一、半導(dǎo)體激光器簡介
半導(dǎo)體激光器俗稱激光二極管,因為其用半導(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)動和監(jiān)控下實現(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)主要有三種激勵方式:電注入,pump式和高能電子束激勵。
(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,沿著正向偏壓注入的電流,對工作物質(zhì)進行激勵,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),并通過其他激光器發(fā)出的激光作pump激勵,從而實現(xiàn)種群反演。
(3)高能電子束激勵式半導(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,但值得注意的問題是,在P型半導(dǎo)體單晶的選擇上高能電子束激勵式半導(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
資料來源:OFweek產(chǎn)業(yè)研究院整理
二、半導(dǎo)體激光器技術(shù)發(fā)展情況
自1962年發(fā)明了世界上第一臺半導(dǎo)體激光器以來,半導(dǎo)體激光器發(fā)生了巨大的變化,極大地推動了其他科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。
近年來用于信息技術(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)用的可見光波長的激光二極管,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(zhuǎn)化效率。等到了90年代,美國人又一次將指標(biāo)提高一個新的水平,達到了45%的轉(zhuǎn)化效率,就輸出功率來看,也從W到了KW級的轉(zhuǎn)變。
目前各國在研制項目的支持下,半導(dǎo)體激光器的芯片結(jié)構(gòu)、外延生長和器件封裝等激光器技術(shù)均有了長足發(fā)展,單元器件的性能也實現(xiàn)了重大突破:電光轉(zhuǎn)換效率達70%以上,很低的光束發(fā)散角,單巴條連續(xù)輸出功率超過千瓦,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到24.6W,大功率連續(xù)工作壽命長達數(shù)萬小時。
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)展機遇和前景。
三、半導(dǎo)體激光器市場規(guī)模
半導(dǎo)體激光器具有體積小、重量輕、壽命長、運轉(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)以及價格較低廉等優(yōu)點,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(yīng)用,范圍覆蓋了整個光電子學(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)射波長更短、發(fā)射功率更大、超小型、長壽命的方向發(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、激光測距、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,通過耦合進光纖進行傳輸,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)合增長率為8.4%。
圖表2 2012-2017年全球半導(dǎo)體激光器市場規(guī)模及增長率(單位:億美元)
數(shù)據(jù)來源:OFweek產(chǎn)業(yè)研究院
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)用于光盤存儲器,其最大優(yōu)點是存儲的聲音、文字和圖象信息量很大。采用藍、綠激光能夠大大提高光盤的存儲密。
(3)光譜分析。遠紅外可調(diào)諧半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于環(huán)境氣體分析,監(jiān)測大氣污染、汽車尾氣等。在工業(yè)上可用來監(jiān)測氣相淀積的工藝過程。
(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,將用于計算機和光神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。5)激光微細工。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,可對集成電路進行切割、打孔等。
(5)激光報警器。半導(dǎo)體激光報警器用途甚廣,包括防盜報警、水位報警、車距報警等。
(6)激光打印機。高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)用于激光打印機。采用藍、綠激光能夠大大提高打印速度和分辨率。
(7)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。
8)高清晰度激光電視。不久的將來,沒有陰極射線管的半導(dǎo)體激光電視機可以投放市場,它利用紅、藍、綠三色激光,估計其耗電量比現(xiàn)有的電視機低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工業(yè)材料進行精確的切割,并且在高頻電路板的加工上,低波長的紫外激光也有不錯的應(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越高,對半導(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,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,部分千瓦級以上的光纖輸出的半導(dǎo)體激光器可以滿足切割對光束質(zhì)量的要求。另外,由于半導(dǎo)體激光器波長的多樣性,短波長的半導(dǎo)體激光器的波長十分接近鋁的波長吸收最大值,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,實現(xiàn)減少粉末與集體材料的混合以及更少的熱量輸入,進一步提高熔覆工藝的經(jīng)濟效益。
(5)激光錫焊
錫焊是利用低熔點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)體激光器價格的進一步降低、人工成本的不斷提高及智能制造、精密制造的推進,預(yù)計激光錫焊未來將逐步替換傳統(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,壽命長且易于調(diào)制的特點,被廣泛應(yīng)用與激光制導(dǎo)和激光測距等領(lǐng)域。簡單易行,并且取得了不錯的效果?,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;激光測距,主要用于反坦克武器以及航空、航天等領(lǐng)域;激光雷達,用于監(jiān)測目標(biāo),對來襲目標(biāo)精確定位以及對直升飛機和巡航導(dǎo)彈的地形跟蹤等。制導(dǎo)和測距等應(yīng)用以大功率脈沖半導(dǎo)體激光器為主,波長集中在904nm波長附近,近年來基于人眼安全考慮,有向長波長發(fā)展的趨勢。
半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)發(fā)展及應(yīng)用
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