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半导体激光器产业发展及应用分析

导读: 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。

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

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