半導體激光器產(chǎn)業(yè)發(fā)展及應用

　一、半導體激光器簡(jiǎn)介

　　半導體激光器俗稱(chēng)激光二極管，因為其用半導體材料作為工作物質(zhì)的特性所以被稱(chēng)為半導體激光器。半導體激光器由光纖耦合半導體激光器模塊、合束器件、激光傳能光纜、電源系統、控制系統及機械結構等構成，在電源系統和控制系統的驅動(dòng)和監控下實(shí)現激光輸出。半導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。根據不同的工作物質(zhì)主要有三種激勵方式：電注入，pump式和高能電子束激勵。

　　(1)電注入是半導體激光器，一般由GaAS、CdS、InP、ZnS等工作物質(zhì)作為主要材料，制成半導體面結型二極管，在受到電注入時(shí)，沿著(zhù)正向偏壓注入的電流，對工作物質(zhì)進(jìn)行激勵，從而在節平面區域產(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型半導體單晶)或以電子為載流子的鍺單晶(N型半導體單晶)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，從而實(shí)現種群反演。

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

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

　　圖表1半導體激光器分類(lèi)

　　二、半導體激光器技術(shù)發(fā)展情況

　　自1962年發(fā)明了世界上第一臺半導體激光器以來(lái)，半導體激光器發(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(pán)處理中大量應用的可見(jiàn)光波長(cháng)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、高速率以及可調諧的發(fā)展特征。大型高功率半導體激光器的發(fā)展速度也不斷加快。

　　在上世紀八十年代，獨立的激光二極管的輸出功率已經(jīng)在100mW以上，并達到了39%的轉化效率。等到了90年代，美國人又一次將指標提高一個(gè)新的水平，達到了45%的轉化效率，就輸出功率來(lái)看，也從W到了KW級的轉變。

　　目前各國在研制項目的支持下，半導體激光器的芯片結構、外延生長(cháng)和器件封裝等激光器技術(shù)均有了長(cháng)足發(fā)展，單元器件的性能也實(shí)現了重大突破：電光轉換效率達70%以上，很低的光束發(fā)散角，單巴條連續輸出功率超過(guò)千瓦，采用碳納米(CN)熱沉使激光器的冷卻效率比傳統的半導體巴條安裝技術(shù)可提高30%。100μm條寬單管輸出功率達到24.6W，大功率連續工作壽命長(cháng)達數萬(wàn)小時(shí)。

　　高效能大功率的半導體激光器也迅速發(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)展機遇和前景。

　　三、半導體激光器市場(chǎng)規模

　　半導體激光器具有體積小、重量輕、壽命長(cháng)、運轉可靠性高、能耗低、電光轉換效率高、易于大規模生產(chǎn)以及價(jià)格較低廉等優(yōu)點(diǎn)，在CD激光唱片機、光纖通信、光存儲器、激光打印機等獲得廣泛應用，范圍覆蓋了整個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域。

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

　　目前，全球半導體激光器市場(chǎng)規模較大，從2012年的35.4億美元增加值至2017年的53.1億美元，年復合增長(cháng)率為8.4%。

　　圖表2 2012-2017年全球半導體激光器市場(chǎng)規模及增長(cháng)率(單位：億美元)