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【深度】半导体激光器产业发展及应用

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一、半导体激光器简介

半导体激光器俗称激光二极管,因为其用半导体材料作为工作物质的特性所以被称为半导体激光器。半导体激光器由光纤耦合半导体激光器模块、合束器件、激光传能光缆、电源系统、控制系统及机械结构等构成,在电源系统和控制系统的驱动和监控下实现激光输出。半导体激光器的常用工作物质主要有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。根据不同的工作物质主要有三种激励方式:电注入,pump式和高能电子束激励。

(1)电注入是半导体激光器,一般由GaAS、CdS、InP、ZnS等工作物质作为主要材料,制成半导体面结型二极管,在受到电注入时,沿着正向偏压注入的电流,对工作物质进行激励,从而在节平面区域产生受激发射。

(2)Punp式激光器,一般由晶体中掺入受主杂的的以空穴为载流子的锗单晶(P型半导体单晶)或以电子为载流子的锗单晶(N型半导体单晶)作为工作物质,并通过其他激光器发出的激光作pump激励,从而实现种群反演。

(3)高能电子束激励式半导体激光器,一般在工作物质的选择上与pump式激光器相似,也是选用半导体锗单晶,但值得注意的问题是,在P型半导体单晶的选择上高能电子束激励式半导体激光器主要以PbS。CbS和ZnO为主。

半导体激光器种类较多,根据其芯片参数、封装方式的不同,有多种分类方式。其中,光纤输出的半导体激光器分类方式主要有以下几种:

图表1半导体激光器分类

半导体激光器产业发展及应用

资料来源:OFweek产业研究院整理

二、半导体激光器技术发展情况

自1962年发明了世界上第一台半导体激光器以来,半导体激光器发生了巨大的变化,极大地推动了其他科学技术的发展。

近年来用于信息技术领域的小功率半导体激光器发展极快。如用于光纤通信的DFB和动态单模的激光二极管以及在光盘处理中大量应用的可见光波长的激光二极管,甚至是超短脉冲的激光二极管都得到了大幅度的革新性进步。

小功率激光二极管其自身还拥有这高集成、高速率以及可调谐的发展特征。大型高功率半导体激光器的发展速度也不断加快。

在上世纪八十年代,独立的激光二极管的输出功率已经在100mW以上,并达到了39%的转化效率。等到了90年代,美国人又一次将指标提高一个新的水平,达到了45%的转化效率,就输出功率来看,也从W到了KW级的转变。

目前各国在研制项目的支持下,半导体激光器的芯片结构、外延生长和器件封装等激光器技术均有了长足发展,单元器件的性能也实现了重大突破:电光转换效率达70%以上,很低的光束发散角,单巴条连续输出功率超过千瓦,采用碳纳米(CN)热沉使激光器的冷却效率比传统的半导体巴条安装技术可提高30%。100μm条宽单管输出功率达到24.6W,大功率连续工作寿命长达数万小时。

高效能大功率的半导体激光器也迅速发展为全固化激光器,从而使得LDP固体激光器获得了全新的发展机遇和前景。

三、半导体激光器市场规模

半导体激光器具有体积小、重量轻、寿命长、运转可靠性高、能耗低、电光转换效率高、易于大规模生产以及价格较低廉等优点,在CD激光唱片机、光纤通信、光存储器、激光打印机等获得广泛应用,范围覆盖了整个光电子学领域。

随着技术的不断发展和突破,半导体激光器正向发射波长更短、发射功率更大、超小型、长寿命的方向发展,以满足各种应用的需要,产品种类日益丰富。在激光加工、3D打印、激光雷达、激光测距、军事、医疗和生命科学等方面也得到了大量应用。另外,通过耦合进光纤进行传输,大功率直接半导体激光器在切割和焊接领域得到了广泛应用。

目前,全球半导体激光器市场规模较大,从2012年的35.4亿美元增加值至2017年的53.1亿美元,年复合增长率为8.4%。

图表2 2012-2017年全球半导体激光器市场规模及增长率(单位:亿美元)

半导体激光器产业发展及应用

数据来源:OFweek产业研究院

四、半导体激光器的应用

1、半导体激光器在光电子领域的应用

(1)光纤通信。半导体激光器是光纤通信系统的唯一实用化光源,光纤通信已成为当代通信技术的主流。

(2)光盘存取。半导体激光已经用于光盘存储器,其最大优点是存储的声音、文字和图象信息量很大。采用蓝、绿激光能够大大提高光盘的存储密。

(3)光谱分析。远红外可调谐半导体激光器已经用于环境气体分析,监测大气污染、汽车尾气等。在工业上可用来监测气相淀积的工艺过程。

(4)光信息处理。半导体激光器已经用于光信息理系统。表面发射半导体激光器二维阵列是光并行处理系统的理想光源,将用于计算机和光神经网络。

(5)激光微细工。借助于Q开关半导体激光器产生的高能量超短光冲,可对集成电路进行切割、打孔等。

(6)激光报警器。半导体激光报警器用途甚广,包括防盗报警、水位报警、车距报警等。

(7)激光打印机。高功率半导体激光器已经用于激光打印机。采用蓝、绿激光能够大大提高打印速度和分辨率。

(8)激光条码扫描器。半导体激光条码扫描器已经广泛用于商品的销售,以及图书和档案的管理。

(9)高清晰度激光电视。不久的将来,没有阴极射线管的半导体激光电视机可以投放市场,它利用红、蓝、绿三色激光,估计其耗电量比现有的电视机低20%。

2、半导体激光器在材料加工上的应用

半导体激光器在材料加工上多用于材料的切割和电路板的加工。由于激光器的高稳定性和高效能,从而使得其可以轻易的对工业材料进行精确的切割,并且在高频电路板的加工上,低波长的紫外激光也有不错的应用。

(1)光纤激光器和固体激光器的泵浦源

目前,半导体激光器的最大应用是作为光纤激光器和固体激光器的泵浦源。作为光纤激光器泵源的半导体激光器,提高单元功率能够从根本上简化泵浦系统的结构或提高泵浦功率水平。随着光纤激光器和固体激光器输出功率越来越高,对半导体泵浦源的功率也提出了更高的要求。

(2)金属切割

由于光束质量的限制,传统半导体激光器难以直接用于金属切割。近年来,随着半导体耦合技术的提高以及新型合束技术的逐渐成熟,部分千瓦级以上的光纤输出的半导体激光器可以满足切割对光束质量的要求。另外,由于半导体激光器波长的多样性,短波长的半导体激光器的波长十分接近铝的波长吸收最大值,在汽车工业中,大功率半导体激光非常适用于车身的铝材的焊接。激光输出功率为2KW至6KW的半导体激光器在汽车工业生产过程中已广泛应用。

(3)塑料焊接

使用中小功率的半导体激光器的激光焊接完善了热塑性塑料焊接的传统方法,例如,通过超声波焊接的方式,可使连接区域在压紧前直接塑化。激光可以实现光穿透式的激光焊接,在连接区域形成均匀的熔体,避免因摩擦产生的起毛现象。半导体激光塑料焊接广泛使用于汽车行业的传感器或塑料箱体的密封焊接,也可应用于木制产品包边或者加工纤维强化的合成材料。

(4)激光熔覆

激光熔覆又称为激光包覆或激光熔敷,是一种表面改性技术,通过在基材表面添加熔覆材料,并利用高能密度的激光束使之与基材表面薄层一起熔凝的方法,在基层表面形成与其为冶金结合的添料熔覆层。半导体激光器可用于熔覆工艺,实现减少粉末与集体材料的混合以及更少的热量输入,进一步提高熔覆工艺的经济效益。

(5)激光锡焊

锡焊是利用低熔点的金属焊料加热熔化后,渗入并充填金属件连接处间隙的焊接方法,焊料常为锡基合金。目前,输出功率为100W的半导体激光器已在锡焊中的推广应用。随着半导体激光器价格的进一步降低、人工成本的不断提高及智能制造、精密制造的推进,预计激光锡焊未来将逐步替换传统的烙铁焊接,得到广泛的应用。

3、半导体激光器在军事上的应用

小功率的半导体激光器由于自身体积小,寿命长且易于调制的特点,被广泛应用与激光制导和激光测距等领域。简单易行,并且取得了不错的效果。现在大功率半导体激光器的发展,也使其与军事领域大放异彩,激光雷达和激光模拟以及深海光通信,都得到了极大的发展。

半导体激光器在军事上的应用主要包括:高能激光武器泵源,大功率半导体激光器合束直接应用;激光制导,使导弹在激光射束中飞行直至摧毁目标,半导体激光制导多用于地-空导弹、空-空导弹、地-地导弹等;激光测距,主要用于反坦克武器以及航空、航天等领域;激光雷达,用于监测目标,对来袭目标精确定位以及对直升飞机和巡航导弹的地形跟踪等。制导和测距等应用以大功率脉冲半导体激光器为主,波长集中在904nm波长附近,近年来基于人眼安全考虑,有向长波长发展的趋势。

半导体激光器产业发展及应用

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半导体激光器产业发展及应用

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