【【深度】半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)發(fā)展及應(yīng)用】

一、半導(dǎo)體激光器簡(jiǎn)介

半導(dǎo)體激光器俗稱激光二極管，因?yàn)槠溆冒雽?dǎo)體材料作為工作物質(zhì)的特性所以被稱為半導(dǎo)體激光器。半導(dǎo)體激光器由光纖耦合半導(dǎo)體激光器模塊、合束器件、激光傳能光纜、電源系統(tǒng)、控制系統(tǒng)及機(jī)械結(jié)構(gòu)等構(gòu)成，在電源系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)和監(jiān)控下實(shí)現(xiàn)激光輸出。半導(dǎo)體激光器的常用工作物質(zhì)主要有砷化鎵（GaAs）、硫化鎘（CdS）、磷化銦（InP）、硫化鋅（ZnS）等。根據(jù)不同的工作物質(zhì)主要有三種激勵(lì)方式：電注入，pump式和高能電子束激勵(lì)。

（1）電注入是半導(dǎo)體激光器，一般由GaAS、CdS、InP、ZnS等工作物質(zhì)作為主要材料，制成半導(dǎo)體面結(jié)型二極管，在受到電注入時(shí)，沿著正向偏壓注入的電流，對(duì)工作物質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)，從而在節(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射。

（2）Punp式激光器，一般由晶體中摻入受主雜的的以空穴為載流子的鍺單晶（P型半導(dǎo)體單晶）或以電子為載流子的鍺單晶（N型半導(dǎo)體單晶）作為工作物質(zhì)，并通過(guò)其他激光器發(fā)出的激光作pump激勵(lì)，從而實(shí)現(xiàn)種群反演。

（3）高能電子束激勵(lì)式半導(dǎo)體激光器，一般在工作物質(zhì)的選擇上與pump式激光器相似，也是選用半導(dǎo)體鍺單晶，但值得注意的問(wèn)題是，在P型半導(dǎo)體單晶的選擇上高能電子束激勵(lì)式半導(dǎo)體激光器主要以PbS。CbS和ZnO為主。

半導(dǎo)體激光器種類較多，根據(jù)其芯片參數(shù)、封裝方式的不同，有多種分類方式。其中，光纖輸出的半導(dǎo)體激光器分類方式主要有以下幾種：

圖表1半導(dǎo)體激光器分類

二、半導(dǎo)體激光器技術(shù)發(fā)展情況

自1962年發(fā)明了世界上第一臺(tái)半導(dǎo)體激光器以來(lái)，半導(dǎo)體激光器發(fā)生了巨大的變化，極大地推動(dòng)了其他科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。

近年來(lái)用于信息技術(shù)領(lǐng)域的小功率半導(dǎo)體激光器發(fā)展極快。如用于光纖通信的DFB和動(dòng)態(tài)單模的激光二極管以及在光盤處理中大量應(yīng)用的可見(jiàn)光波長(zhǎng)的激光二極管，甚至是超短脈沖的激光二極管都得到了大幅度的革新性進(jìn)步。

小功率激光二極管其自身還擁有這高集成、高速率以及可調(diào)諧的發(fā)展特征。大型高功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展速度也不斷加快。

在上世紀(jì)八十年代，獨(dú)立的激光二極管的輸出功率已經(jīng)在100mW以上，并達(dá)到了39%的轉(zhuǎn)化效率。等到了90年代，美國(guó)人又一次將指標(biāo)提高一個(gè)新的水平，達(dá)到了45%的轉(zhuǎn)化效率，就輸出功率來(lái)看，也從W到了KW級(jí)的轉(zhuǎn)變。

目前各國(guó)在研制項(xiàng)目的支持下，半導(dǎo)體激光器的芯片結(jié)構(gòu)、外延生長(zhǎng)和器件封裝等激光器技術(shù)均有了長(zhǎng)足發(fā)展，單元器件的性能也實(shí)現(xiàn)了重大突破：電光轉(zhuǎn)換效率達(dá)70%以上，很低的光束發(fā)散角，單巴條連續(xù)輸出功率超過(guò)千瓦，采用碳納米(CN)熱沉使激光器的冷卻效率比傳統(tǒng)的半導(dǎo)體巴條安裝技術(shù)可提高30%。100μm條寬單管輸出功率達(dá)到24.6W，大功率連續(xù)工作壽命長(zhǎng)達(dá)數(shù)萬(wàn)小時(shí)。

高效能大功率的半導(dǎo)體激光器也迅速發(fā)展為全固化激光器，從而使得LDP固體激光器獲得了全新的發(fā)展機(jī)遇和前景。

三、半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)規(guī)模

半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性高、能耗低、電光轉(zhuǎn)換效率高、易于大規(guī)模生產(chǎn)以及價(jià)格較低廉等優(yōu)點(diǎn)，在CD激光唱片機(jī)、光纖通信、光存儲(chǔ)器、激光打印機(jī)等獲得廣泛應(yīng)用，范圍覆蓋了整個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域。

隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和突破，半導(dǎo)體激光器正向發(fā)射波長(zhǎng)更短、發(fā)射功率更大、超小型、長(zhǎng)壽命的方向發(fā)展，以滿足各種應(yīng)用的需要，產(chǎn)品種類日益豐富。在激光加工、3D打印、激光雷達(dá)、激光測(cè)距、軍事、醫(yī)療和生命科學(xué)等方面也得到了大量應(yīng)用。另外，通過(guò)耦合進(jìn)光纖進(jìn)行傳輸，大功率直接半導(dǎo)體激光器在切割和焊接領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

目前，全球半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)規(guī)模較大，從2012年的35.4億美元增加值至2017年的53.1億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為8.4%。

圖表22012-2017年全球半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)規(guī)模及增長(zhǎng)率（單位：億美元）

四、半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用

1、半導(dǎo)體激光器在光電子領(lǐng)域的應(yīng)用

（1）光纖通信。半導(dǎo)體激光器是光纖通信系統(tǒng)的唯一實(shí)用化光源，光纖通信已成為當(dāng)代通信技術(shù)的主流。

（2）光盤存取。半導(dǎo)體激光已經(jīng)用于光盤存儲(chǔ)器，其最大優(yōu)點(diǎn)是存儲(chǔ)的聲音、文字和圖象信息量很大。采用藍(lán)、綠激光能夠大大提高光盤的存儲(chǔ)密。

（3）光譜分析。遠(yuǎn)紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于環(huán)境氣體分析，監(jiān)測(cè)大氣污染、汽車尾氣等。在工業(yè)上可用來(lái)監(jiān)測(cè)氣相淀積的工藝過(guò)程。

（4）光信息處理。半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于光信息理系統(tǒng)。表面發(fā)射半導(dǎo)體激光器二維陣列是光并行處理系統(tǒng)的理想光源，將用于計(jì)算機(jī)和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

（5）激光微細(xì)工。借助于Q開關(guān)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生的高能量超短光沖，可對(duì)集成電路進(jìn)行切割、打孔等。

（6）激光報(bào)警器。半導(dǎo)體激光報(bào)警器用途甚廣，包括防盜報(bào)警、水位報(bào)警、車距報(bào)警等。

（7）激光打印機(jī)。高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于激光打印機(jī)。采用藍(lán)、綠激光能夠大大提高打印速度和分辨率。

（8）激光條碼掃描器。半導(dǎo)體激光條碼掃描器已經(jīng)廣泛用于商品的銷售，以及圖書和檔案的管理。

（9）高清晰度激光電視。不久的將來(lái)，沒(méi)有陰極射線管的半導(dǎo)體激光電視機(jī)可以投放市場(chǎng)，它利用紅、藍(lán)、綠三色激光，估計(jì)其耗電量比現(xiàn)有的電視機(jī)低20%。

2、半導(dǎo)體激光器在材料加工上的應(yīng)用

半導(dǎo)體激光器在材料加工上多用于材料的切割和電路板的加工。由于激光器的高穩(wěn)定性和高效能，從而使得其可以輕易的對(duì)工業(yè)材料進(jìn)行精確的切割，并且在高頻電路板的加工上，低波長(zhǎng)的紫外激光也有不錯(cuò)的應(yīng)用。

（1）光纖激光器和固體激光器的泵浦源

目前，半導(dǎo)體激光器的最大應(yīng)用是作為光纖激光器和固體激光器的泵浦源。作為光纖激光器泵源的半導(dǎo)體激光器，提高單元功率能夠從根本上簡(jiǎn)化泵浦系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)或提高泵浦功率水平。隨著光纖激光器和固體激光器輸出功率越來(lái)越高，對(duì)半導(dǎo)體泵浦源的功率也提出了更高的要求。

（2）金屬切割

由于光束質(zhì)量的限制，傳統(tǒng)半導(dǎo)體激光器難以直接用于金屬切割。近年來(lái)，隨著半導(dǎo)體耦合技術(shù)的提高以及新型合束技術(shù)的逐漸成熟，部分千瓦級(jí)以上的光纖輸出的半導(dǎo)體激光器可以滿足切割對(duì)光束質(zhì)量的要求。另外，由于半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)的多樣性，短波長(zhǎng)的半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)十分接近鋁的波長(zhǎng)吸收最大值，在汽車工業(yè)中，大功率半導(dǎo)體激光非常適用于車身的鋁材的焊接。激光輸出功率為2KW至6KW的半導(dǎo)體激光器在汽車工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中已廣泛應(yīng)用。

（3）塑料焊接

使用中小功率的半導(dǎo)體激光器的激光焊接完善了熱塑性塑料焊接的傳統(tǒng)方法，例如，通過(guò)超聲波焊接的方式，可使連接區(qū)域在壓緊前直接塑化。激光可以實(shí)現(xiàn)光穿透式的激光焊接，在連接區(qū)域形成均勻的熔體，避免因摩擦產(chǎn)生的起毛現(xiàn)象。半導(dǎo)體激光塑料焊接廣泛使用于汽車行業(yè)的傳感器或塑料箱體的密封焊接，也可應(yīng)用于木制產(chǎn)品包邊或者加工纖維強(qiáng)化的合成材料。

（4）激光熔覆

激光熔覆又稱為激光包覆或激光熔敷，是一種表面改性技術(shù)，通過(guò)在基材表面添加熔覆材料，并利用高能密度的激光束使之與基材表面薄層一起熔凝的方法，在基層表面形成與其為冶金結(jié)合的添料熔覆層。半導(dǎo)體激光器可用于熔覆工藝，實(shí)現(xiàn)減少粉末與集體材料的混合以及更少的熱量輸入，進(jìn)一步提高熔覆工藝的經(jīng)濟(jì)效益。

（5）激光錫焊

錫焊是利用低熔點(diǎn)的金屬焊料加熱熔化后，滲入并充填金屬件連接處間隙的焊接方法，焊料常為錫基合金。目前，輸出功率為100W的半導(dǎo)體激光器已在錫焊中的推廣應(yīng)用。隨著半導(dǎo)體激光器價(jià)格的進(jìn)一步降低、人工成本的不斷提高及智能制造、精密制造的推進(jìn)，預(yù)計(jì)激光錫焊未來(lái)將逐步替換傳統(tǒng)的烙鐵焊接，得到廣泛的應(yīng)用。

3、半導(dǎo)體激光器在軍事上的應(yīng)用

小功率的半導(dǎo)體激光器由于自身體積小，壽命長(zhǎng)且易于調(diào)制的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用與激光制導(dǎo)和激光測(cè)距等領(lǐng)域。簡(jiǎn)單易行，并且取得了不錯(cuò)的效果?，F(xiàn)在大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)展，也使其與軍事領(lǐng)域大放異彩，激光雷達(dá)和激光模擬以及深海光通信，都得到了極大的發(fā)展。

半導(dǎo)體激光器在軍事上的應(yīng)用主要包括:高能激光武器泵源，大功率半導(dǎo)體激光器合束直接應(yīng)用；激光制導(dǎo)，使導(dǎo)彈在激光射束中飛行直至摧毀目標(biāo)，半導(dǎo)體激光制導(dǎo)多用于地－空導(dǎo)彈、空－空導(dǎo)彈、地－地導(dǎo)彈等；激光測(cè)距，主要用于反坦克武器以及航空、航天等領(lǐng)域；激光雷達(dá)，用于監(jiān)測(cè)目標(biāo)，對(duì)來(lái)襲目標(biāo)精確定位以及對(duì)直升飛機(jī)和巡航導(dǎo)彈的地形跟蹤等。制導(dǎo)和測(cè)距等應(yīng)用以大功率脈沖半導(dǎo)體激光器為主，波長(zhǎng)集中在904nm波長(zhǎng)附近，近年來(lái)基于人眼安全考慮，有向長(zhǎng)波長(zhǎng)發(fā)展的趨勢(shì)。