半导体激光产业前景：攻克瓶颈“激”不可失

如今，半导体激光器作为一种新型光源以其结构紧凑、光束质量好、寿命长及性能稳定等优势受到青睐，并且在众多加工领域开辟了广泛的应用前景。它既可用作光纤激光器的泵浦源、固体激光器泵浦源，也可直接应用于激光医疗，材料加工如熔覆、焊接等领域。

根据一项市场调研，半导体激光器目前占整个激光领域产品销售总额的60%。该产品在中国市场的总收入持续增长，其中2017年半导体激光器在中国市场的收入较上一年增长15.5%，达到21.9亿美元，需求量庞大，预计2018年总收入将达到22.5亿美元。到2023年，预计我国半导体激光产业市场规模将接近300亿元。

另外，高功率半导体激光器被大量用于工业智能装备。2016年中国激光加工装备装机量达到全球的35%，总产值333亿元；2017年突破了400亿，产业转型和中国制造2025带动了激光装备的高速增长。

国内外半导体激光器技术领域的创新成果

尽管起步相对较晚，但近几年中国在高功率、高光束质量大功率半导体激光器相关领域已经取得了长足的进步，如北京凯普林光电公司在单个单元器件的光纤耦合方面，西安炬光科技公司在半导体激光芯片的封装方面均接近或达到了国际先进水平，北京工业大学在半导体激光器系统方面达到了国际先进水平。然而，在半导体激光器的核心部件——半导体激光芯片的研制和生产方面，一直受外延生长技术、腔面钝化技术以及器件制作工艺水平的限制，国产半导体激光器件的功率、寿命方面较之国外先进水平尚有较大差距，继而导致国内实用化高功率、长寿命半导体激光芯片主要依赖于进口，直接导致我国半导体激光器系统的价格居高不下，严重影响了大功率半导体激光器在我国的推广应用。

随着半导体材料外延生长技术、半导体激光波导结构优化技术、腔面钝化技术、高稳定性封装技术、高效散热技术水平的不断提高，半导体激光器的功率及光束质量飞速发展，促进了直接工业用半导体激光加工系统和高功率光纤激光器的发展。随着化合物半导体技术的进步，工业用大功率半导体激光器的输出功率和光束质量将进一步提高，并且其工业应用范围将不断扩展。未来在工业激光加工中，尤其是在金属激光加工领域，大功率半导体激光器主要被应用于激光表面处理、激光熔覆和近距离激光焊接等领域。

2月1日，中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所与多家企业合作，成立了国内首家氮化镓基蓝绿光半导体激光器材料和器件生产企业。这意味着，被国外垄断的蓝绿光半导体激光器即将实现国产化。氮化镓基蓝绿光半导体激光器是第三代半导体材料的重要方向。尽管目前它在市场上初露头角，但未来将与人们的生活息息相关，比如大屏幕激光显示。

“激光显示的核心器件包括红、绿、蓝三基色半导体激光器。”中科院苏州纳米所研究员张书明指出，红光半导体激光器技术相对成熟，蓝绿光半导体激光器技术难度较大。此前国际上只有日本和德国的两家企业实现蓝绿光半导体激光器的量产。

再把目光投向国外市场。例如，美国TeraDiode公司已开发出一款超高亮度的千瓦量级直接半导体激光器。该激光器在COTS半导体激光器基础上采用新的合束与整形技术，使输出光束的光束参量积达到了3.75mm-mrad。采用单根芯径为50μm，数值孔径为0.15的光纤耦合输出时，在单一中心波长下该激光器的输出功率达到了2030W。这种尾纤输出的两千瓦直接半导体激光器具有与工业用光纤和CO2激光器相比拟的亮度，比现今最好的直接半导体激光器的输出光束亮度高十倍以上，非常适用于工业中的材料处理，包括金属薄片的切割和焊接。另外，该公司利用高亮度光束的合束与整形方法，可实现任何波长的二极管和半导体激光器的结合。

产业瓶颈知多少

任何产业都是机遇与挑战并存的，半导体激光行业也不无例外。从国内看，该行业面临的一大瓶颈便是国产半导体激光芯片的缺失，无论是高功率芯片还是高速光通讯芯片，以及传感器VSCEL芯片等等。其次，半导体激光产业链发展不平衡，下游市场占有率高，但赢利能力弱。第三，同质化竞争激烈。具体表现为高功率半导体激光器过度依赖于光纤激光器泵浦源，基本依靠进口芯片进行封装，但基于光纤激光器竞争激烈，导致泵浦源市场也基本沦为同质化竞争。另外，直接半导体应用投入少。用于材料加工领域的直接半导体激光器几乎没有资源投入，亮度不高，可靠性低，只能做低端应用，或应用于熔覆和表面处理等小众市场，难以推动直接半导体应用市场的大规模拓展。

另外，去年在西安炬光科技股份有限公司和德国LIMO共同主办的“第三届高功率半导体激光应用论坛”上，炬光科技董事长、总经理刘兴胜博士也谈到了高功率半导体激光器的应用和市场趋势。他表示，高功率半导体激光器以其结构紧凑、电光转换效率高、可靠性高和寿命长等优点，正成为光电行业中最具发展前途的领域之一。“然而，目前高功率半导体激光器的市场占有率却不是很高，小于7%，光束质量成为限制这一产品在市场上广泛应用的关键因素之一。鉴于此，为了最大程度地开发半导体激光器的市场应用潜力，在产品的设计中，应当将半导体激光光源技术和微光学与光束整形技术紧密结合。激光光源和微光学整形技术的匹配和协同设计将为产品开辟更多的应用空间和可能性。”