高功率半導體雷射器歷程回顧與產業現狀

2020-11-26 OFweek維科網

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。此外，直接半導體雷射器的總輸出功率也有待提高。

國內外主要半導體雷射器企業

當前國際上從事半導體雷射器的企業有美國的Coherent、nLight、II－VI、Newport、德國TRUMPF、DILAS等。由於國外半導體雷射器研發起步早，產業化早，技術積累更深厚，因此其產品佔據較大市場份額。

我國的半導體雷射器技術早期與國外發展同步，但中途停滯導致幾年導致與國外拉開差距。雖然後期經過努力，在相關科研上已達到了國際領先水平，但直到二十一世紀才開始進行產業化，產業發展明顯滯後。

1999年8月，海特光電成立。隨後山東華光光電（1999.11.）、西安華科光電（2002.9.）、北京凱普林光電（2003.3.）、西安歐益光電（2006.10.）、北京吉泰基業（2007.6.）、西安炬光科技（2009.9.）等專注於半導體雷射器的企業先後崛起，大族雷射、銳科雷射、創鑫雷射等企業也各自將業務拓展至半導體雷射器領域，我國半導體雷射器產業逐漸走向繁榮。

相比半導體雷射器企業開枝散葉，國內從事高功率直接半導體雷射器研發生產的企業則較為稀少。從各家公司官網所公布的產品來看，凱普林、長光華芯、銳科雷射、創鑫雷射均推出915nm的直接半導體雷射系統，具備千瓦級輸出的有銳科雷射（最高4000W）、凱普林（最高3000W）、創鑫雷射（3000W）、長光華芯（1500W），覆蓋波段最廣的則是凱普林（可覆蓋450nm－1550nm）。據了解，凱普林早期的半導體雷射器主要面對海外醫療及雷射製版印刷行業，從2012年開始在工業半導體泵浦源及半導體雷射直接加工領域成為國產替代進口品牌的主力軍，其先進的研發團隊及高額的研發投入為其開拓工業市場提供了堅實的技術保障。

半導體雷射器的市場規模與前景

儘管在工業加工領域，半導體雷射器的覆蓋比例不如光纖雷射器，但對全球雷射器市場而言，半導體雷射器則佔據了主導地位（約佔43％）。全球半導體雷射器市場規模從2012年的35.4億美元增加至2017年的53.1億美元，年複合增長率為8.4％。

隨著技術的不斷發展和突破，半導體雷射器正向發射波長更短、發射功率更大、超小型、長壽命的方向發展，以滿足各種應用的需要，產品種類日益豐富。同時，世界上各主要的工業大國都在進行產業升級，智能化、無人化的工業場景也將為雷射市場帶來更多機會，作為光纖雷射器泵源的半導體雷射器，也將獲得更廣闊的發展空間。

相關焦點

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    回顧這些進展以及帶來的眾多改善，都突出強調了其對於經濟領域許多方面帶來更大、更普遍影響的可能性。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)。
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    本文針對半導體雷射器光譜純度差、光束質量差、大功率工作困難、難於實現腔內調控等缺點，以光泵浦垂直外腔面發射雷射器、微納雷射器和拓撲絕緣體雷射器的研究發展路線為載體，簡要回顧新體制雷射器的發展歷程，並通過研究總結相關器件的技術發展路線，總結了在多學科交叉的技術背景下，實現新物理、新概念以及新技術融合的方法，為我國半導體雷射器產業的發展提出相關建議，以供參考。
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    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。