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高功率半導體激光器歷程回顧與產業現狀(附圖)

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高功率半導體激光器歷程回顧與產業現狀(附圖)

分類:
行業新聞
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2019-03-83 08:00
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【摘要】:
激光技術已成為現代生活中不可替代的技術之一,不論是工業加工、醫療美容、光纖通信,還是近年來火熱的無人駕駛、智能機器人等,都與激光技術息息相關。今天我們主角是半導體激光器,小編將帶大家一起回顧它的發展歷程及產業現狀。  半導體激光器發展史  從理論發展到實驗室研制  激光的起源可以追溯到1916年愛因斯坦發布的《關于輻射的量子理論》一文。愛因斯坦首次提出受激輻射理論,為日后激光的發展提供了理論基礎。

激光技術已成為現代生活中不可替代的技術之一,不論是工業加工、醫療美容、光纖通信,還是近年來火熱的無人駕駛、智能機器人等,都與激光技術息息相關。今天我們主角是半導體激光器,小編將帶大家一起回顧它的發展歷程及產業現狀。

  半導體激光器發展史

  從理論發展到實驗室研制

  激光的起源可以追溯到1916年愛因斯坦發布的《關于輻射的量子理論》 一文。愛因斯坦首次提出受激輻射理論,為日后激光的發展提供了理論基礎。40年后,關于能否用半導體材料形成激光的話題開始被物理學家注意,艾格瀚等科學家提出了許多半導體激光器的設想及可能。

  

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  經過幾年的論證與實驗,同質結GaAs半導體激光器于1962問世。但由于同質結半導體激光器的臨界電流密度很高,不能在室溫下實現連續受激激發,導致其幾乎沒有任何實用性。因此半導體激光器的研究方向指向了“實現室溫情況下連續受激激發”。

  為解決臨界電流密度高的問題,科學家們提出了異質結構半導體激光器的概念,通過用不同帶隙的半導體材料薄層組成“結”,有效地降低了臨界電流密度。1967年,單異質結半導體激光器問世。與同質結半導體激光器相比,單異質結半導體激光器臨界電流密度有了大幅度的下降,但仍處在一個較高的位置,未能實現室溫條件下的連續受激激發的研究目標。盡管如此,單異質結半導體激光器的歷史地位也不容輕視,它所使用的異質結結構與液相外延技術,為接下來的研究提供了重要的理論基礎和技術支持。

  穩定激發、提高壽命,半導體激光器走向實際應用

  異質結構的成功運用為科學家指明了方向。既然單異質結半導體激光器的臨界電流密度仍然偏高,那么雙異質結構效果怎么樣呢?

  

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  1969年9月,Leningrad Ioffe研究所發布了雙異質半導體激光器(AlxGa1-xAs--GaAs)初步的研究成果。1970年初,貝爾實驗室成功降低了雙異質半導體激光器的臨界電流密度, 實現了室溫條件下的連續受激激發,宣告雙異質半導體激光器面世。同年5月,Leningrad Ioffe研究所也成功實現雙異質半導體激光器在室溫下的連續受激發射。

  室溫下連續受激發射是激光器走向實用性的第一步。解決了室溫下可用,就該考慮室溫下耐用的問題了,半導體激光器的研究方向也隨之轉向“實現器件的長壽命與穩定性”。

  國際科研人員通過不斷改進器件結構,逐步提高了半導體激光器的工作壽命,在1977年實現了雙異質短波長半導體激光器連續工作1×106個小時。此后,美、日等國就改進器件結構、提高器件穩定性、降低損耗等方面展開研究,研制出CDH、BH、TJS、CDH等結構的AlGaAs—GaAs激光器,均實現了溫室下連續受激激發及單模化工作。

  長壽命光源的出現,為半導體激光器走向實際應用鋪平了道路。研究人員發現,半導體激光器的波長與光纖十分相配,非常適宜用于光纖通信,因此半導體激光器搭上了光纖通信的發展列車,在不斷進步的同時也推動著光通信行業的發展。

  光纖通信時代的半導體激光器

  1977年,雙異質短波長半導體激光器的連續工作壽命達到了1×106個小時,同年5月,以此為光源的第一代光纖通信系統在美國正式投入使用。隨著光通信對信息傳輸大容量、長中繼的發展需求,長波長、長壽命半導體激光器的研制工作也隨之展開。

  

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  1979年,第二代光纖通信系統時代的來臨,更寬的波長范圍對半導體激光器提出了更高的要求。早在1976年,林肯實驗室成功就研制出了能在室溫下連續工作的InGaAsP 激光器(波長為1.1μm)。1977和1979年,美籍華裔科學家謝肇鑫采用液相外延的方法,在室溫條件下分別實現1.3μm和1.55μm的InGaAsP激光器的連續受激激發。InGaAsP激光器很好地契合了第二代光纖通信系統損耗窗口的波長范圍,長波長、長壽命的半導體激光器也由此成為國際上著重關注的研制對象。到1988年,InGaAsP激光器的連續工作壽命達到了1×105小時,輸出功率大為提升,同時臨界電流密度也再次降低。

  隨著行業的發展,第二代光纖通信系統已經無法滿足高速發展的通訊需求,長距離、大容量成為光纖通信行業新的方向。此前光纖通信的容量主要受限于激光器多縱模發射的模式,因此單模模式的長波長半導體激光器成了第三代光纖通信系統的研究重點。

  為了縮窄半導體激光器的線寬,科學家將光柵技術引入到半導體激光器的制造中,制造出DFB(無腔面分布反饋)半導體激光器。這類激光器線寬非常窄,接近于單色波激光,此外還可以實現較寬的波長調諧范圍。這使得 DFB半導體激光器能夠實現單縱模發射,大大提升了光纖通信的傳輸容量。80年代末期,DFB半導體激光器取得一定的成果,大大推動了第三代光纖通信系統的發展。

  高功率半導體激光器蓬勃發展

  隨著量子理論的發展和科學家們對半導體激光器研究的不斷深入,1970年便有人提出了超晶格量子阱的概念,并在GaAs半導體上實現了超晶體結構。1975年,科學家利用分子束外延技術成功研制出第一臺GaAlAs-GaAs類材料的量子阱激光器。但由于技術不夠完善,首臺量子阱激光器未能在室溫條件下實現連續穩定振蕩。隨著分子束外延技術不斷完善改進,1982年美國貝爾實驗室成功研制出臨界電流密度為160A/cm2的半導體量子阱激光器,開啟了量子阱激光器研究的帷幕。

  

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  此后,量子阱激光器的研究方向主要集中于InGaAlP—GaAs、GaAlAs—GaAs和InGaAsP—InP這三類材料上。1986年,應變量子阱的概念被提出,優化了材料內部的價帶特性,改良了半導體發光器件的性能。1997年,高功率、長波長單量子阱激光器成功研制,大功率半導體激光器的實用性得以加強,應用領域大為拓展,半導體激光器迎來蓬勃發展。

  我國半導體激光器研究歷程

  我國激光技術的起步稍晚于國外。在霍爾實驗室研制出半導體激光器一年后,中科院半導體所的王守武小組和長春光機所的王乃弘小組先后觀察到砷化鎵二極管的受激成功現象,開啟了中國研究半導體激光器的時代。在特殊時期,我國的科研進展受到一定的阻礙,半導體激光器的研究也一度停滯不前。但在這樣的情況下,上光所和半導體所依然克服重重困難,于1970研制出單異質結構半導體激光器。

  

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  困難時期結束后,我國半導體激光器的研發駛入快車道,連續實現較多突破,到1999年已實現120mW大功率半導體激光器壽命超越10萬小時。千禧年之后,我國半導體激光器的研究工作連續取得突破,相關企業也逐漸增多,半導體激光器產業化之路愈發通暢。

  高功率半導體激光器工業應用

  常見激光器特點對比

  按工作介質不同,通常將激光器分為固體激光器、氣體激光器、染料激光器、半導體激光器、光纖激光器和自由電子激光器6種。接下來介紹幾種相對常見的激光器,對比他們與半導體激光器的區別。

  

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  從表中對比可見,在適用于工業加工的激光器中,半導體激光器具有光電效率高,價格低,壽命長的優點,這些優點對產業化應用來說極具競爭力。但當前半導體激光器尚未能達到光纖激光器、CO2激光器的光束質量,在部分應用領域競爭力不足。那么半導體激光器在工業加工上的具體表現怎么樣呢?

  半導體激光器應用特點

  由于半導體激光器具有制造簡單、易量產、成本低、波長覆蓋范圍廣、體積小、壽命長、能耗低、電光轉換效率高等優點,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用,逐漸覆蓋了各個光電子學領域的實用市場。

  雙異質短波長半導體激光器可作為激光光纖通信、大氣通信系統的光源,與光通信、光儲存、光信息處理、光交互等領域有著密切的聯系。量子阱大功率半導體激光器則面向精密機械加工、印刷業、醫療領域及固體泵浦源領域等等。GaN基半導體激光器由于其廣闊的波長范圍,使其在生物醫療技術、水下通信及運輸、光儲存等領域具有相當大的實用價值。此外,通過將激光耦合進光纖進行傳輸,大功率直接半導體激光器在切割和焊接領域得到了廣泛應用。

  直接半導體(DDL)激光器

  在工業加工領域,光纖激光器是當前的主力軍,市場份額約占50%,而半導體激光器僅占不到20%。但DDL激光器因更高的光電轉化效率而被寄予厚望,近年來增長勢頭旺盛,未來有望占有更大的份額。與光纖激光器相比,DDL激光器直接作為輸出光源應用于加工材料,減去了作為中間泵浦源的電能損耗,因此光電轉換效率更高(普遍可達50%,最高可達到70%),也更為節能。

  

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  半導體激光焊接效果

  圖片來自:凱普林光電官網

  對半導體激光器而言,由于其體積較小,單個半導體激光器難以實現大功率輸出。因此大功率半導體激光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激光器跟光纖進行耦合后,一定程度上改善了光束質量并實現了柔性傳輸,部分千瓦級以上光纖輸出的半導體激光器已可以滿足薄板切割對光束質量的要求。

  總而言之,DDL激光器的光束質量尚無法比肩光纖激光器,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,直接半導體激光器的總輸出功率也有待提高。

  國內外主要半導體激光器企業

  當前國際上從事半導體激光器的企業有美國的Coherent、nLight、II-VI、Newport、德國TRUMPF、DILAS等。由于國外半導體激光器研發起步早,產業化早,技術積累更深厚,因此其產品占據較大市場份額。

  我國的半導體激光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。雖然后期經過努力,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,產業發展明顯滯后。

  1999年8月,海特光電成立。隨后山東華光光電(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.)等專注于半導體激光器的企業先后崛起,大族激光、銳科激光、創鑫激光等企業也各自將業務拓展至半導體激光器領域,我國半導體激光器產業逐漸走向繁榮。

  相比半導體激光器企業開枝散葉,國內從事高功率直接半導體激光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、銳科激光、創鑫激光均推出915nm的直接半導體激光系統,具備千瓦級輸出的有銳科激光(最高4000W)、凱普林(最高3000W)、創鑫激光(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激光器主要面對海外醫療及激光制版印刷行業,從2012年開始在工業半導體泵浦源及半導體激光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。

  半導體激光器的市場規模與前景

  盡管在工業加工領域,半導體激光器的覆蓋比例不如光纖激光器,但對全球激光器市場而言,半導體激光器則占據了主導地位(約占43%)。全球半導體激光器市場規模從2012年的35.4億美元增加至2017年的53.1億美元,年復合增長率為8.4%。

  

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  隨著技術的不斷發展和突破,半導體激光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激光市場帶來更多機會,作為光纖激光器泵源的半導體激光器,也將獲得更廣闊的發展空間。

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