激光技術(shù)已成為現(xiàn)代生活中不可替代的技術(shù)之一，不論是工業(yè)加工、醫(yī)療美容、光纖通信，還是近年來(lái)火熱的無(wú)人駕駛、智能機(jī)器人等，都與激光技術(shù)息息相關(guān)。今天我們主角是半導(dǎo)體激光器，將帶大家一起回顧它的發(fā)展歷程及產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀。

    半導(dǎo)體激光器發(fā)展史

     從理論發(fā)展到實(shí)驗(yàn)室研制

     激光的起源可以追溯到1916年愛因斯坦發(fā)布的《關(guān)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(fā)展提供了理論基礎(chǔ)。40年后，關(guān)于能否用半導(dǎo)體材料形成激光的話題開始被物理學(xué)家注意，艾格瀚等科學(xué)家提出了許多半導(dǎo)體激光器的設(shè)想及可能。

     經(jīng)過(guò)幾年的論證與實(shí)驗(yàn)，同質(zhì)結(jié)GaAs半導(dǎo)體激光器于1962問(wèn)世。但由于同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的臨界電流密度很高，不能在室溫下實(shí)現(xiàn)連續(xù)受激激發(fā)，導(dǎo)致其幾乎沒(méi)有任何實(shí)用性。因此半導(dǎo)體激光器的研究方向指向了“實(shí)現(xiàn)室溫情況下連續(xù)受激激發(fā)”。

     為解決臨界電流密度高的問(wèn)題，科學(xué)家們提出了異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器的概念，通過(guò)用不同帶隙的半導(dǎo)體材料薄層組成“結(jié)”，有效地降低了臨界電流密度。1967年，單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器問(wèn)世。與同質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器相比，單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器臨界電流密度有了大幅度的下降，但仍處在一個(gè)較高的位置，未能實(shí)現(xiàn)室溫條件下的連續(xù)受激激發(fā)的研究目標(biāo)。盡管如此，單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的歷史地位也不容輕視，它所使用的異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)與液相外延技術(shù)，為接下來(lái)的研究提供了重要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支持。

     穩(wěn)定激發(fā)、提高壽命，半導(dǎo)體激光器走向?qū)嶋H應(yīng)用

     異質(zhì)結(jié)構(gòu)的成功運(yùn)用為科學(xué)家指明了方向。既然單異質(zhì)結(jié)半導(dǎo)體激光器的臨界電流密度仍然偏高，那么雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)效果怎么樣呢？

     1969年9月，Leningrad Ioffe研究所發(fā)布了雙異質(zhì)半導(dǎo)體激光器（AlxGa1－xAs－－GaAs）初步的研究成果。1970年初，貝爾實(shí)驗(yàn)室成功降低了雙異質(zhì)半導(dǎo)體激光器的臨界電流密度， 實(shí)現(xiàn)了室溫條件下的連續(xù)受激激發(fā)，宣告雙異質(zhì)半導(dǎo)體激光器面世。同年5月，Leningrad Ioffe研究所也成功實(shí)現(xiàn)雙異質(zhì)半導(dǎo)體激光器在室溫下的連續(xù)受激發(fā)射。

     室溫下連續(xù)受激發(fā)射是激光器走向?qū)嵱眯缘牡谝徊健＝鉀Q了室溫下可用，就該考慮室溫下耐用的問(wèn)題了，半導(dǎo)體激光器的研究方向也隨之轉(zhuǎn)向“實(shí)現(xiàn)器件的長(zhǎng)壽命與穩(wěn)定性”。

     國(guó)際科研人員通過(guò)不斷改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)，逐步提高了半導(dǎo)體激光器的工作壽命，在1977年實(shí)現(xiàn)了雙異質(zhì)短波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器連續(xù)工作1×106個(gè)小時(shí)。此后，美、日等國(guó)就改進(jìn)器件結(jié)構(gòu)、提高器件穩(wěn)定性、降低損耗等方面展開研究，研制出CDH、BH、TJS、CDH等結(jié)構(gòu)的AlGaAs—GaAs激光器，均實(shí)現(xiàn)了溫室下連續(xù)受激激發(fā)及單模化工作。

     長(zhǎng)壽命光源的出現(xiàn)，為半導(dǎo)體激光器走向?qū)嶋H應(yīng)用鋪平了道路。研究人員發(fā)現(xiàn)，半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)與光纖十分相配，非常適宜用于光纖通信，因此半導(dǎo)體激光器搭上了光纖通信的發(fā)展列車，在不斷進(jìn)步的同時(shí)也推動(dòng)著光通信行業(yè)的發(fā)展。

     光纖通信時(shí)代的半導(dǎo)體激光器

     1977年，雙異質(zhì)短波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器的連續(xù)工作壽命達(dá)到了1×106個(gè)小時(shí)，同年5月，以此為光源的第一代光纖通信系統(tǒng)在美國(guó)正式投入使用。隨著光通信對(duì)信息傳輸大容量、長(zhǎng)中繼的發(fā)展需求，長(zhǎng)波長(zhǎng)、長(zhǎng)壽命半導(dǎo)體激光器的研制工作也隨之展開。

     1979年，第二代光纖通信系統(tǒng)時(shí)代的來(lái)臨，更寬的波長(zhǎng)范圍對(duì)半導(dǎo)體激光器提出了更高的要求。早在1976年，林肯實(shí)驗(yàn)室成功就研制出了能在室溫下連續(xù)工作的InGaAsP 激光器（波長(zhǎng)為1.1μm）。1977和1979年，美籍華裔科學(xué)家謝肇鑫采用液相外延的方法，在室溫條件下分別實(shí)現(xiàn)1.3μm和1.55μm的InGaAsP激光器的連續(xù)受激激發(fā)。InGaAsP激光器很好地契合了第二代光纖通信系統(tǒng)損耗窗口的波長(zhǎng)范圍，長(zhǎng)波長(zhǎng)、長(zhǎng)壽命的半導(dǎo)體激光器也由此成為國(guó)際上著重關(guān)注的研制對(duì)象。到1988年，InGaAsP激光器的連續(xù)工作壽命達(dá)到了1×105小時(shí)，輸出功率大為提升，同時(shí)臨界電流密度也再次降低。

     隨著行業(yè)的發(fā)展，第二代光纖通信系統(tǒng)已經(jīng)無(wú)法滿足高速發(fā)展的通訊需求，長(zhǎng)距離、大容量成為光纖通信行業(yè)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(fā)射的模式，因此單模模式的長(zhǎng)波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器成了第三代光纖通信系統(tǒng)的研究重點(diǎn)。

     為了縮窄半導(dǎo)體激光器的線寬，科學(xué)家將光柵技術(shù)引入到半導(dǎo)體激光器的制造中，制造出DFB（無(wú)腔面分布反饋）半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)較寬的波長(zhǎng)調(diào)諧范圍。這使得 DFB半導(dǎo)體激光器能夠?qū)崿F(xiàn)單縱模發(fā)射，大大提升了光纖通信的傳輸容量。80年代末期，DFB半導(dǎo)體激光器取得一定的成果，大大推動(dòng)了第三代光纖通信系統(tǒng)的發(fā)展。

     高功率半導(dǎo)體激光器蓬勃發(fā)展

     隨著量子理論的發(fā)展和科學(xué)家們對(duì)半導(dǎo)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(dǎo)體上實(shí)現(xiàn)了超晶體結(jié)構(gòu)。1975年，科學(xué)家利用分子束外延技術(shù)成功研制出第一臺(tái)GaAlAs－GaAs類材料的量子阱激光器。但由于技術(shù)不夠完善，首臺(tái)量子阱激光器未能在室溫條件下實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定振蕩。隨著分子束外延技術(shù)不斷完善改進(jìn)，1982年美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室成功研制出臨界電流密度為160A/cm2的半導(dǎo)體量子阱激光器，開啟了量子阱激光器研究的帷幕。

     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(yīng)變量子阱的概念被提出，優(yōu)化了材料內(nèi)部的價(jià)帶特性，改良了半導(dǎo)體發(fā)光器件的性能。1997年，高功率、長(zhǎng)波長(zhǎng)單量子阱激光器成功研制，大功率半導(dǎo)體激光器的實(shí)用性得以加強(qiáng)，應(yīng)用領(lǐng)域大為拓展，半導(dǎo)體激光器迎來(lái)蓬勃發(fā)展。

     我國(guó)半導(dǎo)體激光器研究歷程

     我國(guó)激光技術(shù)的起步稍晚于國(guó)外。在霍爾實(shí)驗(yàn)室研制出半導(dǎo)體激光器一年后，中科院半導(dǎo)體所的王守武小組和長(zhǎng)春光機(jī)所的王乃弘小組先后觀察到砷化鎵二極管的受激成功現(xiàn)象，開啟了中國(guó)研究半導(dǎo)體激光器的時(shí)代。在特殊時(shí)期，我國(guó)的科研進(jìn)展受到一定的阻礙，半導(dǎo)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(dǎo)體所依然克服重重困難，于1970研制出單異質(zhì)結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體激光器。

     困難時(shí)期結(jié)束后，我國(guó)半導(dǎo)體激光器的研發(fā)駛?cè)肟燔嚨溃B續(xù)實(shí)現(xiàn)較多突破，到1999年已實(shí)現(xiàn)120mW大功率半導(dǎo)體激光器壽命超越10萬(wàn)小時(shí)。千禧年之后，我國(guó)半導(dǎo)體激光器的研究工作連續(xù)取得突破，相關(guān)企業(yè)也逐漸增多，半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)化之路愈發(fā)通暢。

     高功率半導(dǎo)體激光器工業(yè)應(yīng)用

     常見激光器特點(diǎn)對(duì)比

     按工作介質(zhì)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(dǎo)體激光器、光纖激光器和自由電子激光器6種。接下來(lái)介紹幾種相對(duì)常見的激光器，對(duì)比他們與半導(dǎo)體激光器的區(qū)別。

     從表中對(duì)比可見，在適用于工業(yè)加工的激光器中，半導(dǎo)體激光器具有光電效率高，價(jià)格低，壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用來(lái)說(shuō)極具競(jìng)爭(zhēng)力。但當(dāng)前半導(dǎo)體激光器尚未能達(dá)到光纖激光器、CO2激光器的光束質(zhì)量，在部分應(yīng)用領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)力不足。那么半導(dǎo)體激光器在工業(yè)加工上的具體表現(xiàn)怎么樣呢？

     半導(dǎo)體激光器應(yīng)用特點(diǎn)

     由于半導(dǎo)體激光器具有制造簡(jiǎn)單、易量產(chǎn)、成本低、波長(zhǎng)覆蓋范圍廣、體積小、壽命長(zhǎng)、能耗低、電光轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)點(diǎn)，在CD激光唱片機(jī)、光纖通信、光存儲(chǔ)器、激光打印機(jī)等獲得廣泛應(yīng)用，逐漸覆蓋了各個(gè)光電子學(xué)領(lǐng)域的實(shí)用市場(chǎng)。

     雙異質(zhì)短波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器可作為激光光纖通信、大氣通信系統(tǒng)的光源，與光通信、光儲(chǔ)存、光信息處理、光交互等領(lǐng)域有著密切的聯(lián)系。量子阱大功率半導(dǎo)體激光器則面向精密機(jī)械加工、印刷業(yè)、醫(yī)療領(lǐng)域及固體泵浦源領(lǐng)域等等。GaN基半導(dǎo)體激光器由于其廣闊的波長(zhǎng)范圍，使其在生物醫(yī)療技術(shù)、水下通信及運(yùn)輸、光儲(chǔ)存等領(lǐng)域具有相當(dāng)大的實(shí)用價(jià)值。此外，通過(guò)將激光耦合進(jìn)光纖進(jìn)行傳輸，大功率直接半導(dǎo)體激光器在切割和焊接領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

     直接半導(dǎo)體（DDL）激光器

     在工業(yè)加工領(lǐng)域，光纖激光器是當(dāng)前的主力軍，市場(chǎng)份額約占50％，而半導(dǎo)體激光器僅占不到20％。但DDL激光器因更高的光電轉(zhuǎn)化效率而被寄予厚望，近年來(lái)增長(zhǎng)勢(shì)頭旺盛，未來(lái)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(yīng)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(zhuǎn)換效率更高（普遍可達(dá)50％，最高可達(dá)到70％），也更為節(jié)能。

     對(duì)半導(dǎo)體激光器而言，由于其體積較小，單個(gè)半導(dǎo)體激光器難以實(shí)現(xiàn)大功率輸出。因此大功率半導(dǎo)體激光器需要進(jìn)行多層疊加，這對(duì)光束質(zhì)量有較大影響。隨著半導(dǎo)體耦合技術(shù)的提高以及新型合束技術(shù)的逐漸成熟，將多層疊加的半導(dǎo)體激光器跟光纖進(jìn)行耦合后，一定程度上改善了光束質(zhì)量并實(shí)現(xiàn)了柔性傳輸，部分千瓦級(jí)以上光纖輸出的半導(dǎo)體激光器已可以滿足薄板切割對(duì)光束質(zhì)量的要求。

     總而言之，DDL激光器的光束質(zhì)量尚無(wú)法比肩光纖激光器，雖在熔覆、焊接應(yīng)用上逐步推廣，但尚未能完全滿足大多數(shù)切割應(yīng)用對(duì)質(zhì)量的要求。此外，直接半導(dǎo)體激光器的總輸出功率也有待提高。

     國(guó)內(nèi)外主要半導(dǎo)體激光器企業(yè)

     當(dāng)前國(guó)際上從事半導(dǎo)體激光器的企業(yè)有美國(guó)的Coherent、nLight、II－VI、Newport、德國(guó)TRUMPF、DILAS等。由于國(guó)外半導(dǎo)體激光器研發(fā)起步早，產(chǎn)業(yè)化早，技術(shù)積累更深厚，因此其產(chǎn)品占據(jù)較大市場(chǎng)份額。

     我國(guó)的半導(dǎo)體激光器技術(shù)早期與國(guó)外發(fā)展同步，但中途停滯導(dǎo)致幾年導(dǎo)致與國(guó)外拉開差距。雖然后期經(jīng)過(guò)努力，在相關(guān)科研上已達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，但直到二十一世紀(jì)才開始進(jìn)行產(chǎn)業(yè)化，產(chǎn)業(yè)發(fā)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(yè)（2007.6.）、西安炬光科技（2009.9.）等專注于半導(dǎo)體激光器的企業(yè)先后崛起，大族激光、銳科激光、創(chuàng)鑫激光等企業(yè)也各自將業(yè)務(wù)拓展至半導(dǎo)體激光器領(lǐng)域，我國(guó)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)業(yè)逐漸走向繁榮。

     相比半導(dǎo)體激光器企業(yè)開枝散葉，國(guó)內(nèi)從事高功率直接半導(dǎo)體激光器研發(fā)生產(chǎn)的企業(yè)則較為稀少。從各家公司官網(wǎng)所公布的產(chǎn)品來(lái)看，凱普林、長(zhǎng)光華芯、銳科激光、創(chuàng)鑫激光均推出915nm的直接半導(dǎo)體激光系統(tǒng)，具備千瓦級(jí)輸出的有銳科激光（最高4000W）、凱普林（最高3000W）、創(chuàng)鑫激光（3000W）、長(zhǎng)光華芯（1500W），覆蓋波段最廣的則是凱普林（可覆蓋450nm－1550nm）。據(jù)了解，凱普林早期的半導(dǎo)體激光器主要面對(duì)海外醫(yī)療及激光制版印刷行業(yè)，從2012年開始在工業(yè)半導(dǎo)體泵浦源及半導(dǎo)體激光直接加工領(lǐng)域成為國(guó)產(chǎn)替代進(jìn)口品牌的主力軍，其先進(jìn)的研發(fā)團(tuán)隊(duì)及高額的研發(fā)投入為其開拓工業(yè)市場(chǎng)提供了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。

     半導(dǎo)體激光器的市場(chǎng)規(guī)模與前景

     盡管在工業(yè)加工領(lǐng)域，半導(dǎo)體激光器的覆蓋比例不如光纖激光器，但對(duì)全球激光器市場(chǎng)而言，半導(dǎo)體激光器則占據(jù)了主導(dǎo)地位（約占43％）。全球半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)規(guī)模從2012年的35.4億美元增加至2017年的53.1億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為8.4％。

     隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和突破，半導(dǎo)體激光器正向發(fā)射波長(zhǎng)更短、發(fā)射功率更大、超小型、長(zhǎng)壽命的方向發(fā)展，以滿足各種應(yīng)用的需要，產(chǎn)品種類日益豐富。同時(shí)，世界上各主要的工業(yè)大國(guó)都在進(jìn)行產(chǎn)業(yè)升級(jí)，智能化、無(wú)人化的工業(yè)場(chǎng)景也將為激光市場(chǎng)帶來(lái)更多機(jī)會(huì)，作為光纖激光器泵源的半導(dǎo)體激光器，也將獲得更廣闊的發(fā)展空間。

  目前，半導(dǎo)體大功率激光器在工作應(yīng)用領(lǐng)域一直有著穩(wěn)定的市場(chǎng)，相對(duì)于光纖激光器，特殊行業(yè)依然依賴于大功率的半導(dǎo)體激光技術(shù)。