高功率半导体激光器历程回顾与产业现状(2)

高功率半导体激光器工业应用

常见激光器特点对比

按工作介质不同，通常将激光器分为固体激光器、气体激光器、染料激光器、半导体激光器、光纤激光器和自由电子激光器6种。接下来介绍几种相对常见的激光器，对比他们与半导体激光器的区别。

从表中对比可见，在适用于工业加工的激光器中，半导体激光器具有光电效率高，价格低，寿命长的优点，这些优点对产业化应用来说极具竞争力。但当前半导体激光器尚未能达到光纤激光器、CO₂激光器的光束质量，在部分应用领域竞争力不足。那么半导体激光器在工业加工上的具体表现怎么样呢？

半导体激光器应用特点

由于半导体激光器具有制造简单、易量产、成本低、波长覆盖范围广、体积小、寿命长、能耗低、电光转换效率高等优点，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，逐渐覆盖了各个光电子学领域的实用市场。

双异质短波长半导体激光器可作为激光光纤通信、大气通信系统的光源，与光通信、光储存、光信息处理、光交互等领域有着密切的联系。量子阱大功率半导体激光器则面向精密机械加工、印刷业、医疗领域及固体泵浦源领域等等。GaN基半导体激光器由于其广阔的波长范围，使其在生物医疗技术、水下通信及运输、光储存等领域具有相当大的实用价值。此外，通过将激光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。

直接半导体（DDL）激光器

在工业加工领域，光纤激光器是当前的主力军，市场份额约占50％，而半导体激光器仅占不到20％。但DDL激光器因更高的光电转化效率而被寄予厚望，近年来增长势头旺盛，未来有望占有更大的份额。与光纤激光器相比，DDL激光器直接作为输出光源应用于加工材料，减去了作为中间泵浦源的电能损耗，因此光电转换效率更高（普遍可达50％，最高可达到70％），也更为节能。

半导体激光焊接效果

图片来自：凯普林光电官网

对半导体激光器而言，由于其体积较小，单个半导体激光器难以实现大功率输出。因此大功率半导体激光器需要进行多层叠加，这对光束质量有较大影响。随着半导体耦合技术的提高以及新型合束技术的逐渐成熟，将多层叠加的半导体激光器跟光纤进行耦合后，一定程度上改善了光束质量并实现了柔性传输，部分千瓦级以上光纤输出的半导体激光器已可以满足薄板切割对光束质量的要求。

总而言之，DDL激光器的光束质量尚无法比肩光纤激光器，虽在熔覆、焊接应用上逐步推广，但尚未能完全满足大多数切割应用对质量的要求。此外，直接半导体激光器的总输出功率也有待提高。

国内外主要半导体激光器企业

当前国际上从事半导体激光器的企业有美国的Coherent、nLight、II－VI、Newport、德国TRUMPF、DILAS等。由于国外半导体激光器研发起步早，产业化早，技术积累更深厚，因此其产品占据较大市场份额。

我国的半导体激光器技术早期与国外发展同步，但中途停滞导致几年导致与国外拉开差距。虽然后期经过努力，在相关科研上已达到了国际领先水平，但直到二十一世纪才开始进行产业化，产业发展明显滞后。

1999年8月，海特光电成立。随后山东华光光电（1999.11.）、西安华科光电（2002.9.）、北京凯普林光电（2003.3.）、西安欧益光电（2006.10.）、北京吉泰基业（2007.6.）、西安炬光科技（2009.9.）等专注于半导体激光器的企业先后崛起，大族激光、锐科激光、创鑫激光等企业也各自将业务拓展至半导体激光器领域，我国半导体激光器产业逐渐走向繁荣。

相比半导体激光器企业开枝散叶，国内从事高功率直接半导体激光器研发生产的企业则较为稀少。从各家公司官网所公布的产品来看，凯普林、长光华芯、锐科激光、创鑫激光均推出915nm的直接半导体激光系统，具备千瓦级输出的有锐科激光（最高4000W）、凯普林（最高3000W）、创鑫激光（3000W）、长光华芯（1500W），覆盖波段最广的则是凯普林（可覆盖450nm－1550nm）。据了解，凯普林早期的半导体激光器主要面对海外医疗及激光制版印刷行业，从2012年开始在工业半导体泵浦源及半导体激光直接加工领域成为国产替代进口品牌的主力军，其先进的研发团队及高额的研发投入为其开拓工业市场提供了坚实的技术保障。

半导体激光器的市场规模与前景

尽管在工业加工领域，半导体激光器的覆盖比例不如光纤激光器，但对全球激光器市场而言，半导体激光器则占据了主导地位（约占43％）。全球半导体激光器市场规模从2012年的35.4亿美元增加至2017年的53.1亿美元，年复合增长率为8.4％。