordezkaezina eginez. Laser fisikaren ikerketak fisika fotoniko modernoaren bi adar nagusiren loraldian lagundu du: energia fotonika eta informazio fotonika. Optika ez-lineala, optika kuantikoa, konputazio kuantikoa, laser sentsazioa eta komunikazioa, laser plasma fisika, laser kimika, laser biologia, laser medikuntza, laser espektroskopia eta metrologia ultra-zehatzak, laser fisika atomikoa, laser hoztea eta Bose-Einstein materia kondentsatuaren ikerketa barne, laser material funtzionalak, laser fabrikazioa, laser mikro-optoelektroniko txiparen fabrikazioa, laser 3D inprimaketa eta 20 nazioarteko mugako diziplina eta aplikazio teknologiko baino gehiago hartzen ditu barne. Laser Zientzia eta Teknologia Saila (DSL) arlo hauetan sortu da.
Laser bidezko fabrikazio industrian, mundua "fabrikazio arina" aroan sartu da, nazioarteko laser industriaren estatistiken arabera, Estatu Batuetako urteko BPGaren % 50 maila altuko laser aplikazioen merkatuaren hedapen azkarrari lotuta dago. Hainbat herrialde garatuk, Estatu Batuek, Alemaniak eta Japoniak ordezkatuta, funtsean prozesu tradizionalak laser prozesamenduarekin ordezkatu dituzte automobilgintza eta hegazkingintza bezalako manufaktura industria nagusietan. Industria fabrikazioko laserrak potentzial handia erakutsi du kostu baxuko, kalitate handiko, eraginkortasun handiko eta fabrikazio aplikazio berezietarako, fabrikazio konbentzionalaren bidez lortu ezin direnak, eta lehiaren eta berrikuntzaren motor garrantzitsu bihurtu da munduko industria herrialde nagusien artean. Herrialdeek aktiboki babesten ari dira laser teknologia beren puntako teknologia garrantzitsuenetako bat bezala eta laser industriaren garapen plan nazionalak garatu dituzte.
(2)LaserraP iturriaprintzipio
Laserra argi ikusgaia edo ikusezina sortzeko erradiazio kitzikatua erabiltzen duen gailu bat da, egitura konplexua eta oztopo tekniko handiak dituena. Sistema optikoa batez ere ponpaketa-iturri batez (kitzikapen-iturria), irabazi-euskarriaz (lan-substantzia) eta erresonantzia-barrunbeaz eta beste gailu optiko-materialez osatuta dago. Irabazi-euskarria fotoien sorreraren iturria da, eta ponpaketa-iturriak sortutako energia xurgatuz, irabazi-euskarria oinarrizko egoeratik kitzikatutako egoerara jauzi egiten du. Egoera kitzikatua ezegonkorra denez, une horretan, irabazi-euskarriak energia askatuko du oinarrizko egoeraren egoera egonkorrera itzultzeko. Energia askatzeko prozesu honetan, irabazi-euskarriak fotoiak sortzen ditu, eta fotoi hauek energia, uhin-luzera eta norabidean koherentzia handia dute, etengabe islatzen dira erresonantzia-barrunbe optikoan, elkarrekiko mugimendua eginez, etengabe anplifikatzeko, eta azkenean laserra islatzailearen bidez jaurtitzen dute laser izpi bat osatzeko. Terminaleko ekipamenduaren sistema optiko nagusia denez, laserraren errendimenduak askotan zuzenean zehazten du laser ekipamenduaren irteera-izpiaren kalitatea eta potentzia, terminaleko laser ekipamenduaren osagai nagusia baita.
Ponpaketa iturriak (kitzikapen iturria) energia kitzikapena ematen dio irabazi-euskarriari. Irabazi-euskarria kitzikatzen da laserra sortu eta anplifikatzeko fotoiak sortzeko. Erresonante-barrunbea da fotoien ezaugarriak (maiztasuna, fasea eta funtzionamendu-norabidea) erregulatzen diren lekua, barrunbeko fotoien oszilazioak kontrolatuz kalitate handiko irteerako argi-iturri bat lortzeko. Ponpaketa iturriak (kitzikapen iturria) irabazi-euskarrirako energia kitzikapena ematen du. Irabazi-euskarria kitzikatzen da laserra sortu eta anplifikatzeko fotoiak sortzeko. Erresonante-barrunbea da fotoien ezaugarriak (maiztasuna, fasea eta funtzionamendu-norabidea) doitzen diren lekua, barrunbeko fotoien oszilazioak kontrolatuz kalitate handiko irteerako argi-iturri bat lortzeko.
(3)Laser iturriaren sailkapena
Laser iturria irabazi-euskarriaren, irteerako uhin-luzeraren, funtzionamendu-moduaren eta ponpaketa-moduaren arabera sailka daiteke, honela:
① Sailkapena irabazi-euskarriaren arabera
Irabazi-euskarri desberdinen arabera, laserrak egoera solidoko laserretan (solidoak, erdieroaleak, zuntz-laserrak eta hibridoak barne), likidozko laserretan, gas laserretan eta abar bana daitezke.
| LaserraIturriaMota | Gain Media | Ezaugarri nagusiak |
| Egoera Solidoko Laser Iturria | Solidoak, Erdieroaleak, Zuntz Optikoa, Hibridoa | Egonkortasun ona, potentzia handia, mantentze-kostu txikia, industrializaziorako egokia |
| Laser Likidoaren Iturria | Likido kimikoak | Aukerako uhin-luzera tartea jo da, baina tamaina handia eta mantentze-kostu handia |
| Gas laser iturria | Gasak | Kalitate handiko laser argi iturria, baina tamaina handiagoa eta mantentze-kostu handiagoak |
| Elektroi Askeko Laser Iturria | Elektroi-sorta eremu magnetiko espezifiko batean | Ultra-potentzia handiko eta kalitate handiko laser irteera lor daiteke, baina fabrikazio teknologia eta ekoizpen kostuak oso altuak dira. |
Egonkortasun ona, potentzia handia eta mantentze-kostu baxua direla eta, egoera solidoko laserren aplikazioak abantaila osoa hartzen du.
Egoera solidoko laserren artean, erdieroale laserrek eraginkortasun handiko, tamaina txikiko, bizitza luzeko, energia-kontsumo txikiko eta abarren abantailak dituzte. Alde batetik, zuzenean erabil daitezke laser prozesamendurako, medikuntzarako, komunikaziorako, sentsoreetarako, pantailarako, monitorizaziorako eta defentsarako aplikazioetarako argi-iturri nagusi eta laguntza gisa, eta garapen estrategikorako garrantzia duen laser teknologia modernoaren garapenerako oinarri garrantzitsu bihurtu dira.
Bestalde, erdieroalezko laserrak beste laser batzuen nukleo-ponpaketa argi-iturri gisa ere erabil daitezke, hala nola egoera solidoko laserrak eta zuntz laserrak, laser-eremu osoaren aurrerapen teknologikoa asko sustatuz. Munduko herrialde garatu nagusi guztiek sartu dute beren garapen-plan nazionaletan, laguntza sendoa emanez eta garapen azkarra lortuz.
② Ponpaketa metodoaren arabera
Ponpaketa-metodoaren arabera, laserrak ponpaketa elektrikoan, optikoan, kimikoan ponpatutako laserretan eta abar bana daitezke.
Elektrizitatez ponpatutako laserrak korronteaz kitzikatzen diren laserrei egiten diete erreferentzia, gas laserrak gehienbat gas deskargaz kitzikatzen dira, eta erdieroale laserrak, berriz, korronte injekzioaren bidez.
Ia egoera solidoko laser eta laser likido guztiak ponpaketa optikoko laserrak dira, eta erdieroalezko laserrak erabiltzen dira ponpaketa optikoko laserren nukleo-ponpaketa iturri gisa.
Kimikoki ponpatutako laserrak erreakzio kimikoetatik askatzen den energia erabiltzen duten laserrei egiten die erreferentzia lan egiten duen materiala kitzikatzeko.
③ Funtzionamendu moduaren araberako sailkapena
Laserrak funtzionamendu moduaren arabera laser jarraituetan eta laser pultsatuetan bana daitezke.
Laser jarraituek energia-maila bakoitzeko partikula kopuruaren eta barrunbeko erradiazio-eremuaren banaketa egonkorra dute, eta haien funtzionamendua lan-materialaren kitzikapenak eta dagokion laser-irteerak denbora luzez modu jarraituan eragiten dute. Laser jarraituek laser-argia denbora luzeagoan etengabe igor dezakete, baina efektu termikoa nabarmenagoa da.
Laser pultsatuak laser potentzia balio jakin batean mantentzen den denbora-iraupenari egiten dio erreferentzia, eta laser argia modu eten batean igortzen dute, efektu termiko txikia eta kontrolatzeko gaitasun ona direla ezaugarri nagusiekin.
④ Irteerako uhin-luzeraren araberako sailkapena
Laserrak uhin-luzeraren arabera sailka daitezke: infragorri laserrak, ikusgai laserrak, ultramore laserrak, ultramore sakoneko laserrak, etab. Material egituratu ezberdinek xurga dezaketen argiaren uhin-luzera tartea desberdina da, beraz, uhin-luzera ezberdinetako laserrak behar dira material ezberdinen prozesamendu finetarako edo aplikazio-eszenatoki ezberdinetarako.Infragorri laserrak eta UV laserrak dira gehien erabiltzen diren bi laserrak. Infragorri laserrak batez ere "prozesamendu termikoan" erabiltzen dira, non materialaren gainazaleko materiala berotu eta lurrundu (lurrundu) egiten den materiala kentzeko; film meheko material ez-metalikoen prozesamenduan, erdieroaleen obleen mozketan, beira organikoaren mozketan, zulaketa, markaketan eta beste arlo batzuetan, energia handiko UV fotoiek zuzenean hausten dituzte material ez-metalikoen gainazaleko lotura molekularrak, molekulak objektutik bereiz daitezen, eta metodo honek ez du erreakzio termiko handirik sortzen, beraz, normalean "prozesamendu hotza" deitzen zaio.
UV fotoien energia handia dela eta, zaila da kanpoko kitzikapen iturri baten bidez potentzia handiko UV laser jarraitu bat sortzea, beraz, UV laserra normalean kristal materialaren efektu ez-linealeko maiztasun bihurketa metodoa aplikatuz sortzen da, beraz, gaur egun UV laserren industria-eremu erabiliena batez ere egoera solidoko UV laserrak dira.
(4) Industria-katea
Industria-katearen goiko aldean, laser nukleoak eta gailu optoelektronikoak fabrikatzeko erdieroaleen lehengaiak, goi-mailako ekipamenduak eta ekoizpen-osagarriak erabiltzea dago, eta hori da laser industriaren oinarrizko zutabea eta sarbide-atalase handia du. Industria-katearen erdialdean, berriz, laser txipak eta gailu optoelektronikoak, moduluak, osagai optikoak eta abar erabiltzea dago, hainbat laser fabrikatzeko eta saltzeko ponpa-iturri gisa, besteak beste, erdieroale zuzeneko laserrak, karbono dioxido laserrak, egoera solidoko laserrak, zuntz laserrak eta abar; beheko aldean, hainbat laserren aplikazio-eremuak aipatzen dira batez ere, besteak beste, industria-prozesatzeko ekipamenduak, LIDAR, komunikazio optikoak, edertasun medikoa eta beste aplikazio-industriak.
①Goiko hornitzaileak
Goiko produktuen lehengaiak, hala nola erdieroale laser txipak, gailuak eta moduluak, batez ere hainbat txip material, zuntz material eta mekanizatutako piezak dira, besteak beste, substratuak, bero-hustugailuak, produktu kimikoak eta etxebizitza multzoak. Txip prozesatzeak goiko lehengaien kalitate eta errendimendu handia eskatzen du, batez ere atzerriko hornitzaileetatik datozenak, baina lokalizazio maila pixkanaka handitzen ari da, eta pixkanaka kontrol independentea lortzen da. Goiko lehengai nagusien errendimenduak eragin zuzena du erdieroale laser txipen kalitatean, hainbat txip materialen errendimenduaren etengabeko hobekuntzarekin batera, industriako produktuen errendimendua hobetzeko sustapenean paper positiboa jokatzen du.
②Erdi mailako industria-katea
Erdieroaleen laser txipa industria-katearen erdiko korrontean laser mota desberdinen ponpa-argiaren iturri nagusia da, eta zeregin positiboa du erdiko korronte laserren garapena sustatzeko. Erdiko korronte laserren arloan, Estatu Batuak, Alemania eta beste atzerriko enpresa batzuk dira nagusi, baina azken urteotan barneko laser industriaren garapen azkarraren ondoren, industria-katearen erdiko korronte merkatuak barneko ordezkapen azkarra lortu du.
③Beheran dagoen industria-katea
Beheko industriak zeregin handiagoa du industriaren garapena sustatzeko, beraz, beheko industriaren garapenak zuzenean eragingo du industriaren merkatu-espazioan. Txinako ekonomiaren etengabeko hazkundeak eta eraldaketa ekonomikorako aukera estrategikoen sorrerak garapen-baldintza hobeak sortu dituzte industria honen garapenerako. Txina manufaktura-herrialde izatetik manufaktura-potentzia izatera igarotzen ari da, eta beheko laserrak eta laser-ekipoak manufaktura-industria hobetzeko gakoetako bat dira, eta horrek eskari-ingurune ona eskaintzen du industria honen epe luzerako hobekuntzarako. Beheko industriaren erdieroaleen laser txipen eta haien gailuen errendimendu-indizeari buruzko eskakizunak handitzen ari dira, eta etxeko enpresak pixkanaka sartzen ari dira potentzia handiko laserren merkatuan potentzia txikiko laserren merkatutik, beraz, industriak etengabe handitu behar du teknologiaren ikerketa eta garapenaren arloan eta berrikuntza independentean egindako inbertsioa.
2. erdieroaleen laser industriaren garapen egoera
Laser erdieroaleek dute energia-bihurketa eraginkortasunik onena laser mota guztien artean, alde batetik, zuntz optikoko laserren, egoera solidoko laserren eta beste laser optiko batzuen ponpaketa-iturri nagusi gisa erabil daitezke. Bestetik, erdieroaleen laser teknologiaren etengabeko aurrerapenarekin potentzia-eraginkortasunari, distirari, iraupenari, uhin-luzera anitzekoari, modulazio-tasari eta abarrei dagokienez, erdieroaleen laserrak asko erabiltzen dira materialen prozesamenduan, medikuntzan, komunikazio optikoan, sentsore optikoan, defentsan, etab. Laser Focus World-en arabera, diodo-laseren, hau da, erdieroaleen eta diodorik gabeko laserren, diru-sarrera global osoa 18.480 milioi dolar izango zela kalkulatzen da 2021ean, erdieroaleen laserrek diru-sarrera guztien % 43 izanik.
Laser Focus World-en arabera, erdieroaleen laserren merkatu globala 6.724 milioi dolarrekoa izango da 2020an, aurreko urtearekin alderatuta % 14,20 gehiago. Adimen globalaren garapenarekin, gailu adimendunetan, kontsumo-elektronikan, energia berrietan eta beste arlo batzuetan laserren eskaria gero eta handiagoa izanik, baita medikuntzako, edertasuneko ekipamenduen eta beste aplikazio emergente batzuen hedapen jarraituarekin ere, erdieroaleen laserrak ponpa-iturri gisa erabil daitezke ponpa optikoko laserretarako, eta merkatuaren tamaina hazkunde egonkorra mantentzen jarraituko du. 2021ean erdieroaleen laserren merkatu globalaren tamaina 7.946 mila milioi dolarrekoa izan zen, merkatuaren hazkunde-tasa % 18,18koa izanik.
Aditu teknikoen, enpresen eta profesionalen ahalegin bateratuari esker, Txinako erdieroaleen laser industriak garapen apartekoa lortu du, eta horrela, Txinako erdieroaleen laser industriak prozesua hutsetik bizi izan du, eta Txinako erdieroaleen laser industriaren prototipoaren hasiera izan da. Azken urteotan, Txinak laser industriaren garapena areagotu du, eta hainbat eskualde ikerketa zientifikoari, teknologiaren hobekuntzari, merkatuaren garapenari eta laser industria parkeen eraikuntzari eskaini zaizkie gobernuaren gidaritzapean eta laser enpresen lankidetzan.
3. Txinako laser industriaren etorkizuneko garapen joera
Europako eta Estatu Batuetako herrialde garatuekin alderatuta, Txinako laser teknologia ez da berandu, baina laser teknologiaren eta goi-mailako nukleo teknologiaren aplikazioan oraindik ere alde handia dago, batez ere goi-mailako erdieroaleen laser txipa eta beste nukleo osagai batzuk oraindik inportazioen menpe daude.
Ameriketako Estatu Batuek, Alemaniak eta Japoniak ordezkatutako herrialde garatuek funtsean fabrikazio-teknologia tradizionala ordezkatu dute industria-eremu handi batzuetan eta "fabrikazio arina" aroan sartu dira; laser aplikazioen garapena Txinan azkarra den arren, aplikazioen sartze-tasa nahiko baxua da oraindik. Industria-hobekuntzaren oinarrizko teknologia gisa, laser industriak laguntza nazionaleko arlo gakoa izaten jarraituko du, eta aplikazio-eremua zabaltzen jarraituko du, eta, azken finean, Txinako manufaktura-industria "fabrikazio arina" arora bultzatuko du. Gaur egungo garapen-egoeratik abiatuta, Txinako laser industriaren garapenak garapen-joera hauek erakusten ditu.
(1) Erdieroaleen laser txipa eta beste oinarrizko osagaiak pixkanaka lokalizazioa lortzen dute
Hartu zuntz laserra adibide gisa, potentzia handiko zuntz laser ponpa iturria da erdieroale laserren aplikazio eremu nagusia, potentzia handiko erdieroale laser txipa eta modulua zuntz laserren osagai garrantzitsua da. Azken urteotan, Txinako zuntz optikoaren laser industria hazkunde fase azkarrean dago, eta lokalizazio maila urtez urte handitzen ari da.
Merkatuaren sartzeari dagokionez, potentzia txikiko zuntz laserren merkatuan, etxeko laserren merkatu-kuota % 99,01era iritsi zen 2019an; potentzia ertaineko zuntz laserren merkatuan, etxeko laserren sartze-tasa % 50etik gora mantendu da azken urteotan; potentzia handiko zuntz laserren lokalizazio-prozesua ere pixkanaka aurrera doa, 2013tik 2019ra "hutsetik" lortzeko. Potentzia handiko zuntz laserren lokalizazio-prozesua ere pixkanaka aurrera doa, 2013tik 2019ra, eta % 55,56ko sartze-tasa lortu du, eta potentzia handiko zuntz laserren etxeko sartze-tasa % 57,58koa izatea espero da 2020an.
Hala ere, potentzia handiko erdieroale laser txipak bezalako oinarrizko osagaiak oraindik inportazioen menpe daude, eta erdieroale laser txipak nukleo gisa dituzten laserren goiko osagaiak pixkanaka lokalizatzen ari dira, eta horrek, alde batetik, etxeko laserren goiko osagaien merkatu eskala hobetzen du, eta, bestetik, goiko nukleo osagaien lokalizazioarekin, etxeko laser fabrikatzaileen nazioarteko lehian parte hartzeko gaitasuna hobetu dezake.
(2) Laser aplikazioek azkarrago eta zabalago sartzen dira
Goiko nukleoko osagai optoelektronikoen pixkanaka lokalizazioarekin eta laser aplikazioen kostuen pixkanaka jaitsierarekin, laserrak sakonago sartuko dira industria askotan.
Alde batetik, Txinarentzat, laser bidezko prozesamendua Txinako manufaktura-industriaren hamar aplikazio-eremu nagusienen artean dago, eta espero da laser bidezko prozesamenduaren aplikazio-eremuak gehiago zabalduko direla eta merkatu-eskala gehiago zabalduko dela etorkizunean. Bestetik, gidaririk gabeko teknologiak, gidatzeko laguntza aurreratuko sistemak, zerbitzuetara bideratutako robotak, 3D sentsoreak eta abar bezalako teknologien etengabeko hedapen eta garapenarekin, gero eta gehiago aplikatuko da hainbat arlotan, hala nola automobilgintzan, adimen artifizialean, kontsumo-elektronikan, aurpegi-ezagutzan, komunikazio optikoan eta defentsa nazionaleko ikerketan. Goian aipatutako laser aplikazioen gailu edo osagai nagusi gisa, erdieroaleen laserrak ere garapen-espazio azkarra lortuko du.
(3) Potentzia handiagoa, izpiaren kalitate hobea, uhin-luzera laburragoa eta maiztasun-norabidearen garapen azkarragoa
Industria laserren arloan, zuntz laserrek aurrerapen handiak egin dituzte irteerako potentziari, izpiaren kalitateari eta distiraren aldetik aurkeztu zirenetik. Hala ere, potentzia handiagoak prozesatzeko abiadura hobetu, prozesatzeko kalitatea optimizatu eta prozesatzeko eremua industria astunaren fabrikaziora zabaldu dezake. Automobilgintzan, aeroespazialean, energian, makinen fabrikazioan, metalurgian, trenbide garraioaren eraikuntzan, ikerketa zientifikoan eta beste aplikazio eremu batzuetan, hala nola ebaketa, soldadura, gainazal tratamenduan, etab., zuntz laserren potentzia beharrak handitzen jarraitzen dute. Dagokion gailu fabrikatzaileek etengabe hobetu behar dute gailu nagusien errendimendua (adibidez, potentzia handiko erdieroale laser txipa eta irabazi zuntza), zuntz laserren potentzia handitzeak laser modulazio teknologia aurreratua ere eskatzen du, hala nola izpien konbinazioa eta potentzia sintesia, eta horrek eskakizun eta erronka berriak ekarriko dizkie potentzia handiko erdieroale laser txipen fabrikatzaileei. Horrez gain, uhin-luzera laburragoak, uhin-luzera gehiago, laser garapen azkarragoa (ultra azkarra) ere norabide garrantzitsua da, batez ere zirkuitu integratu txipetan, pantailetan, kontsumo elektronikan, aeroespazialean eta beste doitasun mikroprozesaketa batzuetan erabiltzen dena, baita bizitzaren zientzietan, medikuntzan, sentsoreetan eta beste arlo batzuetan ere, erdieroale laser txipak ere eskakizun berriak planteatzen ditu.
(4) potentzia handiko laser optoelektronikoen osagaien eskaria hazteko gehiago
Zuntz laser potentzia handikoaren garapena eta industrializazioa industria-katearen aurrerapen sinergikoaren emaitza da, eta horrek ponpa-iturria, isolatzailea, habe-kontzentratzailea eta abar bezalako osagai optoelektronikoen laguntza behar du. Zuntz laser potentzia handikoan erabiltzen diren osagai optoelektronikoak dira haren garapenaren eta ekoizpenaren oinarria eta osagai nagusiak, eta zuntz laser potentzia handikoaren merkatuaren hedapenak ere osagai nagusien merkatuaren eskaria bultzatzen du, hala nola potentzia handiko erdieroale laser txipen modukoa. Aldi berean, etxeko zuntz laser teknologiaren etengabeko hobekuntzarekin, inportazioen ordezkapena joera saihestezina bihurtu da, munduko laser merkatu-kuota hobetzen jarraituko du, eta horrek aukera handiak ere ekartzen ditu osagai optoelektronikoen fabrikatzaileen tokiko indarrarentzat.
Argitaratze data: 2023ko martxoaren 7a
