高功率半導體雷射器的過去與未來

2021-01-15 OFweek維科網

市場和應用

高功率半導體雷射器的發展使得許多重要的應用成為可能。這些雷射器已經取代了許多傳統技術,並實現了全新產品類別。

隨著每十年成本和性能10倍以上的提高,高功率半導體雷射器以不可預知的方式破壞了市場的正常運行。雖然很難準確預測未來的應用情況,但回顧過去三十年的發展歷程,為下一個十年的發展提供框架可能性是非常有意義的(見圖2)。

圖2. 大功率半導體雷射器亮度燃料應用(每瓦亮度標準化成本)

20世紀80年代:光存儲和最初的小眾應用。光存儲是半導體雷射器行業的第一個大型應用。就在霍爾最初展示了紅外半導體雷射器之後不久,通用電氣公司的Nick Holonyak也展示了第一個可見紅光半導體雷射器。二十年後,光碟(CD)被推向市場,隨後就出現了光存儲市場。

半導體雷射器技術的不斷創新帶來了注入數字多功能光碟(DVD)和藍光光碟(BD)等光存儲技術的發展。這是半導體雷射器的第一個大市場,但是通常適度的功率水平將其他應用限制在了相對較小的利基市場,如熱敏列印、醫療應用以及精選的航空和國防應用等。

20世紀90年代:光網絡盛行。在20世紀90年代,半導體雷射器成為通信網絡的關鍵。半導體雷射器被用於通過光纖網絡傳輸信號,但是用於光放大器的較高功率的單模泵浦雷射器對於實現光網絡的規模化以及真正支持網際網路數據的增長是至關重要的。

其帶來的電信行業繁榮影響深遠,以高功率半導體雷射器行業最初的先驅之一的Spectra Diode Labs (SDL)為例。SDL成立於1983年,由美國Newport集團旗下的雷射器品牌Spectra-Physics(光譜物理)和施樂(Xerox)合資組建,1995年上市,市值約1億美元。五年後,SDL在電信業高峰期間以超過400億美元的價格出售給JDSU,這也是歷史上最大的技術收購之一。不久之後,電信業泡沫破滅,摧毀了數萬億美元的資本,現在被視為歷史上最大的泡沫。

2000年代:雷射成為一種工具。雖然電信市場泡沫的破滅極具破壞性,但對大功率半導體雷射器的巨額投資為更廣泛的採用奠定了基礎。隨著性能和成本的提高,這些雷射器在各種各樣的工藝中開始取代傳統的氣體雷射器或其他能量轉換源。

半導體雷射器已經成為廣泛使用的工具。工業應用範圍從傳統的製造工藝(如切割和焊接)到新的先進位造技術(如3D列印金屬部件的增材製造)等。微型製造應用更加多樣化,因為諸如智慧型手機之類的關鍵產品已經通過這些雷射器而實現了商業化。航空航天和國防應用涉及廣泛的關鍵任務應用,未來還可能將包括下一代定向能源系統。

總結

50多年前,摩爾並未提出一個新的物理基本定律,而是對十年前最初研究過的集成電路提出了極大改進。他的預言持續了數十年,並帶來了一系列顛覆性的創新,而這些創新在1965年是不可想像的。

當Hall在50多年前展示半導體雷射器時,就引發了一場技術革命。與摩爾定律一樣,沒有人能夠預測大量創新所實現的高功率半導體雷射器亮度隨後帶來的高速發展。

物理學中並沒有根本的法則來控制這些技術改進,但是持續的技術進展可能會推進雷射器在亮度方面的提升。這種趨勢將會持續取代傳統技術,從而進一步改變事情的發展方式。對經濟增長更為重要的是,高功率半導體雷射器還將促進新事物的誕生。

相關焦點

  • 高功率半導體雷射器歷史介紹
    事實上,隨著高功率半導體雷射器的不斷改進,重要應用的範圍將會加大並對經濟增長帶來深遠影響。1985年,當時最先進的高功率半導體雷射器可以將105毫瓦的功率耦合到105微米的芯徑光纖中。最先進的高功率半導體雷射器現在可以產生超過250瓦、擁有單一波長的105微米光纖 - 每八年增長10倍。   摩爾構思「將更多元件固定在集成電路上」-隨後,每個晶片電晶體的數量每7年增加10倍。巧合的是,高功率半導體雷射器以類似的指數速率將更多的光子融入光纖(見圖1)。
  • 高功率半導體雷射器的波長穩定技術
    1.引言  高功率半導體雷射器系統作為發展成熟的雷射光源,在材料加工和固體雷射器泵浦領域具有廣泛應用。儘管高功率半導體具備轉換效率高、功率高、可靠性強、壽命長、體積小以及成本低等諸多優點,但是光譜亮度相對較差則是一個不容忽視的缺點。
  • 高功率半導體雷射器的波長穩定技術分析
    高功率半導體雷射器系統作為發展成熟的雷射光源,在材料加工和固體雷射器泵浦領域具有廣泛應用。儘管高功率半導體具備轉換效率高、功率高、可靠性強、壽命長、體積小以及成本低等諸多優點,但是光譜亮度相對較差則是一個不容忽視的缺點。
  • 高功率半導體雷射器歷程回顧與產業現狀
    對半導體雷射器而言,由於其體積較小,單個半導體雷射器難以實現大功率輸出。因此大功率半導體雷射器需要進行多層疊加,這對光束質量有較大影響。隨著半導體耦合技術的提高以及新型合束技術的逐漸成熟,將多層疊加的半導體雷射器跟光纖進行耦合後,一定程度上改善了光束質量並實現了柔性傳輸,部分千瓦級以上光纖輸出的半導體雷射器已可以滿足薄板切割對光束質量的要求。總而言之,DDL雷射器的光束質量尚無法比肩光纖雷射器,雖在熔覆、焊接應用上逐步推廣,但尚未能完全滿足大多數切割應用對質量的要求。
  • 相干高功率高亮度的全自動半導體雷射器系統
    相干最新推出的全自動半導體雷射器系統可提供更高的輸出功率和亮度。特別是這種HB半導體雷射器系統可通過200um芯徑、0.22數值孔徑的光纖提供75W 808nm雷射輸出,或者可通過400um芯徑、0.22數值孔徑的光纖提供75W 976nm的輸出。
  • 什麼是半導體雷射器?
    半導體雷射器件,一般可分為同質結、單異質結、雙異質結。同質結雷射器和單異質結雷射器室溫時多為脈衝器件,而雙異質結雷射器室溫時可實現連續工作。半導體雷射器的優點在於體積小、重量輕、運轉可靠、能耗低、效率高、壽命長、高速調製,因此半導體雷射器在雷射通信、光存儲、光陀螺、雷射列印、雷射醫療、雷射測距、雷射雷達、自動控制、檢測儀器等領域得到了廣泛的應用。
  • 半導體所攜IS-3000CB工業用高功率全固態雷射器亮相國家「十一五...
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  • 國內半導體雷射器公司排行
    、財政部委託國投高科技有限公司共同投資的高科技企業,專業從事高功率半導體雷射器研發、技術諮詢、技術轉讓、技術服務、生產、銷售與應用。 炬光科技擁有高功率半導體雷射器封裝結構設計-封裝工藝-測試表徵-光學整形和耦合-系統集成完整的半導體雷射器生產線,年產半導體雷射器十萬件,可為客戶提供高功率、長壽命、大批量、OEM設計的不同功率、不同波段、不同封裝形式的高功率半導體雷射器及其系統,使公司成為了國內外享有盛譽的半導體雷射器及應用產品的研發和製造廠商。
  • 國內唯一研發和量產高功率半導體雷射器晶片?長光華芯或完成C輪融資
    圖片來源:國家企業信用信息公示系統長光華芯官方消息顯示,公司成立於2012年,主要致力於高功率半導體雷射器晶片、高效率半導體雷射雷達3D傳感晶片、高速光通信半導體雷射晶片及相關光電器件和應用系統的研發生產和銷售。目前,已建成從晶片設計、MOCVD(外延)、光刻、解理/鍍膜、封裝測試、光纖耦合等完整的工藝平臺和量產線,是全球少數幾家研發和量產高功率半導體雷射器晶片的公司。
  • 半導體雷射器基礎知識簡介
    半導體雷射器件,一般可分為同質結、單異質結、雙異質結。同質結雷射器和單異質結雷射器室溫時多為脈衝器件,而雙異質結雷射器室溫時可實現連續工作。  半導體雷射器工作原理是:通過一定的激勵方式,在半導體物質的能帶(導帶與價帶)之間,或者半導體物質的能帶與雜質(受主或施主)能級之間,實現非平衡載流子的粒子數反轉,當處於粒子數反轉狀態的大量電子與空穴複合時便產生受激發射作用。半導體雷射器的激勵方式主要有三種:電注入式、電子束激勵式和光泵浦激勵式。
  • 半導體雷射器工作原理及主要參數
    半導體雷射器工作原理是:通過一定的激勵方式,在半導體物質的能帶(導帶與價帶)之間,或者半導體物質的能帶與雜質(受主或施主)能級之間,實現非平衡載流子的粒子數反轉,當處於粒子數反轉狀態的大量電子與空穴複合時便產生受激發射作用。半導體雷射器的激勵方式主要有三種:電注入式、電子束激勵式和光泵浦激勵式。
  • 高功率-反射式體布拉格光柵在雷射器中的應用
    正是由於體布拉格光柵反射鏡(RBG)的優良性能,他現在被廣泛的用於雷射器波長鎖定、橫縱模選取及控制、雷射線寬壓窄及提高雷射器工作溫度範圍的應用領域中。  隨著雷射技術在生活、醫療、軍事、工程方面的應用,高功率雷射器也就越來越受到人們的歡迎。高功率的雷射器自然也就需要擁有更高損傷閾值、更穩定、更精確的光柵。
  • 高功率連續光纖雷射器技術演進及瓶頸!
    在工業加工方面,數百瓦高功率光纖雷射器廣泛用於五金、眼鏡、衛浴及廣告字焊接,數千瓦高功率光纖雷射器在金屬切割、熔覆等方面優勢明顯,幾乎取代了傳統加工手段,2μm 光纖雷射器則在塑料加工、醫療手術等方面有著不可替代的優勢;在軍事方面,國內外基於高功率高亮度的萬瓦級光纖雷射器(雷射武器)成功打靶的報導屢見不鮮。光纖雷射器可分為連續光纖雷射器與脈衝光纖雷射器兩類。
  • 解析半導體雷射器產業現狀與技術流派前景
    2020年美國西部光電展上,凱普林推出了445nm,200W的產品,成為國內高功率藍光半導體雷射器的代表,與laserline等公司同臺競爭。在材料直接加工領域,半導體雷射器光束質量難以超越光纖雷射器,但在薄板焊接、切割應用方面,半導體雷射器卻十分適用。
  • 深度好文:大功率半導體雷射器研究進展!
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  • 單管晶片集成首次實現光纖輸出功率超過4000瓦半導體雷射器
    蘇企自主研發高功率半導體晶片,在國際上首次利用單管晶片集成實現光纖輸出功率超過4000瓦半導體雷射器。來自蘇州高新區長光華芯光電技術有限公司申報的「高功率半導體雷射晶片及應用模塊、系統的研發及產業化」項目榜上有名,其在「一粒米」大小的晶片上能發出超過10瓦的光的晶片研發,走到了世界的前列。  在長光華芯公司大廳裡,筆者看到了擁有中國完全自主智慧財產權、達到國際先進水平的「單管晶片」和「集成巴條」。「單管晶片」體積約一粒米大小,但要比米更細、更薄。
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