半导体激光器产业发展及应用分析论文（半导体激光器产业发展及应用分析报告）

1.半导体激光器简介

半导体激光器通常称为激光二极管。由于它们使用半导体材料作为工作物质，因此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、合束装置、激光能量传输光缆、电源系统、控制系统和机械结构组成。激光输出是在电源系统和控制系统的驱动和监控下实现的。半导体激光器常用的工作材料有砷化镓、硫化镉、磷化铟、硫化锌等。根据工作材料不同主要有三种激励方式：电注入、泵浦型和高能电子束激发。

(1)电注入是半导体激光器。一般以GaAS、CdS、InP、ZnS等工作材料为主要材料制成半导体结型二极管。当接受电注入时，沿正向偏压注入的电流会影响激光器。工作物质被激发在节面区域产生受激发射。

Punp激光器一般采用以空穴为载流子或以电子为载流子的锗单晶，晶体中掺杂受主。以半导体单晶）为工作材料，通过其他激光器发出的激光进行泵浦，实现粒子数反转。

(3)高能电子束激励半导体激光器在工作材料的选择上一般与泵浦型激光器相似。他们还使用半导体锗单晶。但值得注意的是，在P型半导体单晶的选择上，高能电子束激发的半导体激光器主要采用PbS。主要是CbS和ZnO。

半导体激光器的种类很多，根据其芯片参数和封装方式有多种分类方法。其中，光纤输出半导体激光器的主要分类方法如下：

图1半导体激光器分类

资料来源：OFweek产业研究院整理

2、半导体激光技术的发展

自1962年世界上第一台半导体激光器发明以来，半导体激光器发生了巨大的变化，极大地促进了其他科学技术的发展。

近年来，应用于信息技术领域的低功率半导体激光器发展迅速。例如用于光纤通信的DFB和动态单模激光二极管，以及广泛应用于光盘加工的可见光波长激光二极管，甚至超短脉冲激光二极管都取得了实质性的创新进展。

小功率激光二极管本身也具有高集成度、高速、可调谐的发展特点。大规模高功率半导体激光器的发展也在加速。

20世纪80年代，独立激光二极管的输出功率已在100mW以上，转换效率达到39%。20世纪90年代，美国人再次将该指标提升到一个新的水平，达到了45%的转换效率。在输出功率方面，也从W级变为了KW级。

目前，在各国研发项目的支持下，半导体激光器的芯片结构、外延生长、器件封装等激光器技术取得了长足进步，单元器件性能也取得了重大突破：光转换效率已经达到70%以上，非常低。光束发散角大，单条连续输出功率超过千瓦，采用碳纳米散热器，较传统半导体条安装技术可使激光器冷却效率提高30%。单管宽度100m的输出功率达到24.6W，大功率连续工作寿命长达数万小时。

高效率、高功率半导体激光器也迅速发展为全固化激光器，赋予LDP固体激光器新的发展机遇和前景。

3、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、工作可靠性高、能耗低、电光转换效率高、易于批量生产、价格低廉等优点。广泛应用于CD激光唱机、光纤通信、光存储器、激光器等领域。打印机等已得到广泛应用，覆盖整个光电领域。

随着技术的不断发展和突破，半导体激光器正朝着更短的发射波长、更高的发射功率、超小尺寸和长寿命的方向发展，以满足各种应用的需求，产品类型也日益丰富。它还广泛应用于激光加工、3D打印、激光雷达、激光测距、军事、医疗和生命科学等领域。此外，高功率直接半导体激光器通过耦合到光纤中进行传输，广泛应用于切割和焊接领域。

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

图-2017年全球半导体激光器市场规模及增速

4、半导体激光器的应用

1、半导体激光器在光电领域的应用

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

(2)光盘存取。半导体激光器已应用于光盘存储器，其最大的优点是可以大量存储声音、文本和图像信息。使用蓝色和绿色激光器可以大大提高光盘的存储密度。

(3)光谱分析。远红外可调谐半导体激光器已用于环境气体分析、空气污染监测、汽车尾气等，在工业上可用于监测气相沉积过程。

(4)光信息处理。半导体激光器已经用于光学信息处理系统。表面发射半导体激光器的二维阵列是并行光学处理系统的理想光源，并将用于计算机和光学神经网络。5）激光微加工。借助调Q半导体激光器产生的高能超短光脉冲，可以对集成电路进行切割和钻孔。

(5)激光报警。半导体激光报警器用途广泛，包括防盗报警器、水位报警器、车距报警器等。

(6)激光打印机。高功率半导体激光器已用于激光打印机。使用蓝色和绿色激光可以大大提高打印速度和分辨率。

(7)激光条码扫描器。半导体激光条码扫描器已广泛应用于商品销售、图书档案管理等领域。

8）高清激光电视。在不久的将来，不带阴极射线管的半导体激光电视可能会投放市场，这种电视使用红、蓝、绿激光，预计比现有电视的功耗减少20%。

2、半导体激光器在材料加工中的应用

半导体激光器在材料加工中多用于材料切割和电路板加工。由于激光器的高稳定性和高效率，可以轻松、精确地切割工业材料，低波长紫外激光器也广泛应用于高频电路板的加工。

(1)光纤激光器和固体激光器的泵浦源

目前，半导体激光器最大的应用是作为光纤激光器和固体激光器的泵浦源。对于用作光纤激光泵浦源的半导体激光器来说，提高单位功率可以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的输出功率越来越高，对半导体泵浦源的功率提出了更高的要求。

(2)金属切削加工

由于光束质量的限制，传统半导体激光器很难直接用于金属切割。近年来，随着半导体耦合技术的提高和新型合束技术的逐渐成熟，一些千瓦级以上级别的光纤输出半导体激光器已经可以满足切割的光束质量要求。另外，由于半导体激光器波长的多样性，短波长半导体激光器的波长非常接近铝的最大吸收波长。在汽车行业中，高功率半导体激光器非常适合焊接车身上的铝材料。激光输出功率为2KW至6KW的半导体激光器已广泛应用于汽车工业的生产过程中。

(3)塑料焊接

使用低功率和中功率半导体激光器的激光焊接补充了焊接热塑性塑料的传统方法，例如通过超声波焊接，这使得接合区域可以在压制之前直接塑化。激光可实现透光激光焊接，在连接区域形成均匀的熔体，避免因摩擦而产生的起毛现象。半导体激光塑料焊接广泛应用于汽车行业，用于传感器或塑料盒的密封焊接。它还可用于木制品的磨边或加工纤维增强合成材料。

(4)激光熔覆

激光熔覆又称激光熔覆或激光熔覆，是一种在基体表面添加熔覆材料并利用高能量密度激光束将其与基体表面形成薄层熔合的表面改性技术。该方法形成冶金结合到基材表面的附加熔覆层。在熔覆工艺中可以采用半导体激光器，减少粉末与集体材料的混合，减少热输入，进一步提高熔覆工艺的经济效益。

(5)激光焊接

钎焊是利用低熔点金属焊料加热熔化，然后渗透并填充金属零件接合处间隙的焊接方法。焊料通常是锡基合金。目前，输出功率为100W的半导体激光器已广泛应用于焊接领域。随着半导体激光器价格的进一步降低、劳动力成本的不断增加以及智能化、精密制造的进步，预计未来激光焊接将逐步取代传统烙铁焊接并得到广泛应用。

3、半导体激光器的军事应用

低功率半导体激光器因其体积小、寿命长、易于调制而广泛应用于激光制导、激光测距等领域。这很容易做到，并且效果很好。如今，高功率半导体激光器的发展也使其在军事领域大放异彩。激光雷达、激光模拟、深海光通信等都得到了长足的发展。

半导体激光器的军事应用主要包括：高能激光武器泵浦源、高功率半导体激光合束的直接应用；激光制导，允许导弹在激光束中飞行，直到目标被摧毁。半导体激光制导多用于地空导弹、空对空导弹、地对地导弹等；激光测距，主要应用于反坦克武器和航空、航天等领域；激光雷达，用于监视目标、精确定位来袭目标、探测直升机和巡航导弹地形跟踪等。制导和测距等应用以高功率脉冲半导体激光器为主，波长集中在904nm左右。近年来，基于人眼安全的考虑，出现了更长波长的趋势。