文稿/本刊Nick Xu

關(guān)注激光行業(yè)的人都知道，光纖激光器是時(shí)下最熱門的激光器。然而你是否知道，光纖激光器其實(shí)是靠半導(dǎo)體激光來(lái)作為泵浦源的？

甘當(dāng)綠葉——為何半導(dǎo)體激光器很多時(shí)候只是配角？

一直以來(lái)，大部分半導(dǎo)體激光器都用于泵浦摻雜晶體（二極管泵浦固態(tài)激光器）或摻雜光纖（光纖激光器）。為什么過(guò)去半導(dǎo)體激光會(huì)被用來(lái)作為固態(tài)激光器和光纖激光器的泵浦源，而不是直接用于廣泛的應(yīng)用呢？這是因?yàn)椋?/span>雖然半導(dǎo)體激光器提供高效、小型、低成本的激光能源，但同時(shí)半導(dǎo)體激光器也存在兩個(gè)主要限制：它們不存儲(chǔ)能量，而且亮度有限。基本上許多應(yīng)用需要用到兩個(gè)激光器; 一個(gè)用于將電轉(zhuǎn)換為激光發(fā)射，另一個(gè)用于提高激光發(fā)射的亮度。

在解決提高亮度方面的問(wèn)題時(shí)，光纖激光器是一個(gè)非常理想的解決方案，光纖激光器提供了一種經(jīng)濟(jì)有效的方式來(lái)轉(zhuǎn)換高功率半導(dǎo)體激光器的亮度。雖然波長(zhǎng)多路復(fù)用光學(xué)器件可以將相對(duì)低亮度的半導(dǎo)體激光器轉(zhuǎn)換為更亮的半導(dǎo)體激光器，但這是以增加光譜寬度和光機(jī)械復(fù)雜性為代價(jià)的。而且事實(shí)證明，光纖激光器在亮度轉(zhuǎn)換方面特別有效。

半導(dǎo)體激光器的發(fā)展

半導(dǎo)體激光器應(yīng)用的不斷拓寬與其亮度的提升有著直接的聯(lián)系。早在1985年時(shí)，一臺(tái)當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的高功率半導(dǎo)體激光器僅可以將100 mW的功率耦合到105μm芯徑的光纖中，而現(xiàn)在，最先進(jìn)的高功率半導(dǎo)體激光器可以在單個(gè)波長(zhǎng)的105μm光纖中產(chǎn)生250 W以上的功率——以每八年十倍的指數(shù)增長(zhǎng)。就像摩爾定律一樣—— 摩爾推測(cè)每過(guò)18~24個(gè)月，集成電路能容納的電子元件的數(shù)量將翻一倍，隨后，每個(gè)芯片的晶體管數(shù)量每七年增加了10倍。碰巧的是，高功率半導(dǎo)體激光器已經(jīng)以類似的指數(shù)速率將更多的光子塞進(jìn)光纖中。高功率半導(dǎo)體激光器的卓越性得益于各種不可預(yù)見(jiàn)的技術(shù)進(jìn)步，雖然需要新的創(chuàng)新來(lái)延續(xù)這一趨勢(shì)，但有理由相信半導(dǎo)體激光技術(shù)的創(chuàng)新遠(yuǎn)未消耗殆盡。

半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用和市場(chǎng)

半導(dǎo)體激光器較小的尺寸和外觀使其成為許多應(yīng)用的理想選擇。半導(dǎo)體激光器壽命長(zhǎng)，從成本的角度來(lái)看，半導(dǎo)體激光器是經(jīng)濟(jì)的。此外，半導(dǎo)體激光還具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)轉(zhuǎn)可靠性高、低功耗、電光轉(zhuǎn)換效率高、易于大規(guī)模生產(chǎn)以及價(jià)格較低廉等優(yōu)點(diǎn)。上個(gè)世紀(jì)八十年代，半導(dǎo)體激光器開始在光存儲(chǔ)市場(chǎng)應(yīng)用，到了九十年代應(yīng)用拓寬到了光纖通信，以及后來(lái)激光打印、光譜分析、光信息處理、激光測(cè)距、激光雷達(dá)等獲得廣泛應(yīng)用，范圍覆蓋了整個(gè)光電子領(lǐng)域。

隨著性能和成本的提高，半導(dǎo)體激光器在各種工藝中越來(lái)越多地取代了傳統(tǒng)的氣體激光器或其他能量轉(zhuǎn)移源。基于半導(dǎo)體的激光器已成為廣泛應(yīng)用中普遍使用的工具。工業(yè)應(yīng)用范圍從傳統(tǒng)制造工藝（如切割和焊接）到新的先進(jìn)制造技術(shù)（如3D打印金屬零件的增材制造）。

全球半導(dǎo)體激光器市場(chǎng)規(guī)模較大，預(yù)計(jì)將由2014 年的42.12億美元增加到2018 年的56.16 億美元，年復(fù)合增長(zhǎng)率為7.46％。

國(guó)產(chǎn)廠商正在發(fā)力

目前，國(guó)內(nèi)的激光企業(yè)也開始重視半導(dǎo)體激光器的業(yè)務(wù)，并開始布局。

以光纖激光器為主要業(yè)務(wù)的福建中科光匯同樣也推出了一款高功率光纖耦合半導(dǎo)體激光器。光纖耦合半導(dǎo)體激光器系列涵蓋100瓦到2000瓦的輸出功率型號(hào)，是為工業(yè)材料加工、PCB板焊接及復(fù)合材料加熱等應(yīng)用而設(shè)計(jì)的。高效率、可靠性高、免維護(hù)的性能特點(diǎn)，使該系列激光器可以廣泛地應(yīng)用于材料焊接、表面處理和復(fù)合材料加熱等領(lǐng)域。其使用QBH、QD光纖輸出頭與焊接頭匹配，同時(shí)也可使用QCS光纖輸出頭與掃描振鏡，可滿足大多數(shù)應(yīng)用的需求。

高功率光纖耦合半導(dǎo)體激光器

創(chuàng)鑫激光是國(guó)內(nèi)的知名光纖激光器制造商，主要產(chǎn)品為脈沖光纖激光器系列和連續(xù)光纖激光器系列。然而，創(chuàng)鑫很早前就推出了一款HDLS系列的半導(dǎo)體激光器。HDLS 系列（1000W/1500W）是創(chuàng)鑫激光開發(fā)的高效率、高可靠性、免維護(hù)的高功率半導(dǎo)體激光器系列，采用水冷方式，激光器效率>40%。HDLS高功率光纖耦合半導(dǎo)體激光系統(tǒng)具有比光纖激光器更高的電光轉(zhuǎn)換效率、更加緊湊的體積以及更具競(jìng)爭(zhēng)力的價(jià)格。激光通過(guò)傳導(dǎo)光纖輸出，適合與自動(dòng)化設(shè)備一同使用，實(shí)現(xiàn)激光柔性加工。這些特點(diǎn)使得HDLS高功率光纖耦合半導(dǎo)體激光系統(tǒng)完美適用于金屬材料的熔覆、釬焊以及表面熱處理等應(yīng)用。

創(chuàng)鑫激光HDLS系列 半導(dǎo)體激光器

國(guó)內(nèi)著名半導(dǎo)體激光器公司凱普林光電多年來(lái)從事從小功率到高功率的半導(dǎo)體激光器生產(chǎn)，并且很多是用作泵浦源，現(xiàn)在也開始做直接輸出半導(dǎo)體激光器。凱普林在一年多前推出了1000W - 3000W、波長(zhǎng)范圍為915/980nm的直接半導(dǎo)體激光器子系統(tǒng)，適用于激光金屬焊接、激光熔覆、激光淬火、以及表面熱處理。

國(guó)內(nèi)光纖激光器領(lǐng)頭羊武漢銳科激光在數(shù)年前也已經(jīng)介入半導(dǎo)體激光的產(chǎn)品開發(fā)，至今為止成功推出了80-4000瓦之間的各類光纖輸出半導(dǎo)體激光器。百瓦級(jí)光纖輸出半導(dǎo)體激光器主要應(yīng)用領(lǐng)域包括激光錫焊和激光透射焊接塑料。中功率光纖輸出半導(dǎo)體激光器主要應(yīng)用于金屬薄板熱傳導(dǎo)焊接。高功率光纖輸出半導(dǎo)體激光器主要應(yīng)用于淬火、熔覆領(lǐng)域。

深圳市聯(lián)贏激光已經(jīng)推出了成熟的50-1000瓦光纖耦合半導(dǎo)體激光器，并且公司宣布開發(fā)完成2KW光纖激光器和3KW半導(dǎo)體激光器，將在下半年投放市場(chǎng);新開發(fā)完成最大復(fù)合功率5KW復(fù)合激光焊接機(jī)并投放市場(chǎng),YAG激光焊接機(jī)通過(guò)美國(guó)FCC認(rèn)證,可以直銷美國(guó)市場(chǎng)。這為聯(lián)贏繼續(xù)推動(dòng)半導(dǎo)體激光焊接設(shè)備業(yè)務(wù)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

半導(dǎo)體激光器的未來(lái)

基于半導(dǎo)體激光器在廣泛的工業(yè)領(lǐng)域有著很大的應(yīng)用潛力。在目前激光切割充分發(fā)展的情況下，未來(lái)激光焊接和表面處理的應(yīng)用開發(fā)必然會(huì)給半導(dǎo)體激光帶來(lái)較大的成長(zhǎng)性。微制造應(yīng)用甚至更加多樣化，因?yàn)橥ㄟ^(guò)這些激光器的精確功率輸送，諸如智能手機(jī)之類的關(guān)鍵產(chǎn)品已經(jīng)在商業(yè)上可行。航空航天和國(guó)防應(yīng)用涉及廣泛的任務(wù)關(guān)鍵型應(yīng)用，未來(lái)可能包括下一代定向能源系統(tǒng)。

50年前，摩爾基于自己的行業(yè)理解對(duì)半導(dǎo)體的發(fā)展做出了一個(gè)預(yù)測(cè)，盡管這個(gè)預(yù)測(cè)并不是什么基本物理定律，但是事實(shí)證明它幾十年來(lái)一直都是正確的，而且半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了幾十年前無(wú)法想象的顛覆性創(chuàng)新。正如摩爾定律一般，沒(méi)人能預(yù)測(cè)到后來(lái)的半導(dǎo)體激光器亮度的指數(shù)級(jí)進(jìn)步會(huì)通過(guò)很多各種不同的創(chuàng)新來(lái)實(shí)現(xiàn)。盡管半導(dǎo)體激光器亮度的指數(shù)級(jí)進(jìn)步也沒(méi)有基本物理定律作為依據(jù)，但是持續(xù)的科技進(jìn)步很有可能持續(xù)這個(gè)趨勢(shì)。半導(dǎo)體激光將會(huì)繼續(xù)代替?zhèn)鹘y(tǒng)技術(shù)并進(jìn)一步影響制造業(yè)。