一、激光器分类——增益介质、波长、工作模式
一般激光器可以从增益介质、波长和工作模式等方面进行分类。
1.激光器根据增益介质分类
根据增益介质,可以将激光器分为液体激光器、气体激光器、固体激光器、半导体激光器和光纤激光器5大类,每一大类下还可细分诸多小类。
激光器按照增益介质分类
2.激光器按照波长分类
根据激光波长可以将激光器分为紫外激光器(390nm-10nm)、红外激光器(小于760nm)、可见光激光器(760nm-390nm)。不同结构的物质可吸收的光波长范围不同,波长越短,材料对激光的吸收率越高,穿透能力越强。例如由于金属对于近红外光吸收效率高,所以近红外激光器比较适用于金属材料加工。
光谱图
3.激光器按照工作模式分类
激光器的工作模式包括脉冲宽度、功率和运转方式。
根据脉冲宽度的不同,激光器可以具体分为毫秒激光器、微秒激光器、纳秒激光器、皮秒激光器和飞秒激光器,每一种激光器的光脉冲间隔是上一个的千分之一。目前已经开始向皮秒和飞秒发展。
根据功率不同可以分为低功率激光器、中功率激光器和高功率激光器。100W以下的称为低功率激光器,100万以上、1000W以下的称为中功率激光器。高功率激光器是功率在1000W以上的激光器。
工作运转方式可以分为连续激光器和脉冲激光器,也可分为单模激光器和多模激光器。
激光器按照工作模式分类
综上所述,以上三种分类方式组合如下图:
激光器分类
数据来源:国金电子
二、激光产业链及半导体激光器
1.激光产业链
上游主要包括:泵浦源、增益介质和谐振腔,中游主要是激光器和激光设备,下游主要是一些激光应用领域。
激光设备主要包含激光切割、激光焊接、激光打标、激光雕刻、激光钻孔、医疗美容等10大领域。
下游应用主要集中在汽车通信和电子信息领域。
2.半导体激光器
从技术发展趋势上看,光纤激光器和半导体激光器将是主流。半导体激光器可以是单独的激光器,也可以是连续光纤激光的泵浦源,半导体激光器的体积更小,光电转换效率更高。由于光束质量的区别,半导体激光器在工业中的应用和光纤激光器存在某种程度的互补关系。
半导体激光器又被称为激光二极管或镭射管,英文简称LD。
最常见的激光二极管实物图及内部连接图
激光二极管的发光原理:激光二极管中的P-N结由两个掺杂的砷化镓形成,有两个平端结构,平行于一端镜像(高度反射面)和一部分反射,要发射的光的波长和连接处的长度正相关。当P-N结与外部电压源正向偏置时,电子通过结移动,并像普通二极管一样重新组合。当电子与空穴复合时,光子被释放。这些光子撞击原子,导致更多的光子被释放。随着正向偏置电流的增加,更多的电子进入耗尽区并导致更多的光子被发射。最终,在耗尽区内随机漂移的一些光子垂直照射反射表面,从而沿着它们的原始路径反射回去。反射的光子再次从结的另一端反射回来。光子从一端到另一端的这种运动连续多次。在光子运动过程中,由于雪崩效应,更多的原子会释放更多的光子。这种反射和产生越来越多的光子的过程产生非常强烈的激光束。
LD的基本工作原理
在上面解释的发射过程中产生的每个光子与在能级、相位关系和频率上的其他光子相同。因此,发射过程给出单一波长的激光束。为了产生一束激光,必须使激光二极管的电流超过一定的阈值电平。低于阈值水平的电流迫使二极管表现为LED,发出非相干光。
激光二极管内部包括四部分:
1)激光发射部分(一般用LD表示),作用是发射激光;
2)光电二极管,是激光的接收反馈器(一般用PD表示),作用是接收和监测LD发出的激光,如果不需要监测LD的输出,可以不装置PD,PD和LD两部分之间需要共用公共电极,因此激光二极管一般有三个电极;
3)玻璃盖片做的镜头,其作用是防尘和充当谐振腔;
4)金属外壳,主要有固定、屏蔽外界干扰信号和散热的作用。
激光二极管构造
激光二极管根据P-N结的不同,可以分为同质结、单异质结(SH)、双异质结(DH)和量子阱(QW)激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低、输出功率高的优点,是目前市场应用的主流产品。
QW结构类似于三明治,中间为很薄的半导体膜,外侧是两个隔离层。用激光朝QW中扫一下,可以让半导体膜产生电子和正点空穴,后期电子和空穴结合,释放出光子。一般将QW做薄,厚度不足30埃米,使得中间层产生的电子和空穴结合时,不以光子的形式释放能量而以变化的电场的方式释放能量。电池会让附近的量子点形成新的电子和空穴,最终放出光子。
量子点、量子线、量子阱示意图
一般按照使用方式可以将半导体激光器分为泵浦源、直接半导体激光器。
按照功率可以分为100W以下的小功率激光器,100-1000瓦的中功率激光器,1kw以上的高功率激光器。
按照工作介质可以分为硅基材料激光器、二四族激光器、三五族激光器。
按照波长可以分为远红外长波激光器、红外长波激光,可见光激光器,按照应用方向可以分为信息型激光器和功率型激光器。
半导体激光器分类
根据长城证券援引的lasermarket research的数据,2014年全球半导体激光器市场规模为42.12亿美元,预计2018年为56.16亿美元,CAGR为7.46%。
根据中商产业研究院数据库数据,2017年我国直接半导体激光器市场规模达到 1.97 亿元,增长率为47.01%。目前因为半导体激光器受材料、成本和技术等因素限制,国内市场规模相对较小,但整体预计将持续扩大。预计 2018 年直接半导体激光器市场规模将突破 2.7 亿元。
2014-2018年全球半导体激光器市场规模
2016-2020 年中国直接半导体激光器市场规模
中国直接半导体激光器市场规模是全球市场规模的七十分之一,但平均增速是全球半导体激光器的6倍左右。