フォトニクスにおける次のイノベーションの波

アインシュタインが基礎を築いた 1917 年に発表された彼の画期的な論文「放射線の量子理論」でレーザー技術について言及されました。数年にわたる開発を経て、最初に広く商業化されたレーザーは 1960 年代に市場に登場し、科学から外科まで幅広い用途に使用されました。 初期の頃から、狭く集束した光線を生成するレーザーのユニークな機能により、バーコード スキャン、DNA シーケンス、半導体チップの製造など、他の多くのユースケースが可能になりました。 最も斬新な用途の 1 つとして、NASA 探査機キュリオシティはレーザー対応機器を使用して火星の岩石を爆破し、科学者が生成された蒸気中の化学物質を分析できるようにしました。

この記事は、Gaurav Batra、Ryan Fletcher、Kairat Kasymaliev、Abhijit Mahindroo、Nick Santhanam による共同作業であり、マッキンゼーのアドバンスト エレクトロニクス プラクティスからの見解を表しています。

レーザー市場は 1970 年代以来着実に成長してきましたが、過去 10 年間で技術革新と収益の伸びは鈍化しました。 コア技術が成熟するにつれて、多くの低コスト企業が市場に参入しました。 このため、通信伝送、マーキングと彫刻、バイオセンシングなどの大量最終製品に使用されるレーザーの平均販売価格が圧迫されています。 しかし、この分野は現在、レーザーが光学素子やセンサーとますます組み合わされて、さらに洗練されたアプリケーションを可能にする、イノベーションの新時代の頂点にある可能性があります。 これらの統合デバイスは、多くの業界でまだ開発中のものが多く、レーザー市場を高度成長軌道に戻すだけでなく、主な価値の源泉にもなる可能性があります。

フォトニクス業界の関係者が今後の機会を評価できるよう、私たちはレーザーエンド市場全体の最近の発展を評価しました。 次に、光学およびセンサーの分野を詳細に調査し、そのようなテクノロジーがレーザーと組み合わせたときに提供できる独自の機能に焦点を当てました。 オーナー、経営者、取締役会メンバーなどの業界関係者はこれらの利点を認識しており、合併、買収、戦略的パートナーシップを通じて企業の技術力を拡大するために急速に動いています。 投資家も注目している。

レーザー技術はその誕生以来継続的に成熟してきましたが、2 つの時代の革新が際立っています。 1970 年代から 1980 年代にかけて、研究者は核となるレーザー物理学で重要な発見を行い、技術を進歩させましたが、多くの応用は科学、実験室、研究開発の現場に限定されていました。 そして、最近の 30 年間で、レーザー デバイスは、性能、堅牢性、信頼性を向上させるために改良され、研究室から商業領域へと真に移行してきました。 この時期に、手術、リソグラフィー、溶接などの多くの新しいレーザー アプリケーションが登場し、ヘルスケアからエレクトロニクス、工業製造に至るまでの業界で画期的な進歩を可能にしました。 これらのイノベーションにより、レーザー デバイス市場は 2020 年までに 170 億ドルの価値を達成しました。

業界の技術進歩と好調な収益にもかかわらず、最近のいくつかの指標は懸念を引き起こしています。 登録された特許の数で測定されるイノベーションのペースを見てみましょう。 2001 年から 2010 年にかけて、研究者は 29,000 件以上のレーザー関連特許を米国に出願しました。これは、前の 10 年間に比べて 2 倍以上増加しました (図 1)。 しかし、2011年から2020年までの数年間に提出された申請はわずか約24,000件でした。 従来、特許出願件数が10年ごとに2倍になってきた業界では、この減少は異常事態だった。

レーザーは固体を使用できますが、液体または気体を利得媒体（光増幅源）として使用し、目的のコヒーレント光ビームを生成します。 このようなビームは、同じ周波数と波形を持つ光子 (電磁放射の最小の離散量または量子を表す粒子) で構成されます。 この均一性により、ビームの広がりや拡散が防止されます。 ガスレーザーは、CO2 またはその他のガスを利得媒体として使用し、通常、固体レーザーや液体レーザーよりも損失が少なく、より均一な発光を実現します。