文稿/本刊Nick Xu

關注激光行業的人都知道，光纖激光器是時下最熱門的激光器。然而你是否知道，光纖激光器其實是靠半導體激光來作為泵浦源的？

甘當綠葉——為何半導體激光器很多時候只是配角？

一直以來，大部分半導體激光器都用于泵浦摻雜晶體（二極管泵浦固態激光器）或摻雜光纖（光纖激光器）。為什么過去半導體激光會被用來作為固態激光器和光纖激光器的泵浦源，而不是直接用于廣泛的應用呢？這是因為，雖然半導體激光器提供高效、小型、低成本的激光能源，但同時半導體激光器也存在兩個主要限制：它們不存儲能量，而且亮度有限。基本上許多應用需要用到兩個激光器; 一個用于將電轉換為激光發射，另一個用于提高激光發射的亮度。

在解決提高亮度方面的問題時，光纖激光器是一個非常理想的解決方案，光纖激光器提供了一種經濟有效的方式來轉換高功率半導體激光器的亮度。雖然波長多路復用光學器件可以將相對低亮度的半導體激光器轉換為更亮的半導體激光器，但這是以增加光譜寬度和光機械復雜性為代價的。而且事實證明，光纖激光器在亮度轉換方面特別有效。

半導體激光器的發展

半導體激光器應用的不斷拓寬與其亮度的提升有著直接的聯系。早在1985年時，一臺當時最先進的高功率半導體激光器僅可以將100 mW的功率耦合到105μm芯徑的光纖中，而現在，最先進的高功率半導體激光器可以在單個波長的105μm光纖中產生250 W以上的功率——以每八年十倍的指數增長。就像摩爾定律一樣—— 摩爾推測每過18~24個月，集成電路能容納的電子元件的數量將翻一倍，隨后，每個芯片的晶體管數量每七年增加了10倍。碰巧的是，高功率半導體激光器已經以類似的指數速率將更多的光子塞進光纖中。高功率半導體激光器的卓越性得益于各種不可預見的技術進步，雖然需要新的創新來延續這一趨勢，但有理由相信半導體激光技術的創新遠未消耗殆盡。

半導體激光器的應用和市場

半導體激光器較小的尺寸和外觀使其成為許多應用的理想選擇。半導體激光器壽命長，從成本的角度來看，半導體激光器是經濟的。此外，半導體激光還具有結構簡單、運轉可靠性高、低功耗、電光轉換效率高、易于大規模生產以及價格較低廉等優點。上個世紀八十年代，半導體激光器開始在光存儲市場應用，到了九十年代應用拓寬到了光纖通信，以及后來激光打印、光譜分析、光信息處理、激光測距、激光雷達等獲得廣泛應用，范圍覆蓋了整個光電子領域。

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

全球半導體激光器市場規模較大，預計將由2014 年的42.12億美元增加到2018 年的56.16 億美元，年復合增長率為7.46％。

國產廠商正在發力

目前，國內的激光企業也開始重視半導體激光器的業務，并開始布局。

以光纖激光器為主要業務的福建中科光匯同樣也推出了一款高功率光纖耦合半導體激光器。光纖耦合半導體激光器系列涵蓋100瓦到2000瓦的輸出功率型號，是為工業材料加工、PCB板焊接及復合材料加熱等應用而設計的。高效率、可靠性高、免維護的性能特點，使該系列激光器可以廣泛地應用于材料焊接、表面處理和復合材料加熱等領域。其使用QBH、QD光纖輸出頭與焊接頭匹配，同時也可使用QCS光纖輸出頭與掃描振鏡，可滿足大多數應用的需求。

高功率光纖耦合半導體激光器

創鑫激光是國內的知名光纖激光器制造商，主要產品為脈沖光纖激光器系列和連續光纖激光器系列。然而，創鑫很早前就推出了一款HDLS系列的半導體激光器。HDLS 系列（1000W/1500W）是創鑫激光開發的高效率、高可靠性、免維護的高功率半導體激光器系列，采用水冷方式，激光器效率>40%。HDLS高功率光纖耦合半導體激光系統具有比光纖激光器更高的電光轉換效率、更加緊湊的體積以及更具競爭力的價格。激光通過傳導光纖輸出，適合與自動化設備一同使用，實現激光柔性加工。這些特點使得HDLS高功率光纖耦合半導體激光系統完美適用于金屬材料的熔覆、釬焊以及表面熱處理等應用。

創鑫激光HDLS系列 半導體激光器

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

國內光纖激光器領頭羊武漢銳科激光在數年前也已經介入半導體激光的產品開發，至今為止成功推出了80-4000瓦之間的各類光纖輸出半導體激光器。百瓦級光纖輸出半導體激光器主要應用領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體激光器主要應用于金屬薄板熱傳導焊接。高功率光纖輸出半導體激光器主要應用于淬火、熔覆領域。

深圳市聯贏激光已經推出了成熟的50-1000瓦光纖耦合半導體激光器，并且公司宣布開發完成2KW光纖激光器和3KW半導體激光器，將在下半年投放市場;新開發完成最大復合功率5KW復合激光焊接機并投放市場,YAG激光焊接機通過美國FCC認證,可以直銷美國市場。這為聯贏繼續推動半導體激光焊接設備業務打下了堅實基礎。

半導體激光器的未來

基于半導體激光器在廣泛的工業領域有著很大的應用潛力。在目前激光切割充分發展的情況下，未來激光焊接和表面處理的應用開發必然會給半導體激光帶來較大的成長性。微制造應用甚至更加多樣化，因為通過這些激光器的精確功率輸送，諸如智能手機之類的關鍵產品已經在商業上可行。航空航天和國防應用涉及廣泛的任務關鍵型應用，未來可能包括下一代定向能源系統。

50年前，摩爾基于自己的行業理解對半導體的發展做出了一個預測，盡管這個預測并不是什么基本物理定律，但是事實證明它幾十年來一直都是正確的，而且半導體技術的進步已經實現了幾十年前無法想象的顛覆性創新。正如摩爾定律一般，沒人能預測到后來的半導體激光器亮度的指數級進步會通過很多各種不同的創新來實現。盡管半導體激光器亮度的指數級進步也沒有基本物理定律作為依據，但是持續的科技進步很有可能持續這個趨勢。半導體激光將會繼續代替傳統技術并進一步影響制造業。